life cycle assessment of electricity generation

27
November 2011 Life Cycle Assessment of Electricity Generation

Upload: others

Post on 04-Feb-2022

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

November  2011  

   Life Cycle Assessment of Electricity Generation  

 

Page 2: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

 

 

  

      

The Union of the Electricity Industry–EURELECTRIC is the sector association representing the common interests of 

the electricity industry at pan‐European level, plus its affiliates and associates on several other continents.  

 

In  line with  its mission,  EURELECTRIC  seeks  to  contribute  to  the  competitiveness  of  the  electricity  industry,  to 

provide effective representation for the industry in public affairs, and to promote the role of electricity both in the 

advancement of society and in helping provide solutions to the challenges of sustainable development.  

 

EURELECTRIC’s  formal  opinions,  policy  positions  and  reports  are  formulated  in Working  Groups,  composed  of 

experts  from  the  electricity  industry,  supervised  by  five  Committees.  This  “structure  of  expertise”  ensures  that 

EURELECTRIC’s published documents are based on high‐quality input with up‐to‐date information.   

 

For  further  information on EURELECTRIC activities, visit our website, which provides general  information on  the 

association  and  on  policy  issues  relevant  to  the  electricity  industry;  latest  news  of  our  activities;  EURELECTRIC 

positions and statements; a publications catalogue listing EURELECTRIC reports; and information on our events and 

conferences.                  

  

Dépôt légal: D/2011/12.105/53

EURELECTRIC pursues in all its activities the application of 

the following sustainable development values: 

Economic Development 

  Growth, added‐value, efficiency 

Environmental Leadership 

  Commitment, innovation, pro‐activeness 

Social Responsibility 

  Transparency, ethics, accountability 

Page 3: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

 

Life Cycle Assessment of Electricity Generation ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  WG Environmental Management & Economics  Philippe BAUDUIN (Electricité de France‐FR), Chair Chris ANASTASI (International Power‐GB), Inga ANDERSSON (E.ON Sverige‐SE), Helena AZEVEDO (Redes Energéticas Nacionais, SGPS, S.A. ‐ REN‐PT), Klaus BRUCHERSEIFER (Société Électrique de l'Our SA (SEO)‐LU), David CORREGIDOR SANZ (ENDESA‐ES), Gaye DEMIRHAN BASBILEN (ARTI Wind & Alternative Energy Systems‐TR), Gabor HOHOL (TPP AES Tisza‐HU), Radovan HOLOD (Elektrovod Holding a.s.‐SK), Drazen LOVRIC (HEP D.D.‐HR), Pavel NECHVATAL (CEZ, a.s.‐CZ), Miroslaw NIEWIADOMSKI (PGE Mining&Power sa (BELCHATOW)‐PL), Flavia PASAREANU (S.C. Complexul Energetic Rovinari S.A.‐RO), Alida REJEC (SENG D.O.O. NOVA GORICA‐SI), Wilhelm A. RITTER (Energie AG Oberösterreich‐AT), Walter RUIJGROK (Energie‐Nederland‐NL), Geir TAUGBOL (Energi Norge‐NO), Tanja UTESCHER‐DABITZ (BDEW‐DE), Alexis van DAMME (GDF SUEZ Energy Europe & International‐BE), Roberto VENAFRO (Edison‐IT), Members  

 Contact:  Helene LAVRAY, Advisor Environment & Sustainable Development Policy Unit ([email protected]

Page 4: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

 

  

This report is part of the EURELECTRIC Renewables Action Plan (RESAP). 

The  electricity  industry  is  an  important  investor  in  renewable  energy  sources  (RES)  in  Europe.  For  instance,  it  is responsible  for  40%  of  all wind  onshore  investments. RES  generation  already  represents  a  substantial  share  in  the power mix and will continue to increase in the coming years.  

EURELECTRIC’s  Renewables Action  Plan  (RESAP) was  launched  in  spring  2010  to  develop  a  comprehensive  industry strategy on renewables development in Europe.  

RESAP addresses the following key challenges in promoting RES generation: 

• the need for a system approach to flexibility and back‐up, • the need for a market‐driven approach, • the need for a European approach to RES development. 

 RESAP consists of 13  task  forces,  including  for example demand side management, market design,  load and storage. The purpose of RESAP  is  to develop,  through a series of reports and a  final synopsis report, sound analysis with key recommendations for policymakers and industry experts.  

For additional information on RESAP please contact: 

John Scowcroft  [email protected] 

Susanne Nies [email protected]  

 

Page 5: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

 

Life Cycle Assessment of Electricity Generation 

 

1. Background ....................................................................................... 3

1.1. Life Cycle Assessment (LCA) ............................................................................................ 3

1.2. Other analytical frameworks .......................................................................................... 4

1.3. Shortcomings........................................................................................................................ 5

2. Impacts of electricity generation...................................................... 7

2.1. “Carbon footprint” of electricity generation ............................................................. 8

2.2. Air pollution ....................................................................................................................... 10

2.3. Health impacts .................................................................................................................. 12

2.4. Water use ........................................................................................................................... 12

2.5. Land use .............................................................................................................................. 14

2.6. Biodiversity ........................................................................................................................ 14

2.7. Raw materials.................................................................................................................... 16

2.8. Energy payback................................................................................................................. 17

3. Concluding remarks ........................................................................ 18

4. References....................................................................................... 20

 

 

 

 

 

Page 6: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  3

 

As part of EURELECTRIC’s Renewables Action Plan  (RESAP),  the WG Environmental 

Management  and  Economics  was  tasked  with  an  evaluation,  based  on  existing 

literature, of  the sustainability of RES  technologies over  their whole  life cycle  (task 

4.4). 

It  was  agreed  that  the  scope  of  the  work  should  encompass  other  generation 

technologies as well.  

 

1. Background 

 

1.1. Life Cycle Assessment (LCA)  Life Cycle Assessment aims at evaluating all environmental impacts associated with a 

given  product  or  service  at  all  stages  of  its  lifetime  from  “cradle  to  grave”:  from 

resource extraction and processing, through construction, manufacturing and retail, 

distribution  and  use,  repair  and  maintenance,  disposal/decommissioning  and 

reuse/recycling. 

LCA  procedures  are  usually  based  on  environmental management  standards  ISO 

14040:2006 and 14044:2006 and are carried out in four steps: 

1. Goal and scope definition 

The  goal  and  scope  of  the  LCA must  be  clearly  defined.  The  system  to  be 

analysed,  its boundaries,  the  functional unit  (what  is  studied precisely  and 

what are the services/products delivered  in order to provide a reference for 

the  inputs and outputs) and  the procedure are determined. This  step must 

include  the  context  of  the  analysis,  the  future  use  of  the  LCA  results,  the 

addressees of the results, assumptions and  limitations, the methods chosen 

to allocate the impacts of a shared process and the impact categories.  

Page 8: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  4

2. Life Cycle Inventory (LCI) 

For this stage, every  input (raw material, fuel, water, etc.) and every output 

(product, emissions to air, water and soil, waste, etc.) of the functional unit 

defined in the first step is recorded and quantified. The inventory can gather 

data  for hundreds of  flows, depending on  the  system boundaries.  First,  all 

necessary  data  must  be  collected.  This  requires  in‐depth  qualitative  and 

quantitative knowledge of all the related inputs, which must be expressed in 

a common unit. Then  the  inventory  results have  to be calculated based on 

the data collected, according to the chosen methodologies and assumptions.  

3. Life Cycle Impact Assessment (LCIA) 

All  the  outputs  of  the  LCI  are  analysed  to  determine  their  impact  on  the 

environment.  Impact  categories  can  include  use  of  resources,  GHG/CO2 

emissions, toxicity, acidification, eutrophication, land use, etc. 

4. Interpretation 

The results of the LCI and LCIA are summarised and presented, identifying the 

significant  issues.  The  study’s  completeness,  sensitivities  and  consistencies 

are evaluated. The objective is to propose conclusions and recommendations 

for decision‐making.  

 1.2. Other analytical frameworks  LCA  is  now  a  well‐established  framework,  based  on  internationally  agreed 

environmental management  standards,  and  increasingly  used  to  compare  various 

generation technologies and in particular RES or low‐carbon technologies with fossil 

fuel based generation technologies.  

Some  studies have attempted  to go beyond  the assessment of  the environmental 

impacts.  For  instance  they  have  tried  to  take  into  consideration  changes  in  the 

energy system, most notably as a result of an increasing share of intermittent RES. A 

newly developed methodology, “consequential LCA”  (as opposed  to  the  traditional 

Page 9: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  5

“attributional” LCA), attempts to consider the  impact that the  implementation of a 

certain  technology has on other  technologies and market dynamics. However,  this 

concerns a minority of LCA studies and is not without its own challenges.  

At the EU level, the European Commission launched ExternE (Externalities of Energy 

1991‐1997, updated  in 2005), a project whose ambition was  to  combine  LCA with 

the “impact pathway approach”. In this bottom‐up‐approach environmental benefits 

and  costs  are estimated by  following  the pathway  from  source emissions  through 

quality changes of air, soil and water to physical impacts, before being expressed in 

monetary benefits and costs.  

In  2008,  another  project,  NEEDS  (New  Energy  Externalities  Developments  for 

Sustainability) was initiated, with the ambition to evaluate the full costs and benefits 

(direct  and external) of energy policies  and of  future energy  systems, both  at  the 

level of  individual countries and  for the enlarged EU as a whole.  Its results did not 

have the same impact as ExternE, whose results were used, for instance, in the Clean 

Air  for  Europe  (CAFE)  programme  or  in  the  IPPC  Directive  (cost/benefit  analysis 

aimed at contributing to the selection of Best Available Techniques).  In addition to 

severe limitations (no inclusion of hydro or wind onshore in the scope of the work), 

debates  in  the  final  stages  of  NEEDS  and  conclusions  after  the  final  workshop 

stopped short of proposing a technology ranking.  

 1.3. Shortcomings   LCA  and  other  analytical  frameworks  often  present  a  number  of  limitations  and 

uncertainties. 

• Given  the  importance of GHG, LCA  tends  to  focus exclusively on  those and 

even on the LCI step of an LCA.  

• As pointed out above, LCA  rarely  takes  into consideration  the  fact  that  the 

site which serves as a basis  for the analysis  is connected to a whole energy 

system  (increased  share  of  intermittent  RES,  electricity  grid, market,  etc.). 

LCA also does not  take  into account a number of  important criteria such as 

Page 10: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  6

social aspects, acceptability or  security of  supply  that will have  to be  taken 

into consideration at a  later stage. To  foster such aspects  in  the LCA, UNEP 

developed  guidelines  for  Social  Life Cycle Assessment  of  products  in  2009. 

Attempts to incorporate those elements in turn lead to other limitations and 

uncertainties. 

• Analysis results are influenced by the assumptions made or the methodology 

chosen (e.g. choice of LCA technique, impact pathway, system boundary, risk 

of double counting) and the concepts introduced and/or used (e.g.: “Value of 

a Life Year Lost”). 

• For  electricity  generation  technologies,  the  results  of  an  analysis  will  be 

influenced  by  the  specific  characteristics  of  the  site  chosen  compared  to 

others  in  its  category,  the  manufacturing  and  design  characteristics,  the 

lifetime  and  the  operating  conditions.  It  is  therefore  difficult  to  transfer 

results  from one  country  to  another or one  generation unit  to  another,  as 

most major environmental impacts, with the exception of climate change, are 

heavily site‐dependent. In the case of an LCA for gas, there will also be large 

differences depending on the mode of transport (e.g. pipeline, LNG; distance) 

and on the source (conventional gas, shale gas).  

• LCA  is often considered a  long and onerous process and  focuses on existing 

installations. As a  result out‐dated values are often used  that  fail  to  reflect 

evolutions  in the power sector. Although  it  is possible to conduct “fast� LCA 

results  will  be  imprecise  and  have  a  limited  reach.  LCA  can  also  be 

prospective. What matters  is  transparency  in  the  first  stage of  the analysis 

while defining the goal and scope. Other LCAs may  include  future scenarios 

(e.g. NEEDS).  

• Results of studies can be the result of a vast scope of studies undertaken by 

different teams. 

Page 11: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  7

• Uncertainties and limitations of various methodologies may be acknowledged 

by the authors of the studies but are rarely taken  into account when results 

(or only some of them) are used by policymakers.  

 

2. Impacts of electricity generation  

In May  2011,  the  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change  (IPCC)  published  a 

Special  Report  on  Renewable  Energy  Sources  and  Climate  Change  Mitigation 

(SRREN). Although no study was conducted for this report, its scope covers a review 

of  existing  literature  on  life  cycle  assessment.  Efforts  were  made  to  cover  the 

different technologies for electricity generation and not only RES. The methodology 

is  described  in  “Annex  II‐Methodology”  of  the  report.  It  covers  the  financial 

assessment of  technologies over a project  lifetime,  the primary energy accounting 

and  LCA  and  risk  analysis.  For  the  review  of  LCAs  of  electricity  generation 

technologies,  the US National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)  carried  out  a 

review  of  published  LCAs.  Out  of  2,165  references  collected,  they  kept  296  that 

passed  screens.  The  review  followed  guidelines  for  systematic  review  but  for  the 

studies  that  passed  the  screens  there  was  no  assessment  of  the  accuracy  of 

estimates or  validity of  assumptions,  identification of outliers. The estimates used 

are the ones published.   

It is also important to bear in mind that the scope of this analysis is international and 

covers both developed and developing countries.  

In addition to the ubiquitous greenhouse gas emissions, the SRREN also attempted 

to give indications of other impact categories (air pollution, water use, raw materials, 

accidents, etc.).  

The  following  sections  rely  on  the  findings  of  the  SRREN  which  represent  an 

extensive and recent evaluation of studies in this field. 

Page 12: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  8

 2.1. “Carbon footprint” of electricity generation  Given  the  crucial  importance  of  climate  change,  the  focus,  in  terms  of  impact 

category from LCA, is clearly on GHG emissions. Often, a study will only focus on that 

aspect.  It must be noted that a synthesis of those different evaluations  is a field of 

study in itself.  

Figure  1  shows  the  lifecycle  greenhouse  gas  emissions  (in  g  CO₂  eq/kWh)  for 

different electricity generation technologies,  including single estimates for CCS (see 

number  in  brackets  for  the  number  of  studies).  Land‐use  related  net  changes  in 

carbon stocks (mainly applicable to biopower and hydropower from reservoirs) and 

land management impacts are excluded. Negative estimates for biopower are based 

on  assumptions  about  avoided  emissions  from  residues  and  waste  in  landfill 

disposals and co‐product.  

The  carbon  footprint  accounts  for  the  total quantity of  greenhouse  gases emitted 

over the life cycle of a product or a process.  

All electricity generation technologies emit greenhouse gases at some point  in their 

life cycle and all have a carbon footprint. Fossil‐fuelled electricity generation has the 

highest carbon  footprint and most emissions are produced during plant operation. 

CCS  technologies  could  reduce  those  emissions  significantly  but  have  not  yet 

developed at a  large scale. GHG reduction costs could be much  lower by using CCS 

compared to many RES technologies. By contrast, renewable and nuclear generation 

have a  low carbon  footprint and most emissions are caused  indirectly,  for  instance 

during the construction phase. Emissions from biomass can be higher than for other 

RES and nuclear. CO₂ emissions from biomass plants are sometimes not considered 

during  their  lifetime because  the CO₂ emitted  is equal  to  the CO₂ absorbed  in  the 

biomass growth stages. However not all studies take avoided emissions into account.  

 

Page 13: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  9

 

Figure 1: Estimates of  life cycle GHG emissions  (g CO2eq/kWh)  for categories of electricity generation  technologies, 

including some technologies integrated with CCS, SRREN (2011).  

Solar Values  Bio‐

power 

 

PV  CSP 

Geo‐

thermal 

 

Hydropower  Ocean 

 

Wind  Nuclear  Natural 

Gas 

Oil  Coal 

Minimum  ‐633  5  7  6  0  2  2  1  290  510  675 

25th 

percentile 

360  29  14  20  3  6  8  8  422  722  877 

50th 

percentile 

18  46  22  45  4  8  12  16  469  840  1001 

75th 

percentile 

37  80  32  57  7  9  20  45  548  907  1130 

Maximum  75  217  89  79  43  23  81  220  930  1170  1689 

CCS min  ‐1368                65    98 

CCS max  ‐594                245    396 

Table 1: Aggregated results of literature review of LCAs of GHG emissions from electricity generation as displayed in Figure 1, 

SRREN (2011) 

Page 14: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  10

2.2. Air pollution  SRREN  included data on selected air pollutants with the greatest  impact on human 

health (according to the WHO). Those pollutants are dispersed into the atmosphere 

at both local and regional levels. However their real impact on the environment and 

health varies according to a number of factors, so the data from life cycle inventories 

must be  interpreted carefully. Furthermore the climate effects of certain pollutants 

such  as  black  carbons  and  aerosols  are  still  under  investigation.  Black  carbon 

abatement  for  instance  appears  to  be  an  effective  way  of  tackling  both  climate 

change  and  air  pollution.  The  removal  of  reflective  aerosols  through  air  pollution 

control  measures  may  accelerate  the  impact  of  global  warming.  Those 

considerations will apply differently according to countries/regions.  

 

Page 15: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  11

 

Figure 2: Cumulative life cycle emissions of a) NOx and SO2 and b) NMVOC and PM2.5 per unit of energy generated 

for current heat and electricity supply technologies, SRREN (2011) 

 

The results show  that non‐combustion RES and nuclear emit comparatively  few air 

pollutants and comparatively little during the upstream and downstream processes. 

For  electricity  production  based  on  fossil  fuel  and  biomass, most  emissions  occur 

during the combustion stage. The transport stage might become more  important  in 

the case of long‐distance transport of the fuel.  

 

Page 16: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  12

The  results do not  take  into  consideration potentially higher emissions  linked  to a 

more  flexible  operation  of  fossil  fuel  and  biomass‐based  electricity  generation  to 

support the increasing share of intermittent RES in the system. 

At the EU  level emissions from the power sector have consistently and significantly 

decreased over the past decades  in spite of an  increase  in electricity production.  In 

some cases (PM, NOx), the power sector  is a minor contributor compared to other 

sectors  such  as  transport. While  electricity  generation  increased  by  75%  between 

1980 and 2007  in  the EU‐27, electricity‐related SO₂ and NOx emissions  fell by 76% 

and 57% respectively in the same period.  

 2.3. Health impacts  Most health impacts are related to the emission of air pollutants from fossil fuel and 

biomass‐based electricity generation. The  legislative  framework at the EU  level has 

allowed  for  a  significant  reduction  in  emissions.  Focus  is  progressively  shifting  to 

small combustion installations and household emissions. There are also some health 

concerns associated with RES (e.g. noise from wind power; direct or indirect impact 

of certain agricultural practices linked to biomass). 

 2.4. Water use  Water  is  a  crucial  element  for  most  electricity  generating  technologies.  Its 

availability,  in particular  in a changing climate, will  influence the choice of  location, 

design and operation of a site. From a  life cycle perspective there  is  little  literature 

available on that aspect.  

On  the  operational  level,  it  is  important  to  note  what  while  some  electricity 

generation technologies may have high water withdrawal rates (water removed from 

the ground or diverted  from  the source),  the consumption  level  (water  lost mainly 

through evaporation)  is much  lower but still  important,  in particular where water  is 

scarce. Once‐through‐cooling withdraws  large volumes of water but consumes  little 

whereas  closed‐loop‐cooling  withdraws  less  but  consumes more.  Those  different 

technologies also affect plant efficiency and costs (e.g. dry cooling). The  IPCC study 

Page 17: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  13

also  states  that  more  research  on  the  net  effect  of  reservoir  construction  on 

evaporation  in  a  specific watershed  is  needed,  since  the  high  evaporation  values 

shown for hydropower  in this graph are not considered representative. It also does 

not account for the positive impacts hydropower can have on a river (filtering waste 

material, slowing down the flow rate, stabilising the water level, etc.). 

 

 

Figure  3:  Ranges  of  rates  of  operational  water  consumption  by  thermal  and  non‐thermal  electricity‐generating 

technologies based on a review of available literature (m³/MWh), SRREN (2011) 

 

As shown in Figure 3, water consumption varies greatly within and between cooling 

technologies. With the exception of coal and CSP, the number of estimates used  is 

low.  

 

Page 18: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  14

 2.5. Land use  There is little available literature related to life cycle estimates for land use of energy 

generation  technologies. For  fossil  fuel and nuclear,  the  impact  is mainly upstream 

(mining,  extraction,  supply  and  transport)  and  downstream  (waste  disposal).  In 

contrast,  and with  the  notable  exception  of  biomass,  land  use  requirements  are 

largest  for  RES  during  the  operational  stage  (e.g.  PV  plant,  CSP,  wind  including 

landscape  issues). Run‐of‐river hydropower has  low  life cycle  land use but this may 

be  very  different  for  reservoirs,  not  least  because  of  population  displacement  – 

although in the case of multi‐purpose reservoirs such effects cannot be attributed to 

electricity generation alone.  

An  increasing share of RES will also affect  land use  for electricity  transmission and 

distribution. 

 2.6. Biodiversity  

Impacts  on  biodiversity  are  not  part  of  LCA.  While  there  is  large  operational 

experience  associated with  fossil  fuel  and  nuclear  generation  technologies,  this  is 

usually not  the case with RES  technologies, with  the exception of hydropower and 

increasingly wind  farms  or  solar  panels.  The  impact  of  bioenergy  is  also  strongly 

disputed but here the impact is mainly upstream, linked to land use and agriculture 

management  practices  (water,  pesticides,  etc.).  The  impacts  of  exploiting  and 

transporting fossil fuels,  in particular oil, can also be damaging,  in particular  in case 

of accidents. Regarding hydropower, conventional hydropower plants create a new 

ecological  system.  The  building  of  a  new  hydropower  plant  at  a  heavily modified 

water  body  (HMWB)  could  actually  improve  the water  body: monitoring  reports 

have shown that  in the area of a  fish way, there  is a recovery  in the population of 

threatened species.  

 

Page 19: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  15

 

 

Table  2:  Overview  of  potential  negative  impacts  and  concerns  regarding  ecosystems  and  biodiversity  related  to  RES 

technologies, SRREN (2011) 

 

Fossil‐fuel  Impact of mining, extraction, infrastructures for transport and supply on habitats, wildlife and water 

Air and water pollution (impact on wildlife, habitats and ecosystems) 

Landfill of CCP (soil degradation) 

Nuclear  Impact of mining, extraction, infrastructures for transport and supply on habitats, wildlife and water 

Water pollution (impact on wildlife, habitats and ecosystems) 

Impact of disposal sites (see land use and associated effect on wildlife and habitats) 

 

Table 3: Overview of potential negative impacts and concerns regarding ecosystems and biodiversity related to fossil fuel and 

nuclear technologies, EURELECTRIC. 

Page 20: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  16

2.7. Raw materials  Scarcity of fossil fuels  is well documented. Estimates vary but, while coal scarcity  is 

not a major issue for the time being, proven conventional reserves of oil and gas are 

expected to be depleted  in the next 40 to 60 years. These estimates are  influenced 

by the rate of economic growth, in particular in developing countries, and access to 

non‐conventional  sources  (e.g. oil  sands). For both depleted conventional  reserves 

and non‐conventional sources, extraction costs are  increasing together with energy 

input and life cycle carbon emissions. Security of supply is also an issue of concern.  

In  addition,  Table  3  shows  that RES  rely  on  a number  of  raw materials  for which 

access  and  price  volatility  should  also  be  taken  into  consideration.  Demand  for 

precious  rare  earth  and  speciality metals  is  projected  to  increase.  In  some  cases 

substitution is not possible. 

In  its  February  2011  strategy,  the Commission  identified 14  critical  raw materials: 

antimony,  beryllium,  cobalt,  fluorspar,  gallium,  germanium,  graphite,  indium, 

magnesium, niobium, platinum group metals, rare earths, tatalum, tungsten. 

 

Table 3: critical raw materials content of renewable resources technologies, SRREN, 2011. 

The setting up of effective recycling schemes appears essential. 

 

Page 21: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  17

2.8. Energy payback  The energy payback ratio is the ratio of total energy produced during the lifetime of 

a  technology  divided  by  the  energy  needed  to  build,  fuel,  maintain  and 

decommission it. The higher the ratio, the better the environmental performance. A 

payback  ratio  between  1  and  1.5  implies  that  the  energy  consumed  is  almost  as 

much as the energy produced.  

Energy payback  time  is  the  time  required  for a generation  technology  to generate 

the amount of energy that was required to build, fuel, maintain and decommission 

it. The energy payback time is closely linked to the energy payback ratio and depends 

on assumptions made on the lifetime of a technology.  

In  the  case  of  combustion,  the  energy  content  of  the  fuel  itself  is  not  taken  into 

consideration.  

The notion of energy payback  is  commonly used but  the methodology  is disputed 

(the notion is not clearly defined, MJ electric and MJ heat are aggregated, etc.).  

 

 

Table 4:  Energy payback  times  and  energy  ratios of  electricity‐generating  technologies,  SRREN  (2011).  Electricity  from 

biomass is excluded, as the literature almost exclusively documents GHG instead of energy balances for this technology, 

and mostly covers the bio fuel cycle only.  

 

Page 22: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  18

The main  reasons  for  variations  in  Table  4  are  fuel  characteristics  (e.g. moisture 

content),  cooling  method,  ambient  and  cooling  water;  temperatures  and  load 

fluctuations  (coal  and  gas);  uranium  ore  grades  and  enrichment  technology 

(nuclear); crystalline or amorphous silicone materials  (PV solar cells); economies of 

scale in terms of power rating (wind); and storage capacity and design (concentrating 

solar). 

For  some RES  technologies,  for example wind and PV, energy payback  times have 

decreased because of economies of scale and technological progress. However, the 

location‐specific capacity factor has a major influence on the energy payback time in 

particular for intermittent RES.  

In  the  case  of  fossil  fuel  and  nuclear  power  technologies,  the  impact  of  fuel 

extraction and procession may  increase  in parallel with the decline  in conventional 

fuel and rise in unconventional fuel.  

 

3. Concluding remarks 

 

• LCAs for electricity generation indicate that life cycle emissions of GHG from 

RES are, in general, considerably lower than those associated with fossil fuels. 

Nuclear is in the same range and performs better than biomass. Among fossil 

fuels,  gas  performs  significantly  better.  The  impact  of  CCS,  although 

promising, has yet to be demonstrated on a large scale.  

• LCA  or  comparisons  based  on  life  cycle  inventories  such  as  life  cycle GHG 

emissions fail to take into consideration the intermittent nature of some RES 

and the impact they will have on other generation technologies that will have 

to be more flexible to accommodate them. This will result in an evolution  in 

the  operational  phase most  notably  in  terms  of  emissions  of  CO₂  and  air 

pollutants.  There  are  suggestions  that,  to  account  for  the  intermittency  of 

some RES, different generation technologies could be analysed in clusters. 

Page 23: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  19

• Similarly, the energy system is often not seen as a whole. The electricity grid 

and market issues are poorly taken into consideration. 

• For  some  aspects  (air  pollution,  water  use,  biodiversity)  reliable  global 

indicators are  lacking and  the evaluation of  the  impacts highly depends on 

local circumstances:  identical plants will have different  impacts according to 

their location.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 24: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  20

4. References 

 Canadian Energy Research Institute (CERI), Comparative Life Cycle Assessment 

(LCA) of base load electricity generation in Ontario, Prepared for the Canadian 

Nuclear Association, October 2008, 

http://www.cna.ca/english/pdf/studies/ceri/CERI‐ComparativeLCA.pdf 

Denholm (P.), Kulcinski (G.P.), Holloway (T.), Emissions and energy efficiency 

assessment of baseload wind energy systems, Environmental Science and 

Technology, 2005, pp. 1903‐1911. 

European Commission, Externalities for Energy (ExternE), The ExternE project 

series 

European Commission, New Energy Externalities Development for Sustainability, 

NEEDS, 2008, NEEDS project 

European Commission, Communication “Tackling challenges in the commodity 

markets and on raw materials”, COM(2011)25, 02 February 2011. 

Gagnon (L.), Greenhouse gas emissions from power generation options, January 

2003, http://www.hydroquebec.com/sustainable‐

development/documentation/pdf/options_energetiques/pop_01_06.pdf 

Gagnon (L.), Energy payback ratio of electricity generation options based on life‐

cycle assessments, July 2005, http://www.hydroquebec.com/sustainable‐

development/documentation/pdf/options_energetiques/rendement_investisse

ment.pdf 

IPPC, Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change 

Mitigation (SRREN), 2011, Special Report on Renewable Energy Sources and 

Climate Change Mitigation — SRREN 

 

 

Page 25: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

  21

International Organisation for Standardisation (ISO), ISO 14040 (2006): 

Environmental management – Life cycle assessment – Principles and framework, 

and ISO 14044 (2006): Environmental management – Life cycle assessment – 

Requirements and guidelines. 

Parliamentary Office of Science and Technology (POST), Houses of Parliament 

(UK), Carbon footprint of electricity generation, Number 268, October 2006, 

http://www.parliament.uk/documents/post/postpn268.pdf 

Parliamentary Office of Science and Technology (POST), Houses of Parliament 

(UK), Carbon footprint of electricity generation, Number 383, June 2011, 

http://www.parliament.uk/documents/post/postpn_383‐carbon‐footprint‐

electricity‐generation.pdf 

Vattenfall, Vattenfall’s life‐cycle studies of electricity, 1999, 

http://www.barsebackkraft.se/files/lifecycle_studies.pdf 

Vattenfall, Life‐cycle assessment. Vattenfall’s electricity in Sweden, 2005,  

http://www.vattenfall.com/en/file/2005‐LifeCycleAssessment_8459810.pdf 

Weber (Ch.), Jaramillo (P.), Marriott (J.), Samaras (C.), Life‐cycle assessment and 

grid electricity: what do we know and what can we know?, Environmental 

Science and Technology (2010), pp 1895‐1901,  

World Energy Council (a special report to the), Comparison of energy systems 

using life cycle assessment, July 2004, 

http://www.worldenergy.org/documents/lca2.pdf 

Page 26: Life Cycle Assessment of Electricity Generation
Page 27: Life Cycle Assessment of Electricity Generation

 

 

    

Union of the Electricity Industry ‐ EURELECTRIC aisbl Boulevard de l’Impératrice, 66 ‐ bte 2 B ‐ 1000 Brussels  •  Belgium Tel:  + 32  2 515 10 00  •  Fax:   + 32  2 515 10 10 VAT: BE 0462 679 112  •  www.eurelectric..org