Life Cycle Assessment of a small scale, solar driven HVR water purification system

Water purification systems have made access to drinking water easier by treating water sources which previously could not be used for drinking. Such systems however require energy and materials to build and operate which means they have environmental impacts. This thesis performs a cradle to grave life cycle assessment of a solar driven HVR water purification system used to treat contaminated groundwater in Odisha, India. The system has three subsystems each with different components – a water purification subsystem that uses an air gap membrane distillation (AGMD) process to purify ground water to produce drinking water, a solar photovoltaic subsystem to provide electricity and a solar thermal subsystem with evacuated tube collectors to provide hot water. The timeframe of the study is 15 years and the chosen functional unit is 590 m3 of drinking water produced over 15 years. The environmental impacts of the system are evaluated using the ReCiPe Midpoint (H) impact assessment method and the life cycle is modelled in the software SimaPro using the Ecoinvent database for inventory data. A comparison is then made between the lifecycle impact of a solar driven HVR water purification system and a grid driven HVR system as well as a water purification system with conventional end of life treatment and a system with state of the art end of life treatment. Along with the lifecycle impact, the levelized cost of water of the water purification system has also been calculated. The results show that within the entire system the solar PV subsystem has the highest impact due to the high electricity consumption during silicon purification for manufacturing the solar panels. The solar thermal subsystem has the next highest impact with the biggest contributor being the manufacturing of glass tubes for the solar collectors. The water purification subsystem has the least impact with the highest share due to use of acetic acid during its use phase for maintenance. The modelling results focus on four impact categories and show the following life cycle impacts - global warming potential : 27 180 kg CO2eq, human carcinogenic toxicity : 2 412 kg 1.4-DCB eq, marine ecotoxicity : 2 662 kg 1.4-DCB eq, freshwater ecotoxicity : 1 967 kg 1.4-DCB eq. The grid operated system shows a lifecycle impact 70 to 170 times higher across these four impact categories compared to the solar driven system. This is due to the high share of fossil fuels in the Indian electricity grid. The state-of-the-art end of life treatment shows a 17% and 22% reduction in freshwater as well as marine ecotoxicity impacts of the system compared to conventional end of life treatment with negligible impacts on global warming and human carcinogenic toxicity. The levelized cost of water calculations show that the system with its current runtime of 6 hours when run using solar energy or the grid is not economically competitive compared to bottled water in India. A sensitivity analysis is then performed to evaluate the sensitivity of lifecycle impact to maintenance frequency and the lifetime of components and the sensitivity of the levelized cost of water to discount rate and the production cost of AGMD modules. The analysis shows that only the lifetime of components has a significant influence on the life cycle impactof the system, the maintenance frequency has a significant impact on freshwater and marine ecotoxicitywhile the discount rate and production cost of AGDM modules has no impact on the levelized cost of water. In conclusion the findings of this thesis agree with the major findings of previous studies done on the topic and adds to the limited knowledge in the literature on the life cycle impact of solar powered AGMD systems.Vattenreningssystem har gjort förenklat tillgången till dricksvatten genom att behandla vattenkällor som tidigare inte gick att komma åt för att dricka. Sådana system kräver dock energi och material för att bygga och fungera, vilket innebär att de kommer med en miljöbelastning. Detta examensarbete utför en livscykelanalys från vagga till grav av ett vattenreningssystem som används för att behandla förorenat grundvatten i Odisha, Indien. Systemet renar grundvatten genom en destillationsprocess för luftgapmembran och möter sitt elbehov med hjälp av ett solcells-PV-delsystem och varmvattenbehov genom ett solvärmedelsystem med evakuerade rörkollektorer. Den valda funktionsenheten är 590 m3 dricksvatten producerat över 15 år. Systemets miljöpåverkan utvärderas med hjälp av konsekvensbedömningsmetoden ReCiPe Midpoint (H) och livscykeln modelleras i programvaran SimaPro med hjälp av Ecoinvents databas. En jämförelse görs sedan mellan miljöpåverkan från ett solcellsdrivet och ett elnätsdrivet vattenreningssystem och en mellan ett vattenreningssystem med konventionell samttoppmodern avfallshantering. Tillsammans med miljöpåverkan har även den utjämnade kostnaden (LCOW) för vatten i vattenreningssystemet beräknats. Resultaten visar att solcellsdelsystemet har störst miljöpåverkan på grund av den höga elförbrukningen under kiselrening för tillverkning av solpanelerna. Solvärmedelsystemet har den näst högsta påverkan med näst högsta andelen på grund av tillverkningen av glasrör för solfångarna. Delsystemet för vattenrening har minst påverkan varav den högsta andelen kommer från användningen för underhåll av systemet under operationella fas. Modelleringsresultaten fokuserar på fyra påverkanskategorier och visar följande potentiell miljöpåverkan - global uppvärmningspotential: 27 180 kg CO2ekv, mänsklig cancerogen toxicitet: 2 412 kg 1,4-DCB ekv, marin ekotoxicitet: 2 662 kg 1,4-DCB ekv, sötvattensekotoxicitet: 1 967 kg 1,4-DCB ekv. Det nätdrivna systemet visar 70 till 170 g[nger högre stor miljöpåverkan jämfört med det solcellsdrivna systemet i de fyra påverkanskategorierna på grund av den höga andelen fossila bränslen i det indiska elnätet. Medtoppmodern avfallshantering minskat systemets akvatiska och marina ekotoxicitetseffekter med en 10 % jämfört med konventionell avfallshantering och med försumbar påverkan på global uppvärmning och mänsklig cancerogen toxicitet. Den utjämnade kostnaden för vatten visar att när systemet med sin nuvarande drifttid på 6 timmar per dag varken kopplad till solenergi eller elnätet är ekonomiskt konkurrenskraftigt jämfört med vatten på flaska i Indien. En känslighetsanalys utförs sedan på fyra parametrar - underhållsfrekvens, komponenters livslängd, diskonteringsränta och kostnaden för destillationsmodulerna för luftgapmembran för att se deras inverkan på systemets miljöpåverkan och utjämnade vattenkostnader. Analysen visar att endast komponenternas livslängd har en betydande inverkan på systemets livscykelpåverkan, underhållsfrekvensen har en betydande inverkan på sötvatten och marin ekotoxicitet medan diskonteringsräntan och produktionskostnaden för AGDM-moduler inte har någon inverkan på den utjämnade kostnaden för vatten. Sammanfattningsvis kommer resultaten av denna studie att lägga till den begränsade kunskapen i litteraturen om livscykelpåverkan av soldrivna luftgapmembrandestillationssystem