ECONOMIC OPTIMIZATION for HEAT & ENERGY PRODUCTION USING RENEWABLE ENERGY from LOCAL RESOURCES Master's Thesis ARIADNI
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
ECONOMIC OPTIMIZATION FOR HEAT & ENERGY PRODUCTION USING RENEWABLE ENERGY FROM LOCAL RESOURCES Master’s Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the academic degree ‘Master of Science’ at the University of Graz for the ‘Erasmus Mundus Master's Programme in Industrial Ecology’ by ARIADNI GEMENETZI at the Institute Graz University of Technology Supervisor: Ao. Univ.-Prof. Dipl.–Ing. Dr techn. Michael Narodoslawsky Graz, 2013 A.G. Gemenetzi i Topic Economic optimization for heat and energy production using renewable energy from local resources Supervisor Ao. Univ.-Prof. Dipl.–Ing. Dr techn. Michael Narodoslawsky Graz University of Technology, Institute of Process and Particle Engineering Author Ariadni Gemenetzi, Diploma Engineer Graduate student of the Erasmus Mundus Program in Industrial Ecology Appointed Degree Double Master of Science degree Student Nr: 1214904 With the kind support of Energieregion Weiz-Gleisdorf and Energie Steiermark. Master Thesis Supervisor Ao. Univ.-Prof. Dipl.–Ing. Dr techn. Michael Narodoslawsky Graz, July 2013 A.G. Gemenetzi iii Declaration I hereby declare that this submission is my own work and that, to the best of my knowledge and belief, it contains no material previously published or written by another person nor material which to a substantial extent has been accepted for the award of any other degree or diploma of the university or other institute of higher learning, except where due acknowledgment has been made in the text. Graz, July 2013 Ariadni Gemenetzi A.G. Gemenetzi iv Abstract The current master thesis is conducted within the framework of ‘iEnergy Weiz-Gleisdorf 2.0’, which is part of the long term energy goal of Styria; to become CO2 neutral until 2050. Although anaerobic digestion is commonly used for waste management, its use for biogas production has increased over the last decades, as a local response to the pursuit of energy autonomy and economic stimulus. Thus the objective of this work is to assess the feasibility of creating an industrial complex that would deliver: 1) biogas production using locally acquired manure, meadow grass, farmland grass and municipal waste, and 2) electricity and heat production using biogas fueled technologies and biomass gasifiers. Three locations, within the area of ‘Weiz-Gleisdorf’ have been investigated as potentially situating the investigated technologies. Moreover, ELIN was also considered for biogas and/or high temperature heat provision in order to cover its heat demand, which is currently covered by a natural gas-fired boiler. Thus an energy system has been designed, which is limited by certain system boundaries. The optimization tool used for assessing the optimal solution of the designed energy system is called Process Network Synthesis and is based on the P-graph methodology. The PNS tool was also used to carry out 22 different scenarios, responding to potential resource, energy, financial and geographical limitations. The main results exhibit that biogas production appears to be economically viable, having an average gross profit of ~224,000 €·y-1. Anaerobic digesters appear to all three locations, but more prominently at Location 1 (Thannhausen North) and Location 2 (Thannhausen South). Biomass gasification favors wood chips’ use over biomass from short rotation and miscanthus chips and appears also at Location 1 and Location 2 and very rarely at Location 3 (Mortantsch). No resource shortage appears to be imminent, except for municipal waste. Moreover, it appears to be economically optimal to combust biogas for energy and heat production, rather than to inject it in the distribution grid. Thus the main revenue derives from electricity and heat generation, and more rarely from the sales of upgraded biogas. Consequently, the respective tariffs will have a great influence on the future of similar projects. Furthermore, two district heat lines -1 (2,500 MWhth·y ) from Location 1 to Thannhausen and Location 2 to Krottendorf have resulted as economically optimal, whilst considerable amounts of heat are dissipated into the environment. Consequently, heat utilization is anticipated to become a great debate among actors. Overall it can be concluded that biogas production from local resources is feasible, but doesn’t appear to be cost effective. Thus, the interplay of various stakeholders and their ambitions will be decisive regarding the future implementation of the current and similar projects. A.G. Gemenetzi v Zusammenfassung Die aktuelle Masterarbeit wird im Rahmen des Projekts ‘Weiz-Gleisdorf iEnergy 2.0', als Teil der langfristigen Energiestrategie der Steiermark durchgeführt; CO2-neutral bis zum Jahr 2050 zu werden. Obwohl anaerobe Vergärung häufig für die Abfallwirtschaft verwendet wird, hat der Einsatz für die Biogasproduktion, wegen der lokalen Reaktion auf die Verfolgung der Energieautonomie und Ökonomie Verbessererung, in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Ziel dieser Arbeit ist die Durchführung: 1) der Biogasproduktion von lokal erworbenen, Gülle, Wiesen-, Ackergras und Kommunalsabfälle und 2) der Strom-und Wärmeerzeugung mit Biogas betriebenen Technologien und Biomassevergaser, zu untersuchen. Drei Standorte wurden im Bereich der ‘Weiz-Gleisdorf als potenzielle Situierung der untersuchten Technologien ernannt. Darüber hinaus wurde auch ELIN für Biogas- und/oder Hochtemperaturwärmebereitstellung berücksichtigt, um seinen Wärmebedarf zu decken, der derzeit von einem Erdgas-Heizkessel garantiert wird. Somit ist ein Energie-System entwickelt, das durch bestimmte Systemgrenzen begrenzt ist. Das verwendete Optiemierungswerkzeug heisst Prozess-Netzwerk-Synthese, und ist auf der P-Graph Methodik basiert. Die PNS wurde auch verwendet, um 22 verschiedene Szenarien durchzuführen, die Ressourcen, energetisch, finanziel und geographisch begrentzt sind. Es scheint, dass Biogasproduktion, mit einer durchschnittlichen Bruttogewinn von ~ 224,000 €·y-1 realisirbar ist. Biogasanlagen erscheinen auf allen drei Standorten, aber mehr prominent auf Standort 1 (Thannhausen Nord) und Standort 2 (Thannhausen Süd). Biomassvergasung favorisiert die Verwendung von Holzhackschnitzel über Kurzumtrieb- und Miscanthushackschnitzel und erscheint auch bei Standort 1 und Standort 2, aber sehr selten auf Standort 3 (Mortantsch). Es gibt keine Ressourcenknappheit, mit Ausnahme von Kommunalabfälle. Darüber hinaus erscheint es wirtschaftlich optimal Biogas für Energie-und Wärmeerzeugung zu verbrennen, anstatt sie einzuspeisen. Somit, ergeben sich die wichtigsten Einnahmen aus Strom-und Wärmeerzeugung und selterner aus dem Verkauf des gereinigten Biogas. Folglich, werden die entsprechenden Tarife einen großen Einfluss auf die Zukunft von ähnlichen Projekten haben. -1 Außerdem, wurden zwei Fernwärme-Leitungen (2.500 MWhth y ), von Standort 1 zu Thannhausen und Standort 2 zu Krottendorf, optimal beurteilt, während große Wärmemenge auf die Umgebung abgegeben wird. Folglich, wird erwartet, dass Wärmeabgabe, eine große Debatte zwischen den Aktoren sein wird. Insgesamt kann gefolgert werden, dass die Biogasproduktion aus lokalen Ressourcen realisirbar, aber nicht kosteneffektiv, ist. Also, wird das Zusammenspiel der verschiedenen Akteure und ihre Ambitionen entscheidend sein, in Bezug auf die künftige Umsetzung dieser und ähnlicher Projekten. A.G. Gemenetzi vi Acknowledgements I would like to express my appreciation to the whole ‘Naro-team’ for the warm welcome and the pleasant working atmosphere. First of all, I thank Dr Narodoslawsky for accepting my thesis placement request and for providing his precious insight throughout this work. I am also grateful to Michael Eder, who introduced me to the topic, as well as to Nora Niemetz, who provided valuable feedback, regarding the Process Network Synthesis structure. Additionally, I wish to acknowledge the contribution of Dr Iris Absenger-Helmli (Energieregion) and Christian Orthofer (Energie Steiermark) toward the development of the investigated project and consequently of this work. Moreover, I offer my special thanks to Stephan Maier for his ceaseless support throughout this thesis. I thank the Erasmus Mundus Program 2009-2013 for granting me a scholarship and thus giving me the opportunity to participate in the MIND Program. Last but not least I thank my mom, dad, my sister Rika and her boyfriend Kostas for their support throughout this 2 years long journey. A.G. Gemenetzi vii Table of Contents 1. INTRODUCTION ............................................................................................................................................... 1 2. BACKGROUND ................................................................................................................................................. 2 2.1 SUSTAINABLE DEVELOPMENT ...................................................................................................................................... 2 2.1.1 People .......................................................................................................................................................... 4 2.1.2 Planet ........................................................................................................................................................... 5 2.1.3. Profit ........................................................................................................................................................... 5 2.2 ENERGY DEMAND AND AVAILABILITY ............................................................................................................................