Dynamic Fleet-Based Life-Cycle Assessment: Addressing Environmental Consequences of the Introduction of Electric Vehicles in Portugal

Abstract

Electric vehicles (EVs) have been promoted as an alternative to reduce greenhouse gas (GHG) emissions, fossil fuel dependence, and urban pollution caused by the transportation sector; however, a large scale adoption of EVs faces significant challenges. A number of studies have assessed the effects of EVs in the electricity system and the environmental impacts of different scenarios of evolution of the transportation sector. However, few studies integrating both electricity and fleet displacement effects have been performed. A dynamic fleet-based life-cycle perspective is thus necessary to understand the consequences and determine the extent to which the introduction of EVs in the fleet can actually reduce rather than simply shift environmental impacts of personal transport. This thesis presents a dynamic fleet-based life-cycle framework to assess the effects on environmental impacts of the introduction of EVs in a fleet. The framework combines fleet analysis and dynamic life-cycle modelling of vehicles to investigate the displacement of conventional vehicles over time, and consequential life-cycle assessment of electricity to assess the changes induced in the electricity system due to EV charging. The analysis focused on the case of introducing battery electric vehicles (BEVs) in the Portuguese light-duty fleet and focused on GHG emissions. A comprehensive life-cycle assessment of electricity generation and supply in Portugal was also performed to identify the main drivers of impacts, how impacts change over time, and how charging time influences BEV GHG emissions. Reducing fleet-wide GHG emissions by displacing internal combustion engine vehicles (ICEVs) by BEVs in Portugal depends mostly on the GHG intensity of the Portuguese electricity system, on the degree of reduction in fuel consumption of new ICEVs, and on the level of penetration of BEVs. In order to achieve significant reductions compared to an increasingly more efficient ICEV fleet, a high BEV market share and electricity GHG intensity similar or lower to the current mix (485 g CO2 eq kWh-1) need to be realized. The response of the electricity system to BEV demand, regarding the changes in electricity generation by the various sources and corresponding GHG emissions, may thus determine the benefits of BEVs over conventional technologies. Electricity GHG emissions in Portugal vary significantly between years and throughout the year. As a result of the temporal variability in electricity generation and, in particular, in the marginal supply, the time of charging can have a major influence on the GHG benefits of ii BEVs. What has been considered, in general, the most favorable charging time from the economic and operation of the electricity system perspective (off-peak hours), may not be so from an environmental standpoint. In Portugal, simply encouraging charging during the night may increase emissions from the electricity system as a result of the fossil-based marginal electricity supply (mostly coal). Therefore, charging control strategies should ensure that surplus renewable energy use by BEVs is maximized so that environmental impacts can be reduced. However, interactions with other strategies to enable renewable energy sources, such as electricity storage, may be important and should be accounted for. When the electricity system includes significant storage of energy, for instance through pumped hydro storage (PHS), the effects of introducing BEVs go beyond the straightforward displacement of ICEVs and increase in electricity demand, to include significant indirect effects from the dynamics of storage. Such indirect effects may decrease or even offset the GHG benefits of ICEV displacement. However, the net effects on GHG emissions are very dependent on the technologies displaced both by PHS and by BEVs, so that detailed analysis is needed for any specific energy system, allowing for future technological improvements. The dynamic fleet-based life-cycle framework developed in this thesis provides a comprehensive environmental assessment of the adoption of a new technology, because it enables explicit assessment of changes in technologies and background systems over time in a fleet perspective, as well as indirect effects related to the existing system. In particular, this framework can be used to assess the effects on environmental impacts of other electricity-using products in a fleet perspective, and of measures that improve the energy efficiency of end-use applications or that shift the use of electricity. The change-oriented approach pursued can also aid in understanding the consequences of policies and strategies that enable and promote the use of electricity over other fuels.

Os veículos elétricos (EVs) têm sido apontados como alternativa para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa (GEE), a dependência de combustíveis fósseis e a poluição em meio urbano causadas pelo sector dos transportes, mas a sua adoção enfrenta importantes desafios. Vários estudos avaliaram os efeitos dos EVs no sistema elétrico e os impactes ambientais de diferentes cenários de evolução do setor dos transportes, mas poucos analisaram em conjunto os efeitos ambientais sobre o sistema elétrico e aqueles relativos à substituição de veículos de combustão interna (VCIs). Deste modo, para perceber as consequências e determinar se a introdução de EVs na frota reduz efetivamente os impactes ambientais associados ao transporte individual ou se apenas os transferem para outras partes do sistema é necessário adotar uma perspetiva dinâmica de ciclo de vida (CV). Esta tese apresenta uma abordagem dinâmica de CV com base em modelos de frota para avaliar os efeitos ambientais da introdução de EVs numa frota. A abordagem combina análise de frotas e modelação dinâmica de CV de veículos com o objetivo de avaliar os efeitos da substituição de VCIs por EVs ao longo do tempo, e avaliação consequencial de CV de sistemas elétricos para avaliar as alterações induzidas no sistema elétrico devido ao carregamento dos EVs. A análise incidiu sobre a introdução de EVs a baterias (BEVs) no parque automóvel ligeiro português e focou-se na avaliação das emissões de GEE. Foi ainda realizada uma avaliação abrangente de CV da geração de eletricidade em Portugal com o objetivo de identificar os fatores que mais contribuem para os impactes, de que forma variam os impactes ao longo do tempo e qual a influência do horário de carregamento nas emissões de GEE dos BEVs. A redução total das emissões de GEE da frota automóvel em resultado da substituição de VCIs por BEVs em Portugal depende da intensidade de GEE do sistema elétrico português, do grau de redução no consumo de combustível dos novos VCIs e no nível de penetração de BEVs. De modo a alcançar reduções significativas em comparação com uma frota de VCIs cada vez mais eficientes, é necessário que a quota de mercado dos BEVs seja alta e que a intensidade de GEE do sistema elétrico seja inferior ou semelhante à atual (485 g CO2 eq kWh-1). A resposta do sistema elétrico à procura dos BEVs, relativamente à variação na geração de eletricidade pelas várias fontes e correspondente variação nas emissões de GEE, determina os benefícios dos BEVs relativamente aos VCIs. iv As emissões de GEE da eletricidade em Portugal variam significativamente de ano para ano e ao longo do ano. Devido à variabilidade temporal na geração de eletricidade e, em particular, na geração marginal, o horário de carregamento tem uma grande influência nas emissões de GEE causadas pelos BEVs. Aquele que tem sido considerado, em geral, o período mais favorável para o seu carregamento do ponto de vista da operação do sistema elétrico (horas de vazio), pode não o ser do ponto de vista da redução dos impactes ambientais. Em Portugal, incentivar o carregamento durante a noite pode resultar num aumento das emissões do sistema elétrico, uma vez que a tecnologia marginal é na maioria do tempo carvão. Deste modo, as estratégias de controlo dos carregamentos devem ser implementadas de forma a garantir a maximização da utilização da energia renovável em excesso para reduzir os impactes ambientais. No entanto, é preciso ter em conta a interação entre os BEVs e outras estratégias de utilização de energia renovável intermitente, como é o caso dos sistemas de armazenamento de eletricidade. Quando o sistema elétrico permite o armazenamento de quantidades significativas de eletricidade, por exemplo através de barragens hidroelétricas com sistemas de bombagem, os efeitos da introdução de BEVs vão além da simples substituição de VCIs e aumento da procura por eletricidade, para incluir efeitos indiretos significativos associados à dinâmica de armazenamento. Tais efeitos podem diminuir ou mesmo anular os benefícios em termos de emissões de GEE associados à substituição de VCIs. No entanto, o efeito líquido sobre as emissões de GEE depende muito das tecnologias substituídas tanto pelos BEVs como pelos sistemas de armazenamento, pelo que é necessário efetuar uma análise detalhada para cada sistema energético, tendo em conta melhorias tecnológicas futuras. A abordagem desenvolvida nesta tese permite avaliar de forma integrada os impactes ambientais causados pela adoção de uma nova tecnologia, uma vez que possibilita avaliar explicitamente alterações no sistema ao longo do tempo bem como efeitos indiretos. Em particular, a abordagem desenvolvida pode ser usada para avaliar os efeitos ambientais de outros produtos que consomem eletricidade numa perspetiva de frota, bem como de medidas para melhorar a eficiência energética. A abordagem consequencial implementada permite ainda ajudar a compreender as consequências de políticas e estratégias que promovam a utilização de eletricidade em substituição de outros combustíveis.