High-temperature geothermal energy utilization in the context of EU climate and energy policy - life cycle environmental impacts and primary energy demand

Abstract

Geothermal energy utilization contributes to less than 0.5% of the world’s electricity demand and is not well represented in energy policies and environmental studies of energy systems. Research on geothermal potential and environmental impacts shows that geothermal energy can contribute to a low-carbon future and increased share of renewables in future energy systems, wherever access to geothermal resources is technically and economically feasible. Furthermore, geochemical conditions have to be favorable, as gaseous emissions are byproducts of utilizing high-temperature geothermal resources, where fluids are hotter than 150°C at 1 km depth below the surface. These include greenhouse gas (GHG) emissions that can be as high as emissions from fossil-fuelled power plants in rare instances. The recent climate and energy targets of the EU “clean energy for all” package for the year 2030 are set to reduce GHG emissions, increase the share of renewables within the EU energy mix, increase energy efficiency, and lower demand across the energy sector. This study investigates how the current EU climate and energy policy supports high-temperature geothermal utilization in future energy systems by comparing life cycle assessment results to the 2030 targets. The methodology of life cycle assessment (LCA) was applied to a case study of a state-of-the-art, high-temperature geothermal combined heat and power plant located in Iceland. LCA provides a holistic approach to analyzing various environmental impacts, including GHG emissions and primary energy demand, which serve as a basis for the EU targets. Detailed life cycle inventory (LCI) data was collected for the study since such data is not readily available in LCA literature or databases for geothermal applications. Furthermore, different allocation methods used to divide the environmental impacts between heat and electricity were tested to observe their impacts on the overall results. The overall results showed that life cycle GHG emissions are similar to other renewable energy technologies and thus can contribute significantly to lowering these emissions associated with energy use by replacing fossil fuels. However, due to the low thermal efficiency of electricity generation from geothermal, its increased use does not result in the desired increased energy efficiency, as measured by the EU targets in terms of primary energy demand, when added or replacing older technologies in the current energy system. However, the study results suggest that emphasis could instead be put on the non-renewable primary energy demand to ensure that renewable technologies such as geothermal utilization do not contradict the EU energy efficiency target. The study also identifies H2S emissions as a hotspot for geothermal utilization as the gas contributes to acidification and human toxicity potential. The results suggest that a barrier exists in current EU policy that may hinder geothermal energy from becoming one of the desired solutions to reach the 2030 climate and energy targets.

Framleiðsla raforku með jarðhita telur minna en 0.5% af rafmagnsþörf heimsins. Sökum þessa er jarðhitanýting oftan undanskilin í stefnumótun og rannsóknum á orkukerfum. Þær rannsóknir sem til eru um nýtingarmöguleika og umhverfisáhrif jarðhita á heimsvísu benda til þess nýting hans, þar sem jarðfræðilegar og efnahagslegar forsendur eru til staðar, geti stuðlað að því að minnka losun frá orkuframleiðslu og aukið hlut endurnýjanlegra orkugjafa á kostnað jarðefnaeldsneytis. Þó eru til dæmi þess að nýting jarðhita valdi samskonar losun og nýting jarðefnaeldsneytis til orkuframleiðslu, sem bendir til mikilvægi þess að rétt skilyrði séu fyrir hendi við nýtingu slíkra auðlinda. Losun gróðurhúsalofttegunda fylgir einkum nýtingu háhita, þar sem jarðhitavökvi er um 150°C eða heitari á 1 km dýpi. Í ný-uppfærðri orkustefnu Evrópusambandsins (ES) eru sett fram markmið um orku- og loftslagsmál. Þau eru birt sem hluti af hreinorkupakkanum (e. „clean energy for all” package) og ná til ársins 2030. Þau eiga einkum að leiða til minkunar á losun gróðurhúsalofttegunda, auka hlut endurnýjanlegra orkugjafa og minka orkunotkun með bættri orkunýtingu innan ES. Þessari rannsókn er ætlað að svara hvernig, og hvort, núgildandi markmið orkustefnu ES ýti undir frekari jarðhitanýtingu í Evrópu. Rannsóknin notar aðferðir vistferilsgreiningar (e. Life cycle assessment (LCA)) til þess að reikna út frumorkunýtni og kolefnisspor háhitanýtingar til samanburðar við markmiðin. Rannsóknin er byggð á raundæmi um slíka nýtingu, nánar tiltekið Hellisheiðarvirkjun, sem er hátækni jarðvarmavirkjun sem framleiðir bæði rafmagn og varma til húshitunar. Beiting vistferilsgreiningar gefur heildrænar niðurstöður fyrir ýmis umhverfisáhrif virkjunarinnar, þar með talið kolefnisspor framleiðslunnar og frumorkukræfni hennar, sem eru lykilstærðir í markmiðum orkustefnu ES. Hluti af rannsókninni fólst í því að safna saman ítarlegu gagnasetti fyrir mismunandi hluta lífsferils virkjunarinnar (e. Life cycle inventory (LCI)), þar sem slík gögn voru ekki til reiðu fyrir háhitavirkjanir í útgefnum rannsóknum eða gagnasettum. Jafnframt voru skoðaðar mismunandi aðferðir til að skipta umhverfisáhrifum milli raforku- og varmaframleiðslunnar (e. Allocation methods) til þess að meta áhrif þeirra á kolefnisspor og frumorkukræfni beggja framleiðsluvara. Niðurstöðurnar sýna að kolefnisspor háhitanýtingar er svipað og kolefnisspor annarra endurnýjanlegra orkugjafa, þegar aðferðum lífsferilsgreiningar er beitt við útreikningana. Þar með getur jarðhiti gegnt mikilvægu hlutverki samhliða öðrum endurnýjanlegum orkugjöfum í framtíðar orkukerfum á heimsvísu til að verjast loftslagsvánni. Hins vegar er varmanýtni slíkra virkjana lág þegar kemur að rafmagnsframleiðslu, sem gerir það að verkum að háhitanýting nær ekki að uppfylla markmið ES um aukna orkunýtni og minni frumorkunotkun. Ef horft yrði til frumorkunotkunnar af óendurnýjanlegum uppruna (e. non-renewable primary energy demand) eingöngu myndi jarðhitanýting koma afar vel út í samanburði við aðra orkugjafa. Niðurstöður rannsóknarinnar sýna einnig fram á að losun brennisteinsvetnis (H2S) er álagspunktur í vistferilsgreiningunni þegar þær eru bornar saman við umhverfisáhrif annarrar orkutækni. Losun H2S telst því ein alvarlegasta aukaverkun jarðhitanýtingar og veldur hún áhrifum á súrnun (e. Acidification potential) og eitrunaráhrifum á mannfólk (e. Human toxicity potential). Komast má hjá slíkri losun með notkun hreinsunarbúnaðar við slíkar virkjanir. Ljóst er af niðurstöðunum að núverandi framsetning orkustefnu ES og markmiða henni tengdri styðja ekki nægjanlega vel við uppbyggingu jarðhitanýtingar í Evrópu.