Technologies and solutions for ecocity's energy supply
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2010
Department
Major/Subject
Energiatalous ja voimalaitostekniikka
Mcode
Ene-59
Degree programme
Language
en
Pages
118 s. + liitt. 5
Series
Abstract
This master's thesis presents a model and emissions calculations for the energy system of an ecocity. The system consists of energy producers and consumers as well as energy transmission and distribution. It has to provide efficient, adequate, and reliable energy supply in addition to being environmentally sustainable. Sustainability can be achieved by maximizing the energy efficiency and the share of renewable energy production as well as minimizing the energy consumption. All aspects of the energy system need to be tightly integrated, as a holistic energy system operates more efficiently, economically and ecologically. The whole system, including both electricity and thermal energy, is managed and optimized in real time with ICT solutions. The energy system is based on distributed energy production from renewable energy sources (mainly solar, wind and waste-to-energy), integrated district heating and cooling, and optimizations. The principles of cogeneration and trigeneration are used to increase profitability and energy efficiency. The thesis also includes a case study of an energy system of a Chinese city neighbourhood with 100.000 residents living in an area of 5 square kilometres. The study compares possibilities to reduce energy consumption and emissions for the whole life cycle of the energy system in four scenarios: firstly the base case representing the current situation, secondly the base case with CHP technology, thirdly the traditional ecocity model, and finally a high tech ecocity model with integrated ICT. In each case the emissions from the energy supply system during its entire life cycle are calculated with GEMIS software. The study finds a remarkable potential of reducing energy consumption in a typical Chinese city. Compared to the base case, the ecocity model shows a 40% reduction of electricity consumption and the high tech model 54% reduction. The energy consumption in heating and cooling systems can also be reduced significantly. Many potential targets for improving energy efficiency are recognized. Decreasing the energy consumption also directly cuts the emission rates. By replacing small coal boilers with a coal fired CHP plant and a distinct heating grid, the CO<sub>2</sub> -equivalent emissions would be reduced by 16% compared to the base case. In the ecocity scenario, natural gas fired CHP technology gives 79% and CO<sub>2</sub> -free energy production 97% reduction of CO<sub>2</sub> -equivalent emissions. The ICT solutions in the high tech scenario give even further improvements; natural gas fired trigeneration achieves the CO<sub>2</sub> -equivaient reduction of 83% and CO<sub>2</sub> -free energy production the reduction of 98%. Other emissions follow this trend. Hence, the emissions from a Chinese city could he significantly reduced through the integration of more efficient technology. The results of the case study are scalable by the size of the population, and the ecocity and high tech solutions are well applicable to other projects, cities and targets. The reliability of the study is also confirmed by showing a correspondence to other information sources.Diplomityössä tutkitaan ekokaupunkien energiajärjestelmiä, jotka kattavat sekä energian tuotannon, siirron ja kulutuksen. Ekokaupungin energiajärjestelmän on taattava tehokas, riittävä ja luotettava energian toimitus kuluttajille. Lisäksi järjestelmän on oltava ympäristöystävällinen. Tämä saavutetaan parantamalla energiatehokkuutta, suosimalla uusiutuvaa energiaa ja vähentämällä energian kulutusta. Ekokaupungin energiajärjestelmä on suunniteltava kokonaisuutena, ottaen huomioon sekä energian tuotannon, siirron että kulutuksen. Kokonaisvaltainen järjestelmä toimii tehokkaammin, taloudellisemmin ja ympäristöystävällisemmin. Koko energiajärjestelmää, sekä sähkö- että lämpöenergiaverkkoja, ohjataan ja optimoidaan reaaliaikaisesti ICT ratkaisujen avulla. Energiajärjestelmä perustuu hajautettuun energian tuotantoon uusiutuvista energian lähteistä (lähinnä aurinkopaneeleilla, tuulivoimalla ja jätteiden energiakäytöllä), integroituun kaukolämpö- ja kaukokylmäjärjestelmään sekä kokonaisvaltaiseen järjestelmän optimointiin. Yhdistettyä sähkön, lämmön ja kylmän tuotantoa hyödynnetään kaikissa niissä teknologioissa, joissa se on kannattavaa, taloudellista ja energiatehokasta. Diplomityössä on myös mallinnettu energiajärjestelmä tyypilliselle kiinalaiselle kaupunginosalle, jossa asuu 100 000 asukasta 5 neliökilometrin alueella. Mallinnuksen tarkoituksena on arvioida mahdollisia vähentää energian kulutusta sekä päästöjä koko elinkaaren ajalta. Energiajärjestelmää on tutkittu neljässä erilaisessa skenaariossa: nykyisessä tilanteessa, CHP teknologialla parannetussa nykyisessä tilanteessa, ekokaupungissa ja high tech ekokaupungissa. Energian tuotanto ja kulutus on laskettu jokaisessa skenaariossa erikseen. Sen jälkeen jokaisen skenaarion päästöt koko elinkaaren ajalta on laskettu GEMIS -ohjelmalla, ja tuloksia on vertailtu keskenään. Tyypillisen kiinalaisen kaupungin energian kulutuksesta löydettiin monia kohtia, joissa kulutusta voidaan vähentää. Sähköä kuluu ekokaupungissa 40 prosenttia vähemmän kuin perinteisessä kaupungissa, ja high tech ekokaupungissa peräti 54 prosenttia vähemmän. Lämmitys ja jäähdytysenergian kulutusta voidaan myös vähentää merkittävästi. Tutkimuksessa myös löydettiin monia kohteita, joiden energiatehokkuutta pystytään parantamaan. Kun energian kulutusta saadaan pienennettyä, myös päästöt vähenevät. Kaupunkiskenaariota tarkasteltaessa ilmeni, että tyypillisen kiinalaisen kaupungin päästöjä voidaan vähentää merkittävästi. Jo pelkästään vaihtamalla pienet hiilikattilat suurempaan, hiiltä käyttävään CHP laitokseen, CO<sub>2</sub> -ekvivalenttipäästöt vähenisivät 16 prosenttia. Ekokaupunkiskenaariossa puolestaan voitaisiin päästä 79 % pienempiin CO<sub>2</sub> -ekvivalenttipäästöihin maakaasua hyödyntävällä yhdistetyllä lämmön, kylmän ja sähkön tuotannolla. Jos ekokaupungin energia tuotettaisiin hiilidioksidivapailla teknologioilla, päästöt vähenisivät jopa 97 % nykyisestä tilanteesta. High tech ekokaupungin järjestelmää pystyttäisiin yhä entisestään parantamaan ICT ratkaisujen avulla. Jos energia tässä skenaariossa pohjautuisi maakaasulla toimivaan kolmituotantolaitokseen, päästöt vähenisivät 83 % nykytilanteesta, ja jos energia tuotettaisiin hiilidioksidivapaasti, 98 prosentin päästövähennys voitaisiin saavuttaa. Täten kiinalaisen kaupungin päästöjä voidaan vähentää merkittävästi energiatehokkaamman teknologian avulla. Case-tutkimuksen tulokset voidaan skaalata muihin kohteisiin asukasluvun mukaan. Ekokaupunki ja high tech ekokaupunki -ratkaisuja voidaan soveltaa muihin kohteisiin hyvin. Tutkimuksen luotettavuus on vahvistettu vertaamalla saatuja tuloksia aiempiin tutkimuksiin.Description
Supervisor
Ahtila, PekkaThesis advisor
Kohonen, ReijoKeywords
ecocity, ekokaupunki, smart grid, hajautettu energian tuotanto, distributed energy production, uusiutuva energia, renewable energy, kiinalainen ekokaupunki, Chinese ecocity