Prospective life cycle assessment in environmental analysis of energy transition

Abstract

The energy sector is responsible for significant part of greenhouse gas emissions and for that reason the energy systems need to transform to highly sustainable systems by energy transition. The needed energy transition can be achieved with 100% renewable energy (RE) scenarios. 100% RE scenarios were studied in the thesis and the main technologies that are needed for the fulfillment of the scenarios were identified, which were solar photovoltaics, wind energy, batteries, and hydrogen production by electrolysis.

Prospective LCA (pLCA) is a method where future technologies are evaluated with the use of different scenarios that project future development under certain assumptions. A literature review on pLCA methods was conducted in the thesis. First an initial screening on pLCA literature was conducted where pLCA as a concept was studied and the recommendations and methodologies were gathered. Then an overview of the newer pLCA studies was done with the purpose of finding out the tools and methods used in them. The pLCA studies are usually done for the year 2050 with cradle-to-gate boundaries considering only environmental performance. Prospective data for the system under assessment is usually acquired from the literature or by manual calculations. The background scenario is mostly created using Premise tool which modifies LCI database based on the scenarios created with Integrated assessment models (IAMs) REMIND and IMAGE using inputs from selected Shared Socioeconomic Pathways and Representative Concentration Pathways scenarios.

Lastly, pLCA review of environmental performance analyses of hydrogen production by electrolysers was conducted. Results show that the climate change impacts of production of hydrogen with electrolysers are smaller than with conventional technologies currently and with the future developments, climate change impacts and almost all other impact categories are reduced in the future. The largest impact on climate change impact comes from the used electricity source. The development of the electrolyser system leads usually to minor or at most moderate reductions in climate change impacts. Impacts that increase due to large energy transition towards renewable energy are depletion of minerals and metals, freshwater ecotoxicity and land use.

In the future studies, additional prospective aspects and more specific data should be used, more impact categories considered, recycling and waste treatment development, economic and social factors assessed, and different scenarios used such as 100% RE scenarios.

Energiasektori aiheuttaa merkittävän osan kasvihuonekaasupäästöistä ja siksi energiajärjestelmien on muututtava kestäviksi järjestelmiksi energiasiirtymän avulla. Tarvittava energiasiirtymä voidaan saavuttaa 100% uusiutuvan energian skenaarioilla. Diplomityössä tutkittiin kyseisiä skenaarioita ja niistä tunnistettiin tärkeimmät tekniikat skenaarioiden toteutumisen kannalta, joita olivat aurinkokennotekniikka, tuulivoima, akut ja vedyn tuotanto elektrolyysillä.

Prospektiivinen elinkaarianalyysi (pLCA) on menetelmä, jonka avulla tulevaisuuden tekniikoita arvioidaan käyttämällä erilaisia skenaarioita, jotka ennakoivat tulevaisuuden kehitystä tietyin olettamuksin. Diplomityössä tehtiin kirjallisuuskatsaus pLCA menetelmistä. Ensin suoritettiin pLCA kirjallisuuden seulonta, jossa sitä tutkittiin käsitteenä sekä kerättiin suosituksia ja metodologioita. Sitten tehtiin yleiskatsaus uudempiin pLCA tutkimuksiin, jonka tarkoituksena oli selvittää niissä käytetyt työkalut ja menetelmät. pLCA tutkimukset oli tehty useimmiten vuodelle 2050, joissa systeemin rajat olivat kehdosta portille. Prospektiivinen tieto arvioitavalle järjestelmälle oli usein kerätty kirjallisuudesta tai saatu laskemalla. Taustaskenaario luotiin useimmiten Premise työkalua käyttäen, joka muokkaa LCI-tietokantaa integroiduilla arviointimalleilla, REMIND ja IMAGE, luotujen skenaarioiden perusteella käyttämällä dataa valituista Shared Socioeconomic Pathways ja Representative Concentration Pathways skenaarioista.

Lopuksi suoritettiin katsaus pLCA tutkimuksista, jotka on tehty vedyn tuottamisesta elekrolyysiä käyttäen. Tulokset osoittivat, että elektrolyysin ilmastonmuutosvaikutukset ovat pienemmät kuin perinteisillä teknologioilla ja että tulevan kehityksen myötä ilmastonmuutosvaikutukset ja lähes kaikki muut vaikutusluokat pienenevät. Suurin vaikutus ilmastonmuutokseen on käytetyllä sähkönlähteellä. Elektrolyysijärjestelmän kehitys johtaa yleensä vähän tai kohtalaisesti vaikutusten vähenemiseen. Energiasiirtymän vuoksi vaikutukset lisääntyvät mineraalien ja metallien, veden ekotoksisuuden sekä maankäytön osalta. Tulevissa tutkimuksissa tulisi ottaa huomioon useampia prospektiivisia näkökohtia, käyttää tarkempaa tietoa ja useampia vaikutusluokkia, ottaa huomioon kierrätyksen ja jätteenkäsittelyn kehitys sekä käyttää useampia erilaisia skenaarioita, kuten 100% uusiutuvan energian skenaarioita.