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Authors
Abstract(s)
The intensive use of fossil fuels in recent years has led to a significant increase in carbon
dioxide (CO2) levels in the atmosphere, contributing to global warming and its harmful effects
on the climate. Global warming has become one of humanity’s most urgent challenges. As a
result, there is increasing pressure to reduce carbon emissions and take measures to limit the
extent of climate change and its severe consequences.
This dissertation, developed under the research project “Sustainable Transformative
Transitions - reconcile the acceleration of low carbon transitions with system transformations”
– (PTDC/GES-AMB/0934/2020), funded by the Foundation for Science and Technology,
focuses on the decarbonisation theme. Its content can be subdivided into two main parts.
In the first part, a methodology based on two text-mining tools was developed and
applied to identify the domains of innovative decarbonisation technologies and instruments that
have received significant attention from the scientific community in recent years. To achieve
this, documents from databases of scientific publications (Scopus and Web of Science),
research projects (Cordis), and patents (Patstat) were examined. Computational software was
developed and used to process the outputs of the text-mining software and obtain a relevant set
of terms related to decarbonisation technologies/instruments.
Those terms were then consolidated based on their characteristics to establish a set of
41 domains of technology/instruments that emerged as the most relevant to support the
decarbonisation process. Analyses were carried out to assess the significance of these domains
in scientific production by examining their relevance and occurrence, both in absolute and
relative terms. The readiness of the domains was assessed by calculating the average technology
readiness level (TRL) for a specific set of innovative technologies associated with each domain.
This process was supported by information from a database provided by the International
Energy Agency, which contained data on 368 distinct technology designs and components
related to achieving net-zero emissions. The technologies of that database were categorised into
specific domains based on their unique characteristics.
The domains were then intersected with six literature-derived decarbonisation pathways
(defined elsewhere). This analysis revealed that twelve domains emerged as the more crucial in
supporting these pathways. In addition, the risk levels for each pathway were determined based
on the average Technology Readiness Level (TRL) and relevance-occurrence rank ratios.
Furthermore, the potential for decarbonisation of each pathway was assessed using information from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) on the potential for reducing net
carbon dioxide emissions (CO2) by 2030.
The “Electrification of uses” pathway has emerged as the most promising for
decarbonisation, demonstrating the highest readiness and average potential for CO2 emissions
reduction and a low-risk value. Furthermore, the “Decarbonisation of electricity” pathway ranks
as the fourth most promising option. Consequently, the electrical sector plays a crucial role in
achieving decarbonisation goals.
Based on these findings, the second part of this work concentrates on developing and
applying a model to forecast avoided CO2 emissions for the Portuguese power system until
2050. The model relies on predictions from reliable documents regarding electricity
consumption and renewable electricity generation. Hence, four main scenarios were formulated
to incorporate electricity consumption and production forecasts. Furthermore, these four
scenarios were further categorised to include sub-scenarios related to different charging options
for electric vehicles. It is essential to mention that these charging alternatives can significantly
impact consumption patterns. The study also examined the effects on emissions due to
incorporating storage systems into the electrical system. Additionally, it investigated how the
distribution of renewable electricity production and storage systems across different networks
within the electrical system influences emissions.
The results indicate that, in the base case study, significant values of avoided emissions
can be expected from 2023 onwards. Depending on the scenario, the estimated avoided
emissions for the 2023-2050 period ranges from 214.2 MtonCO2 (low increase in electricity
consumption and conservative growth in non-conventional generation scenario) to 266.5
MtonCO2 (high increase in electricity consumption and ambitious increase in non-conventional
generation scenario). The change in the consumption pattern due to the concentration of electric
vehicle charging in specific periods (peak or night empty hours) revealed a reduction in the
value of avoided emissions, which, in the most unfavourable scenario (represented by a high
increase in electricity consumption and ambitious increase in non-conventional generation
scenario), reaches 90.4% of the value obtained for the base scenario.
Integrating storage systems in the electric networks can potentially enhance the value of
avoided emissions. The magnitude of this potential depends on various factors, including the
specific scenario considered (in terms of consumption and generation), the indirect emissions
associated with storage system manufacturing, and the changes in the load profile due to EV charging. Moreover, the proper planning for storage capacity installation over the years and its
location assumes a significant relevance on the value of avoided emissions, namely when
considering the indirect emissions from manufacturing the storage systems. The results
highlight that storage systems can increase the expected avoided emissions by up to 32.4%,
depending on the scenario.
Furthermore, the results show that the distribution of the non-conventional generation
across various networks directly impacts the expected avoided emissions.
RESUMO: A utilização intensiva de combustíveis fósseis levou a um aumento significativo nos níveis de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera, contribuindo para o aquecimento global e consequentes efeitos nefastos sobre o clima. O aquecimento global tornou-se assim num dos desafios mais importantes para a humanidade, existindo uma pressão crescente para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, visando limitar a extensão das mudanças climáticas e das suas consequências. Esta dissertação, desenvolvida no âmbito do projeto de investigação “Transições Transformativas Sustentáveis – Conciliar a Aceleração das Transições para Baixo Carbono com Transformações do Sistema” – (PTDC/GES-AMB/0934/2020), financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, foca-se no tema da descarbonização. O seu conteúdo pode ser subdividido em duas partes principais. Na primeira parte, foi desenvolvida uma metodologia, baseada em duas ferramentas de mineração de texto, destinada a permitir a identificação de domínios de tecnologias e de instrumentos de descarbonização que, nos últimos anos, têm recebido maior atenção da comunidade científica. As ferramentas de mineração de texto utilizadas permitiram a análise de um conjunto alargado de documentos obtidos em bases de dados de publicações científicas (Scopus e Web of Science), projetos de investigação (Cordis) e patentes (Patstat), visando a extração de termos relevantes. Estes termos foram posteriormente processados com recurso a programas computacionais desenvolvidos para o efeito, obtendo-se os termos relevante. Estes termos foram em seguida consolidados num conjunto de 41 domínios de tecnologias/instrumentos que emergiram como os mais relevantes para a descarbonização. Foram realizadas análises para avaliar a importância dos domínios definidos no contexto da produção científica. Essas análises utilizaram dois indicadores fornecidos pelos programas de mineração de texto: a relevância e a ocorrência. Os indicadores foram avaliados tanto em termos absolutos quanto relativos. Além disso, o estado de prontidão dos domínios foi avaliado calculando-se o valor médio de prontidão tecnológica (TRL) das tecnologias associadas a cada domínio. Essa avaliação foi baseada em informações sobre 368 tecnologias e processos relacionados com o objetivo de alcançar emissões líquidas nulas, fornecidas pela Agência Internacional de Energia. Essas tecnologias foram associadas aos diferentes domínios com base nas suas características específicas. A intersecção do conjunto dos domínios com um conjunto de seis estratégias para a descarbonização derivadas da literatura (num trabalho distinto) permitiu inferir os 5 domínios mais relevantes para o desenvolvimento de cada estratégia. Importa realçar que, dos 41 domínios inicialmente definidos, apenas doze integraram o conjunto dos mais relevantes. A análise dos conjuntos de 5 domínios mais relevantes para cada estratégia de descarbonização permitiu a definição de um nível de risco para estas. Essa análise incluiu informações sobre os níveis de prontidão e de relevância/ocorrência dos referidos domínios. Além disso, o potencial de descarbonização de cada estratégia foi avaliado com base nas informações fornecidas pelo Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas (IPCC) sobre o potencial de diversas tecnologias para reduzir as emissões de CO2 até 2030. A informação obtida para cada estratégia de descarbonização, nomeadamente no que se refere à prontidão, risco e potencial de descarbonização permitiu inferir que a estratégia denominada “Eletrificação dos usos” emergiu como a mais promissora para a descarbonização, demonstrando a maior prontidão e potencial médio de redução de CO2 e o menor nível de risco. Por outro lado, a estratégia “Descarbonização da eletricidade” emergiu como a quarta opção mais promissora. Consequentemente, o setor elétrico assoma como crucial na consecução dos objetivos de descarbonização, pelo menos no curto prazo. As conclusões sobre o sistema elétrico deram o mote para a segunda do trabalho, a qual se concentrou no desenvolvimento e aplicação de um modelo destinado a estimar as emissões evitadas de CO2 para o sistema elétrico português até 2050. O modelo desenvolvido utilizou um conjunto de quatro cenários principais para acomodar as previsões relativas à evolução do consumo e de produção renovável de eletricidade. Além disso, foram ainda definidos três sub cenários para incluir a influência de diferentes padrões de carregamento de veículos elétricos. O modelo desenvolvido também permite avaliar os efeitos nas emissões originados pela incorporação nas redes elétricas de sistemas de armazenamento de energia. Além disso permite avaliar a influencia nas emissões evitadas resultante da forma como são distribuídas as capacidade da produção renovável de eletricidade e dos sistemas de armazenamento ao longo das diversas redes elétricas. A aplicação do modelo desenvolvido permitiu estimar que, dependendo do cenário, as emissões evitadas para o período 2023-2050 variam entre 214,2 MtonCO2 (cenário com pequeno aumento no consumo de eletricidade e crescimento conservador na produção não convencional) e 266,5 MtonCO2 (cenário com grande aumento no consumo de eletricidade e crescimento ambicioso na produção não convencional). A mudança no perfil de consumo devido à concentração do carregamento de veículos elétricos em períodos específicos (horas de ponta ou horas do vazio) revelou uma redução no valor de emissões evitadas. No cenário mais desfavorável (representado por grande aumento no consumo de eletricidade e crescimento ambicioso na produção não convencional), essa redução atinge 90,4% do valor obtido para o cenário base. Os resultados mostram que a integração de sistemas de armazenamento nas redes elétricas pode potenciar as emissões evitadas. Esse potencial é, contudo, dependente de vários fatores, incluindo o cenário específico considerado, as emissões indiretas associadas à fabricação dos sistemas de armazenamento e as mudanças no perfil de carga devido ao carregamento de VE. O planeamento adequado da instalação de capacidade de armazenamento ao longo dos anos bem como da respetiva localização no seio das redes elétricas assumem uma relevância significativa no valor de emissões evitadas. Esta influência é especialmente notória quando são internalizadas as emissões indiretas decorrentes da fabricação dos sistemas de armazenamento. Os resultados evidenciam que os sistemas de armazenamento podem aumentar as emissões evitadas esperadas em até 32,4% em 2050, dependendo do cenário. Além disso, os resultados mostram também que a forma como a produção não convencional é distribuída ao longo das várias redes do sistema elétrico impacta diretamente no valor esperado para as emissões evitadas.
RESUMO: A utilização intensiva de combustíveis fósseis levou a um aumento significativo nos níveis de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera, contribuindo para o aquecimento global e consequentes efeitos nefastos sobre o clima. O aquecimento global tornou-se assim num dos desafios mais importantes para a humanidade, existindo uma pressão crescente para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, visando limitar a extensão das mudanças climáticas e das suas consequências. Esta dissertação, desenvolvida no âmbito do projeto de investigação “Transições Transformativas Sustentáveis – Conciliar a Aceleração das Transições para Baixo Carbono com Transformações do Sistema” – (PTDC/GES-AMB/0934/2020), financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, foca-se no tema da descarbonização. O seu conteúdo pode ser subdividido em duas partes principais. Na primeira parte, foi desenvolvida uma metodologia, baseada em duas ferramentas de mineração de texto, destinada a permitir a identificação de domínios de tecnologias e de instrumentos de descarbonização que, nos últimos anos, têm recebido maior atenção da comunidade científica. As ferramentas de mineração de texto utilizadas permitiram a análise de um conjunto alargado de documentos obtidos em bases de dados de publicações científicas (Scopus e Web of Science), projetos de investigação (Cordis) e patentes (Patstat), visando a extração de termos relevantes. Estes termos foram posteriormente processados com recurso a programas computacionais desenvolvidos para o efeito, obtendo-se os termos relevante. Estes termos foram em seguida consolidados num conjunto de 41 domínios de tecnologias/instrumentos que emergiram como os mais relevantes para a descarbonização. Foram realizadas análises para avaliar a importância dos domínios definidos no contexto da produção científica. Essas análises utilizaram dois indicadores fornecidos pelos programas de mineração de texto: a relevância e a ocorrência. Os indicadores foram avaliados tanto em termos absolutos quanto relativos. Além disso, o estado de prontidão dos domínios foi avaliado calculando-se o valor médio de prontidão tecnológica (TRL) das tecnologias associadas a cada domínio. Essa avaliação foi baseada em informações sobre 368 tecnologias e processos relacionados com o objetivo de alcançar emissões líquidas nulas, fornecidas pela Agência Internacional de Energia. Essas tecnologias foram associadas aos diferentes domínios com base nas suas características específicas. A intersecção do conjunto dos domínios com um conjunto de seis estratégias para a descarbonização derivadas da literatura (num trabalho distinto) permitiu inferir os 5 domínios mais relevantes para o desenvolvimento de cada estratégia. Importa realçar que, dos 41 domínios inicialmente definidos, apenas doze integraram o conjunto dos mais relevantes. A análise dos conjuntos de 5 domínios mais relevantes para cada estratégia de descarbonização permitiu a definição de um nível de risco para estas. Essa análise incluiu informações sobre os níveis de prontidão e de relevância/ocorrência dos referidos domínios. Além disso, o potencial de descarbonização de cada estratégia foi avaliado com base nas informações fornecidas pelo Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas (IPCC) sobre o potencial de diversas tecnologias para reduzir as emissões de CO2 até 2030. A informação obtida para cada estratégia de descarbonização, nomeadamente no que se refere à prontidão, risco e potencial de descarbonização permitiu inferir que a estratégia denominada “Eletrificação dos usos” emergiu como a mais promissora para a descarbonização, demonstrando a maior prontidão e potencial médio de redução de CO2 e o menor nível de risco. Por outro lado, a estratégia “Descarbonização da eletricidade” emergiu como a quarta opção mais promissora. Consequentemente, o setor elétrico assoma como crucial na consecução dos objetivos de descarbonização, pelo menos no curto prazo. As conclusões sobre o sistema elétrico deram o mote para a segunda do trabalho, a qual se concentrou no desenvolvimento e aplicação de um modelo destinado a estimar as emissões evitadas de CO2 para o sistema elétrico português até 2050. O modelo desenvolvido utilizou um conjunto de quatro cenários principais para acomodar as previsões relativas à evolução do consumo e de produção renovável de eletricidade. Além disso, foram ainda definidos três sub cenários para incluir a influência de diferentes padrões de carregamento de veículos elétricos. O modelo desenvolvido também permite avaliar os efeitos nas emissões originados pela incorporação nas redes elétricas de sistemas de armazenamento de energia. Além disso permite avaliar a influencia nas emissões evitadas resultante da forma como são distribuídas as capacidade da produção renovável de eletricidade e dos sistemas de armazenamento ao longo das diversas redes elétricas. A aplicação do modelo desenvolvido permitiu estimar que, dependendo do cenário, as emissões evitadas para o período 2023-2050 variam entre 214,2 MtonCO2 (cenário com pequeno aumento no consumo de eletricidade e crescimento conservador na produção não convencional) e 266,5 MtonCO2 (cenário com grande aumento no consumo de eletricidade e crescimento ambicioso na produção não convencional). A mudança no perfil de consumo devido à concentração do carregamento de veículos elétricos em períodos específicos (horas de ponta ou horas do vazio) revelou uma redução no valor de emissões evitadas. No cenário mais desfavorável (representado por grande aumento no consumo de eletricidade e crescimento ambicioso na produção não convencional), essa redução atinge 90,4% do valor obtido para o cenário base. Os resultados mostram que a integração de sistemas de armazenamento nas redes elétricas pode potenciar as emissões evitadas. Esse potencial é, contudo, dependente de vários fatores, incluindo o cenário específico considerado, as emissões indiretas associadas à fabricação dos sistemas de armazenamento e as mudanças no perfil de carga devido ao carregamento de VE. O planeamento adequado da instalação de capacidade de armazenamento ao longo dos anos bem como da respetiva localização no seio das redes elétricas assumem uma relevância significativa no valor de emissões evitadas. Esta influência é especialmente notória quando são internalizadas as emissões indiretas decorrentes da fabricação dos sistemas de armazenamento. Os resultados evidenciam que os sistemas de armazenamento podem aumentar as emissões evitadas esperadas em até 32,4% em 2050, dependendo do cenário. Além disso, os resultados mostram também que a forma como a produção não convencional é distribuída ao longo das várias redes do sistema elétrico impacta diretamente no valor esperado para as emissões evitadas.
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Keywords
Avoided emissions Bibliometric analysis Decarbonisation Technologies Electric power sector Portuguese electric system Technology Readiness Level Text-mining software Avoided emissions Bibliom