Tesis:
Methodological developments for sustainability assessment of energy technologies
- Autor: GAMARRA RODRÍGUEZ, Ana Rosa
- Título: Methodological developments for sustainability assessment of energy technologies
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL Y DEL MEDIO AMBIENTE
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/77122/
- Director/a 1º: LECHÓN PÉREZ, Yolanda
- Director/a 2º: ANDRÉS ALMEIDA, Juan Manuel de
- Resumen: During the last centuries, human activities have intensified their influence over the environment triggering environmental, social and economic problems. Among these, climate change is bringing unequivocal consequences for the lives of people at the global scale. The damages on ecosystems, human health, biodiversity and impacts on social and economic well-being of people have been demonstrated. Faced with the challenge of confronting this situation, a new paradigm of sustainable development is emerging.
The theoretical umbrella of this thesis is the sustainability framework. After presenting the concepts and main foundations of sustainability, the introductory section frames the nexus between energy transition and use of limited resources. Among the wide range of policies fostering a more sustainable model of development, those related to energy agree on the need to achieve an energy transition towards a decarbonised energy system with renewable energies playing a pivotal role. The assessment of this energy transition requires methodologies that support decision-making processes based on quantifiable criteria. Not exempt of limitations, existing methodologies for sustainability assessment are able to evaluate the impacts on the three pillars of sustainability – environmental, economic and social –. This section also highlights the importance of taking into account new challenges posed by the large-scale development of renewable energies such as new resources’ dependence issues and the supply risks along the value chain.
The goal of this thesis is to propose methodological developments to improve the current methodologies for sustainability assessment and apply them in the field of energy technologies. Therefore, two lines of research were identified, which have been developed in parallel. Due to the methodological nature of this research, the state of the art early alludes to methodological contents, presenting the main foundations, limitations, advantages and recent progresses of the methods and tools for sustainability assessment. Among those, the Extended Multiregional Input-Output Analysis (EMRIO) and the Life Cycle Sustainability Analysis (LCSA) stand out as the most widely used methodologies.
Research Line I was focused on expanding the existing sustainability assessment framework based on EMRIO to identify and quantify the risks along the supply chain. EMRIO methodology enables tracing back the direct and indirect contribution of each country or region to the production of goods and services, and therefore, offers valuable data for the geopolitical analysis of the value chain. This analysis was conducted in three steps. In the first step, two main geopolitical aspects were explored: dependence and level of governance. Various metrics of diversity and various indicators of governance were used to characterize the value chain in a comparative case study of two power generation technologies: a Natural Gas (NG) power plant and a Concentrated Solar Power (CSP) plant with thermal storage. Results showed that the CSP plant supply chain included a more diversified portfolio of countries and with better governance levels than in the case of the NG plant supply chain. This means, a priori, that the supply risks of investing in CSP plants will be lower, as well as the endogenous geopolitical risks. However, a sensitivity analysis for the solar plant components considering different suppliers reveals that the CSP power plant value chain could also entail similar or even higher levels of governance risk than NG power plants when some components are supplied from China. Therefore, the proposed method allows to identify hidden dependencies, and characterize them in terms of dependence and governance. However, limitations to properly reflect the exogenous geopolitical risks and the own limitations of EMRIO should be considered.
In the second step, a new combined dependence-governance indicator was proposed as methodological improvement from the previous step. In addition, this analysis was conducted as a part of a comprehensive integrated sustainability assessment based on EMRIO. As case study, the implementation of a 200 MW CSP plant in Spain was evaluated by comparing the sustainability impact of the two main technologies (parabolic trough and central receiver) under three different scenarios of supply (in terms of the origin of components). Another novelty was the application of the indicator of supply risk for the extraction of silver, a key mineral to the deployment of solar technologies. Results revealed that supply risks were lower when Germany supplies the main components. The scenario in which Spain supplies all components did not show significant differences with the scenario in which China supplies some components in terms of value of the indicator of supply risk, although differences in origin were identified. These results suggested greater efficiency in the use of resources by German sectors and greater involvement of European suppliers (with higher levels of governance, with some exceptions).
The third step was focused on developing a framework of analysis able to cover the basic dimensions of the energy security characterizing the vulnerability of the energy supply chain: availability, dependence and resilience. Additionally, governance considerations were included in the framework of analysis for each individual component. The aim of the method was to identify and characterize the potential risks and strengths along the supply chain of a set of metals associated to energy investments. Given the relevance of minerals for the energy transition the assessment departed from quantification of the required extraction of ten different metals along the value chain using EMRIO methodology. As case study, two solar energy technologies were evaluated and compared: CSP with thermal storage and photovoltaics (PV) with batteries. First, different metrics and indicators for the analysis of the supply chain were analysed. Second, a framework of analysis including quantifiable components of the supply chain risks and strengths was proposed. Geographical diversity of suppliers, abundance of reserves, circularity and level of governance were found as the key components able to cover these components. Then, two perspectives for the analysis were presented: (1) the analysis of individual components of the supply risks’ criterion; and (2) a combined index that represents the strength of the value chain. The results showed, in general, a better performance of the CSP in the indicators of availability of resources and diversity of suppliers but slightly worse scores in the resilience and governance criterion. The analysis based on the index reflects an overall better performance of CSP. As for the metals, platinum, silver and tin play the main role in the analysed risks.
In light of the limitations of EMRIO and LCA, the Research Line II focused on proposing methodological improvements of EMRIO-LCA hybridization. To this end, a new stepwise tiered hybrid approach combining Life Cycle assessment and EMRIO was developed, called Identification and Subtraction Method (ISM). Focusing only on environmental assessment, the proposed method was tested by evaluating seven environmental indicators and comparing the results obtained with different methodological approaches: EMRIO, LCA and two hybrid approaches. One more time, the case study of CSP was used. The results showed that, in general, LCA and EMRIO provided the lowest and highest impact values, respectively. The highest differences between the results obtained by the different methods are in the assessment of local impacts and resource depletion, while the methods tend to agree more on the quantification of global and regional impacts. The ISM method achieves the goal of extending the boundaries of LCA by including indirect impacts, avoiding double counting and retaining the technological detail and representativeness of LCA. The main advantage is the ability to establish the impact coming from the LCA system boundaries with high accuracy. However, some truncation error still remains as it cannot include the partial contributions of EMRIO sectors. The proposed ISM method is easy for LCA practitioners to perform, consumes little time once the LCA and EMRIO models are built, and does not require the alteration of the multiregional input-output table like other hybrid methods do. However, both the EMRIO and LCA analyses could imply a large need for detailed data and some limitations on the characterization of substances were found.
Conclusions highlight the relevant contribution to the sustainability assessments of energy investments of the research conducted in Research Line I. In fact, the inclusion of the analysis of risks from the point of view of geopolitical and energy security insights into an integrated sustainability assessment covering the three pillars conforms a very powerful tool. The research developed provides a tool that covers the three main dimensions of energy security along the value chain - dependence, availability and resilience by the four-component framework and offers a complete characterization of the supply chain. Case study application of this method has led to the conclusion that the European deployment of renewables should be accompanied by measures to secure supply, such as cooperation agreements, and should also encourage the recovery of secondary material by maximising European resilience. As for the contribution of Research Line II, the proposed hybrid ISM method succeeds in improving the quantification of impacts by maximising the completeness of the assessment while minimising the double counting problems of the classical tiered method and the complexity of other hybrid methods. The logical next step is to combine the methodological advances developed in Research Lines I and II. That is to assess the risks (or strengths) along the supply chain of a renewable technology, using the method developed in Research Line I, based on the quantification results of metals or minerals provided by the ISM method developed in Research Line II. As for each of the followed research lines individually, many other developments can be undertaken. From the point of view of supply risks analysis, current policy for energy transition put the stress on the assessment of risks of Critical Raw Materials (CRM), not still properly quantified by EMRIO tables. Thus, developments in this regard could be addressed. Related to criteria and components of supply risks, the use of tools for spatial-analysis could address exogenous geopolitical aspects and other indicators related to bilateral relationships among countries. Among the future research following the proposed ISM method, testing the method in other case studies for further validation could be of interest. Secondly, this method could be applied considering other relevant impacts (e.g. land use) not only environmental but also socioeconomic or social impacts.
RESUMEN
Durante los últimos siglos, las actividades humanas han intensificado su influencia sobre el medio ambiente desencadenando problemas medioambientales, sociales y económicos. Entre ellos, el cambio climático está trayendo consecuencias inequívocas para la vida de las personas a escala mundial. Se han demostrado daños en los ecosistemas, la salud humana, la biodiversidad, así como impactos en el bienestar social y económico de las personas. Ante el reto de hacer frente a esta situación, ha surgido un nuevo paradigma de desarrollo sostenible.
El marco teórico de esta tesis gira en torno a la sostenibilidad. Tras presentar los conceptos y fundamentos principales de la sostenibilidad, la sección introductoria enmarca el nexo con la transición energética y el uso de recursos limitados. Entre el amplio abanico de políticas que promueven un modelo de desarrollo más sostenible, las relacionadas con la energía coinciden en la necesidad de lograr una transición energética hacia un sistema energético descarbonizado en el que las energías renovables jueguen un papel fundamental. La evaluación de esta transición energética, requiere de metodologías que apoyen los procesos de toma de decisiones en base a criterios cuantificables. No exentas de limitaciones, las metodologías existentes para la evaluación de la sostenibilidad son capaces de evaluar los impactos sobre los tres pilares de la sostenibilidad -medioambiental, económico y social-. Esta sección también destaca la importancia de tener en cuenta los nuevos retos que plantea el desarrollo a gran escala de las energías renovables, como los problemas de dependencia de nuevos recursos y los riesgos de suministro a lo largo de su cadena de valor.
El objetivo de esta tesis es proponer desarrollos metodológicos para mejorar las actuales metodologías de evaluación de la sostenibilidad y aplicarlos en el campo de las tecnologías energéticas. Por ello, se identificaron dos líneas de investigación, que se han desarrollado en paralelo. Debido a la naturaleza metodológica de esta investigación, en el estado del arte se alude a los contenidos metodológicos existentes, presentando los principales fundamentos, limitaciones, ventajas y avances recientes de los métodos y herramientas para la evaluación de la sostenibilidad. Entre ellos, destacan el Análisis Input-Output Multirregional Ampliado (EMRIO por sus siglas en inglés) y el Análisis de la Sostenibilidad del Ciclo de Vida (LCSA por sus siglas en inglés) como las metodologías más utilizadas.
La Línea de Investigación I se centró en ampliar el marco existente de evaluación de la sostenibilidad basado en EMRIO para identificar y cuantificar los riesgos a lo largo de la cadena de suministro. La metodología EMRIO permite rastrear la contribución directa e indirecta de cada país o región a la producción de bienes y servicios y, por tanto, ofrece datos valiosos para el análisis geopolítico de la cadena de valor. Este análisis se ha realizado en tres etapas. En el primer paso, se exploraron dos aspectos geopolíticos principales: la dependencia y el nivel de gobernanza. Se utilizaron varias métricas de diversidad y varios indicadores de gobernanza para caracterizar la cadena de valor en un estudio de caso comparativo de dos tecnologías de generación de energía: una central eléctrica de gas natural (NG por sus siglas en inglés) y una central de energía solar concentrada (CSP por sus siglas en inglés) con almacenamiento térmico. Los resultados mostraron que la cadena de suministro de la central de CSP incluía una composición de países más diversificada y con mejores niveles de gobernanza que en el caso de la cadena de suministro de la central de GN. Esto significa, a priori, que los riesgos de suministro de la inversión en centrales CSP serán menores, así como los riesgos geopolíticos endógenos. Sin embargo, un análisis de sensibilidad para los componentes de las centrales solares considerando diferentes proveedores revela que la cadena de valor de las centrales de CSP también podría conllevar niveles de riesgo de gobernanza similares o incluso superiores a los de las centrales de GN cuando algunos componentes se suministran desde China. Por tanto, el método propuesto permite identificar dependencias ocultas y caracterizarlas en términos de dependencia y gobernanza. Sin embargo, deben tenerse en cuenta las limitaciones para reflejar adecuadamente los riesgos geopolíticos exógenos, así como las propias limitaciones de EMRIO.
En el segundo paso, se propone un nuevo indicador combinado de dependencia-gobernanza como mejora metodológica del paso anterior. Además, este análisis se llevó a cabo como parte de una evaluación global integrada de la sostenibilidad basada en EMRIO. Como caso de estudio, se evaluó el despliegue de una central de CSP de 200 MW en España comparando el impacto en la sostenibilidad de las dos tecnologías principales (cilindro-parabólica y de receptor central) bajo tres escenarios diferentes de suministro (en cuanto al origen de los componentes). Otra novedad fue la aplicación del indicador de riesgo de suministro para la extracción de plata, un mineral clave para el despliegue de las tecnologías solares. Los resultados revelaron que los riesgos de suministro eran menores cuando Alemania suministra los principales componentes. El escenario en el que España suministra todos los componentes no mostró diferencias significativas con el escenario en el que China suministra algunos componentes en cuanto al valor del indicador de riesgo de suministro, aunque sí se identificaron diferencias en el origen. Estos resultados sugieren que existe una mayor eficiencia en el uso de los recursos por parte de los sectores alemanes. Así mismo, se identificó una mayor contribución de los proveedores europeos (con mayores niveles de gobernanza, con algunas excepciones).
El tercer paso se centró en desarrollar un marco de análisis capaz de cubrir las dimensiones básicas de la seguridad energética que caracterizan la vulnerabilidad de la cadena de suministro energético: disponibilidad, dependencia y resiliencia. Además, se incluyeron consideraciones de gobernanza en el marco de análisis para cada componente individual. El objetivo del método era identificar y caracterizar los posibles riesgos y puntos fuertes a lo largo de la cadena de suministro de un conjunto de metales asociados a las inversiones energéticas. Dada la relevancia de los minerales para la transición energética, la evaluación partió de la cuantificación de la extracción necesaria de diez metales a lo largo de la cadena de valor utilizando la metodología EMRIO. Como estudio de caso se evaluaron dos tecnologías de energía solar: CSP con almacenamiento térmico y fotovoltaica (PV por sus siglas en inglés) con baterías. En primer lugar, se analizaron diferentes métricas e indicadores para el análisis de la cadena de suministro. En segundo lugar, se propuso un marco de análisis que incluía componentes cuantificables de los riesgos y puntos fuertes de la cadena de suministro. La diversidad geográfica de los proveedores, la abundancia de reservas, la circularidad y el nivel de gobernanza fueron seleccionados como los componentes clave capaces de cubrir todas las dimensiones. A continuación, se presentaron dos perspectivas para el análisis: (1) el análisis de los componentes individuales de los riesgos de suministro; y (2) un índice combinado que representa la fortaleza de la cadena de valor. Los resultados mostraron, en general, un mejor rendimiento de la CSP en los indicadores de disponibilidad de recursos y diversidad de proveedores, pero puntuaciones ligeramente peores en el criterio de resiliencia y gobernanza. El análisis basado en el índice refleja un mejor rendimiento general de CSP. En cuanto a los metales, el platino, la plata y el estaño desempeñan el papel principal en los riesgos analizados. A la luz de las limitaciones de EMRIO y el Análisis de Ciclo de Vida (LCA por sus siglas en inglés), la Línea de Investigación II se centró en proponer mejoras metodológicas de la hibridación EMRIO-LCA. Para ello, se desarrolló un nuevo enfoque híbrido escalonado, denominado Método de Identificación y Sustracción (ISM). Centrándose únicamente en la evaluación medioambiental, el método propuesto se puso a prueba mediante la evaluación de siete indicadores medioambientales y comparando los resultados obtenidos con distintos enfoques metodológicos: EMRIO, LCA y dos enfoques híbridos. Una vez más, se utilizó el estudio de caso de la CSP. Los resultados mostraron que, en general, el LCA y el EMRIO proporcionaron los valores de impacto más bajos y más altos, respectivamente. Las mayores diferencias entre los resultados obtenidos por los distintos métodos se dan en la evaluación de los impactos locales y el agotamiento de los recursos, mientras que los métodos tienden a coincidir más en la cuantificación de los impactos globales y regionales. El método ISM consigue el objetivo de ampliar los límites del LCA incluyendo los impactos indirectos, evitando la doble contabilización y conservando el detalle tecnológico y la representatividad del LCA. La principal ventaja es la capacidad de establecer con gran precisión el impacto procedente de los límites del sistema de LCA, aunque sigue existiendo cierto error de truncamiento, ya que no puede incluir las contribuciones parciales de los sectores EMRIO. El método ISM propuesto es fácil de aplicar para los profesionales del LCA, consume poco tiempo una vez construidos los modelos LCA y EMRIO, y no requiere la alteración de la tabla input-output multirregional como hacen otros métodos híbridos. Sin embargo, tanto el análisis EMRIO como el LCA podrían implicar una gran necesidad de datos detallados y se encontraron algunas limitaciones en la caracterización de sustancias.
Las conclusiones destacan la relevante contribución de la investigación realizada en la Línea de Investigación I a las evaluaciones de sostenibilidad de las inversiones energéticas. De hecho, la inclusión del análisis de riesgos desde el punto de vista geopolítico y de seguridad energética en una evaluación integrada de la sostenibilidad que cubre los tres pilares conforma una herramienta muy potente. La investigación desarrollada proporciona una herramienta que abarca las tres dimensiones principales de la seguridad energética a lo largo de la cadena de valor: dependencia, disponibilidad y resiliencia mediante el marco de cuatro componentes y ofrece una caracterización completa de la cadena de suministro. La aplicación de este método a casos prácticos ha llevado a la conclusión de que el despliegue europeo de energías renovables debe ir acompañado de medidas para garantizar el suministro, como acuerdos de cooperación, y también debe fomentar la recuperación de material secundario maximizando la resiliencia del sector industrial europeo. En cuanto a la contribución de la Línea de Investigación II, el método híbrido ISM propuesto consigue mejorar la cuantificación de los impactos maximizando la exhaustividad de la evaluación y minimizando al mismo tiempo los problemas de doble contabilidad del método clásico por niveles y la complejidad de otros métodos híbridos.