By Anders Arvesen, industrial ecology researcher and (occasional) blogger

Archive for November, 2017

An industrial ecology perspective on climate change mitigation models

By on 22. November 2017 in BEST with 0 Comments

Figure source: IPCC AR5 WGIII. Available from: http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/.

The above IPCC figure depicts possible future trends in greenhouse gas emissions. Underpinning this display is a set of well over a thousand scenarios. The range reflects different technological and economic trajectories, in addition to uncertainties. If we want to limit warming to no more than 2 ℃, we should look at the ‘RCP2.6’ path. How did the climate analysts produce this large collection of future outlooks? Not with crystal balls, but with an army of computer models. Or, somewhat more precisely, integrated assessment models. In a recent article, lead-authored by Stefan Pauliuk, we review these models from the perspective of our field, industrial ecology.

Integrated assessment models (IAMs) are widely used to explore strategies for halting climate change. The models mimic human decision and mechanisms in natural systems over long time-scales. They operate by selecting or substituting alternatives – this can be natural resource alternatives or technology alternatives – so that costs are minimized, while respecting constraints, such as limited emission budgets. Among numerous applications, IAMs have been used to explore which fossil fuel reserves need to remain unexploited in a 2 ℃ future, to study the potential role of natural gas as a “bridge fuel” during a shift to a low-carbon society, and to compare energy system transformations in 2 ℃ or 1.5 ℃ futures.

In industrial ecology, on the other hand, we study how energy and matter flow through society, how they are transformed or used in a network of industrial processes to satisfy human needs and desires, and how the natural environment is affected as a result. Key industrial ecology methods include material flow analysis (MFA), environmental input-output analysis (IOA) and environmental life cycle assessment (LCA). Some examples of applications of industrial ecology methods are: to analyse emissions associated with products and services consumed by households; to investigate resource use, emissions and wastes associated with developing and operating material stocks in the future; to study increased material efficiency (that is, to use less materials to deliver a given service) as a strategy to reduce emissions; and to analyse environmental impacts associated with future electricity supply.

Common interests

The IAM and industrial ecology fields are both concerned with understanding industrial systems. Such systems help to create goods and services that humans utilize. They also create emissions and waste.

Looking into the future in order to evaluate possible strategies for sustainable development is, in a way, the heart of what IAMs do. Looking into the future is also at the core of what dynamic MFA is about, and is a growing trend in IOA and LCA. Furthermore, there is a shared ambition to address various types of environmental concerns, including greenhouse gas emissions, air pollution and water and land use.

Distinct approaches

Despite their common interests, each modelling approach has distinct differences. IAMs are strong at representing the dynamics that shape evolutions in human and natural systems. They are cost-led and parsimonious, weighing the costs of alternative means to an end in order to identify lowest-cost solutions. However, with few exceptions, IAMs lack explicit descriptions of physical linkages related to capital stocks and materials. This includes relationships between capital stocks and the materials you need to build the stocks, between the stocks/materials and emissions associated with producing them, and the factors that govern material cycles.

On the other hand, industrial ecology methods are less comprehensive in scope (and you could also say less integrated) than the IAMs. They focus their attention on specific types of linkages in industrial or ecological systems (as indicated in Figure 2 in our article), and often on specific products (LCA) or materials (MFA). Dynamic MFA is the only industrial ecology method that can generate scenarios itself; scenario-based LCAs and IOAs rely on exogenous scenarios as data inputs.

Potentials for interaction

Potential synergies between the two approaches exist. We believe that IAMs can generate more robust and credible emissions mitigation scenarios by adding industrial ecology linkages related to capital stocks and materials. We argue that, one the one hand, this can open the door for widening the set of potential mitigation solutions in the models, because material efficiency solutions – such as recycling, lifetime extensions, or using lightweight materials – can be added. On the other hand, it can introduce constrained availability of scrap for recycling as a new impediment to mitigation. In both cases where new solutions or obstacles come into play, model outcomes may become more realistic and useful for decision-making.

Industrial ecology can make use of IAM scenarios to improve its capability to analyse future change. One way to do this is to apply industrial ecology methods to analyse IAM scenarios; another way is to integrating IAM scenario data into industrial ecology core databases. IAMs provide insights into cost-minimizing strategies – a major concern of policy makers – something that industrial ecology does not offer frequently.

Environmental impact assessment methods developed for LCA have a potential to broaden the range of impact types considered in IAMs, while IAMs can be used to capture cross-sectoral interactions that matter for environmental impacts, such as between food and bioenergy production. Further discussions of potentials for interaction and improvement are available in our article.

In summary, IAM and industrial ecology share several important common interests, but employ entirely different approaches to achieve them. In our article, we call for more interaction between the integrated assessment and industrial ecology communities to the benefit of sustainability science as a whole.

Full article citation: Pauliuk, S., Arvesen, A., Stadler, K., Hertwich, E.G., 2017. Industrial ecology in integrated assessment models. Nature Climate Change 7, 13-20.

Read-only free version: http://rdcu.be/ohpz

Grønne energivalg: Vindkraft under lupen [blog post in Norwegian]

By on 14. November 2017 in Ukategorisert with 0 Comments

En rapport fra FNs Ressurspanel evaluerer miljøbelastningene ved å produsere elektrisitet fra ulike energikilder. Jeg er medredaktør av rapporten og hovedforfatter av kapittelet om vindkraft. I denne kronikken, tidligere publisert på Naturpress, deler jeg noe av innsikten som rapporten gir, pluss egne refleksjoner på miljøaspekter ved vindkraft.

Vindturbiner drives av energi hentet fra luft i bevegelse – altså vind. I grunnleggende kontrast til uttømmende energilagre av fossil olje og gass, er vind en fornybar energiflyt. Og enda viktigere: den er tilgjengelig i rikelige mengder rundt om på kloden. Likevel er ikke vindkraft fri for effekter på miljøet.

Ressurspanelets tilnærming

Rapporten fra Ressurspanelet gjør omfattende livsløpsanalyser for å kvantifisere en rekke typer miljøpåvirkninger, inkludert klimaendringer, miljøgifter og luftforurensing. Livsløpsanalyser er analyser som tar hensyn til miljøpåvirkninger som skjer under hele livsløpet (bygging, drift og avfallshåndtering) og hele verdikjeder (for eksempel hele kjeden fra utvinning av materialer til produksjon av sluttkomponenter).

Samtidig vurderte Ressurspanelet det slik at enkelte typer miljøpåvirkninger i praksis ikke lar seg kvantifisere (måle), ettersom det ikke finnes alminnelig aksepterte målemetoder. I slike tilfeller gir rapporten kvalitative drøftinger av miljøpåvirkningene. Eksempler på ikke-målbare effekter av vindkraft inkluderer fugledødelighet og visuelle inntrykk på landskapet.

Stort potensial for å redusere forurensing

I et livsløpsperspektiv står vindkraft bak skadelige utslipp, som alle andre former for kraftproduksjon. Men hvor betydelige er utslippene? Og hvordan ser utslippsregnskapet ut for vindkraft vis-à-vis kraft fra fossile brensler? Her er svarene sammensatte, men ett resultat er uansett slående: Vindkraft oppviser glimrende resultater når det gjelder alle typer forurensningsrelaterte miljøbelastninger. Her utkonkurrerer vind den globale elektrisitetsmiksen i størrelsesorden en til to ganger.

Overview of life cycle impacts for different power generation options. Source: Hertwich et al. (eds.). Green Energy Choices. Summary For Policy Makers. UNEP International Resource Panel. The summary report is available here.

Dette går fram av figuren over som viser en sammenlikning av de målbare miljøbelastningene forbundet med forskjellige kraftproduksjonsteknologier. For eksempel ser man at utslipp av drivhusgasser fra vindkraft bare utgjør 2 % av det man får fra gjennomsnittlig global elektrisitet. Likedan utgjør skadene fra vindkraft på menneskelig helse og økosystemer (grunnet luftforurensing eller forurensing av jord og vann) bare 4-5 prosent av det man får fra global elektrisitet. Vindkraft krever mer stål og sement enn en del andre teknologier, men kommer altså likevel ut som en miljøvinner når vi ser på utslippsrelaterte miljøbelastninger.

Dødelighet blant fugler og flaggermus

Prøv å google ordene «wind turbine» og «birds», og du blir fortalt at vindturbiner er en alvorlig trussel mot fugler. Eller du blir fortalt at det er en myte at vindturbiner utgjør en betydelig trussel mot fugler. Det avhenger av hvilken nettside du klikker på.

Det er sikkert mange årsaker til at oppfatningene om vindturbiner og fugledød er så ulike. Det er likevel klart at én forklaring ligger i at mens noen ser på det totale antallet fugler som er drept av vindturbiner og sammenlikner det med tallet på de som blir drept av bygninger, strømkabler og katter, fokuserer andre på effekten på lokale fuglebestander. I det første tilfellet tenderer man til å sette vindkraft i et gunstigere lys, fordi – og det er sant – blant alle mulige kilder til fugledød utgjør vindkraft bare en liten del. I det andre perspektivet kommer vindkraft mindre fordelaktig ut, fordi – og det stemmer også – vindparker kan skade lokale fuglebestander som er små eller sårbare, eller som er (ekstra) verdsatt av mennesker. Vindturbiner er tilbøyelige til å drepe andre typer fugler (ørner, for eksempel) enn bygninger (eksempelvis sangfugler).

Det finnes tiltak som reduserer risikoen for fuglekollisjoner, og det er oppmuntrende. Varsom arealplanlegging og optimal plassering av vindparker kan redusere negative effekter på fuglelivet.

Ikke å forglemme, det finnes også en annen (og veldig annerledes) type flyvende dyr, flaggermus. Av grunner man ikke helt forstår ser det ut som noen flaggermusarter tiltrekkes av vindmøller – og utsetter seg dermed for økt risiko for å bli skadet eller drept av roterende vingeblader. I noen regioner er man bekymret for at vindturbiner har blitt eller er i ferd med å bli en alvorlig dødstrussel for flaggermus.

Arealbruk

Hvor stort areal legger en vindpark beslag på? Også her er oppfatningene svært delte. For ressurspanelrapporten valgte vi bare å telle opp områdene som rent faktisk okkuperes av vindmøllene og disses fundamenter, samt tilførselsveier. Hovedgrunnen til dette valget er at rommet mellom turbinene kan brukes av mennesker til andre formål, eller av landbasert dyre- og planteliv. En vindpark kan, med noen begrensninger, sameksistere med jorddyrking, beitende dyr eller dyrevilt. Det samme kan ikke sies om arealer brukt til kullgruver eller dyrking av vekster til bioenergi.

Gitt utgangspunktet som ble tatt i rapporten, er den livsløpsbaserte arealbruken knyttet til vindkraft svært liten sammenliknet med konkurrerende teknologier, som figuren viser. Samtidig, og det blir drøftet i rapporten, kan man se et mye større område som påvirket, særlig fordi vindturbiner er høye strukturer og kan være visuelt dominerende i landskap. Bekymringer om forringing av naturskjønne omgivelser kan være legitime, og bør ikke avvises som et “ikke-i-min-bakgård“-problem.

Utfasing av fossil kraft er en forutsetning for utslippsreduksjoner

Livsløpsanalyser og annen litteratur gjør ofte den antakelsen – tydelig eller underforstått – at én enhet vindkraft levert betyr én enhet fossilbasert kraft unngått. For meg er ikke det opplagt riktig, eller rimelig.

Foreløpig er jeg ikke i stand til å se grunnlag for en a priori antakelse om at vindkraft automatisk erstatter fossilkraft én-til-én, ei heller er jeg i stand til å se støtte for en slik antakelse i energistatistikk. Det virker som at det i en del litteratur foreligger et premiss om at vindkraft konkurrerer med fossil kraft alene. Premisset er kunstig, fordi vindkraft også kan brukes til å tilfredsstille nye eller økte behov, og fordi vindkraft også kan konkurrere med andre fornybare energikilder eller med energieffektivitet.

Ressurspanelrapporten viser at vindkraft har et stort potensial for å redusere utslipp av drivhusgasser og annen forurensing. Realiseringen av dette potensialet hviler på at vindkraft faktisk fører til en utfasing av fossil kraft. Og dette er igjen avhengig av at klimapolitikken som føres er virkningsfull nok.

Rapporten, inkludert kapittelet om vindkraft, kan lastes ned fra: http://www.unep.org/resourcepanel.

Top