Solar photovoltaic energy in Portugal environmental: Sustainability on the road to carbon neutrality

Abstract

In this thesis, the environmental sustainability of solar photovoltaic (PV) power plants is assessed under the framework of the Sustainable Development Goals. And two original contributions are proposed towards that goal: 1) a method to determine total future land occupation by ground-based PV plants; 2) an evaluation of the net GHG benefits of PV over vegetation-covered land that combines primary emissions from manufacturing and secondary emissions from land-use change, while the electric grid reduces its carbon intensity. Future PV areas were calculated through a piece-wise linear model based on an integral equation incorporating the concurrent growth of both installed capacity and panel efficiency. Total occupation by PV plants in continental Portugal in 2050 was estimated to be 29000 to 31000 hectares, a high value recommending distributed planning of solar PV over the territory to avoid land-use conflicts. Land-use intensity distributions for Portuguese solar PV plants were also calculated. The GHG net benefits of PV plants were addressed by extending the carbon payback time (CPBT) to include initial emissions and emissions distributed over the PV power plants lifetimes. All the distributed emissions were time-adjusted due to their delayed impacts on the atmosphere. Maps for CPBT and other metrics were generated for the whole of continental Portugal, with 5.5 km2 resolution. CPBT reaches 24 years (average: 19 years) for mono-crystalline systems over land previously occupied by eucalyptus forests. These long CPBT values recommend that benefits and costs of solar PV plants are systematically assessed, with natural carbon sinks consistently protected.

Nesta tese, avalia-se a sustentabilidade ambiental das centrais fotovoltaicas no quadro dos Objetivos do Desenvolvimento Sustentável e desenvolvem-se duas contribuições originais com esse propósito: 1) um método de cálculo da área total futura de centrais implantadas no solo; 2) o cálculo de benefícios e custos ambientais de centrais no solo combinando emissões primárias de GEE, associadas ao fabrico, com emissões secundárias dos solos plantados afetados, no contexto da neutralidade carbónica. O cálculo da ocupação futura conjuga as evoluções temporais da potência instalada e do rendimento dos painéis fotovoltaicos e concretiza-se por uma equação integral linearizada por troços. A área de Portugal continental estimada para 2050 varia entre 29000 e 31000 hectares, valores suficientemente altos para recomendar o planeamento distribuído das centrais solares, evitando-se conflitos de uso do solo. Como resultado intermédio obtiveram-se ainda distribuições da intensidade de uso do solo de centrais fotovoltaicas em Portugal continental. O cálculo de benefícios e custos ambientais recorre à generalização da métrica do tempo de retorno carbónico, CPBT, para incluir tanto as emissões iniciais como as distribuídas pelo ciclo de vida das centrais, estas últimas ajustadas pelo diferimento temporal e pelas reduções planeadas da intensidade carbónica da rede. Produziram-se mapas do CPBT e de outras métricas para Portugal continental, com resolução de 5,5 km2. O retorno carbónico de centrais de silício monocristalino eliminando florestas de eucaliptos atinge 24 anos (média, 19 anos), valores que recomendam o cálculo sistemático dos benefícios e custos ambientais das centrais fotovoltaicas e a proteção consistente dos sumidouros carbónicos naturais.