Investigating interconnectedness in Europe's Energy Transition : an input-output approach

The energy transition (ET) is one of the most difficult and multifaceted challenges to be faced in the near future. The European Union (EU) has set various milestones and targets to contribute to climate change mitigation, of which the decarbonisation of the power sector through renewable energy (RE) is a fundamental aspect. To achieve this, a massive expansion of solar photovoltaic (PV) and wind capacity is required. Creating a renewables-based electricity system involves solving a variety of implementation issues: careful planning with different scientific approaches is essential. Of all the issues studied by the scientific community, several analyses have focused on the allocation of resources, energy and emissions associated with the expansion of renewable capacity. Life Cycle Assessment (LCA) methods are valuable tools for carrying out environmental analyses that capture the cradle-to-grave existence of a product. A well-known, highly detailed LCA framework used to perform these calculations is Multi-Regional Input-Output (MRIO) analysis. MRIO databases organise national accounts and trade statistics to represent the complex network of production and consumption of goods and services that make up the global economy. Recent studies have suggested that a product footprint should capture the fact that the existence of the product is the result of the direct consumption of some resources, but also the degradation of capital assets. However, due to the nature of the databases used in MRIO analyses, it is difficult to capture the second phenomenon within a product footprint. The process of addressing this issue is commonly referred to as 'capital endogenization'. In the case of PV and wind electricity footprints, it is essential to consider the impact of capital assets as they are the main cost component of renewable electricity. When studying the energy transition (ET) of the European electricity sector, this fact should be taken into account. The aim of this work is to assess: 1) the environmental impact of PV and wind capacity expansion in the EU, through the calculation of embedded energy and CO2 emissions and common key parameters such as EROI and EPBT; 2) how PV and wind electricity footprints change when capital is endogenized; 3) how this allows a better understanding of some aspects related to ET and energy security in the EU. We found EROIs and EPBTs respectively of 3.1 and 8.0 years for PV, 16.5 and 1.2 years for onshore wind (ON-W), 9.5 and 2.1 years for offshore wind (OFF-W). For PV, most of CO2 emissions related to capacity expansion in EU occurs in China, originating from the consumption of carbon-intensive energy sources. For ON-W and OFF-W, Europe is the main emission contributor, as the supply-chain is prevalently local. Endogenizing capital for the EU PV electricity production sector increases the respective CO2 footprint, revealing that the indirect impact of China is about five times higher. Instead, the new portion of the wind CO2 footprint is mostly associated to European activities. We also found that, even after capital endogenization, the overall resources needed obtain electricity from PV and wind are inferior than those required by traditional carbon-intensive technologies. From this point of view, the decarbonisation of the EU electricity production system appears to be promising for the long term. The balance of the dependences between EU and foreign countries will shift, as a system prevalently based on operative inputs (primary energy sources) starts to rely more on capital assets. This analysis focused on the interconnections between ET, resources consumption, emission footprints and regional dependences. For a successful transition, other scientific approaches are needed to address the current spectrum of issues related to RE technical implementation.

La transizione energetica è una delle sfide più difficili e sfaccettate da affrontare nel prossimo futuro. L'Unione Europea ha fissato diversi obiettivi per contribuire alla mitigazione dei cambiamenti climatici; la decarbonizzazione del settore energetico attraverso le energie rinnovabili è un aspetto fondamentale. Per raggiungere questo obiettivo, è necessaria un'espansione significativa della capacità installata di impianti fotovoltaici ed eolici. La creazione di un sistema elettrico basato su fonti rinnovabili prevede la risoluzione di una serie di problemi di implementazione: è necessaria un'attenta pianificazione utilizzando diversi metodi scientifici. Tra la comunità scientifica, diverse analisi hanno studiato l'allocazione delle risorse, dell'energia e delle emissioni associate all'espansione della capacità rinnovabile. I metodi LCA (Life Cycle Assessment) sono strumenti ampiamente utilizzati per valutare l'impatto ambientale associato al ciclo vitale di un prodotto. L'analisi Input-Output è uno dei metodi comunemente utilizzati che permettono di eseguire calcoli dettagliati di tipo LCA. I database MRIO (Multi-Regional Input-Output) uniscono dati nazionali e statistiche commerciali per rappresentare la complessa rete di produzione e consumo di beni e servizi che compongono l'economia globale. Studi recenti hanno suggerito che l'impronta di un prodotto dovrebbe cogliere il fatto che l'esistenza del prodotto stesso è il risultato del consumo diretto di alcune risorse, ma anche della degradazione degli asset capitali utilizzati per produrlo. Tuttavia, a causa della natura dei database utilizzati nelle analisi MRIO, è difficile catturare il secondo fenomeno all'interno dell'impronta di un prodotto. Affrontare questo problema è un procedimento comunemente indicato come "endogenizzazione del capitale". Nel caso dell'elettricità ottenuta da impianti fotovoltaici ed eolici è essenziale considerare l'impatto degli asset utilizzati, in quanto sono la principale componente di costo per l'elettricità da fonti rinnovabili. È importante che gli studi sulla transizione energetica del settore elettrico europeo considerino anche questo aspetto. Lo scopo di questo lavoro è valutare: 1) l'impatto ambientale associato all'espansione di capacità all'interno dell'Unione Europea; 2) come cambiano le impronte carboniche dell'elettricità da fotovoltaico ed eolico quando il capitale è endogenizzato; 3) come questo consente una migliore comprensione di alcuni aspetti relativi alla transizione energetica e alla sicurezza energetica nell'UE. Abbiamo calcolato EROI (Energy Return on Energy Invested) ed EPBT (Energy Payback Time) rispettivamente di 3.1 e 8.0 anni per il fotovoltaico, 16.5 e 1.2 anni per l'eolico onshore, 9.5 e 2.1 anni per l'eolico offshore. Per il fotovoltaico, la maggior parte delle emissioni di CO2 legate all'espansione della capacità nell'Unione Europea si verifica in Cina, originata dal consumo di fonti energetiche altamente inquinanti. Per l'eolico, l'Europa è il principale emettitore di CO2, in quanto la catena di produzione è prevalentemente locale. Dopo aver endogenizzato il capitale per il settore europeo della produzione di elettricità da fotovoltaico, la rispettiva impronta di CO2 aumenta, rivelando che l'impatto indiretto della Cina è circa cinque volte superiore rispetto al caso iniziale. Invece, l'aumento dell'impronta carbonica dell'elettricità da eolico è per lo più associato ad attività europee. Dopo aver endogenizzato del capitale, è stato anche riscontrato che le risorse complessive necessarie per la produzione di elettricità da fotovoltaico ed eolico sono inferiori a quelle richieste dalle tecnologie tradizionali basate su fonti fossili. Da questo punto di vista, la decarbonizzazione del sistema energetico europeo potrebbe portare dei benefici nel lungo termine. La dipendenza dai paesi esteri cambia durante il passaggio da un sistema basato prevalentemente su input operativi (fonti energetiche primarie) ad un sistema basato su asset di capitale. Questa analisi è stata incentrata sull'interconnessione tra transizione energetica europea, consumo di risorse, impronte carboniche e dipendenze regionali. Per una transizione efficace, sono necessari altri approcci scientifici per affrontare i numerosi problemi di implementazione relativi ad un ampio dispiegamento di tecnologie rinnovabili sul suolo europeo.