Integrated environmental-economic analysis of different scenarios regarding forest-based bioenergy in Quebec

Kouchaki Penchah, Hamed (2023). Integrated environmental-economic analysis of different scenarios regarding forest-based bioenergy in Quebec. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This study provides valuable insights for decision-makers by examining the contribution of the forest sector in achieving deep decarbonization. It develops a detailed modeling approach that considers different forest-based bioenergy pathways within a techno-economic framework to determine the contribution of forest-based bioenergy in mitigating climate change. These pathways are incorporated into the NATEM-Québec, a detailed bottom-up energy model. The results demonstrate the importance of forest-based bioenergy as a key component of Quebec's decarbonization strategy and highlight its potential for other regions experiencing a decline in traditional forest products. Furthermore, the findings emphasize the challenges of decarbonizing the transportation and heavy industry sectors while also emphasizing the need for extensive electrification and increased bioenergy usage. This thesis also develops an integrated approach by integrating CBM-CFS3, a stand- and landscape-level modeling framework, with NATEM-Québec to eliminate the carbon neutrality assumption prevalent in previous literature, addressing potential accounting errors and biased decision-making. Integrating biogenic CO2 flows into the energy system model reveals the role of forest sequestration in mitigating emissions and the need to include biogenic emissions in nationally determined contributions. Accounting for biogenic emissions leads to reduced biomass and bioenergy usage in GHG scenarios. Therefore, assuming biogenic carbon neutrality may result in biased decision-making because it allows the model to use more biomass without being constrained by biogenic CO2 emissions. While immediate investment in bioenergy with carbon capture and storage, direct air capture, and other negative emission technologies may not be feasible, transitioning towards cost-effective forest management strategies can facilitate achieving net-zero emissions by 2050. Moreover, this research undertakes an extensive regionalized techno-economic analysis, focusing on various hydrogen pathways within the province of Quebec, Canada, following the developed integrated approach. The study highlights the significance of hydrogen, both blue and green, in achieving ambitious net-zero emission targets, particularly in difficult-to-decarbonize industrial sectors. The wider adoption of electrolysis is recommended for situations where electrification is not feasible, or energy storage is required. Overall, this research provides valuable insights and recommendations for policymakers and highlights the significance of forest-based bioenergy and hydrogen in the energy transition toward a sustainable, net-zero emission economy.

Titre traduit

Analyse environnementale-économique intégrée de différents scénarios concernant la bioénergie à base de forêt au Québec

Résumé traduit

Cette étude fournit des informations précieuses aux décideurs en examinant la contribution du secteur forestier à la réalisation d'une décarbonisation profonde. Elle développe une approche de modélisation détaillée qui prend en compte différentes voies de bioénergie à base de forêt dans un cadre techno-économique afin de déterminer la contribution de la bioénergie à base de forêt dans la lutte contre le changement climatique. Ces voies sont incorporées dans le modèle énergétique NATEM-Québec, un modèle énergétique détaillé ascendante. Les résultats démontrent l'importance de la bioénergie à base de forêt en tant que composante clé de la stratégie de décarbonisation du Québec et mettent en évidence son potentiel pour d'autres régions connaissant un déclin des produits forestiers traditionnels. De plus, les résultats soulignent les défis de la décarbonisation des secteurs du transport et de l'industrie lourde, tout en insistant sur la nécessité d'une électrification étendue et d'une utilisation accrue de la bioénergie. Cette thèse développe également une approche intégrée en combinant le modèle de modélisation des peuplements et des paysages CBM-CFS3 avec NATEM-Québec afin d'éliminer l'hypothèse de neutralité carbone biogénique prévalente dans la littérature précédente, en abordant les erreurs de comptabilité potentielles et en évitant les décisions biaisées. L'intégration des flux de CO2 biogénique dans le modèle du système énergétique révèle le rôle de la séquestration forestière dans l'atténuation des émissions et la nécessité d'inclure les émissions biogéniques dans les contributions déterminées au niveau national. La prise en compte des émissions biogéniques conduit à une réduction de l'utilisation de la biomasse et de la bioénergie dans les scénarios d'émissions de gaz à effet de serre. Par conséquent, supposer la neutralité carbone biogénique peut entraîner des décisions biaisées car cela permet au modèle d'utiliser davantage de biomasse sans être contraint par les émissions de CO2 biogénique. Bien qu'un investissement immédiat dans la bioénergie avec capture et stockage du carbone, la capture directe de l'air et d'autres technologies d'émissions négatives puisse ne pas être réalisable, une transition vers des stratégies de gestion forestière rentables peut faciliter la réalisation d'émissions nettes nulles d'ici 2050. De plus, cette recherche entreprend une analyse techno-économique régionalisée approfondie, en mettant l'accent sur différentes voies de l'hydrogène dans la province de Québec, au Canada, en suivant l'approche intégrée développée. L'étude met en évidence l'importance de l'hydrogène, à la fois bleu et vert, dans la réalisation d'objectifs ambitieux de zéro émission nette, en particulier dans les secteurs industriels difficiles à décarboner. L'adoption généralisée de l'électrolyse est recommandée dans les situations où l'électrification n'est pas réalisable ou lorsque le stockage d'énergie est requis. Dans l'ensemble, cette recherche fournit des informations précieuses et des recommandations aux décideurs politiques et met en évidence l'importance de la bioénergie à base de forêt et de l'hydrogène dans la transition énergétique vers une économie durable à émissions nettes nulles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 181-205).
Mots-clés libres:	transition énergétique, émissions nettes nulles, bioénergie à base de forêt, technologies d'émissions négatives, BECCS, séquestration en forêt, CO2 biogénique, hydrogène, modèle TIMES
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Levasseur, Annie
Codirecteur:	Codirecteur Bahn, Olivier
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 oct. 2023 12:53
Dernière modification:	27 oct. 2023 12:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3305

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