Life Beyond the Grid: A Life-Cycle Sustainability Assessment of Household Energy Demand

Abstract

Este trabalho avalia a sustentabilidade associada à satisfação das necessidades de eletricidade e aquecimento em casas sem acesso às redes de abastecimento convencionais, realizando um estudo que combina Avaliação da Sustentabilidade de Ciclo de Vida (LCSA) e Análise de Decisão Multicritério (MCDA) aplicado a duas casas nessas condições em Benfeita, uma pequena vila de Portugal que atraiu uma comunidade com consciência ecológica. Foram selecionadas duas casas (1 e 2) como casos de estudo por possuírem necessidades energéticas e acesso a recursos energéticos endógenos distintos, que exigem o uso de diferentes tecnologias, tornando-as representativas dos diversos desafios de viver sem acesso às redes convencionais. A Casa 1 usa os seguintes sistemas de geração de eletricidade: painéis fotovoltaicos, um gerador pico-hídrico, um gerador a gasolina e baterias de chumbo-ácido; enquanto a Casa 2 usa um micro-gerador hidráulico e baterias de chumbo-ácido e de iões de lítio. Para aquecimento, a Casa 1 usa os seguintes sistemas: um forno a lenha, um fogão a gás de petróleo liquefeito e um fogão solar; enquanto a Casa 2 usa um forno a lenha, um fogão a gás butano e um fogão solar. Com base em visitas ao local, entrevistas e inquéritos a membros da comunidade, foram desenvolvidos inventários desses sistemas que foram utilizados para construir modelos de ciclo de vida. Foram selecionados 12 indicadores para avaliar a sustentabilidade de ciclo de vida: seis critérios ambientais: Aquecimento Global (AG), Requisitos de Energia Fóssil Não Renovável (EF), Ecotoxicidade Aquática de Água Doce (EAAD), Acidificação Terrestre (AT), Eutrofização de Água Doce (EAD) e Eutrofização Marinha (EM); três critérios económicos: custo de investimento, custo de operação e manutenção e Custo Nivelado de Energia (CNE); e três critérios de saúde/sociais: Toxicidade Carcinogénica (TC), Toxicidade Não Carcinogénica (TNC), e Emprego Local.A sustentabilidade da satisfação das necessidades de energia nas casas desconectadas das redes de abastecimento convencionais quando comparada com o uso das redes mostrou ser dependente dos critérios considerados. O uso de energia elétrica em casas desconectadas da rede teve menores impactes em AG e EF, mas mais altos em EAAD, AT, EAD e EM; enquanto o uso de sistemas de aquecimento desconectados da rede convencional teve menores impactos em AG, EF, AT e EAD, e maiores em EAAD e EM. O custo da eletricidade da rede de abastecimento foi 57-65% mais baixo do que o da eletricidade gerada pelos sistemas desconectados da rede, mas 108-288% mais elevado do que o aquecimento produzido sem recurso às redes convencionais. O consumo de eletricidade com recurso aos sistemas desconectados da rede teve maiores impactos em TC e TNC, enquanto o aquecimento com recurso às redes convencionais foi menor. Os resultados das categorias de impacto do método USEtox (EAAD, TC, TNC) foram significativamente diferentes quando foram considerados os fatores de caracterização (FCs) "recomendados" versus "indicativos", pelo que a consideração de ambos é importante para melhorar a robustez dos resultados. Os sistemas de eletricidade e aquecimento desconectados das redes convencionais estimularam níveis mais altos de Emprego Local em Benfeita.Os resultados Base (situação atual) foram também comparados com quatro cenários de abastecimento de energia (A1, A2, A3, e A4) usando a Teoria de Valor Multiatributo (TVM) para classificar as alternativas com base no seu desempenho de sustentabilidade. Os cenários consideraram os impactos de estender e conectar a rede a ambas as casas para permitir o consumo de eletricidade da rede ou a injeção do excesso de eletricidade gerada na rede. O ranking das alternativas dependeu principalmente da distância da casa à rede e se os FCs “recomendados” ou “indicativos” eram considerados nos cálculos do USEtox. A principal razão para essa divergência é a maneira como os metais são contabilizados em cada tipo de FC. FCs “indicativos” têm em consideração os metais no cálculo do potencial de toxicidade, pelo que, como a extensão da rede requer a utilização de metais, os seus impactes são muito mais altos quando comparados com os FCs “recomendados”, que omitem os metais do cálculo devido à sua elevada incerteza.Atender às necessidades domésticas de eletricidade e aquecimento de maneira sustentável requer uma análise do contexto local e dos recursos energéticos endógenos disponíveis. Para habitações em locais remotos, sistemas com base em energia renovável desconectados da rede fornecem uma forma confiável e sustentável para o fornecimento de eletricidade e aquecimento, exigindo que os proprietários tenham o capital inicial para investir em tais sistemas. Proprietários de casas localizadas em áreas com fácil acesso à rede, ou que já estão conectados à rede, não devem considerar sair da rede. Para compreender o valor das alternativas de abastecimento de energia é fundamental ter em conta estes diversos trade-offs.

This work assesses the sustainability of meeting electricity and heating needs in off-grid homes by performing a combined Life-Cycle Sustainability Assessment (LCSA) and Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) study on two off-grid houses in Benfeita, a small village in Portugal that has attracted an ecologically inclined community. Two homes (Off-Grid House 1 and 2) were selected to serve as case studies because they have unique energy needs as well as distinct resource constraints that require the use of different technologies, making them representative of diverse challenges of off-grid living. Off-Grid House 1 uses the following off-grid electricity systems: photovoltaic panels, a pico-hydro generator, a petrol generator, and lead-acid batteries; Off-Grid House 2 uses: a micro-hydro generator, lead-acid, and lithium-ion batteries. Off-Grid House 1 uses the following off-grid heating systems: a wood burning furnace, a liquefied petroleum gas stove, and a solar cooker; Off-Grid House 2 uses: a wood burning furnace, a butane gas stove, and a solar cooker. Based on site visits, interviews, and surveys with community members, inventories for these systems were developed and used to build original life-cycle models. Twelve indicators were selected to evaluate life-cycle sustainability performance: six environmental criteria: Global Warming (GW), Non-Renewable Fossil Energy Demand (nREn), Freshwater Aquatic Ecotoxicity (FAE), Terrestrial Acidification (TA), Freshwater Eutrophication (FE), Marine Eutrophication (ME); three economic criteria: Investment Cost, Operation & Maintenance Cost, and Levelized Cost of Energy (LCOE); and three health/social criteria: Carcinogenic Toxicity (CT), Non-Carcinogenic Toxicity (NCT), and Local Employment. The sustainability of meeting energy needs in the off-grid homes, compared to using the grid, was found to be dependent on the criteria under consideration. Off-grid electricity use had lower impacts in GW and nREn, but higher levels of FAE, TA, FE, and ME; while off-grid heating use had lower impacts in GW, nREn, TA, and FE, and higher ones in FAE and ME. The cost of electricity from the grid was found to be 57-65% less expensive than that of off-grid electricity, but 108-288% more expensive than off-grid heating. Off-grid electricity use had higher impacts in CT and NCT, while off-grid heating´s were lower. The results of the USEtox impact categories (FAE, CT, NCT) were significantly different when “recommended” versus “indicative” characterization factors (CFs) were presented, thus the consideration of both is important to improve robustness of results. Both off-grid electricity and heating systems stimulated higher levels of Local Employment in Benfeita.Baseline results (the current situation) were compared to four energy provisioning scenarios (A1, A2, A3, and A4) using Multi-Attribute Value Theory (MAVT) to rank alternatives based on their sustainability performance. The scenarios considered the impacts of extending and connecting the grid to the homes to allow for either electricity consumption from the grid, or injection of excess electricity generated to the grid. The resulting ranking of alternatives was mainly dependent on the house´s distance from the grid and whether “recommended” or “indicative” CFs were considered in USEtox calculations. The primary reason for this divergence is the way metals are accounted for in each CF. “Indicative” CFs take into consideration metals in the calculation of toxicity, and because grid extension requires the use of many metals, the impacts from grid extension are much higher compared to when “recommended” CFs are used, which omit metals due to the relatively high uncertainty of addressing the fate of these chemicals within substance groups. Meeting household electricity and heating needs in a sustainable way requires an analysis of the local context and available resources. For extremely remote homes, off-grid, renewable energy solutions provide a reliable and sustainable form of electricity and heating, required that homeowners have the upfront capital to invest in such systems. Homeowners that live in places with easy access to the grid, or are already connected to the grid, should not consider going off-grid. A consideration of trade-offs is central to understanding the value of alternative possibilities for energy provisioning.