Análisis de sostenibilidad del ciclo de vida de una configuración innovadora de tecnología termosolar

Laburpena

Contar con herramientas para cuantificar la sostenibilidad de productos y servicios es fundamental para que la actividad humana se desarrolle de forma beneficiosa para la sociedad y el medioambiente. Por ello, el Análisis de Sostenibilidad del Ciclo de Vida (ASCV) está actualmente desarrollándose como una herramienta holística que permite evaluar de forma conjunta los impactos ambientales, económicos y sociales de un producto o servicio a lo largo de su ciclo de vida completo. La producción de electricidad es una de las actividades humanas con mayor repercusión en el desarrollo sostenible, y su consumo resulta vital para satisfacer gran parte de nuestras necesidades humanas. La inestabilidad actual en el suministro de combustibles fósiles, junto con la demanda creciente de electricidad y el avance del cambio climático antropogénico, refuerzan la necesidad y preocupación humana por abastecerse urgentemente de fuentes de energía limpias y asequibles. En este contexto nace HYSOL (Innovative Configuration of a Fully Renewable Hybrid CSP Plant, nº 308912), un proyecto europeo del séptimo programa marco encaminado a desarrollar una tecnología híbrida de producción de electricidad mediante energía solar térmica y combustibles gaseosos biomásicos. Esta tesis doctoral se realiza en el marco del proyecto HYSOL, cuantificando su impacto ambiental mediante la metodología de Análisis de Ciclo de Vida, y expandiendo esta cuantificación a las áreas de economía y sociedad con el objetivo de obtener un análisis de sostenibilidad completo. Para la consecución del ASCV llevado a cabo en esta tesis se han realizado las siguientes actividades: • Se ha estudiado el estado del arte actual de la metodología de ASCV para recopilar las recomendaciones y lecciones aprendidas hasta la fecha por la comunidad científica. Dichas lecciones se han integrado en el marco metodológico propuesto en esta tesis para la evaluación de la sostenibilidad de la tecnología HYSOL. • En la evaluación del área ambiental, se ha realizado un Análisis de Ciclo de Vida para determinar y comparar el impacto ambiental potencial de la tecnología HYSOL en sus dos escenarios principales (HYSOL BIO para la operación con biometano y HYSOL GN para la operación con gas natural). Los resultados también se han comparado con el impacto ambiental de la tecnología termosolar convencional en España. Además se ha aplicado el enfoque consecuencial para determinar las consecuencias ambientales de introducir electricidad de la planta HYSOL en el mercado eléctrico español. • Para evaluar el área económica se ha realizado un análisis de Costes de Ciclo de Vida considerando costes internos y externos de los escenarios HYSOL BIO y HYSOL GN así como de la termosolar convencional. Además, se ha realizado un análisis Input Output Multi-regional para estimar los efectos socio-económicos de los escenarios HYSOL BIO, HYSOL GN, y termosolar convencional. También se ha profundizado en el desarrollo del análisis Input Output para estimar el efecto neto de incluir la tecnología HYSOL en el mercado eléctrico español. • Para evaluar el área social, se ha avanzado en el desarrollo de la metodología de Análisis de Ciclo de Vida Social proponiendo un nuevo método de caracterización para evaluar el comportamiento social del ciclo de vida de la tecnología HYSOL en España. También se ha llevado a cabo un análisis de riesgos sociales del ciclo de vida de la tecnología HYSOL y termosolar convencional utilizando la Social Hotspots Database. • Por último, se han integrado los resultados obtenidos mediante el análisis de las tres áreas de la sostenibilidad (medioambiente, economía y sociedad) en un sistema de preguntas y respuestas que representan la sostenibilidad del sistema analizado. Además, se han confeccionado unos diagramas visuales que facilitan la interpretación de los resultados y la toma de decisiones. Los resultados han revelado que la aplicación del ASCV a una tecnología innovadora como HYSOL puede proporcionar una base cuantitativa, científica, apta y eficaz para la toma de decisiones sostenible respecto al desarrollo de la tecnología y del sector de la electricidad. El análisis indica que la tecnología HYSOL presenta diferencias significativas de sostenibilidad cuando se utiliza biometano o gas natural como combustible de hibridación. La operación con biometano presenta mejor sostenibilidad ambiental y social que el gas natural, aunque la sostenibilidad económica del escenario con biometano es inferior que la del gas natural a nivel empresa y superior a nivel nacional. La mejor eficiencia de conversión de energía térmica que presenta la tecnología HYSOL respecto a la tecnología cilindro-parabólica o torre convencionales producen una mejora ambiental, económica y social. Este resultado indica que la innovación tecnológica conseguida mediante el proyecto HYSOL está bien encaminada a mejorar la sostenibilidad de la tecnología termosolar y del sector eléctrico español. ABSTRACT The use of specific tools to quantify the sustainability of products and services is essential in order to develop human activities in a profitable way for the society and the environment. To this purpose, Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) is being developed as a holistic tool to evaluate environmental, economic and social impacts of one product or service throughout their full life cycle. Electricity generation is one of the human activities with highest repercussion on sustainable development, while electricity consumption is vital to meet most of our necessities. The current instability of fossil fuels’ supply, the increasing electricity demand and the advance of anthropogenic climate change, reinforce the human necessity for clean and affordable energy sources. In this context emerge HYSOL (Innovative Configuration of a Fully Renewable Hybrid CSP Plant, nº 308912), an European project within the seventh framework program aiming at developing a hybrid electricity generation technology using solar thermal energy and biomass gaseous fuels. This doctoral thesis is carried out in the framework of the HYSOL project, quantifying its environmental impact using Life Cycle Assessment (LCA) and expanding this quantification to the economic and social areas in order to obtain a full sustainability assessment. The following activities have been carried out for the consecution of the HYSOL LCSA: • The LCSA state of art was explored in order to compile the recommendations and lessons learned by the scientific community up to date. Such lessons were integrated into the methodological framework proposed in this thesis. • In the environmental area, a LCA was performed in order to determine and compare the potential environmental impact of the HYSOL technology in two main scenarios (HYSOL BIO for the power plant operation with biomethane, and HYSOL GN for the operation with natural gas). The results were also compared with the environmental impact of the conventional solar thermal technology in Spain. The consequential life cycle approach was also applied in order to determine the environmental consequences of introducing HYSOL electricity into the Spanish electricity market. • In the economic area, a Life Cycle Cost Analysis was performed in order to estimate the internal and external costs of the HYSOL BIO, HYSOL GN and conventional solar thermal power plants. A Multiregional Input Output Analysis was also performed to estimate the socio-economic effects of HYSOL BIO, HYSOL GN and conventional solar thermal technology. This analysis was extended to also considerate the net effects of introducing HYSOL technology in the Spanish electricity market. • In the social area, a Social Life Cycle Assessment was applied, and a new characterization method was proposed in order to evaluate the social performance of the HYSOL technology life cycle in Spain. A social risk assessment of the HYSOL technology and conventional solar thermal technology was also performed using the Social Hotspots Database. • The obtained results in the three areas (environment, economy and society) were integrated by a “questions and answers” layout, representing the sustainability of the analyzed system. Visual diagrams representing the sustainability of the analyzed scenarios were also provided in order to facilitate the interpretation of results and the decision making process. The results revealed that the application of LCSA to an innovative technology such as HYSOL can provide a quantitative, scientific, suitable and effective base for a sustainable decision making process regarding the technology development and the electricity sector. The analysis indicates that the HYSOL technology presents significant sustainability differences when the power plant uses biomethane or natural gas as hybridization fuel. The operation with biomethane presents better environmental and social sustainability than the operation with natural gas, although the biomethane economic sustainability is lower than the natural gas at a company level and higher at a national level. The better thermal energy conversion efficiency achieved by the HYSOL technology with respect to the conventional solar thermal technology generates an environmental, economic and social improvement. These results indicate that the technologic innovation developed by the HYSOL project is well aimed to improve the sustainability of solar thermal energy and the Spanish electricity sector.