Impact of CO2 compensation methods on the sizing of PV panels in Zero Emission Neighbourhoods

Abstract

For å nå de satte klimamålene, er en reduksjon i totale CO2-utslippene en nødvendighet. Vinteren 2022 publiserte IPCC the Sixth Assessment Report, Climate Change 2022, en rapport som frem- hevet viktigheten av en rask reduksjon i CO2-utslipp. Bygninger står for 32% av total, endelig energibruk, i tillegg til 19% av energirelaterte klimagassutslipp. En reduksjon i klimagassutslipp fra denne sektoren vil derfor ha en betydelig innvirkning, hvor videre nullutslippsnabolag (ZEN) har blitt ansett som et mulig reduksjonstiltak. Hovedmålet med ZEN er å oppnå netto nullutslipp over nabolagets levetid. Gjennom lokal fornybar kraftproduksjon, oftest solcelleanlegg, sørger nabolaget for at eget forbruk dekkes, i tillegg til at det kompenserer for tidligere utslipp fra konstruksjon, materialer og vedlikehold, ved å eksportere utslippsfri kraft til nettet. En kvantifisering av totale utslipp fra kraftsystemet er derfor nødvendig for å forstå miljøpåvirkningen av nabolaget. Kvantifisering av utslipp tilknyttet materiell er en ganske etablert prosess. Imidlertid har kvantifisering av utslipp knyttet til energibehovet vist seg å være ganske utfordrende. Per i dag er det ikke enighet om hvordan man skal beregne utslippsfaktorene for elektrisitet, noe som fører til at ulike metoder brukes avhengig av studieformålet, eller analytikerens syn. I denne oppgaven undersøkes ulike utslippsfaktorer, nemlig årlig gjennomsnittlig-, timesbasert gjennomsnittlig-, kort- siktig marginale- og langsiktig marginale utslippsfaktorer. Dette for å se hvordan de ulike faktorene vil påvirke den optimale dimensjoneringen av et solcelleanlegg i et ZEN. Et casestudie ble laget ved å bruke optimaliseringsmodellen GenX, for å studere nødvendig kraftkapasitet og arealet til et PV-system basert på de forskjellige utslippsfaktorene, i et forenklet nord-europeisk kraftsystem. I tillegg ble det laget et casestudie av havne- og industriområdet Nyhavna i Trondheim, som er planlagt å etableres som et nullutslippsnabolag. Dette for å undersøke hvordan de ulike utslippsfaktorene påvirket nødvendig installert kapasitet og solcelleareal på Nyhavna. Basert på den valgte utslippsfaktorenefaktoren ga de resulterende solcelleanleggsområdene forskjeller på opptil 1 203 447.22 m2. Dette viser at man basert på valgt beregningsmetode, kan oppnå status som ZEN til en potensielt lavere kostnad, enn om man hadde valgt en annen kalkuleringsmetode. Det ble videre funnet en motsatt korrelasjon mellom soltilgjengelighet og utslippsfaktorer, noe som gjorde det vanskelig å kompensere for utslipp knyttet til materiell, konstruksjon og vedlikehold, ved å bruke timesbaserte gjennomsnittlige utslippsfaktorer når sol ble brukt som lokal fornybar energikilde. På grunn av dette ble det sett på et nytt scenario, hvor landbasert vindkraft ble brukt som lokal fornybar energikilde. Dette resulterte i en betydelig reduksjon av nødvendig installert kraftkapasitet. Denne oppgaven tar videre i betraktning kraftsystemets utvikling over tid, på veien mot et nullutslippskraftsystem. Et av hovedpoengene hentet fra dette, er at utslippskompensasjon i et nettonull kraftsystem er vanskelig. Dessuten, basert på casestudiet er det klart at det er behov for mer forskning,for å forstå de faktiske konsekvensene av å utvikle nullutslippsnabolag. Videre er konsensus om valg av beregningsmetode viktig for å sikre konsistens når det gjelder dimensjonering av lokale RES-systemer.

To reach our climate goals, a reduction in total CO2 emissions is a necessity. In Winter 2022, the intergovernmental panel on climate change (IPCC) published the Sixth Assessment Report, Climate Change 2022, highlighting the urgency of a rapid reduction in CO2 emissions. Buildings account for 32% of total final energy use and 19% of energy-related greenhouse gas (GHG) emissions. Hence, a reduction in this sector would have a significant impact, in which zero emission neighbourhoods (ZENs) have been enabled as a possible abatement measure. The main objective of a ZEN is to achieve net zero emissions over the neighbourhood’s lifetime. From local renewable power production, most often solar photovoltaics (PVs), the neighbourhood covers for its own consumption, in addition to compensating for embodied emissions from construction, materials, and maintenance by exporting power to the grid. Quantification of total emissions from the power system is therefore needed to understand the neighbourhood’s environmental impact. Quantification of emissions from materials is fairly established while quantifying the emissions related to the energy demand has proven to be rather challenging. Today, there is no consensus on how to calculate the emission factors for electricity, leading to various methods being used depending on the purpose of study or the view of the analyst. In this thesis, different emission factors are investigated, namely the annual average-, hourly average-, short-run marginal- and long-run marginal emission factors. This, to see how the different factors would impact the optimal dimensioning of a PV system in a ZEN. A case study was created using the optimization model GenX, to study the required power capacity and area of a PV system based on the different emission factors in a simplified north-European power system. In addition, a case study of the port- and industrial area Nyhavna in Trondheim was investigated, an area that is planned to be established as a ZEN. This, to investigate how the different emission factors would influence the required installed capacity and PV area at Nyhavna. Based on the chosen emission factor, the resulting PV system areas gave differences up to 1 203 447.22 m2. From this, it is seen that based on the chosen calculation method, it could be possible to achieve the status as a ZEN at a potentially lower cost. Further, it was found an opposite correlation between the sun availability and emission factors, making it difficult to compensate for embodied emissions using the hourly average emission factor. Because of this, a scenario was investigated using onshore wind power as the local renewable energy source (RES). This resulted in a significant reduction of the required installed power capacity. This thesis further takes into account the development towards a zero emission power system. One of the main points taken from this was that compensation of embodied emissions in a power system reaching zero emission is difficult. Based on the investigated case study, it is clear that more research is needed to understand the actual consequences of developing ZENs. Further, consensus regarding the choice of calculation method is important to ensure consistency regarding dimensioning of local RES systems.