A MEGÚJULÓ ENERGIA FORRÁSOK OPTIMÁLÁSA AZ ENERGIA ELLÁTÁSI LÁNCBA VALÓ INTEGRÁLÁSSAL

Átírás

1 A MEGÚJULÓ ENERGIA FORRÁSOK OPTIMÁLÁSA AZ ENERGIA ELLÁTÁSI LÁNCBA VALÓ INTEGRÁLÁSSAL PhD tézis Hon Loong LAM Témavezető: Prof. Dr. Jiří J. Klemeš, DSc Társ-témavezetők: Dr. Petar S. Varbanov Informatikai Tudományok Doktori Iskola Pannon Egyetem Veszprém 2011

2 1. Bevezetés A biomassza hasznosítása, mint energiaforrás, innovatív technológiák alkalmazását igényli ahhoz, hogy hatékony és gazdaságilag versenyképes legyen. A biomassza tulajdonságai, mint az alacsony energia-sűrűség, nagy fajlagos földhasználat (területre jutó egységnyi energiára) és hozzáférhetőség elosztása korlátozzák annak ellátási potenciálját. Ezen okok miatt a biomassza energia ellátási infrastruktúrájának felépítése és üzemeltetése általában drágább a hagyományos fosszilis üzemanyagokéhoz képest. Az infrastruktúra kiépítése és üzemeltetése a biomassza hosszú távú szállítására a költségek növekedéséhez vezethet. További kihívás a földhasználat és az erőforrások menedzsmentje. A biomassza nagy területet igényel a napsugárzás begyűjtésére és feldolgozására az energia begyűjtését megelőzve. A növekedő kereslet az energianövények iránt, a mezőgazdasági termelés, a településfejlesztés, valamint a földhasználat menedzsmentje kompromisszumot igényel a környezeti és társadalmi követelmények között. Nagy földterületek használata energianövények termesztésére és üzemanyaggá való finomításra az élelmiszerek árának növekedéséhez, valamint az erdők kiirtásához vezethet [1]. Ez a biológiai sokféleség csökkenéséhez vezet és konfliktust idéz elő a légköri széndioxid-mérleg és a természetes ökológiai rendszerek között [2], valamint nettó CO 2 felhalmozódást eredményez a légkörben. A gazdasági optimalizálás mellett szükségessé vált a környezetre gyakorolt hatás csökkentése a teljes életciklus során. Az ökológiai lábnyom CFP - egyike a környezetre gyakorolt hatás indikátorainak [3]. Mivel a biomassza termelési helyeinek (gazdaságok, erdők stb.) összekötése olyan ellátási hálózat kiépítését igényeli, mely földeket, begyűjtési és szállítási utakat foglal magába, a biomassza energia ellátási láncának CFP-je megnövekszik. A biomassza hozzáférhetőségének eloszlása a régiókban arra utal, hogy a közeljövőben a bioenergia ipari hálózata szükségszerűen decentralizált lesz [4]. Az optimális biomassza-ellátási lánc szintézisének módszere figyelembe kell, hogy vegye a probléma logisztikai természetét az alacsony szállítási sűrűséget és a

3 magas nedvességtartalmat. Az új egyensúlyt a környezeti és a gazdasági között kell megtalálni: a biomassza szállításának, és az ehhez tartozó energia használatnak, valamint a CFP-nek egyensúlyba kell kerülnie a nagyméretű rendszerek hatékonyságának növelése érdekében. A megoldás valószínűleg a termelési és feldolgozási központok mérsékelten decentralizált kombinációja [4]. 2. Kutatási célok A dolgozat új módszereket mutat be a regionális energia mennyiség célzott meghatározására, és az ellátási lánc szintézisére. A fő célkitűzések a következők: i. Egy új koncepció kifejlesztése, amely a tulajdonságok célzásán és vizualizáláson alapul, a megújuló energia-termelés analízis és szintézis alkalmazására egy adott régióban. ii. A helyi megújuló energiaforrások legnagyobb mértékű kihasználása egy adott régióban. iii. Döntés hozatal, ami a fenntartható regionális gazdálkodással egyértelmű. iv. Egy áttekinthető megújuló energia ellátási lánc kidolgozása. Ezek a célok az alábbi konkrét kutatási célokhoz vezetnek: i. Olyan grafikus eszközök kidolgozása, melyek lehetővé teszik a biomasszatermelés hálózatában a rétegek közötti kölcsönhatás ábrázolását. ii. Egy algoritmus létrehozása a regionális energia mennyiség célzott keresésére és klaszterezésére. iii. Egy olyan vizualizálási módszer kifejlesztése, amely lehetővé teszi a döntéshozók számára a gyors értékelést az energia- és földhasználati kompromisszum kérdéséről. iv. Kombinatorikusan hatékony eljárás kidolgozása a biomassza-termelési hálózatok szintézisére.

4 3. Tézisek Az előző fejezetekben bemutatott újszerű megközelítések és tudományos hozzájárulások alapján, melyek átfogó esettanulmányokkal lettek illusztrálva, a következő tézisek fogalmazhatók meg, melyeket három alap felfedezésbe lehet összefoglalni: 3.1 Kétszintű hierarchikus módszer kifejlesztése a regionális források és a biomassza ellátási lánc szintézisével (1 Fejezet) Ez az átfogó kutatási stratégia két szintre oszlik: a kereslet-kínálat célzott keresésére és a részletes ellátási lánc szintézisére. Az első szint, beleértve a REC lépéseit, a regionális biomassza források és fosszilis üzemanyagok használatának célzott keresése. Az RMC biztosítja a regionális erőforrásgazdálkodás stratégiáját, amely elsősorban a földterület használatának és az energia termelésének problémáit foglalja magába. A második szint, a részletes ellátási lánc szintézise, valamennyi klaszterlépésen belül egy meghatározott új P- gráf keret alkalmazásával a folyamatoptimalizálásban [5]. E módszer alapján számos új megközelítés és eszköz lett kifejlesztve. Minden fontos hozzájárulás és felfedezés a következő pontokban van kifejtve, beleértve az alkalmazásukat, eredményeiket és a kapcsolódó kiadványokat: Kapcsolódó kiadványok: J2, J4, C12, C Egy új megközelítés a Regionális Energia Klaszterezési (REC) algoritmusok kifejlesztése (2 Fejezet) E munkában a klaszter definíciója, olyan meghatározott övezetek a régión belül, amelyeket az energia átadás köti össze a helyi infrastruktúrák használatával. A javasolt klaszterezési algoritmus előnyei a következők: i. A megoldás által meghatározott terület felosztása és a probléma dekompozíciója. Ez lehetővé teszi a kezdeti probléma lebontását több problémára, amelyeknek a mérete és összetettsége kisebb, ami nagyban megkönnyíti a modellezést és a megoldást.

5 ii. A nagyobb megfontolást igénylő probléma terjedelmének és méretének csökkentésével lehetővé teszi a további részletek és pontosság hozzáadását, így növelve az ellátási hálózatok megbízhatóságát. A klaszterek megformálása feltárja azon zónák készletét, amelyek között a legelőnyösebb a biomassza átadás. A jelenlegi kritérium a klaszterek formálására az ökológiai lábnyom (Carbon footprint - CFP) minimalizálása. Mivel ebben a lépésben csak a biomassza-cserét vesszük figyelembe, a CFP minimalizálása általában a minimálisra csökkenti a költségeket is. A megfogalmazott matematikai programozási modell a zónák közötti optimális biomassza-cserét határozza meg. Az energia többletek és hiányok különböző zónák között tovább lettek párosítva és kombinálva egy optimális energia ellátási lánc klasztereibe. A REC algoritmus továbbá ki lett terjesztve a hulladék energia hálózatának szintézisére az alábbi három egyetem együttműködésével: (i) Pannon Egyetem, Magyarország, (ii) University of Nottingham Malaysia Campus, Malajzia és (iii) University Techology Malaysia, Malajzia. Kapcsolódó kiadványok: J2, J4, C1, C2, C3, C4, C12, C Számos új grafikai eszköz a regionális energia ellátási lánc és erőforrás gazdálkodás bemutatására lett kifejlesztve és bemutatva (3 és 4 Fejezet) Két új grafikai vizuális eszköz kidolgozását és azok hasznosságát bizonyítja ez a disszertáció. Ezek (i) a Regional Energy Supply-Demand Curves (RESDC) mely a 3 Fejezetben van bemutatva, és (ii) a Regional Resources Management Composite Curve (RMC) mely a 4 Fejezetbe van bemutatva. A RESDC vizualizálja a kialakított energia klasztereket, amelyet az REC algoritmus használatával jöttek létre. A RESDC egy pár kumulatív görbéből áll, ami megjeleníti a kumulatív energia ellátás és kereslet profilokat. Lehetővé teszi minden egyes klaszter méretének és a teljes energiájának a megjelenítését, mely részt vesz az ellátási láncban egy klaszteren belül. Nemzetközi

6 konferenciákon való bemutatásakor a résztvevők jól reagáltak a RESDC alkalmazására. Kapcsolódó kiadványok: J2, J4, C2, C3, C4, C12, C13 Az RMC a Folyamat Integrációban használatos eszköz, hasonló, mint a Grand Composite Curve a hőintegrációban, amely megjeleníti az energia egyensúly hiányát a vizsgált régiókban és klaszterekben, elősegítve a források menedzsmentjét a regionális újrahasznosítható és fosszilis energiaforrások közötti kompromisszumokkal. Ez a grafikai eszköz egyértelmű tájékoztatást ad arról, hogy miként kell kezelni a többletforrásokat (biomassza és terület/ földhasználat) egy régióban. Kapcsolódó kiadványok: J1, J4, C2, C3, C4, C5, C9, C A P-graph új alkalmazása a biomassza ellátási lánc szintézisén bemutatva (5 Fejezet) Az ellátási lánc szintézise P-graph [5] alapján volt kivitelezve, minden egyes klaszteren belül. Ez részletesebb elemzést eredményezett. A P-graph keret használata, mint szintézis eszközkészlet erős, matematikailag bizonyított alapot biztosít a szintézis probléma összetettségének kezelésére. Ez hozzájárul a nagy számítási hatékonysághoz az optimális hálózat kialakításánál. A megközelítés hozzájárul a biomasszából előállított energia tisztább kinyeréséhez, valamint a CO 2 minimalizálásához. Ez előnyös a biomassza, mint megújuló energiaforrásnak a kiterjesztésére. Kapcsolódó kiadványok: J2, J4, C4, C7, C8, C13

7 4. Publikációs lista Könyv fejezetek, cikkek nemzetközi folyóiratokban és lektorált nemzetközi konferencia kiadványok melyek ehhez a PhD tézishez kapcsolódnak: Könyv fejezetek: B1. Klemeš J J, Varbanov P, Lam H L. Water Footprint, water recycling and Food Industry Supply Chain. Chapter. In: K Waldron (ed) Waste management and co-product recovery in food processing Vol 2, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, 2009, ISBN: B2. Klemeš J., Lam H. L., Foo D. C. Y., Water Recycling and Recovery in Food and Drink Processing. Chapter in: K Waldron, G.K. Moates and C.B. Faulds (eds), Total Food: Sustainability of the Agri-Food Chain, RSC Publishing, UK, 2010, ISBN: Nemzetközi folyóiratok impakt faktorral J1. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., 2010, Regional Renewable Energy and Resource Planning, Applied Energy, 88, [IF = 2.209] J2. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., 2010, Optimisation of regional energy supply chains including renewables: P-graph approach, Computers and Chemical Engineering, 34, [IF: ]. The14 th - Most downloaded paper (June 2010) J3. Klemeš J. and Lam L. H., 2010, Heat Integration, Energy Efficiency, Saving and Security. Energy, 34 (10), [IF: 2.952] J4. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., 2010, Minimising Carbon Footprint of Regional Biomass Supply Chains, Resources, Conservation & Recycling, 54(5), [IF = 1.987]

8 Nemzetközi konferencia kiadványok/konferencia előadások: C1. Lam H. L., Foo D. C. Y., Mustafar K. and Klemeš J., Synthesis of Regional Energy Supply Chain Based on Palm Oil Biomass, Chemical Engineering Transactions, 2010, 21, C2. Lam H. L., Klemeš J. J., Varbanov S. P., Regional Renewable Energy and Resource Business Management Tool, 7 th International Conference on Computation Management Science CMS 2010, 28 th - 30 th July 2010, Vienna Austria, session FA2, p. 20. C3. Klemeš J, Lam H. L., Varbanov P., Friedler F., Biomass Energy Generation, Carbon Footprint Minimisation and Supply Chains Synthesis, 37 th International Conference of SSCHE, Tatranské Matliare, Slovakia, May 24-28, p. 248 C4. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., Műszaki Kémiai Napok Mükki Conference of Chemical Engineering, Veszprém, Hungary, April 27-29, p. 17. C5. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., Regional Renewable Energy and Resource Planning. Special Session: Integrating Waste and Renewable Energy to reduce the Carbon Footprint Locally Integrated Energy Sectors, SEDEWES 09, Dubrovnik, P (Best Presenter Award) C6. Klemeš J., Lam H.L., Foo D. C. Y., Water Minimisation, Recycling and Recover- Implementation to the Process Industry. Proceedings of Slovenian Chemical Days, September 24, 2009, Maribor, Slovenia, p. 7 (Plenary lecture) C7. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., Friedler F., Regional Biomass Energy Supply Chain Management Strategy: P-Graph Approach. 8 th World Congress of Chemical Engineering : Incorporating the 59 th Canadian Chemical Engineering Conference and the 24 th Inter-American Congress of Chemical Engineering, August 23-27, 2009, Montreal, Quebec, Canada, pp. 525b

9 C8. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., Optimisation of regional energy supply chains utilising renewables: P-graph approach, ESCAPE 19, June, Krakow, Poland, Vol (26) C9. Lam H. L., Varbanov P., Klemeš J., Regional Resource Management Composite Curve, Chemical Engineering Transactions, vol. 18 (2009) C10. Klemeš J., Lam H. L., Foo D. C. Y., Water Recycling and Recovery, Total Food 2009, Norwich, UK. Plenary Lecture of Session 5 C11. Lam H.L., Varbanov P., Klemeš J., An efficient planning and implementation of regional renewable energy supply chain. PRES 2008, Prague. PRES 2008/CHISA 2008 Proceeding (2008) C12. Lam H.L., Klemeš J., Varbanov P., CO 2 Emissions Reduction via a graphical Analysis Method for Renewable Energy Supply Chains. IFORS 2008, July 13-18, 2008, Sandton, South Africa. C13. Lam H.L., Varbanov P., Klemeš J., Development of a Graphical Analysis Method for Renewable Energy Supply Chain. ENERGY FOR SUISTANABLE FUTURE, ed P Varbanov, J Klemeš and I Bulatov, UoP University Library Archives, UoP Press 2008/50, Veszprém, Hungary, ISBN C14. Lam H.L., Varbanov P., Klemeš J, Recent Development and Novel Graphical Methods for CAPE, CAPE, (2008), Thessaloniki, Greece, Session 3.

10 Referenciák [1] Koh L.P. and Ghazoul J., 2008, Biofuel, biodiversity, and people: Understanding the conflict and finding opportunities, Biological conservation, 141, [2] Huston M. A. and Marland G., 2003, Carbon management and biodiversity. Journal of environmental Management, 67, [3] Parliamentary Office for Science and Technology (POST). Carbon footprint of electricity generation, < postpn268.pdf>, last accessed [4] Narodoslawsky M., 2010, Structural prospects and challenges for Bio Commodity Processes, Foot Technology and Biotechnology, 48 (3), [5] Friedler F., Tarjan K., Huang Y.W., Fan L.T., 1992, Graph-Theoretical Approach to Process Synthesis: Axioms and Theorems. Chem. Eng. Sci., 47,