Life cycle assessment of electricity production from airborne wind energy

Die globale Energieversorgung ist eng mit einigen der größten Herausforderungen unserer Gesellschaft verbunden. Ein steigender Anstieg muss gedeckt werden, während konventionelle Energiequellen erschöpfen und beträchtliche Mengen an Treibhausgasen freisetzen. Um sich dieser Thematik zu stellen werden zunehmend Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien befürwortet, insbesondere in der stromerzeugenden Industrie. Die Forschung hat gezeigt, dass erneuerbare Energien den konventionellen in vielen Umweltaspekten überlegen sind, jedoch aber nicht frei von Lasten sind. Die Hauptverursachung von Lasten ist dabei aber auf andere Phasen des Lebenszyklus als dem Betrieb verschoben. Die aufkommende Flugwindenergietechnologie als neuer Stakeholder innerhalb der erneuerbaren Energien stellt eine aus ökologischer Sicht vielversprechende Alternative dar, da sie Windressourcen von herausragender Qualität mit geringem Materialaufwand zugänglich macht. Bisher existiert jedoch noch keine ökologische Bewertung dieser Technologie. Die Ziele dieser Studie sind (1) die Bestimmung der Umweltlasten der Stromerzeugung mit Flugwindenergie (FWE) in den Kategorien Klimaerwärmung und Verbrauch von Energieressourcen, (2) die Identifizierung der Hauptkontributoren zu diesen Kategorien, (3) die Bestimmung der energetischen Amortisationszeit und (4), einer Bewertung, ob der Einsatz dieser Technologie die Umweltlasten durch Stromerzeugung für diese Kategorien verringert würden. Es wurde ein FWE-Design gewählt, welches als zukünftig potentiell dominierendes Design eingeschätzt werden könnte. Auch wenn Unsicherheiten durch die Analyse eines bestimmten Systems hervorgerufen werden, können die Ergebnisse dieser Studie als eine erste Referenz für Systementwickler und Entscheidungsträger dienen, um ihre Unterstützung oder Engagement für diese Technologie zu beurteilen. Zu diesem Zweck wurde eine Ökobilanz durchgeführt, welche die Verfolgung von Umweltindikatoren von der Wiege bis zur Bahre ermöglicht. Spezifische 1,8 MW-FWE-Anlagen wurden definiert und in einem 300-MW-Park unter Schwachwindbedingungen untersucht. Das Modell verfolgt für realistisch erachtete oder konservative Designentscheidungen. Es ist zu erwarten, dass sich die Ergebnisse daher im oberen Wertebereich befinden. Die Ergebnisse des Modells werden in dieser Studie präsentiert, diskutiert und in einer Sensitivitätsstudie auf ihre Robustheit hin untersucht. Ein Vergleich zu ähnlichen konventionellen Windenergieparks und dem Strommix im Netz erlauben eine bessere Einordnung der Ergebnisse. Die Ergebnisse der Umweltindikatoren für das Treibhausgaspotential (GWP) ist 5,611gCO2-äq./kWh. 65% davon treten in der Phase Rohstoffgewinnung und Herstellung auf, 3% während der Installation, 28% während des Betriebs und 4 % bei der Entsorgung. Der kumulierte Energieaufwand (CED oder KEA) ist 75,2kJ-äq./kWh. Die während des gesamten Lebenszyklus aufgewendete Energie entspricht 2,1% des gesamten produzierten Stroms und ist nach fünf Monaten bzw. 153 Tagen Betrieb amortisiert. Dies entspricht einem Energieausbeuteverhältnis von 48. Inklusive der Austauschmaterialien verursacht das Zugseil 5,5 und 8,1% des GWP und CED. Geringere Lebensdauern haben einen signifikanten Einfluss, höhere jedoch einen marginalen. Die Umweltauswirkungen durch die Flügelherstellung entstehen zu 75% durch das kohlefaserverstärkte Epoxidharz, entsprechen jedoch nur 2,6 und 5,6% des GWP und CED. Der größte Beitrag entsteht durch den Generator und das Getriebe, welche bei Austausch aller Getriebe für 35 und 30% des GWP und CED verantwortlich sind. Insgesamt stammen 30% der Umweltauswirkungen von Windparkinfrastruktur und 70% von den FWE-Einheiten selbst. Die letztgenannte Zahl ist diejenige, die von den FEW-Anlagenherstellern direkt beeinflusst werden kann. Verglichen mit einer konventionellen Windenergieanlage die auf ähnliche Weise modelliert wurde, verbrauchte der FWE-Park 23% der Masse, verursacht 49% des GWP und verbraucht 55% des CED. Die energetische Amortisationszeit ist dabei 2 Mal geringer. Verglichen mit dem deutschen Strommix verursacht der Park 0,87% des GWP und verbraucht 0,74% des CED. Selbst mit einem konservativen Ansatz bestätigt die Studie die Erwartungen von geringen Umweltauswirkungen in den betrachteten Kategorien und präsentiert erste numerische Ergebnisse.Global energy supply is closely linked with some of the greatest challenges of our society. A rising demand has to be met whereas conventional energy sources are depleting and emit considerable amounts of greenhouse gases. Renewable energy technologies are increasingly promoted to face these issues, especially in the electricity industry. Research has shown, that renewables are superior to conventional energy technologies in many environmental aspects but are not free of burdens. However, the main causes of impacts are shifted to other life cycle phases than operation. The emerging of airborne wind energy (AWE), as a new stakeholder within the renewables, presents an ecologically promising option since it accesses wind resources of outstanding quality with little material consumption. As of now, there is no environmental assessment of this new technology available. The goals of this study are (1) the determination of environmental burden of electricity generation with AWE on the categories global warming and consumption of energy resources, (2) the identification of main contributors to these categories, (3) the determination of the energy payback time and (4) an assessment whether use of this technology would lower impact of electricity supply in the mentioned categories. An AWE design is chosen for the investigations, which appears possible to become a dominating design. Even though uncertainties arise from the analysis of a specific design, the outcomes of the study could serve as a first reference for system developers and for decision-makers to evaluate support or engagement in this technology. To this end, a life cycle assessment (LCA) was executed, which allows tracking of category indicators from cradle to grave. Specific AWE facilities of 1.8 MW were defined and analyzed in a 300 MW plant under low wind conditions. The modeling follows an estimated dominating design or conservative choices. The results are expected to be on the upper range. The results of the model are presented and discussed and checked for robustness in a sensitivity study. A comparison to a similar conventional wind power plant and the electricity grid mix allows a better classification of the results. The category indicator result in global warming potential (GWP) is 5.611 gCO2-eq./kWh. 65 % of that occur in the phase raw material and manufacturing, 3 % during installation, 28 % during operation and 4 % in disposal. The cumulated energy demand (CED) is 75.2 kJ-eq./kWh. The invested energy during the entire life cycle is 2.1 % of the total generated electricity and is recovered after 5 months or 153 days of operation. This corresponds with an energy yield ratio of 48%. The tether accounts for 5.5 and 8.1 % in GWP and CED, including its replacements. Lower lifetimes have significant influence, higher are with marginal effect. The environmental effects from the wing manufacture arise by 75% from the carbon fiber reinforced polymer but are only 2.6 and 5.6 % in GWP and CED. The biggest contribution is from generator and gearbox, which account for 35 and 30 % in GWP and CED respectively, including replacement of all gearboxes. In total, 30 % of the impacts come from balance of station components and 70 % from the AWE facility. The latter is the percentage that the system developer can influence directly. Compared to a conventional wind plant that was modeled in a similar way, the AWE plant consumed 23 % of the mass, causes 49 % of the GWP and consumes 55 % of the CED. Energy payback time was 2 times lower. Compared to German electricity mix the plant causes 0.87 % of the GWP and has 0.74 % of the CED. Even with a conservative approach the study confirms the expectation of low impact in the considered categories and presents first numerical results