mdh.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A dynamic model to optimize a regional energy system with waste and crops as energy resources for greenhouse gases mitigation
Mälardalen University, School of Sustainable Development of Society and Technology.
Mälardalen University, School of Sustainable Development of Society and Technology.ORCID iD: 0000-0001-9230-1596
Mälardalen University, School of Sustainable Development of Society and Technology.ORCID iD: 0000-0002-3485-5440
Mälardalen University, School of Sustainable Development of Society and Technology.ORCID iD: 0000-0003-3167-9389
Show others and affiliations
2012 (English)In: Energy, ISSN 0360-5442, E-ISSN 1873-6785, Vol. 46, no 1, p. 522-532Article in journal (Other academic) Published
Abstract [en]

A dynamic model of a regional energy system has been developed to support sustainable waste treatmentwith greenhouse gases (GHG) mitigation, addressing the possibility for development towardsa regional fossil fuel-free society between 2011 and 2030. The model is based on conventional mixedinteger linear programming (MILP) techniques to minimize the total cost of regional energy systems. TheCO2 emission component in the developed model includes both fossil and biogenic origins whenconsidering waste, fossil fuels and other renewable sources for energy production. A case study for thecounty of Västmanland in central Sweden is performed to demonstrate the applicability of the developedMILP model in five distinct scenarios. The results show significant potential for mitigating CO2 emissionby gradually replacing fossil fuels with different renewable energy sources. The MILP model can be usefulfor providing strategies for treating wastes sustainably and mitigating GHG emissions in a regionalenergy system, which can function as decision bases for formulating GHG reduction policies andassessing the associated economic implications.

Place, publisher, year, edition, pages
2012. Vol. 46, no 1, p. 522-532
Keywords [en]
Waste, Regional energy system, Dynamic, Mixed integer linear programming, Fossil-fuel-free, Sustainable
National Category
Engineering and Technology
Research subject
Energy- and Environmental Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:mdh:diva-15961DOI: 10.1016/j.energy.2012.07.060ISI: 000311873700053Scopus ID: 2-s2.0-84867225896OAI: oai:DiVA.org:mdh-15961DiVA, id: diva2:563352
Available from: 2012-10-29 Created: 2012-10-29 Last updated: 2017-12-07Bibliographically approved
In thesis
1. Regional Energy Systems with Retrofitted Combined Heat and Power (CHP) Plants
Open this publication in new window or tab >>Regional Energy Systems with Retrofitted Combined Heat and Power (CHP) Plants
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Fossil fuel depletion, economic development, urban expansion and climate change present tough challenges to municipal- and regional-scale energy systems. Regional energy system planning, including waste treatment, renewable energy supply, energy efficiency, and climate change, are considered essential to meet these challenges and move toward a sustainable society. This thesis includes studies on energy system from municipal waste, potential for a fossil fuel-independent regional energy system with increased renewable energy products using waste as one of energy sources, and the performance of biomass-fired combined heat and power (CHP) plants. A top-down method is adopted to organize the studies, from national waste-to-energy (WtE) scenarios to individual energy plants.

The first study considers the overall potential contribution of WtE to energy supply and greenhouse gas (GHG) emissions mitigation in Sweden until 2050 under several different scenarios. Depending on WtE scenario considered, the study shows that WtE can supply energy between 38 and 186 TWh and mitigate between CO2 of 1 and 12 Mt per year by 2050 based on the baseline of year 2010.

At a regional level, static and dynamic optimization models with a focus on WtE are developed for two regions in Sweden and Finland. The former is used to investigate the possibilities of optimal positioning of new energy plants, retrofitting existing energy plants and planting energy crops. The latter case study is on regional heat and power production using biogas generated from agricultural and livestock wastes. Centralized biogas production units perform better than distributed production regarding energy and carbon balance though the net energy output is negligible. However, a significant GHG emission can be reduced compared to the present status.

Retrofitting existing conventional CHP plants is another option for improving regional energy system. The study shows that integrating heat-demanded processes such as drying, bioethanol and pellet production with existing CHP plants can improve overall energy efficiency and power output, increase annual operation time and reduce production cost as well as mitigate GHG emissions.

 It is recommended that building new WtE/energy plants at optimum sites, upgrading the existing energy plants, expanding the agricultural/forestry waste/residues output (biomass) and planting more energy crops shall be taken into considerations for the future regional energy systems.

Abstract [sv]

Utarmning av fossila bränslekällor, ekonomisk utveckling, städernas utbredning och klimatförändring är svåra utmaningar för kommunala- och regionala energisystem. Planering av det regionala energisystemet, inklusive avfallshantering, förnyelsebara energikällor, energieffektivisering och hänsyn till klimatförändringar, anses avgörande för att möta dessa utmaningar och gå mot ett hållbart samhälle. Denna avhandling innehåller studier av energisystem centrerad kring hushållsavfall, potentialet för fossilbränslefria regionala energisystem som utnyttjar ökad andel förnyelsebara energiprodukter med avfall som en energikälla och prestandautvärdering av ett biomassa-eldat kraftvärmeverk. Studierna har organiserats efter storlek på system, från nationella avfall-till-energi scenarier till enskilda kraftverk.

 

Den första studien behandlar övergripande möjligheten att genom avfall-till-energi bidra till energiförsörjningen och begränsa utsläppet av växthusgaser i Sverige till 2050 under flera olika scenarier. Beroendet på avfall-till-energiscenario visar studien att genom att utnyttja avfall kan mellan 38 och 186 TWh energi levereras och dessutom kan koldioxidutsläppen reduceras med 1-12 miljoner ton till år 2050 med 2010 som basår.

 

På den regionala nivån, statiska och dynamiska optimeringsmodeller, med fokus på avfall-till-energi, är utvecklats för två regioner, en i Sverige och en i Finland. Det första modellen används för hitta den optimala placeringen av nya energianläggningar, anpassning av befintliga anläggningar och placering av odlingar av energigrödor. Den senare ingår i en fallstudie av den regionala kraft- och värmeproduktionen genom utnyttjande av biogas producerad från jordbruksavfall och djurgödsel. Centraliserade biogasanläggningar presterar bättre än decentraliserad anläggningar när det gäller energi – och kolbalanser även om i båda fallen så är skillnaden mellan konsumerad mängd bränsle, värme och el och producerad värme och el försumbar. Däremot kan en betydande mängd av växthusgasutsläppet i båda fallen undvikas jämfört med nuläget.

 

Anpassning av befintliga konventionella kraftvärmeverk är ett annat alternativ för att förbättra det regionala energisystemet. Studien visar att genom att integrera värmekrävande processer såsom torkning, bioetanol- och pelletsproduktion med befintliga kraftvärmeverk kan den totala energieffektiviten och uteffekten förbättras, öka den årliga drifftiden och minska produktionskostnaderna och utsläppen av växthusgaser.

 

Rekommendationen är att för de framtida regionala energisystemen överväga att bygga nya avfall-till-energianläggningar med optimal placering, uppgradera befintliga energianläggningar utöka insamlandet av avfall/restprodukter från jord- och skogbruk och plantera mer energigrödor.

Place, publisher, year, edition, pages
Västerås: Mälardalen University, 2012. p. 66
Series
Mälardalen University Press Dissertations, ISSN 1651-4238 ; 132
Keywords
Combined heat and power, Waste-to-Energy (WtE), Regional energy system, Greenhouse gases (GHG), Retrofitting, Optimization, Kraftvärme, Avfall-till-Energi, Regionala Energisystem, Växthusgaser, Uppgradering, Optimering.
National Category
Engineering and Technology
Research subject
Energy- and Environmental Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:mdh:diva-15966 (URN)978-91-7485-085-7 (ISBN)
Public defence
2012-12-10, Milos, Hogskolenplan 1, Vasteras, 13:30 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2012-10-31 Created: 2012-10-29 Last updated: 2012-11-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Dotzauer, ErikEva, ThorinBozena, GuzianaJinyue, Yan

Search in DiVA

By author/editor
Han, SongDotzauer, ErikEva, ThorinBozena, GuzianaJinyue, Yan
By organisation
School of Sustainable Development of Society and Technology
In the same journal
Energy
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 242 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf