Integration of LCA-based CO2 emissions and energy system modelling for net-zero decarbonization: an italian case study

As the climate crisis escalates, addressing the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions from the energy sector—responsible for approximately 75% of total emissions—becomes imperative for global sustainability. This thesis investigates the integration of Life Cycle Assessment (LCA) and Energy System Modelling (ESM) methodologies, aiming to develop a comprehensive framework for evaluating and optimizing energy systems capable to widen the inclusion of out-of-the-boundary impacts. The analyses look at scenarios of full decarbonization (i.e., all-sector carbon neutrality) considering the case study of Italy in a 2050 perspective. Employing the OMNI-ES model, developed by the Group of Energy Conversion systems (GECoS) at the Department of Energy at Politecnico di Milano, the thesis examines the impact of incorporating LCA-based GHG emissions into the definition of cost-optimal energy system configurations. It specifically analyzes key technologies such as solar photovoltaics, onshore and offshore wind, battery energy storage systems, electrolysis, and direct air capture, focusing on the LCA-based GHG emissions associated with each technology. Three integration approaches are explored: an ex-post analysis of GHG emissions from the reference scenario, a monetization method that converts LCA-based GHG emissions into monetary terms, and direct incorporation of LCA-based GHG emissions into the model's net-zero emissions constraint. Results indicate that integrating LCA considerations leads to significant changes in the optimal system configuration. The direct integration of LCA-based GHG emissions results in a notable reduction of solar photovoltaic capacity, and it simultaneously increases the reliance on wind energy. The findings also highlight important trade-offs between environmental objectives and economic viability, emphasizing the need for flexible approaches in energy system planning. Overall, this work contributes to the understanding of how integrated assessments can support effective policymaking and investment strategies, ultimately promoting the transition to a low-carbon energy future.

Con l'escalation della crisi climatica, affrontare la riduzione delle emissioni di gas serra (GHG) nel settore energetico—responsabile di circa il 75% delle emissioni totali—è fondamentale per la sostenibilità globale. Questa tesi esplora l'integrazione delle metodologie di Life Cycle Assessment (LCA) ed Energy System Modelling (ESM), per sviluppare un framework completo di valutazione e ottimizzazione dei sistemi energetici, considerando anche gli impatti oltre i confini del sistema. L'analisi si concentra su scenari di decarbonizzazione con l’obiettivo di raggiungere la neutralità carbonica nei settori entro il 2050, prendendo come caso studio l’Italia. Utilizzando il modello OMNI-ES, sviluppato dal Gruppo di Sistemi di Conversione Energetica (GECoS) del Politecnico di Milano, la tesi indaga l'impatto dell'integrazione delle emissioni LCA nelle configurazioni dei sistemi energetici. Vengono analizzate tecnologie chiave come il fotovoltaico solare, l'eolico onshore e offshore, i sistemi di accumulo energetico a batteria, l'elettrolisi e direct air capture, focalizzandosi sulle emissioni LCA associate a ciascuna tecnologia. Sono esplorati tre approcci di integrazione: un'analisi ex-post delle emissioni GHG nello scenario di riferimento, un metodo di monetizzazione che converte le emissioni LCA in termini economici, e l'integrazione diretta delle emissioni LCA nel vincolo delle emissioni net-zero del modello. I risultati mostrano che l'integrazione delle considerazioni LCA comporta modifiche significative nella configurazione ottimale del sistema. In particolare, l'integrazione diretta delle emissioni LCA riduce la capacità fotovoltaica solare, aumentando invece la dipendenza dall'energia eolica. Vengono evidenziati anche trade-off rilevanti tra obiettivi ambientali e viabilità economica, sottolineando la necessità di approcci flessibili nella pianificazione dei sistemi energetici. Complessivamente, questo lavoro contribuisce a comprendere come valutazioni integrate possano supportare l'elaborazione di politiche e strategie di investimento efficaci, promuovendo la transizione verso un futuro energetico a basse emissioni di carbonio.