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

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-06-29
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
56 + app. 50
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 99/2020
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.
Description
A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of Science (Technology) to be defended, with the permission of the Aalto University School of Engineering, at a public examination held at the lecture hall K216 of the school on 29 June 2020 at 10. Zoom link https://aalto.zoom.us/j/67090451569 Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide Electronic online display version of the doctoral thesis is available by email by request from aaltodoc-diss@aalto.fi
Supervising professor
Ahtila, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Holmberg, Henrik, Dr., Aalto University, Finland
Laukkanen, Timo, Dr., Aalto University,Finland
Keywords
district heat, biorefinery, optimization, modelling, microalgae, sustainability, kaukolämpö, biojalostamo, optimointi, mallinnus, mikrolevät, kestävyys
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Mikko Kouhia, Timo Laukkanen, Henrik Holmberg, Pekka Ahtila. District heat network as a short-term energy storage. Energy, volume 177, pages 293–303, April 2019. Full textin Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304479.
    DOI: 10.1016/j.energy.2019.04.082 View at publisher
  • [Publication 2]: Mikko Kouhia, Timo Laukkanen, Henrik Holmberg, Pekka Ahtila. Evaluation of design objectives in district heating system design. Energy, volume 167, pages 369–378, January 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106227
    DOI: 10.1016/j.energy.2018.10.170 View at publisher
  • [Publication 3]: Mikko Kouhia, Henrik Holmberg, Matti Sonck, Pekka Ahtila. Energy analysis of algae-to-biofuel production chains integrated with a combined heat and power plant. International Journal of Sustainable Engineering, volume 12, no. 4, pages 281–290, November 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106356
    DOI: 10.1080/19397038.2018.1536728 View at publisher
  • [Publication 4]: Mikko Kouhia, Henrik Holmberg, Pekka Ahtila. Microalgae-utilizing biorefinery concept for pulp and paper industry: Converting secondary streams into value-added products. Algal Research, volume 10, pages 41–47, July 2015.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705315129
    DOI: 10.1016/j.algal.2015.04.001 View at publisher
  • [Errata file]: Errata of P. 2
Citation