Contribution in technical problem-solving using life cycle analysis and multi-criteria decision-making models: applications to the energy sector

Abstract

The transition towards low-carbon and cost-effective energy systems is a strategic priority of Greece, a country endowed with abundant renewable energy potential. Solar energy conversion units and wind power systems constitute key pillars for the decarbonization of the electricity sector under a circular economy framework. Despite their potential, significant knowledge gaps and practical limitations remain. Most of life cycle environmental performance evaluation studies focus primarily on the operational phase of renewable energy technologies, often neglecting Greenhouse Gas (GHG) emissions and non-renewable energy use associated with the stages of manufacturing, transportation, installation, and end-of-life management. Region-specific data are scarce, emerging technologies, including third-generation solar Photovoltaics (PVs), offshore wind turbines, and hybrid systems, have been poorly evaluated, and recycling and reuse infrastructures remain insufficient. The absence of comprehensive policy frameworks further constrains the implementation of circular economy principles, alongside the widespread deployment of renewable energy technologies.The current Ph.D. dissertation addresses these shortcomings by developing a holistic, multi -dimensional methodological framework for the assessment and optimization of both conventional and renewable energy systems. The framework developed integrates energy system design and modelling, economic analysis, Life Cycle Assessment (LCA), and Multi-Criteria Decision Making (MCDM). The energy modelling component captures system configurations and technology interactions, as well as operational behaviour under realistic meteorological data and grid constraints, encompassing load-following dispatch strategies. The economic analysis evaluates the economic viability of systems, employing key performance indicators, such as the Levelized Cost of Energy (LCOE), Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), and Cost-Benefit Ratio (CBR). From an environmental perspective, the LCA assesses the adverse impacts across all life cycle stages, i.e., from manufacturing and operation to end-of-life treatment, quantifying climate change impact, fossil and nuclear energy use, resource consumption, and other environmental pressures. Finally, the MCDM approach evaluates competing objectives and stakeholder priorities, aiming at supporting sustainable decision-making regarding technology selection, system configurations, and end-of-life strategies. This integrated framework constitutes a flexible, scalable, and future-ready tool, able to facility both project-level analysis and long-term strategic energy planning.Application of the framework at multiple scales yielded important insights.At the building level, grid-connected solar PV systems with capacities of 5-10 kWp were found to be economically viable, and achieved significant life cycle reductions in GHG emissions and non-renewable energy use. However, systems below 5 kWp were cost-ineffective, due to high upfront costs and low electricity prices, highlighting the need for cost reductions in module manufacturing and balance-of-system components, alongside supportive policies such as investment incentives, feed-in tariffs, and credit trading mechanisms. Fully autonomous hybrid systems, integrating solar PV arrays, energy (battery) storage, diesel generators, and biomass-based heating, were identified as the most suitable solutions for decentralized energy supply in remote households, offering both technical reliability and improved sustainability. Sensitivity analysis emphasized the influence of load management and fuel prices on economic feasibility, underscoring the importance of both operational optimization and policy support. At the community level, hybrid electricity supply systems combining wind, solar, battery storage, and diesel generators provide robust, cost-effective, and sustainable solutions for isolated Aegean Islands. In Lesvos, Karpathos, and Astypalaia, renewable generation supplies over 90% of electricity, with diesel generator as a backup, while batteries align fluctuating generation with demand and stabilize the grid. A significant surplus of electricity, exceeding 40% in all three Islands, highlights the opportunities for additional storage or flexible use. From an economic perspective, these hybrid systems achieve competitive LCOE (0.12–0.15 €/kWh) compared to the current diesel-based systems on the islands, despite higher up-front investments. From an economic point of view, the substitution of diesel generators can decrease GHG emissions by over 92%, to below 71 gCO₂eq/kWh, providing a circular economy-driven solution towards the deep decarbonization of non-interconnected islands. At the grid scale, thermal power plants remain the major contributor to environmental impacts, especially in terms of global warming potential and non-renewable energy use. In contrast, large hydro and renewable energies, including wind, solar, small hydro, and biomass systems, provide a modest but significant mitigation potential. Future scenarios with higher renewable energy penetration suggest substantial reductions in climate change impact, emphasizing the importance of systemic planning and life cycle-informed strategies for decarbonization. Transmission infrastructure, including lines and substations, as well as grid power losses, also represent a notable share of life cycle environmental impacts; however, their contribution is small compared to the adverse impacts from the electricity generation sector.Critically, achieving sustainable energy transitions requires attention to the end-of-life phase of renewable technologies. The disposal, recycling, or repurposing of components, such as wind turbine blades, significantly affects both environmental and economic performance. Combined LCA and MCDM analyses demonstrated that mechanical recycling of wind turbine concrete foundations and repurposing of composite materials were the most effective end-of-life strategies, reducing global warming potential, non-renewable energy use, land occupation, and waste costs. Energy-intensive chemical or thermal recycling, particularly when involving long-distance transport, proved less efficient. Integrating remanufacturing, and design-for-recycling, along with waste prevention strategies, support a circular economy, while financial incentives can further enhance adoption of renewable technologies.In summary, the achievement of sustainable energy transitions requires more than just deploying renewable energy technologies; it strongly depends on the combination of technological optimization, circular economy integration, storage management, policy incentives, and life cycle-informed decision-making. This Ph.D. thesis specifically contributes by assessing and optimizing across multiple scales, providing valuable insights for cost-effective, reliable, and sustainable decarbonization from buildings and communities to island microgrids and national grids.

Η μετάβαση προς χαμηλού άνθρακα και οικονομικά αποδοτικά ενεργειακά συστήματα αποτελεί στρατηγική προτεραιότητα για την Ελλάδα, μια χώρα με σημαντικό δυναμικό Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Τα αιολικά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα συνιστούν βασικούς πυλώνες για την πλήρη απανθρακοποίηση της ηλεκτροπαραγωγής, στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας. Ωστόσο, παρά τις τεχνολογικές εξελίξεις, εξακολουθούν να υφίστανται σημαντικά κενά γνώσης και πρακτικοί περιορισμοί. Οι περισσότερες μελέτες Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) των συστημάτων ΑΠΕ επικεντρώνονται κυρίως στο στάδιο της λειτουργίας τους, παραβλέποντας τη σημαντική πρωτογενή κατανάλωση ενέργειας και τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου που σχετίζονται με τα στάδια παραγωγής, μεταφοράς, εγκατάστασης και διαχείρισης στο τέλος ζωής των συστημάτων. Επιπρόσθετα, τα διαθέσιμα δεδομένα προσαρμοσμένα στην ελληνική αγορά είναι περιορισμένα, ενώ η περιβαλλοντική απόδοση προηγμένων τεχνολογιών, όπως τα φωτοβολταϊκά τρίτης γενιάς, οι υπεράκτιες ανεμογεννήτριες και τα υβριδικά συστήματα ηλεκτροπαραγωγής πολλαπλών πηγών (συμβατικών και ανανεώσιμων), έχει αξιολογηθεί ελλιπώς. Παράλληλα, οι υποδομές ανακύκλωσης ή/και επαναχρησιμοποίησης παραμένουν ανεπαρκείς, ενώ η έλλειψη ολοκληρωμένων πολιτικών πλαισίων περιορίζει περαιτέρω την εφαρμογή των αρχών της κυκλικής οικονομίας και την ευρεία διάδοση των τεχνολογιών ανανεώσιμης ενέργειας. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποσκοπεί στην αντιμετώπιση των ανωτέρω προκλήσεων μέσω της ανάπτυξης ενός ολοκληρωμένου, πολυδιάστατου μεθοδολογικού πλαισίου για την αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικά ορυκτά καύσιμα και ανανεώσιμες πηγές. Η προτεινόμενη μεθοδολογία ενσωματώνει το σχεδιασμό, τη μοντελοποίηση και τη βελτιστοποίηση ενεργειακών συστημάτων, εμπεριστατωμένη οικονομική και περιβαλλοντική αξιολόγηση βάσει των αρχών του κύκλου ζωής, καθώς και πολυκριτηριακή λήψη αποφάσεων. Η ολοκληρωμένη αυτή προσέγγιση από-σκοπεί στον καθορισμό των τεχνολογικών διαμορφώσεων υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας, την προσομοίωση της λειτουργίας τους υπό πραγματικά μετεωρολογικά δεδομένα και περιορισμούς του δικτύου, εφαρμόζοντας τη στρατηγική παρακολούθησης φορτίου (load following dispatch). Η οικονομική ανάλυση βιωσιμότητας αξιολογεί τις ενεργειακές επενδύσεις ενσωματώνοντας βασικούς δείκτες απόδοσης όπως η Καθαρή Παρούσα Αξία (Net Present Value, NPV), o Εσωτερικός Βαθμός Απόδοσης (Internal Rate of Return, IRR), και το Σταθμισμένο Κόστος Παραγωγής Ενέργειας (Levelized Cost of Energy, LCOE). Η Ανάλυση Κύκλου Ζωής (Life Cycle Assessment, LCA) είναι ένα σημαντικό εργαλείο περιβαλλοντικής διαχείρισης που αξιολογεί την περιβαλλοντική απόδοση σε όλα τα στάδια ζωής του συστήματος (σχεδιασμός, κατασκευή, εγκατάσταση, λειτουργία και απόσυρση), βοηθώντας στη λήψη βιώσιμων αποφάσεων και συγκρίνοντας εναλλακτικές λύσεις. Το σύνολο των επιπτώσεων αξιολογείται ποσοτικά σε τομείς ιδιαίτερου περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος, όπως η κλιματική αλλαγή, η χρήση μη ανανεώσιμης ενέργειας, η καταστροφή του όζοντος, η ανθρώπινη υγεία, η εξάντληση των ορυκτών πόρων, κτλ. Τέλος, η πολυκριτηριακή λήψη αποφάσεων (Multi-Criteria Decision Making, MCDM) παρέχει συστηματική αξιολόγηση ανταγωνιστικών στόχων και προτεραιοτήτων των ενδιαφερόμενων μερών, διευκολύνοντας τη βιώσιμη επιλογή στρατηγικών. Το ολοκληρωμένο αυτό πλαίσιο αποτελεί ένα ευέλικτο εργαλείο, ικανό να υποστηρίζει τόσο την ανάλυση σε επίπεδο έργου όσο και τον στρατηγικό ενεργειακό σχεδιασμό σε εθνικό επίπεδο. Η εφαρμογή του προτεινόμενου μεθοδολογικού πλαισίου σε πολλαπλές περιπτώσεις μελέτης, σε διάφορες κλίμακες, έδειξε ότι σε επίπεδο κτιρίου τα συνδεδεμένα με το δίκτυο φωτοβολταϊκά συστήματα ισχύος 5 -10 kW είναι οικονομικά βιώσιμα, ενώ παράλληλα συμβάλλουν σε σημαντικό βαθμό στη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου και την κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής τους. Τα συστήματα με εγκατεστημένη ισχύ που δεν ξεπερνά τα 5 KW κρίθηκαν μη οικονομικά αποδοτικά λόγω υψηλού αρχικού κόστους και χαμηλών τιμών ηλεκτρικής ενέργειας, τονίζοντας την ανάγκη μείωσης του κόστους κατασκευής των φωτοβολταϊκών πάνελ, καθώς και του εξοπλισμού «Ισορροπίας Συστήματος», σε συνδυασμό με μηχανισμούς στήριξης που θα παρέχουν κίνητρα στους παραγωγούς να ανταποκριθούν στις εξελίξεις της αγοράς. Τα πλήρως αυτόνομα υβριδικά συστήματα, που ενσωματώνουν φωτοβολταϊκά, γεννήτρες ντίζελ, συστήματα αποθήκευσης, και θερμική ενέργεια από βιομάζα, κρίθηκαν ως οι πλέον κατάλληλες λύσεις για αποκεντρωμένη ηλεκτροπαραγωγή σε απομακρυσμένα νοικοκυριά, προσφέροντας υψηλή τεχνική απόδοση, ενεργειακή ασφάλεια και αξιοπιστία, καθώς και βελτιωμένη περιβαλλοντική απόδοση. Σε επίπεδο κοινότητας, οι υβριδικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που συνδυάζουν αιολική και ηλιακή ενέργεια, συσσωρευτές και γεννήτριες ντίζελ, παρέχουν αξιόπιστες, οικονομικά αποδοτικές και βιώσιμες λύσεις για τα απομονωμένα νησιά του Αιγαίου. Στη Λέσβο, την Κάρπαθο και την Αστυπάλαια, η ανανεώσιμη παραγωγή καλύπτει πάνω από 90% της ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ η γεννήτρια ντίζελ λειτουργεί ως εφεδρεία. Τα συστήματα αποθήκευσης (συσσωρευτές) εξισορροπούν τη μεταβλητότητα παραγωγής και ζήτησης, ενώ η ύπαρξη σημαντικού πλεονάσματος ηλεκτρικής ενέργειας άνω του 40% υπογραμμίζει τη δυνατότητα για επιπλέον αποθήκευση ή ευέλικτη χρήση. Τα συστήματα αυτά επιτυγχάνουν ανταγωνιστικό κόστος παραγόμενης ενέργειας, το οποίο κυμαίνεται μεταξύ 0.12–0.15 €/kWh, ενώ, παράλληλα, μειώνουν τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου άνω του 92%, υποστηρίζοντας τη νέα εποχή ενεργειακής μετάβασης και το «πρασίνισμα» / απανθρακοποίηση των μη διασυνδεδεμένων νησιών. Σε επίπεδο εθνικού δικτύου, οι θερμικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής παραμένουν οι κύριοι παράγοντες περιβαλλοντικών επιπτώσεων, κυρίως όσον αφορά στην κλιματική αλλαγή πλανήτη και τη χρήση μη ανανεώσιμης ενέργειας, ενώ οι ανανεώσιμες πηγές, όπως η αιολική, η ηλιακή, τα μικρά υδροηλεκτρικά και οι μονάδες βιομάζας, παρέχουν μετρήσιμη αλλά σημαντική δυνατότητα μείωσης των εκπομπών. Σενάρια με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμης ενέργειας υποδεικνύουν σημαντικές μειώσεις στις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου και της πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας, αναδεικνύοντας τη σημασία του βέλτιστου σχεδιασμού, και στρατηγικών βασισμένων στον κύκλο ζωής. Οι υποδομές μεταφοράς και οι απώλειες στο δίκτυο συνεισφέρουν σημαντικά στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, αν και η συμβολή τους παραμένει μικρότερη σε σχέση με τις επιπτώσεις από την παραγωγή ενέργειας στην ηπειρωτική χώρα και τα αυτόνομα Ελληνικά νησιά. Κρίσιμο στοιχείο για την επίτευξη βιώσιμων ενεργειακών μεταβάσεων αποτελεί η φάση τέλους ζωής των ανανεώσιμων τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας. Η διάθεση, η ανακύκλωση ή η επαναχρησιμοποίηση π.χ. των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, επηρεάζει σημαντικά την περιβαλλοντική και οικονομική τους απόδοση. Η συνδυαστική εφαρμογή της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής και της Πολυκριτηριακής Μεθοδολογίας Λήψης Αποφάσεων κατέδειξε ότι η επαναχρησιμοποίηση των σύνθετων υλικών των πτερυγίων, καθώς και η μηχανική ανακύκλωση του σκυροδέματος θεμελίωσης των ανεμογεννητριών, αποτελούν τις πιο αποτελεσματικές στρατηγικές στο τέλος ζωής, μειώνοντας τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου, την κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας, τη χρήση γης, και το κόστος διαχείρισης αποβλήτων. Η ενεργοβόρα χημική ή θερμική ανακύκλωση, ιδίως όταν περιλαμβάνει μεταφορές σε μεγάλες αποστάσεις, αποδείχθηκε λιγότερο αποδοτική. Η ενσωμάτωση στρατηγικών επαναχρησιμοποίησης, σχεδίασης για ανακύκλωση, και πρόληψης δημιουργίας αποβλήτων δύναται να ελαχιστοποιήσει τη χρήση φυσικών πόρων, και να μειώσει την απώλεια βιοποικιλότητας. Η εφαρμογή οικονομικών κινήτρων μπορεί περαιτέρω να ενισχύσει την υιοθέτηση αυτών των πρακτικών. Εν κατακλείδι, η επίτευξη βιώσιμων ενεργειακών μεταβάσεων δεν περιορίζεται στην ανάπτυξη καθαρών μορφών ενέργειας, αλλά απαιτεί μια ολιστική προσέγγιση που ενσωματώνει το σχεδιασμό και την τεχνολογική βελτιστοποίηση, τις αρχές της κυκλικής οικονομίας, τη στρατηγική διαχείριση των συστημάτων αποθήκευσης, την εφαρμογή κατάλληλων οικονομικών κινήτρων και τη λήψη αποφάσεων βάσει ανάλυσης κύκλου ζωής. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει ουσιαστικά στη βελτιστοποίηση και αξιολόγηση ενεργειακών συστημάτων σε πολλαπλές κλίμακες, παρέχοντας εμπεριστατωμένα στοιχεία για μια οικονομικά αποδοτική, αξιόπιστη και καθοδηγούμενη από τις αρχές της κυκλικής οικονομίας απανθρακοποίηση, από το επίπεδο των κτιρίων και των κοινοτήτων έως τα νησιωτικά μικροδίκτυα και το εθνικό ηλεκτρικό δίκτυο.