Life cycle assessment as a methodological tool for the adaption of renewable energy systems to circular economy principles

Abstract

The dissertation explores the integration of Life Cycle Assessment (LCA) as a critical methodological tool for the adaptation of Renewable Energy Systems (RES) to the Circular Economy (CE). The transition from a linear economy, which is characterized by a take-make-waste approach, to a circular economy is essential for addressing the global challenges of resource depletion, environmental degradation, and climate change. CE promotes sustainability and emphasizes the continuous use of resources with minimized waste streams. The conducted research aimed to bridge the gap between RES and CE by employing LCA to evaluate and enhance the environmental performance of various renewable energy technologies. In Chapter 1 a thorough review of the linear versus the CE is carried out, highlighting the environmental impacts of the linear model and the potential benefits of adopting circular practices. The transition to a CE is presented as a solution to the inefficiencies and environmental damage caused by the traditional linear model. Challenges such as the selection of appropriate materials, financing, policies, regulations, and stakeholder engagement are discussed as significant barriers to the widespread adoption of circular practices. Chapter 2 introduces LCA as a comprehensive framework for the assessment of the environmental impacts of products and systems throughout their entire life cycle, from raw material extraction to disposal (and even to full recycle or reuse/remanufacture). In this Chapter several software are evaluated to conclude which is the most suitable for implementing the LCA studies and the detailed methodology is applied to renewable technologies, including geothermal, solar thermal, and photovoltaic systems, to identify opportunities for improvement of their design, construction and operation in the context of a CE. Case studies focus on specific applications of LCA in renewable energy technologies. For example, the analysis of solar thermal systems reveals the potential for integrating CE principles through improved design, material selection, and waste management practices. Similarly, the application of LCA to geothermal systems highlights the importance of considering environmental impacts across the entire lifecycle, leading to more sustainable and efficient energy solutions. The research demonstrates that LCA can play a pivotal role in identifying hotspots and inefficiencies, guiding the development of strategies that enhance their circularity and sustainability. Chapter 3 presents the results of an LCA and techno-economic evaluation of renewable systems via a dedicated tool (SECT). A methodological framework for application of CE principles in renewable energy technologies (applied to residential solar thermal systems and photovoltaics) is presented. A trifold use of LCA and eco-labelling (EL) in an eco-design (ED) implementation context is proposed, towards CE in renewables. This multifaceted approach provides a holistic rating scheme, addressing both the technical issues and the environmental aspects for the complete life cycle. Overall, this PhD dissertation contributes to the growing body of knowledge on the intersection of LCA, RES, and CE. It provides valuable insights and practical guidelines for optimizing the environmental performance of RES, thereby supporting the global transition to an economy that will be more sustainable and more circular.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει την ενσωμάτωση της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) ως κρίσιμου μεθοδολογικού εργαλείου για την προσαρμογή των συστημάτων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στην Κυκλική Οικονομία (KO). Η μετάβαση από μια γραμμική οικονομία, η οποία λειτουργεί με βάση το μοντέλο "παίρνω-παράγω-απορρίπτω", σε μια ΚΟ είναι απαραίτητη για την αντιμετώπιση των παγκόσμιων προκλήσεων της εξάντλησης των πόρων, της υποβάθμισης του περιβάλλοντος και της κλιματικής αλλαγής. Η ΚΟ προωθεί τη βιωσιμότητα δίνοντας έμφαση στη συνεχή χρήση των πόρων με ελαχιστοποιημένες ροές αποβλήτων. Η έρευνα που διεξήχθη στόχευε στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ ΑΠΕ και ΚΟ με τη χρήση της ΑΚΖ για την αξιολόγηση και ενίσχυση των περιβαλλοντικών επιδόσεων διαφόρων τεχνολογιών ΑΠΕ. Στο Κεφάλαιο 1 οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις του γραμμικού οικονομικού μοντέλου αντιπαραβάλλονται με τα πιθανά οφέλη των πρακτικών της ΚΟ. Η μετάβαση στην ΚΟ παρουσιάζεται ως πιθανή λύση για τις ανεπάρκειες και τις περιβαλλοντικές ζημιές που προκαλούνται από το παραδοσιακό γραμμικό μοντέλο. Προκλήσεις όπως η επιλογή των κατάλληλων υλικών, η χρηματοδότηση, οι πολιτικές, οι κανονισμοί και η εμπλοκή των ενδιαφερόμενων μερών συζητούνται ως σημαντικά εμπόδια στην ευρεία υιοθέτηση κυκλικών πρακτικών. Το Κεφάλαιο 2 εισάγει την ΑΚΖ ως ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για την εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των προϊόντων και των συστημάτων καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους, από την εξόρυξη πρώτων υλών έως την τελική τους διάθεση (ακόμη και έως την πλήρη ανακύκλωση ή επαναχρησιμοποίηση/ανακατασκευή τους). Σε αυτό το κεφάλαιο αξιολογούνται διάφορα λογισμικά προκειμένου να γίνει η τελική επιλογή του καταλληλότερου για την υλοποίηση των μελετών ΑΚΖ, και εφαρμόζεται η λεπτομερής μεθοδολογία ΑΚΖ εφαρμόζεται σε τεχνολογίες ΑΠΕ, συμπεριλαμβανομένων των γεωθερμικών, ηλιοθερμικών και φωτοβολταϊκών συστημάτων, για τον εντοπισμό των δυνατοτήτων βελτίωσης στο σχεδιασμό, κατασκευή και λειτουργία τους στο πλαίσιο μίας ΚΟ. Οι μελέτες περίπτωσης επικεντρώθηκαν σε συγκεκριμένες εφαρμογές της ΑΚΖ σε τεχνολογίες ΑΠΕ. Για παράδειγμα, η ανάλυση των ηλιακών θερμικών συστημάτων αποκάλυψε τις δυνατότητες ενσωμάτωσης των αρχών της ΚΟ μέσω βελτιωμένου σχεδιασμού, επιλογής υλικών και πρακτικών διαχείρισης αποβλήτων. Ομοίως, η εφαρμογή της ΑΚΖ στα γεωθερμικά συστήματα υπογραμμίζει τη σημασία της εξέτασης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής, οδηγώντας σε πιο βιώσιμες και αποδοτικές ενεργειακές λύσεις. Τα αποτελέσματα της έρευνας καταδεικνύουν ότι η ΑΚΖ μπορεί να διαδραματίσει καίριο ρόλο στον εντοπισμό δύσκολων σημείων και ανεπαρκειών, καθοδηγώντας την ανάπτυξη στρατηγικών που ενισχύουν την κυκλικότητα και τη βιωσιμότητά τους. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ΑΚΖ και της τεχνικοοικονομικής αξιολόγησης των συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μέσω ενός εργαλείου λήψης απόφασης SECT (Save Energy Checker Tool) με δυνατότητα πρόσβασης μέσω διαδικτύου που στοχεύει στην ολιστική αξιολόγηση πληθώρας εμπορικών συστημάτων ΑΠΕ (φωτοβολταϊκών, αιολικών, ηλιακών θερμικών), δηλαδή στην αξιολόγησή τους βάσει ενεργειακών και περιβαλλοντικών κριτηρίων. Παρουσιάζεται ένα μεθοδολογικό πλαίσιο για την εφαρμογή των αρχών ΚΟ σε τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (εφαρμοσμένο σε οικιακά ηλιοθερμικά συστήματα και φωτοβολταϊκά). Προτείνεται μια προσέγγιση που συνδυάζει την ΑΚΖ και της οικολογικής σήμανσης (Eco-Labelling) στο πλαίσιο εφαρμογής οικολογικού σχεδιασμού (Eco-Design). Αυτή η πολύπλευρη προσέγγιση παρέχει ένα ολιστικό σύστημα αξιολόγησης, αντιμετωπίζοντας τόσο τα τεχνικά όσο και τα περιβαλλοντικά ζητήματα σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής. Διερευνώνται επίσης προτάσεις για τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής, τους ενδιαφερόμενους φορείς της βιομηχανίας και τους ερευνητές, για την προώθηση της ενσωμάτωσης της ΑΚΖ στα συστήματα ΑΠΕ με στόχο την εφαρμογή λύσεων ΚΟ. Συνολικά, η διατριβή συμβάλλει στην απόκτηση γνώσης σχετικά με τη συνδυασμένη εφαρμογή της ΑΚΖ σε συστήματα ΑΠΕ προς εφαρμογή των αρχών της ΚΟ. Παρέχει πολύτιμες γνώσεις και πρακτικές κατευθυντήριες γραμμές για τη βελτιστοποίηση της περιβαλλοντικής απόδοσης συστημάτων ΑΠΕ, υποστηρίζοντας έτσι τη παγκόσμια μετάβαση σε μια πιο βιώσιμη και κυκλική οικονομία.