Life cycle assessment and evaluation of sustainable product design strategies for combined cycle power plants

Der weltweite Anstieg des Bedarfs an Primärenergie und das Wachstum des weltweiten Bruttoinlandsprodukts geht einher mit der Zunahme damit verbundener Emissionen. Aktuellen wissenschaftlichen Studien zufolge beträgt der Anteil des Energiesektors (Energiewirtschaft, Industrie und Verkehr) 83 % der weltweiten Treibhausgasemissionen. Der Klimawandel und die Projektion der Auswirkungen von Treibhausgasemissionen auf die Atmosphäre werden inzwischen auch auf politischer Ebene akzeptiert und weitergehende Maßnahmen diskutiert. Da aber Zugang zu Elektrizität und nachhaltige Entwicklung untrennbar verknüpft sind, stellt sich die Frage, wie diese Aufgabe innerhalb der nächsten Jahre gelöst werden kann. Weiterhin ergibt sich gleichzeitig durch die verbleibende Laufzeit des aktuellen Kraftwerksparks, je nach Szenario, für Deutschland im Jahr 2020 eine Versorgungslücke von bis zu 12.000 MWh. Ein Teil der Lösung dieser Problematik liegt in der nachhaltigen Gestaltung von Kraftwerken. Die Erstellung der Lebenszyklusanalyse eines GuD-Kraftwerks aus Sicht eines Herstellers in höchster Detailtiefe bildet daher den Hauptbestandteil dieser Arbeit. Erst die Darstellung des gesamten Produktsystems sowie der Bilanzierungsergebnisse ermöglichen das Aufzeigen von Verbesserungspotentialen. Die Systemgrenzen für die Ökobilanz umfassen alle Abschnitte des Produktlebenszyklus (Materialien, Fertigung, Transport, Betrieb, Wartung und End of Life). Die Erfassung der Materialmengen und Energiedaten liefert die Sachbilanz für alle Komponenten und Lebensphasen. In der Interpretation der Ergebnisse der Ökobilanz, insbesondere für die Kategorie Globale Erwärmung in kg CO2e überwiegen die Emissionen der Betriebsphase naturgemäß. Die Ergebnisse wurden aber für alle Wirkungskategorien und Lebensphasen erarbeitet. Auf Basis der erarbeiteten Module der Ökobilanz wurden die Umweltprofile verschiedener Konfigurationen und Betriebsszenarien dargestellt und stehen damit als Entscheidungshilfe bereits während der Produktentwicklung zur Verfügung. Die Darstellung der Auswirkungen von Designentscheidungen auf den ökologischen Fußabdruck des Produktsystems in einer aggregierten Form vereinfacht das Verständnis für Kunden und kann damit in die Kaufentscheidung einbezogen werden. Weiterhin wurde die Basis für ein Reporting der Treibhausgasemissionen nach dem GHG Protokoll erstellt. Die Ergebnisse werden außerdem in Form einer Typ II Produktumwelterklärung nach ISO 14021 veröffentlicht und als Referenzwert für die Berechnung der Emissionsfaktoren für den jeweiligen Strommix bereitgestellt.The growth of the national GDP on a worldwide level and the associated increasing demand for primary energy inevitably result in higher emissions levels. According to recent international scientific studies the energy sector (including electricity generation, industrial activities and traffic) contributes up to 83 % to the worldwide greenhouse gas emissions. Climate change and the projection of its impacts have been acknowledged also on the political level and concise measures are being considered. Since access to electricity and sustainable development are inseparable, the question arises whether and how adequate answers can be given within the coming years. Furthermore, the definite lifetime of the existing power plant fleet will result in a gap of up to 12.000 MWh in 2020, depending on the scenario. One part of the answer lies in the sustainable design of power plants. The main contribution of this work is therefore the life cycle analysis of a combined cycle power plant from of a manufacturer’s perspective. The visualisation of the entire product system and the results of the impact assessment facilitate the determination of improvement potential. The system boundaries for this study include all relevant phases of the product life cycle (materials, manufacturing, transport, operation, service and end of life). The life cycle inventory consists of all bills of materials and energy consumption for all components and life cycle phases. The interpretation of the results of the impact assessment showed the expected significant contribution in kg CO2e for the emission of the full load operation. Nevertheless, the results for all impact categories over the entire lifecycle are given. Various operation scenarios and configurations can now be analysed based on the elaborated modules, and can now serve as decision support already during product development. The visualisation of impacts of design decisions on the ecological footprint of the product system in an aggregated form enables decision makers and customers to evaluate design choices and decide accordingly. Furthermore, the starting point for the greenhouse gas reporting according to the GHG Protocol over the entire product life cycle has been established. Eventually, the results will be published as Type II Environmental Product Declaration acc. ISO 14021 and serve as reference value for the determination of the CO2-intensity of the respective grid mix