Alternative Fuels for Gas Turbines : A Consequential LCA for Electricity Generation in 2020

Ce projet de maîtrise porte sur une analyse de cycle de vie (ACV) de différents carburants alternatifs, dans diverses régions géographiques, produites dans le but de générer de l'électricité à travers une turbine à gaz en 2020. En effet, à ce temps, la technologie de turbines du partenaire industriel aura l'aptitude de brûler ces différents types de carburants de façon efficace. Conséquemment, l'objectif principal de cette étude est d'identifier où et avec quel(s) carburant(s) alternatif(s), une turbine à gaz devrait être opéré considérant ses impacts environnementaux et la faisabilité du marché ainsi que les lignes directrices du partenaire industriel. Afin de répondre à l'objectif principal, la première tâche à entreprendre est celle de déterminer le contexte géographique de l'étude ainsi que les matières premières ayant le plus de potentiel pour un approvisionnement futur et assurant une faisabilité technique. Afin de faire ceci, une revue de littérature fût entreprise sur les potentiels bioénergétiques des années futures et les facteurs récurrents et significatifs ont été pris en compte dans l'étude de marché entreprise dans ce projet (Smeets et al., 2007). Ils se listent comme; les politiques nationales sur la bioénergie dans les pays étudiés, l'approvisionnement et la disponibilité des matières premières, l'état de l'avancement technologique et la production actuelle et projetée de carburants alternatifs ainsi que leur coûts de production en 2020. Après cette analyse de marché, les scénarios suivants ont été identifiés comme ayant un bon potentiel : syngaz provenant de résidus forestiers et biogaz issue d'engrais animal en Allemagne, biogaz dérivant de déchets solides municipaux en Italie, biodiesel provenant d'huile de palme en Indonésie, bioéthanol issue de la canne à sucre au Brésil, syngaz résultant de la gazéification du charbon en Chine et aux États-Unis ainsi que le biodiesel provenant de suif animal, et l'éthanol de résidus de maïs aux États-Unis. Les deuxième et troisième objectifs étaient respectivement de; 1- identifier quels carburants alternatifs avaient de potentiel impacts environnementaux les plus faibles considérant leurs différentes matières premières et leur contexte géographique et, 2- identifier où se situe le plus grand bénéfice de l'utilisation de ces carburants pour la génération d'électricité, considérant la substitution de celle-ci à sa source d'énergie compétitrice dans les régions étudiées. Ces deux objectifs sont répondus en conduisant une analyse de cycle de vie conséquentielle (ACV-C) et prospective sur les scénarios déterminés précédemment. L'ACV-C conduite prend en compte différents éléments tels que l'extension des frontières pour les procédés à multiples coproduits, les impacts indirects de l'utilisation de matières premières contraintes, les changements indirects de l'utilisation des terres et les impacts liés à la substitution d'électricité. Afin d'implanter correctement l'extension des frontières, l'approche de Weidema (2003) a été utilisée. Cet aspect est important puisqu'il n'y a aucun consensus sur la méthodologie à appliquer. Dans le cas où des répercussions indirectes résultantes de la production de cultures énergétiques peuvent se manifester sur d'autres cultures liées sur le marché agricole, l'approche de Schmidt et Weidema (2008) qui a été préférée. Celle-ci permet d'identifier l'état d'équilibre des incidences du marché et calculer les quantités de cultures énergétiques évités ou additionnelles. Les effets indirects de l'utilisation de ressources contraintes ont été pris en compte puisque ces matériaux sont considérés comme ayant un approvisionnement inélastique et conséquemment, ne peuvent pas répondre à un changement de demande. Essentiellement, s'il y avait une utilisation de ses matières premières pour d'autres applications, leur disponibilité seraient réduite pour les utilisateurs courants (ou les systèmes de gestion de déchets) et ces impacts devraient être modélisés. D'autre part, il n'est possible de démentir que les études d'ACV portant sur les biocarburants doivent maintenant inclure des études sur les émissions provenant de l'utilisation indirecte des terres puisque celles-ci ont été prouvées comme étant significatives et pouvant possiblement inverser les conclusions d'ACV (Searchinger et al., 2008). La méthode utilisée est celle de causes à effets, se traduisant en une élaboration des façons d'atteindre une production additionnelle de biocarburants, dans différentes régions identifiées comme productrices marginales de cultures énergétiques impliquées (directement ou indirectement) dans le processus (Bauen et al., 2010). Finalement, l'identification de sources marginales d'électricité pour chaque scénario est entreprise puisque l'opération de la turbine substitue une électricité générée par la centrale électrique marginale. Les approches à court terme et long terme ont été utilisées afin d'identifier respectivement le changement dans les centrales électriques installés et les futures investissements en capacités électriques. L'approche de Weidema (2003) fût encore une fois utilisée afin d'identifier la technologie affectée à long terme, cependant quelques ajustements à cette méthode ont été fait. En effet, considérer plusieurs technologies marginales et prendre en compte les caractéristiques des turbines, (e.g., la capacité de suivre la charge électrique) sont des aspects qui ont été ajouté à la méthode. De plus, l'approche à cour terme a été basée sur l'identification des technologies affectées à travers les coûts marginaux (i.e., les coûts de carburants) (Amor et al., 2011). En effet, les centrales qui partagent les mêmes coûts marginaux que celle de la turbine utilisant les carburants alternatifs respectifs, sont identifiés comme étant les technologies affectées. Les résultats de l'étude ACV-C démontrent que les tendances les plus dominantes sont que le syngaz provenant du charbon aux États-Unis et en Chine sont les scénarios les pires d'un point de vue environnemental, suivi, de très près, de l'éthanol Brésilien et l'éthanol Américain. D'autre part, les scénarios les plus prometteurs varient selon la catégorie d'impacts étudiés, cependant le biodiesel Indonésien – à l'exception des dommages sur la qualité des écosystèmes-suivi du syngaz et biogaz Allemand sont toujours dans les scénarios les plus performants du point de vue environnemental. Les scénarios restants varient aussi considérablement dans leur performance selon le type d'impact analysé, conséquemment il reste donc aux soins du partenaire de valoriser une catégorie d'impact au détriment d'une autre selon son système de valeur. Finalement, plusieurs analyses de sensibilités ont été réalisées afin de vérifier certaines hypothèses portant sur la production des carburants, l'opération des turbines, la méthode de caractérisation des impacts et la substitution d'électricité. L'intérêt de faire ces analyses est de vérifier si certaines hypothèses peuvent inverser les conclusions des études. Par exemple, pour plusieurs hypothèses reliées à la production des carburants, les conclusions étaient renversées, spécialement dans le cas du changement climatique et l'épuisement des ressources. Le changement le plus significatif dans les résultats est celui de la diversion du suif animal pour différentes applications du marché. Également, les impacts résultant de l'identification de différentes centrales électriques affectées, sont significatifs et changent en bonne partie l'ordre de classement des scénarios, cependant les tendances mentionnées précédemment sont toujours maintenues. En conclusion, l'étude permet au partenaire industriel de; positionner ses priorités en termes de recherches subséquentes sur les carburants alternatifs, perfectionner leur planification stratégique dans leur développement d'affaire et possiblement utilisée celle-ci comme outil de marketing envers leurs clients et le public.

Abstract

This master's project focuses on a LCA assessment of alternative fuels in disperse geographical locations for electricity generation through a gas turbine in 2020. Indeed, by then, the industrial partner's gas turbine technology should have the ability to burn these different fuels efficiently. The study's main objective is therefore to determine the location and alternative fuel types that should be used to operate the gas turbine, considering environmental impacts and market feasibility and according to the industrial partner's guidelines. In order to achieve the main objective, the first task was to determine the geographical context and feedstock with the most potential for future supply and technical feasibility based on the alternative fuels and industrial partner's guidelines. The literature on the bioenergy market was therefore assessed, and several recurring important factors were taken into account, including the bioenergy policies in the assessed regions, feedstock supply and availability, the state of the art and current and projected fuel production volumes and costs (Smeets et al., 2007). In the end, the following scenarios were found to have future potential supply: syngas from forest residues and biogas from manure in Germany, biogas from MSW in Italy, biodiesel from palm oil in Indonesia, bioethanol from sugarcane in Brazil, syngas from coal, biodiesel from tallow, bioethanol from corn stover in the US and finally syngas from coal in China. The second and third objectives were respectively to identify the alternative fuels with less overall potential environmental impacts considering their different feedstocks and geographical contexts and determine the locations where there is a greater potential benefit from the use of these fuels for electricity generation as compared to the competing source of electricity in the relative countries. Both objectives were answered by conducting a prospective consequential life cycle assessment (CLCA) on the scenarios determined by the first objective. The CLCA methodology takes many different aspects into account, including system expansion for co-producing processes, indirect impacts from the use of constrained feedstock, indirect land use change (LUC) from energy crop cultivation and the impacts of electricity substitution. Weidema's (2003) approach was used to correctly implement the system expansion, which is an important issue, since there is no consensus on the applied methodology. When a knock-on (i.e. incidental) effect from crop production was shown on other market-linked energy crops, Schmidt and Weidema's (2008) approach was chosen to find the equilibrium state and calculate the avoided or additional crop production. Indirect impacts from the use of constrained resources were taken into account, since the materials were considered to have inelastic supply and thus could not respond to a change in demand. Essentially, should these sources of biomass be used for alternate applications, their availability would be reduced for the current users or waste systems. Hence, indirect impacts linked to the former must be modeled. On the other hand, there is no denying that LCA studies on potential biofuel impacts now require assessments of ILUC impacts, which have been proven to be significant and could invert certain study conclusions (Searchinger et al., 2008). The causal-descriptive method, which maps out the ways additional biofuel production could be attained in various regions identified as marginal producers, was used (Bauen et al, 2010). Finally, the marginal source of electricity in each scenario was determined, since the substitution of the electricity by the alternative fuels had to be assessed. The short-term and long-term approaches were used to evaluate the changes in installed power plants and future capacity investments, respectively. Weidema's approach (2008) was again used to assess the long-term affected technologies, and the method was adjusted. Indeed, in some cases, more than one technology was identified and the load following ability of the energy sources was taken into account in the identification process. Otherwise, the short-term approach was used and based on determining the affected technology through its marginal costs (i.e. fuel costs), and the technologies that shared the same marginal costs as the turbine running on its respective alternative fuel was identified as the affected technology. Based on the results, the most dominant trends are that syngas from coal in the US and China have the worst environmental performance in all endpoint categories, followed closely by ethanol in Brazil and ethanol in the US. On the other hand, the most promising scenarios vary depending on the impact category taken into account. However, POME in Indonesia – with the exeption of ecosystem quality- followed by syngas and biogas in Germany are always among the highest ranking options in terms of environmental performance. The remaining scenarios also vary considerably in their scores depending on the type of impact. Consequently, it is the industrial partner's responsibility to value one impact category over another according to its own standards. Several sensitivity analyses were performed in order to verify fuel production, gas turbine operation, the impact characterization method and the electricity substitution assumptions in order to verify whether certain hypotheses invert some of the study's conclusions. For instance, many fuel production assumptions reversed the conclusions, especially for the climate change and resource depletion endpoint categories. The most significant changes arose from the deviation of tallow to the different market applications and are noted for every category of impact. Additionally, the impacts resulting from the identification of different affected power plants are most significant and change the scenario ranking. However, the aforementioned trends remain unchanged. In conclusion, the study enables the partner to position its priorities in subsequent alternative fuel studies, perfect its strategic planning for business development and possibly use this study as a marketing tool for clients and the public.