Emisiones de gases con efecto invernadero y transformación del terreno para la producción de electricidad neutral para el clima: Carbón con captura y secuestro de carbono vs. Solar fotovoltaica

Abstract

Negative effects of climate destabilization caused by greenhouse gas (GHG) emissions are caused in large part by electricity power generation. Climate neutral power generation will impede the increase in global temperatures. Coal-fired power plants can implement carbon capture and sequestration (CCS) to capture and/or offset the release of GHG¿s to the atmosphere. Whereas, solar photovoltaic (PV) technology primarily emits GHGs during extraction and fabrication and has near zero GHG emissions during operation. To determine preferred approaches to climate-neutral electricity generation, life cycle analysis studies for energy, GHG emissions and land transformation for climate-neutral electricity were aggregated and synthesized.

Over the full life cycle, coal plants emit over 41 times more GHG¿s than a PV system with the same electrical output under average insolation. The addition of CCS systems to coal plants still emits 13 times more GHG. State-of-the-art carbon capture systems typically capture 90% of the CO2 produced, so some form of sequestration using biomass, referred to here as bio-sequestration, is required to be truly climate neutral. For PV systems, bio-sequestration alone is modeled to make it climate neutral. This results in coal plants without CCS and with CCS transforming 16 times and 5 time more land than PV. If the CO2 is utilized for enhanced oil recovery (EOR) and the additional oil production is combusted for electricity generation, it still emits 18 times more GHG¿s and transforms 7 times more land than an equivalently sized PV system.

For comparison, optimal bio-sequestration of all coal-fired GHG¿s released to the atmosphere in the U.S requires 67% of arable land in the United States (U.S.). Even with CCS, coal fired electricity generation would still require 21% of all arable land in the U.S and 55% if CO2 is utilized for EOR. Furthermore, if a standard temperate-climate forest is assumed to perform the bio-sequestration of all GHG emissions from a coal fired plant, then a new forest would need to cover 89% of all land in the U.S. CCS and EOR can reduce GHG¿s emissions and land transformation, but PV is a far more effective use of land. Overall, climate-neutral photovoltaic farms are a preferred solution to climate-neutral coal fired electricity generation.

Los efectos negativos de la desestabilización climática provocada por las emisiones de gases de efecto invernadero (GHG) son causados en gran parte por la generación de electricidad. La generación de energía neutral desde el punto climático evitará el aumento de la temperatura global. Las centrales eléctricas a carbón pueden implementar la captura y secuestro de carbono (CCS) para capturar y / o compensar la liberación de gases efecto invernadero (GHGs) a la atmósfera. Mientras que la tecnología fotovoltaica solar (PV) emite principalmente GHGs durante la extracción de materiales y su fabricación y tiene emisiones de GHGs casi nulos durante la operación. Para determinar los enfoques preferidos para la generación de electricidad neutral con respecto al clima, se han agregado y sintetizado sendos estudios de análisis del ciclo de vida para la energía, las emisiones de GHGs y la transformación del terreno de ambas fuentes de energía.

Durante el ciclo de vida completo, las centrales de carbón emiten más de 41 veces más GHGs que el sistema fotovoltaico con la misma potencia eléctrica bajo insolación media. La adición de sistemas CCS a las centrales de carbón todavía emite 13 veces más GHGs. Los sistemas de captura de carbono de última generación típicamente capturan el 90% del CO2 producido, por lo que la producción basada en el carbón requiere de una forma de secuestro usando biomasa, que denominaremos aquí bio-secuestro, para resultar verdaderamente neutral al clima. Para los sistemas fotovoltaicos, el bio-secuestro solo se modela para que sea neutral para el clima y poder establecer la comparación en igualdad de condiciones. El resultado de cualquier modo es que las plantas de carbón sin CCS y con CCS transforman 16 veces y 5 veces más terreno que la fotovoltaica, respectivamente. Si el CO2 se utiliza para la recuperación de petróleo mejorada (EOR) y la producción adicional de petróleo se quema para la generación de electricidad, todavía emite 18 veces más GHGs y transforma 7 veces más terreno que un sistema fotovoltaico de tamaño equivalente.

A modo de comparación, el bio-secuestro óptimo de todos los GHGs liberados a la atmósfera en los Estados Unidos requiere un 67% de tierras cultivables en los Estados Unidos (EE. UU.). Incluso con la CCS, la generación de electricidad a partir de carbón requeriría el 21% de toda la tierra cultivable en los Estados Unidos y el 55% si se utiliza CO2 para EOR. Por otra parte, si se supone que un bosque climático estándar lleva a cabo el bio-secuestro de todas las emisiones de GHGs de una planta de carbón, entonces un nuevo bosque necesitaría cubrir el 89% de todas las tierras en los Estados Unidos. Las tecnologías de CCS y EOR podrían reducir las emisiones de GHG así como la transformación del terreno, pero la fotovoltaica permite un uso mucho más eficaz del terreno. En conclusión, los parques fotovoltaicos son mucha mejor solución para la generación de electricidad que las plantas de carbón aunque éstas pudieran hacerse neutrales desde el punto de vista climático.