Solutions for sustainable energy systems - Analyses of district heat optimization and microalgal biorefineries

Abstract

Energy systems are in transition, as fossil fuels are phased out and variable renewable energy generation is introduced in increasing amounts into electricity networks. As the energy provision bears high environmental impacts, attention has to be paid into the sustainability of current and planned systems.This dissertation investigates prospective technologies in the short and long term. District heat optimization and microalgal biorefineries are selected as the focus areas: the former represents current systems that are still mostly based on fossil and biomass combustion, and the latter an identified technology option to replace fossil fuels in the traffic sector. Optimization and process modelling are employed in the analysis. District heat networks are investigated with optimization methods; the district heat network energy storage capabilities are addressed with economic optimization, and the inclusion of sustainability metrics in the design is evaluated with multicriteria optimization. Microalgal biofuel and bioproduct generation are investigated in integrated contexts with process modelling. The results indicate that district heat system flexibility can be increased by letting the district heat supply temperature vary within given boundaries. This will reduce heat generation costs and facilitate increased variable renewable energy integration. Sustainability metrics can be included in the district heat supply design, to direct the heat supply into a more sustainable direction at the least possible cost. The energy returns of various microalgal biofuel generation alternatives are compared with each other. Lipid extraction with algal residue utilization is identified as the likely best alternative. High-solids supercritical water gasification offers high energy returns, but the technology is still under development. A multi-product mill concept is reviewed, where lipids, fertilizer and methane are generated from waste activated sludge, ash and flue gas inputs, with microalgae cultivation in the process. This concept appears technically feasible. The results of this dissertation may be employed in a more efficient and environmentally sound district heat system design and operation.The results also increase the understanding of microalgal biofuel and bioproduct concepts and help to direct further research efforts in enhancing the production economics.

Energiajärjestelmät ovat murroksessa, kun fossiilisten polttoaineiden käyttöä vähennetään ja vaihtelevan uusiutuvan energian määrä lisääntyy sähköverkoissa. Yhteiskunnan energiahuollon ympäristövaikutukset ovat suuret, ja siksi nykyisten ja suunniteltujen järjestelmien kestävyyteen tulee kiinnittää huomiota.Väitöskirjassa tarkastellaan mahdollisia teknologiaratkaisuja lyhyellä ja pitkällä aikavälillä. Kaukolämmön tuotannon optimointi ja mikroleviin perustuvat biojalostamot on valittu väitöskirjassa tapaustutkimusten kohteeksi. Kaukolämmön tuotanto edustaa nykyjärjestelmää, joka on edelleen vahvasti sidoksissa fossiilisten ja biopolttoaineiden polttamiseen; levistä jalostetut polttoaineet on tunnistettu mahdollisuudeksi korvata fossiilisia liikennepolttoaineita uusiutuvasti. Tutkimus perustuu optimointiin ja prosessimallinnukseen. Kaukolämpöverkkoja tutkitaan erilaisilla optimointimenetelmillä: verkoston energianvarastointikykyä tutkitaan lyhyen aikavälin taloudellisella optimoinnilla, kun taas kestävyyskriteerien sisällyttämistä verkon lämpölaitosten rakentamispäätöksiin tutkitaan monimuuttujaoptimoinnilla. Mikroleviin perustuvia integroituja polttoaineiden ja biotuotteiden tuotantolaitoksia tutkitaan prosessimallinnuksen avulla. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että kaukolämmön tuotannon joustavuutta voidaan lisätä antamalla verkoston syöttöveden lämpötilan vaihdella vapaasti annettujen parametrien rajoissa. Joustavuuden hyödyntäminen alentaa lämmöntuotantokustannuksia ja mahdollistaa vaihtevien energiantuotantomuotojen integrointia järjestelmään enenevässä määrin. Väitöskirjassa osoitetaan, että kestävän kehityksen mittareita voidaan sisällyttää kaukolämpöverkoston suunnitteluun monimuuttujaoptimoinnin menetelmiä käyttämällä. Näin tekemällä on mahdollista parantaa järjestelmän kestävyttä alhaisimmin mahdollisin kustannuksin. Tutkimuksessa vertaillaan erilaisia mikroleviin perustuvia polttoaineiden tuotantoketjuja perustuen ketjujen energiansaantoihin. Levien rasvahappojen erotus ja rasvahapoista erotetun biomassan jatkokäyttö tunnistetaan mahdollisesti parhaaksi vaihtoehdoksi. Ylikriittisessä vedessä kaasuttaminen korkean kuiva-ainepitoisuuden vallitessa tuottaa parhaimman energiansaannon, mutta tekniikka on vielä kehitysasteella vaihtoehtoihin verrattuna. Tutkimuksen viimeisessä osassa tarkastellaan integroitua leväbiojalostamoa, jossa rasvahappoja, lannoitetta ja metaania tuotetaan jätelietettä, tuhkaa ja savukaasuja hyödyntämällä. Tämä tuotantokonsepti näyttäytyy teknisesti mahdollisena.Väitöskirjan tuloksia voi käyttää aiempaa tehokkaampien ja ympäristölle kestävämpien kaukolämpöjärjestelmien suunnittelussa ja ajossa. Tulokset myös lisäävät ymmärrystä mikroleviin perustuvista biopolttoaine- ja biotuotekonsepteista ja auttavat kohdentamaan tutkimusta tuotannon taloudellisuuden parantamiseksi.