• Energy Research

Abstract Based on share of energy, materials, resources and information, Eco Industrial Park (EIP) has become a popular form of industry cluster. Waste Heat Recovery (WHR) in EIP can significantly increase the total energy efficiency of the whole park, meanwhile reducing its greenhouse gas emission. The current paper proposes a methodology to assess the opportunities of WHR in EIP at park level. Four different steps are included in this methodology. The first step is identification of waste heat source plants and sink plants in EIP; the second step is the establishment of the waste heat transportation system; the third step is a Single-Objective Optimization Problem (SOOP); the fourth step is Multi-Objective Optimization Problem (MOOP). An EIP on Jurong Island Singapore comprising of five plants and two communities is used as a case study to demonstrate the capability of this methodology. Two different operation modes for the EIP are considered: with continuous waste heat and with discontinuous waste heat over time. The first scenario shows that SOOP and MOOP will deliver different WHR networks; the second scenario shows that waste heat discontinuity has great influence on the optimization of the WHR network.

Abstract Based on share of energy, materials, resources and information, Eco Industrial Park (EIP) has become a popular form of industry cluster. Waste Heat Recovery (WHR) in EIP can significantly increase the total energy efficiency of the whole park, meanwhile reducing its greenhouse gas emission. The current paper proposes a methodology to assess the opportunities of WHR in EIP at park level. Four different steps are included in this methodology. The first step is identification of waste heat source plants and sink plants in EIP; the second step is the establishment of the waste heat transportation system; the third step is a Single-Objective Optimization Problem (SOOP); the fourth step is Multi-Objective Optimization Problem (MOOP). An EIP on Jurong Island Singapore comprising of five plants and two communities is used as a case study to demonstrate the capability of this methodology. Two different operation modes for the EIP are considered: with continuous waste heat and with discontinuous waste heat over time. The first scenario shows that SOOP and MOOP will deliver different WHR networks; the second scenario shows that waste heat discontinuity has great influence on the optimization of the WHR network.

Abstract Energy recovery solutions reduce considerably the carbon footprint of Water Supply Systems (WSSs), which accounts for a large share of the energy demand in urban areas. The evaluation of the potential saving requires the availability of water flow rate and net head values in WSSs pipelines; however, this task is not always achievable since flow meters are costly and not installed in all the pipelines. In this paper, a novel methodology to predict the yearly average flow rate in gravity adduction pipelines is presented and validated using measured data coming from a WSS in Italy. A methodology already developed by some of the authors of this work was used to select Pump-as-Turbines (PaTs) and evaluate their Best Efficiency Point (BEP) to maximize the energy recovery. Two different installation layouts were investigated, namely one PaT and two PaTs in parallel, to be installed in the selected branches. The first one showed the best economic profitability, leading to a saving of 1325 €/year and a PayBack Period (PBP) of 11 years. The branch with the highest energy recovery potential led to a saving of 4915 €/year and a PBP of 6 years. Energy Efficiency Certificates (ECCs) were considered, highlighting their pivotal role to lower PBPs.

Abstract Energy recovery solutions reduce considerably the carbon footprint of Water Supply Systems (WSSs), which accounts for a large share of the energy demand in urban areas. The evaluation of the potential saving requires the availability of water flow rate and net head values in WSSs pipelines; however, this task is not always achievable since flow meters are costly and not installed in all the pipelines. In this paper, a novel methodology to predict the yearly average flow rate in gravity adduction pipelines is presented and validated using measured data coming from a WSS in Italy. A methodology already developed by some of the authors of this work was used to select Pump-as-Turbines (PaTs) and evaluate their Best Efficiency Point (BEP) to maximize the energy recovery. Two different installation layouts were investigated, namely one PaT and two PaTs in parallel, to be installed in the selected branches. The first one showed the best economic profitability, leading to a saving of 1325 €/year and a PayBack Period (PBP) of 11 years. The branch with the highest energy recovery potential led to a saving of 4915 €/year and a PBP of 6 years. Energy Efficiency Certificates (ECCs) were considered, highlighting their pivotal role to lower PBPs.

Abstract Low order grey-box models are suitable to be used in predictive controls. In real buildings in which the measured quantities are few the reliability of these models is crucial for the control performance. In this paper an identification procedure is analyzed to investigate the accuracy of different order grey-box models for short-term thermal behavior prediction in a real building, part of a living smart district. The building has a low number of zones and a single indoor temperature measuring point. The models are identified on the data acquired in 31 days during the winter 2015. The second order model shows the best performance with a root-mean-square error (RMSE) less than 0.5°C for a prediction horizon of 1-hour and a RMSE less than 1 °C for a prediction horizon of 3-hours.

Abstract Low order grey-box models are suitable to be used in predictive controls. In real buildings in which the measured quantities are few the reliability of these models is crucial for the control performance. In this paper an identification procedure is analyzed to investigate the accuracy of different order grey-box models for short-term thermal behavior prediction in a real building, part of a living smart district. The building has a low number of zones and a single indoor temperature measuring point. The models are identified on the data acquired in 31 days during the winter 2015. The second order model shows the best performance with a root-mean-square error (RMSE) less than 0.5°C for a prediction horizon of 1-hour and a RMSE less than 1 °C for a prediction horizon of 3-hours.

La bioéconomie, en tant que pilier stratégique clé de l'innovation, soutient la transition énergétique et implique l'évaluation des ressources en biomasse et son application. La biomasse a un énorme potentiel pour répondre à la demande intérieure d'énergie au Brésil. Par conséquent, cette étude vise à quantifier le potentiel théorique, technique et technico-économique des résidus agricoles et forestiers pour produire de l'électricité via des processus thermochimiques au Brésil pour la période 2018–2050. L'analyse a été réalisée via une approche intégrée, selon les rapports statistiques et les données de la littérature. Les technologies de conversion pour l'estimation du potentiel technique comprennent le cycle de rankine organique, la combustion avec cycle de rankine conventionnel et la gazéification avec un moteur à combustion interne. Les résultats ont montré que le potentiel théorique du Brésil est de 7 185,39 PJ et 16 708,12 PJ en 2018 et 2050. Le potentiel technique en 2018 est de 1795,16 PJ, générant 71 236,47 MWe, tandis que le potentiel en 2050 est projeté à 5771,49,4 PJ fournissant 229 027,31 MWe. Les principales restrictions sont la distribution dispersée de la biomasse sur une grande surface, les coûts d'approvisionnement et les faibles rendements pour la conversion de l'énergie. Par conséquent, le potentiel technico-économique est d'environ 19 704,01 MWe et 63 348,95 MWe pour 2018 et 2050. La région du nord a le potentiel de production d'électricité le plus faible, tandis que la région du sud-est occupe une position de premier plan pour produire de l'électricité principalement à partir de résidus de canne à sucre. Les coûts nivelés des valeurs de l'électricité ont varié de 10,532 à 15,507 US$ / MWh pour 2018 et de 7,320 à 13,002 US$ / MWh pour 2050, ce qui a été fortement influencé par le prix de la biomasse. Les résultats de cette étude peuvent soutenir l'élaboration de politiques en vue de la planification future de la bioénergie brésilienne. La bioeconomía, como pilar estratégico clave de la innovación, apoya la transición energética e implica la evaluación de los recursos de biomasa y su aplicación. La biomasa tiene un enorme potencial para satisfacer la demanda interna de energía en Brasil. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo cuantificar el potencial teórico, técnico y tecnoeconómico de los residuos agrícolas y forestales para generar electricidad a través de procesos termoquímicos en Brasil para el período 2018–2050. El análisis se llevó a cabo a través de un enfoque integrado, de acuerdo con los informes estadísticos y los datos de la literatura. Las tecnologías de conversión para la estimación del potencial técnico consisten en ciclo de Rankine orgánico, combustión con ciclo de Rankine convencional y gasificación con un motor de combustión interna. Los resultados mostraron que el potencial teórico de Brasil es de 7185.39 PJ y 16,708.12 PJ en 2018 y 2050. El potencial técnico en 2018 es de 1795.16 PJ, generando 71,236.47 MWe, mientras que el potencial en 2050 se proyecta en 5771.49.4 PJ proporcionando 229,027.31 MWe. Las principales restricciones son la distribución dispersa de biomasa en un área grande, los costos de suministro y las bajas eficiencias para la conversión de energía. Por lo tanto, el potencial tecnoeconómico es de alrededor de 19.704,01 MWe y 63.348,95 MWe para 2018 y 2050. La región norte tiene el potencial de generación de electricidad más bajo, mientras que la región sureste ocupa una posición destacada para generar electricidad principalmente a partir de residuos de caña de azúcar. Los costos nivelados de los valores de electricidad variaron de 10.532 a 15.507 US$/MWh para 2018 y de 7.320 a 13.002 US$/MWh para 2050, lo que estuvo muy influenciado por el precio de la biomasa. Los resultados de este estudio pueden apoyar la formulación de políticas hacia la planificación futura de la bioenergía brasileña. Bioeconomy, as a key strategic innovation pillar, supports energy transition and involves biomass resource assessment and its application. Biomass has an enormous potential to fulfil the domestic energy demand in Brazil. Hence, this study aims to quantify the theoretical, technical and techno-economic potential of agricultural and forestry residues to generate electricity via thermochemical processes in Brazil for the 2018–2050 timeframe. The analysis was carried out via an integrated approach, according to statistical reports and literature data. Conversion technologies for the estimation of technical potential consist of organic rankine cycle, combustion with conventional rankine cycle and gasification with an internal combustion engine. The results showed that Brazil's theoretical potential is 7185.39 PJ and 16,708.12 PJ in 2018 and 2050. The technical potential in 2018 is 1795.16 PJ, generating 71,236.47 MWe, while the potential in 2050 is projected as 5771.49.4 PJ providing 229,027.31 MWe. The main restrictions are dispersed distribution of biomass over a large area, supply costs, and low efficiencies for energy conversion. Therefore, the techno-economic potential is around 19,704.01 MWe and 63,348.95 MWe for 2018 and 2050. The north region has the lowest electricity generation potential, while the southeast region takes a prominent position to generate electricity mainly from sugarcane residues. Levelized costs of electricity values varied from 10.532 to 15.507 US$/MWh for 2018 and from 7.320 to 13.002 US$/MWh for 2050, which highly influenced by the biomass price. The results of this study can support policy-making towards future planning on Brazilian bioenergy. يدعم الاقتصاد الحيوي، باعتباره ركيزة ابتكار استراتيجية رئيسية، انتقال الطاقة وينطوي على تقييم موارد الكتلة الحيوية وتطبيقها. تتمتع الكتلة الحيوية بإمكانات هائلة لتلبية الطلب المحلي على الطاقة في البرازيل. وبالتالي، تهدف هذه الدراسة إلى تحديد الإمكانات النظرية والتقنية والتقنية والاقتصادية للمخلفات الزراعية والحرجية لتوليد الكهرباء عبر العمليات الكيميائية الحرارية في البرازيل للإطار الزمني 2018-2050. تم إجراء التحليل من خلال نهج متكامل، وفقًا للتقارير الإحصائية وبيانات الأدبيات. تتكون تقنيات التحويل لتقدير الإمكانات التقنية من دورة رانكين العضوية، والاحتراق مع دورة رانكين التقليدية والتغويز بمحرك احتراق داخلي. أظهرت النتائج أن الإمكانات النظرية للبرازيل هي 7185.39 بيكو جول و 16708.12 بيكو جول في عامي 2018 و 2050. تبلغ الإمكانات الفنية في عام 2018 1795.16 بيكو جول، مما يولد 71,236.47 ميجا وات، في حين من المتوقع أن تبلغ الإمكانات في عام 2050 5771.49.4 بيكو جول مما يوفر 229,027.31 ميجا وات. تتمثل القيود الرئيسية في التوزيع المشتت للكتلة الحيوية على مساحة كبيرة، وتكاليف الإمداد، والكفاءات المنخفضة لتحويل الطاقة. لذلك، تبلغ الإمكانات التقنية والاقتصادية حوالي 19,704.01 ميجاوات و 63,348.95 ميجاوات لعامي 2018 و 2050. تتمتع المنطقة الشمالية بأقل إمكانات لتوليد الكهرباء، بينما تحتل المنطقة الجنوبية الشرقية مكانة بارزة لتوليد الكهرباء بشكل رئيسي من مخلفات قصب السكر. تفاوتت التكاليف المستوية لقيم الكهرباء من 10.532 إلى 15.507 دولار أمريكي/ميجاوات ساعة لعام 2018 ومن 7.320 إلى 13.002 دولار أمريكي/ميجاوات ساعة لعام 2050، والتي تأثرت بشكل كبير بسعر الكتلة الحيوية. يمكن لنتائج هذه الدراسة أن تدعم صنع السياسات نحو التخطيط المستقبلي للطاقة الحيوية البرازيلية.

La bioéconomie, en tant que pilier stratégique clé de l'innovation, soutient la transition énergétique et implique l'évaluation des ressources en biomasse et son application. La biomasse a un énorme potentiel pour répondre à la demande intérieure d'énergie au Brésil. Par conséquent, cette étude vise à quantifier le potentiel théorique, technique et technico-économique des résidus agricoles et forestiers pour produire de l'électricité via des processus thermochimiques au Brésil pour la période 2018–2050. L'analyse a été réalisée via une approche intégrée, selon les rapports statistiques et les données de la littérature. Les technologies de conversion pour l'estimation du potentiel technique comprennent le cycle de rankine organique, la combustion avec cycle de rankine conventionnel et la gazéification avec un moteur à combustion interne. Les résultats ont montré que le potentiel théorique du Brésil est de 7 185,39 PJ et 16 708,12 PJ en 2018 et 2050. Le potentiel technique en 2018 est de 1795,16 PJ, générant 71 236,47 MWe, tandis que le potentiel en 2050 est projeté à 5771,49,4 PJ fournissant 229 027,31 MWe. Les principales restrictions sont la distribution dispersée de la biomasse sur une grande surface, les coûts d'approvisionnement et les faibles rendements pour la conversion de l'énergie. Par conséquent, le potentiel technico-économique est d'environ 19 704,01 MWe et 63 348,95 MWe pour 2018 et 2050. La région du nord a le potentiel de production d'électricité le plus faible, tandis que la région du sud-est occupe une position de premier plan pour produire de l'électricité principalement à partir de résidus de canne à sucre. Les coûts nivelés des valeurs de l'électricité ont varié de 10,532 à 15,507 US$ / MWh pour 2018 et de 7,320 à 13,002 US$ / MWh pour 2050, ce qui a été fortement influencé par le prix de la biomasse. Les résultats de cette étude peuvent soutenir l'élaboration de politiques en vue de la planification future de la bioénergie brésilienne. La bioeconomía, como pilar estratégico clave de la innovación, apoya la transición energética e implica la evaluación de los recursos de biomasa y su aplicación. La biomasa tiene un enorme potencial para satisfacer la demanda interna de energía en Brasil. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo cuantificar el potencial teórico, técnico y tecnoeconómico de los residuos agrícolas y forestales para generar electricidad a través de procesos termoquímicos en Brasil para el período 2018–2050. El análisis se llevó a cabo a través de un enfoque integrado, de acuerdo con los informes estadísticos y los datos de la literatura. Las tecnologías de conversión para la estimación del potencial técnico consisten en ciclo de Rankine orgánico, combustión con ciclo de Rankine convencional y gasificación con un motor de combustión interna. Los resultados mostraron que el potencial teórico de Brasil es de 7185.39 PJ y 16,708.12 PJ en 2018 y 2050. El potencial técnico en 2018 es de 1795.16 PJ, generando 71,236.47 MWe, mientras que el potencial en 2050 se proyecta en 5771.49.4 PJ proporcionando 229,027.31 MWe. Las principales restricciones son la distribución dispersa de biomasa en un área grande, los costos de suministro y las bajas eficiencias para la conversión de energía. Por lo tanto, el potencial tecnoeconómico es de alrededor de 19.704,01 MWe y 63.348,95 MWe para 2018 y 2050. La región norte tiene el potencial de generación de electricidad más bajo, mientras que la región sureste ocupa una posición destacada para generar electricidad principalmente a partir de residuos de caña de azúcar. Los costos nivelados de los valores de electricidad variaron de 10.532 a 15.507 US$/MWh para 2018 y de 7.320 a 13.002 US$/MWh para 2050, lo que estuvo muy influenciado por el precio de la biomasa. Los resultados de este estudio pueden apoyar la formulación de políticas hacia la planificación futura de la bioenergía brasileña. Bioeconomy, as a key strategic innovation pillar, supports energy transition and involves biomass resource assessment and its application. Biomass has an enormous potential to fulfil the domestic energy demand in Brazil. Hence, this study aims to quantify the theoretical, technical and techno-economic potential of agricultural and forestry residues to generate electricity via thermochemical processes in Brazil for the 2018–2050 timeframe. The analysis was carried out via an integrated approach, according to statistical reports and literature data. Conversion technologies for the estimation of technical potential consist of organic rankine cycle, combustion with conventional rankine cycle and gasification with an internal combustion engine. The results showed that Brazil's theoretical potential is 7185.39 PJ and 16,708.12 PJ in 2018 and 2050. The technical potential in 2018 is 1795.16 PJ, generating 71,236.47 MWe, while the potential in 2050 is projected as 5771.49.4 PJ providing 229,027.31 MWe. The main restrictions are dispersed distribution of biomass over a large area, supply costs, and low efficiencies for energy conversion. Therefore, the techno-economic potential is around 19,704.01 MWe and 63,348.95 MWe for 2018 and 2050. The north region has the lowest electricity generation potential, while the southeast region takes a prominent position to generate electricity mainly from sugarcane residues. Levelized costs of electricity values varied from 10.532 to 15.507 US$/MWh for 2018 and from 7.320 to 13.002 US$/MWh for 2050, which highly influenced by the biomass price. The results of this study can support policy-making towards future planning on Brazilian bioenergy. يدعم الاقتصاد الحيوي، باعتباره ركيزة ابتكار استراتيجية رئيسية، انتقال الطاقة وينطوي على تقييم موارد الكتلة الحيوية وتطبيقها. تتمتع الكتلة الحيوية بإمكانات هائلة لتلبية الطلب المحلي على الطاقة في البرازيل. وبالتالي، تهدف هذه الدراسة إلى تحديد الإمكانات النظرية والتقنية والتقنية والاقتصادية للمخلفات الزراعية والحرجية لتوليد الكهرباء عبر العمليات الكيميائية الحرارية في البرازيل للإطار الزمني 2018-2050. تم إجراء التحليل من خلال نهج متكامل، وفقًا للتقارير الإحصائية وبيانات الأدبيات. تتكون تقنيات التحويل لتقدير الإمكانات التقنية من دورة رانكين العضوية، والاحتراق مع دورة رانكين التقليدية والتغويز بمحرك احتراق داخلي. أظهرت النتائج أن الإمكانات النظرية للبرازيل هي 7185.39 بيكو جول و 16708.12 بيكو جول في عامي 2018 و 2050. تبلغ الإمكانات الفنية في عام 2018 1795.16 بيكو جول، مما يولد 71,236.47 ميجا وات، في حين من المتوقع أن تبلغ الإمكانات في عام 2050 5771.49.4 بيكو جول مما يوفر 229,027.31 ميجا وات. تتمثل القيود الرئيسية في التوزيع المشتت للكتلة الحيوية على مساحة كبيرة، وتكاليف الإمداد، والكفاءات المنخفضة لتحويل الطاقة. لذلك، تبلغ الإمكانات التقنية والاقتصادية حوالي 19,704.01 ميجاوات و 63,348.95 ميجاوات لعامي 2018 و 2050. تتمتع المنطقة الشمالية بأقل إمكانات لتوليد الكهرباء، بينما تحتل المنطقة الجنوبية الشرقية مكانة بارزة لتوليد الكهرباء بشكل رئيسي من مخلفات قصب السكر. تفاوتت التكاليف المستوية لقيم الكهرباء من 10.532 إلى 15.507 دولار أمريكي/ميجاوات ساعة لعام 2018 ومن 7.320 إلى 13.002 دولار أمريكي/ميجاوات ساعة لعام 2050، والتي تأثرت بشكل كبير بسعر الكتلة الحيوية. يمكن لنتائج هذه الدراسة أن تدعم صنع السياسات نحو التخطيط المستقبلي للطاقة الحيوية البرازيلية.