Integrated Dynamic Decision Support for Sustainable Energetic Use of Biomass at Regional Level Case Study of Borsod County (Hungary)
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C HAIR OF S YSTEM A NALYSIS AND E NVIRONMENTAL E NGINEERING D EPARTMENT OF APPLIED G EOSCIENCES AND G EOPHYSICS INTEGRATED DYNAMIC DECISION SUPPORT FOR SUSTAINABLE ENERGETIC USE OF BIOMASS AT REGIONAL LEVEL CASE STUDY OF BORSOD COUNTY (HUNGARY) DISSERTATION by Katalin Nóra Szarka Chair of System Analysis and Environmental Engineering University of Leoben, Austria Approved by Univ.Prof.Dipl.-Ing.Dr.mont. Jürgen Wolfbauer and Prof. Dr. Attila Bai 2007 EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Dissertation selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die benutzten Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche erkenntlich gemacht habe. Acknowledgments Pursuing this PhD was a long way, along with plenty of great and painful experiences. Just like climbing a mountain and reaching the top, I can see how beautiful is being there. But, I also realize that it was a huge work, which could not be completed without the support of many people. I wish to express my gratitude towards all of them, who helped me along this road. First of all, I would like to express my deep and sincere gratitude to my supervisor, Prof. Jürgen Wolfbauer. He accepted me as his student to complete my diploma thesis in the year 2001. When I started my PhD studies, he supported me fully from the beginning and guided me through the whole period. The knowledge I am carrying, as a rucksack for my future trips, I have learned from him during these years, for which I am very grateful. Special thanks are given to my second supervisor, Dr. Bai Attila, who provided invaluable comments and suggestions for the completion of this PhD. I would like to thank to all my colleagues at the Chair of System Analysis and Environmental Engineering and at EULA Centre for providing a great working atmosphere, but most importantly for their friendship. Special thank goes to Orsi for being always there, when I needed her support for this work. My warm thanks go to all my friends, who helped me to go through the difficult periods. I wish to thank my parents for their constant support and encouragement. I am very grateful for my mother, whose love and care accompanied all my life. A huge thank goes for Beto. For his support when I started this work, for guiding me with his knowledge, ideas, patience love and care and for being there, when I am about ending it. Without his strong believe in me and I would not be, where I am know. Abstract In modern life, energy influences all human activities and is a key factor in the development of the economic, environmental and social systems on a local, regional and global level. In most European countries, also in Hungary fossil fuels represent the major source of energy, leading to import dependency and significant environmental degradation. There is a need, therefore, to diversify the energy sources and increase the use of their renewable forms for a more stable and sustainable energy supply. Previous studies have pointed out that among renewable sources the highest potential of Hungary lies on biomass. Considering that biomass use implies prosperous effects contributing to sustainable regional development in manifold ways, but also have negative effects, their complex assessment must be performed to find appropriate future solutions. This work has been based on the hypothesis that a flexible tool- set with dynamic and feedback regional features could successfully contribute to the quantification of such effects and therefore supports decision making. Through a thorough regional analysis and structured problem analysis and SWOT assessment, the objectives of sustainable development of the study region were established. Those objectives were structured in order to define their relative importance in collaboration with regional stakeholders, using weighting methods. Specific indicators at the bottom level of the objective system were derived, set and calibrated to measure modeled future social, economic and environmental regional conditions. A system dynamics model was then built and calibrated using the Vensim® software, representing relevant regional processes governing energy fluxes and related effects and feedbacks. In the system dynamics model also the sectors of demography, economy, environment, agriculture, forests and land use are presented including validated indicators. Additionally, empirical scenarios of future sustainable biomass-to-energy processes were formulated and simulated using the model. By changing selected model components according to scenarios, quantitative evaluation of regional effects can be achieved. The simulated results of indicators were implemented into the objective system at selected points in time and in this way the level of sustainability achievement could be assessed. The approach performed in this work includes several methodologies and tools that make it unique and innovative. The developed tool-set has proven to be flexible enough, as it allows the participation of stakeholders and decision makers from various levels. Due to its flexibility this approach is transferable for other regions or fields of study dealing with sustainable energy development. The results prove that the introduced tool-set supports decision-making in the field of sustainable use of biomass for energetic purpose at regional scale, by comparing and analyzing quantitative changes of sustainability level over time. Kurzfassung In ganz Europa ist der Bedarf an unterschiedlichen Quellen für die Energiegewinnung in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Vor allem die vermehrte Nutzung von erneuerbaren Energieträgern für eine stabilere und nachhaltigere Energieversorgung hat sprunghaft zugenommen. Frühere Studien haben gezeigt, dass das höchste Energiepotential für Ungarn im Bereich der Biomasse zu finden ist. Die Verwendung von Biomasse als Energieträger implementiert jedoch auch negative Effekte, sodass eine komplexe Abschätzung für zukünftige Lösungsansätze durchgeführt werden muss. Diese Arbeit stellt die Entwicklung und Anwendung eines anpassungsfähigen Werkzeugsatz mit dynamischer Rückkopplung von regionalen Kenndaten zur Quantifizierung solcher Effekte und zur unterstützenden Entscheidungsfindung dar. Mittels einer sorgfältigen regionalen Analyse konnten Zielsetzungen zur nachhaltigen Entwicklung der untersuchten Region strukturiert ermittelt werden. Ihre relative Bedeutung wird durch Gewichtungsmethoden in Zusammenarbeit mit regionalen Interessensvertretungen definiert. Spezifische Indikatoren wurden am Grundniveau des Zielsystems abgeleitet, festgesetzt und schließlich kalibriert, um zukünftige soziale, ökonomische und umweltrelevante Bedingungen zu modellieren. Ein dynamisches Systemmodell wurde erstellt und unter der Verwendung der Software VENSIM® kalibriert. Hierzu wurden relevante regionale Prozesse, die Energieflüsse, verknüpfte Effekte und Rückkopplungen steuern, verwendet. In dem Systemmodell sind abgesicherte Daten und Indikatoren aus den Bereichen Demographie, Ökonomie, Umwelt, Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Landnutzung eingeflossen. Zusätzlich wurden empirische Szenarien von zukünftigen von Biomasse-zu-Energie-Prozessen entworfen und im Modell simuliert. Die simulierten Ergebnisse der Indikatoren wurden in das Zielsystem übertragen und für ausgewählte Zeitpunkte der Grad der Nachhaltigkeitsleistung bewertet. Es kann angenommen werden, dass die gegenwärtig betriebenen Trends in der Energieproduktion die Nachhaltigkeit mittelfristig deutlich verschlechtern. Szenarien, die eine Erhöhung der Verwendung von Biomasse für die Energieproduktion zeigen einen deutlichen Beitrag zur ökonomischen, sozialen und umwelttechnischen Entwicklung. Solche Alternativen verringern CO2-Emissionen, Erhöhen die regionale Wertschöpfung, verringern Abwanderungstendenzen der ländlichen Bevölkerung und vermindern die Abhängigkeit von importierten, großteils fossilen Energieträgern. Solche Untersuchungen, wie auch der zukünftige Betrieb von Anlagen in der Zukunft können vorgeschlagen werden und können auf einem deutlich höheren Nachhaltigkeitsgrad innerhalb des gegenwärtigen Marktes und der politischen Rahmenbedingungen bewertet werden. Der Ansatz dieser Arbeit beinhaltet mehrere Methoden und Werkzeuge, die ihn einzigartig und innovativ machen. Der entwickelte Werkzeugsatz ist flexibel genug um die Miteinbeziehung von Interessenvertretern und Entscheidungsträgern auf verschiedenen Ebenen zuzulassen. Durch diese Flexibilität lässt sich der Ansatz auch auf andere Regionen oder Studienfelder umlegen, die sich mit der Problematik der nachhaltigen Energiegewinnung beschäftigen. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die vorgestellte Methodik die Entscheidungsfindung im Bereich der nachhaltigen Verwendung von Biomasse für die Energiegewinnung auf regionaler Ebene durch Vergleich und Analyse von quantitativen Änderungen des Nachhaltigkeitsgrads über die Zeit ausgezeichnet unterstützen kann. Table of contents 1 Table of contents Table of contents...........................................................................................................................1 1. Introduction........................................................................................................................4 1.1. Problems in focus ...........................................................................................................4 1.2. Establishment of working hypothesis and objectives......................................................6