Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Life Cycle Assessment (LCA) for a DC-microgrid energy system in Fjärås
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering.
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Livscykelanalys för ett DC-mikronät energisystem i Fjärås (Swedish)
Abstract [en]

Application of Photovoltaic PV panels for electricity production has rapidly increased in recent years in Sweden after launching a capital subsidy for PV panel installations in 2009. Kungsbacka municipality’s housing company equipped two groups of buildings in Fjärås with PV systems to generate electricity. The newly built residential buildings are connected to a DC-microgrid, whereas the existing buildings have been equipped with a single PV system. This project conducts a cradle to gate life cycle assessment (LCA) for this DC-microgrid energy system. The main purpose of this project is to determine which parts and processes of the DC-microgrid contribute to highest environmental impact throughout their lifespan from cradle to gate stages. Moreover, this study explores the energy payback time (EPBT) and the cumulative energy demand (CED) for the DC-microgrid. Additionally, this study performs two comparative LCA. First the DC-microgrid is being compared with PV system to determine which system has higher environment impacts, and secondly, the DC-microgrid is being compared with the average electricity mix in Sweden in terms of contribution to environmental impacts. The LCA follows the ISO 14040 framework and the baseline method is applied in order to assess 11 environmental impact categories.

Two different functional units are adopted in this study. One is based on installed kilowatt peak (kWp) capacity by which environmental impacts of the PV system are compared with the DC-microgrid system. The other functional unit for this study is 1 kWh of delivered electricity to residential buildings produced by the DC-microgrid system. This functional unit is used exclusively for a stand-alone analysis of the DC-microgrid system in order to make it comparable with other microgrid systems or other systems with different energy sources, such as hydro, wind or nuclear.

The results of the stand-alone LCA analysis of the DC-microgrid show that the battery has high contribution in human toxicity and terrestrial ecotoxicity whereas the energy hub system (Ehub) is the main contributor to eutrophication, abiotic depletion, fresh water aquatic ecotoxicity and marineaquatic ecotoxicity. The monocrystalline PV panel has the highest impact on global warming and abiotic depletion (fossil fuel). In addition, the EPBT for the DC-microgrid system is approximately 3.7 years. This means that one can get energy free of cost for an estimated time of 26.5 years if the lifetime of the system is assumed to be 30 years. The CED results show that monocrystalline PV production is an intense energy process which requires more non-renewable energy than all remaining parts of the DC-microgrid.

The comparison of the DC-microgrid with the PV system reveals that the DC-microgrid has a higher environmental impact almost in all impact categories. This is mainly due to batteries and inverters which have a clear effect on the result. The CED analysis results illustrate that the multicrystalline PV panel production from the PV system is the most energy demanding process in both categories of renewable and non-renewable energy source. Moreover, the analysis illustrates that the DC-microgrid has still higher environmental impacts in all impact categories compared to the average electricity mix in Sweden. This is due to the electricity production in Sweden relies on hydropower and nuclear power with around 83 % of the total electricity production in the year 2017 which causes a lower environmental burden. Although the DC microgrid system shows a higher environmental impact compared to PV system, it is still a proper option to generate electricity since DC-microgrid system allows to achieve some indirect advantages such as energy saving due to an increase in own usage rate and self-sufficiency rate compared to the PV system. It should be noted that the end-of-life procedures becomes very important especially when crediting back for the recycling of materials. The collection and recycling of the PV panels at their end-of-life should be considered for future work as soon as reliable data are available.

Abstract [sv]

Användningen av solpaneler har de senaste åren kommit att öka markant i Sverige. Ökningen beror på det statliga bidraget för installation av solceller som lanserades 2009. Kungsbacka kommun installerade solcellssystem i två olika typer av byggnader, ny och äldre befintlig byggnad. Den nya byggnaden anslöts till direkt mikronät (DC-mikcrogrid) och den äldre byggnaden utrustades med solcellssystem. Detta projekt utför en ’från vaggan till porten’ livscykelanalys (LCA) för energisystemet direkt mikronät.

Syftet är i huvudsak att fastställa vilka delar och processer av det direkta mikronätet som bidrar till störst miljöpåverkan genom dess livslängd, det vill säga från vaggan till porten. Vidare undersöker studien återbetalningstiden (Energy PayBack Time, EPBT) och den ackumulerade energianvändningen (Cumulative Energy Demand, CED) för det direkta mikronätet. Studien utför två komparativa LCA varpå det direkta mikronätet först jämförs med solcellssystemet i syfte att fastställa vilket av systemen har större miljöpåverkan. Studien ämnar också jämföra det direkta mikronätet med den genomsnittliga energimixen i Sverige, också avseende miljöpåverkan. LCA metoden följer ISO 14040-ramverket.

Studien är baserad på två funktionella enheter vilka består av installerad kilowatt peak (kWp) kapacitet vilken används för att jämföra solcellssystemet och det direkta mikromåttet. Den andra funktionella enheten är 1 kWh levererad elektricitet till bostäder som producerats genom det direkta mikronätet. Denna funktionella enhet används för en ’stand-alone’ analys av det direkta mikronätet i syfte att göra det jämförbart med andra mikrosystem eller system med olika energikällor så som vatten-, vind- och kärnkraft.

Resultaten från ‘stand-alone’ livscykelanalysen av det direkta mikronätet visar på att batteriet har en större effekt på mänsklig toxicitet terrestrisk ekotoxicitet, varpå systemet för energihubb bidrar främst till övergödning, abiotisk utarmning, vattenlevande ekotoxicitet och havslevande ekotoxicitet. Monokristallin solpanel har större påverkan på global uppvärmning och övergödning (fossilabränslen). I övrigt är EPBT för det direkta mikronätet cirka 3,7 år vilket innebär att energin beräknas kostnadsfri i cirka 26,5 år, givet att det kan antas att systemets livslängd är 30 år. CED-resultat visar på att microkristallin solpanel är en intensiv energiprocess som kräver mer icke-förnybar energi jämfört med resterande delar av det direkta mikronätet.

Jämförelsen mellan det direkta mikronätet och solcellssystemet visar på att det direkta mikronätet har större miljöpåverkan i de flesta kategorier. Detta beror i huvudsak på batterier och växelriktare som har tydlig effekt på resultatet. Av resultatet från CED-analysen framgår att produktion av multikristallin solpanel av solcellssystemet är det mest energikrävande processen i båda kategorierna för förnybar och icke-förnybar energikälla. Vidare framgår av analysen att det direkta mikronätet har en större miljöpåverkan i alla kategorier, jämfört med påverkan från genomsnittet av energimixen i Sverige. Detta beror på att elproduktionen i Sverige mestadels består av vatten- och kärnkraft som tillsammans 2017 utgjorde 83 procent av den totala energiproduktionen. Denna produktion orsakaren mindre miljöbelastning.

Trots att det direkta mikronätet påvisar en högre miljöpåverkan än solcellssystemet, är det fortfarande ett alternativ till att generera elektricitet eftersom det direkta mikronätet bidrar till indirekta fördelar såsom energibesparing. Energibesparingen i det direkta mikronnätet sker således genom ökad användning av den egenproducerade energin samt självförsörjning. Det ska vidare tilläggas att ’end-of-life’ procedurerna blir viktiga i synnerhet när de återvunna materialet återanvänds. Vidare bör solpaneler återanvändas vid ’end-of-life’ vilket bör finnas i åtanke för vidarestudier och i samband med att data tillgängliggörs.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 92
Series
TRITA-ABE-MBT ; 19688
Keywords [en]
Photovoltaic (PV) system, Microgrid system, Functional unit, Kilowatt peak (kWp), Ehup
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-263173OAI: oai:DiVA.org:kth-263173DiVA, id: diva2:1367018
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-10-31 Created: 2019-10-31 Last updated: 2019-10-31Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3644 kB)22 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3644 kBChecksum SHA-512
f68fe34202bb1710ccfc8e96dab48a364a9cc726fc62baefad39da5437cc8a9361f55c0c822a151b2a61c34f831bc339b28317c72452f9fbcd0712cec421092d
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Sustainable development, Environmental science and Engineering
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 22 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 72 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf