Combined heat and power generation systems for optimum environmental and economic performance : a case study in Catalonia

In the current energy conjunction, with an expected growth of energy consumption in a context of fossil fuel depletion, more focus is being placed on renewable energy sources (RES) for electricity generation. To enhance their deployment worldwide, hybrid renewable energy systems (HRES) are a trendy alternative, because they can effectively take advantage of scalability and flexibility of these energy sources, since combining two or more allows counteracting the weaknesses of a stochastic renewable energy source with the strengths of another or with the predictability of a non-renewable energy source. This work presents an optimization methodology that was developed for life cycle cost optimization and multi-objective cost and environmental impact optimization of a grid-connected HRES based on solar photovoltaic, wind and biomass power. In such a system, biomass power seeks to take advantage of locally available forest wood biomass in the form of wood chips to provide energy in periods when the photovoltaic (PV) and wind power generated are not enough to match the existing demand and, additionally, produce thermal energy when a combined heat and power (CHP) scheme is adopted. The developed model was tested in a sample township in central Catalonia using real wind, solar irradiation and electricity demand data from a certain location on an hourly basis. To assess different situations and system layouts, four different case studies were carried out and the model was adapted to each of the situations analyzed. Sensitivity analyses that allowed detecting to which variables the system was more sensitive in each situation were performed. In all cases, the model responds well to changes in the input parameters and variables while providing trustworthy sizing solutions. When looking to a grid-connected HRES consisting of PV and wind power technologies, the results of its cost optimization show that it would be economically profitable in the studied rural township in the Mediterranean climate region of central Catalonia (Spain), being the system paid off after 18 years of operation out of 25 years of system lifetime. Placing the focus into a grid-connected PV-wind-biomass HRES, the results show that such a system could be installed with smaller upfront investments than the previous case, counteracted by higher life-cycle costs. However, such a system would have benefits in terms of energy autonomy and environment quality improvement, as well as in term of job opportunity creation as biomass is the RES with greater impact on local job opportunities creation. The same system was also analyzed under a multi-objective perspective, considering not only its life-cycle cost, but also its life-cycle environmental impact (EI). In that case, the results show that they are contradicting criteria. Low EI layouts highly dependent on RES have higher costs than the ones more reliant on the electricity from the public grid, which present high environmental impact. Results also show that improving the rate of return on investment in HRES would be a very beneficial measure to encourage the use of renewable energies for electricity production, as it has significant positive outcomes in terms of both cost and environmental impact reduction.z< The last hypothesis analyzed was the possibility of adopting a CHP scheme. The system showed lower return on investment rates, making it profitable after around 10 years that are required to pay back the initial investment. That is a result of the usage of thermal energy produced through biomass conversion, which makes more efficient the whole system as that energy is, otherwise, thrown away. The trade-offs between cost and environmental impact show again that small investments on renewable energies (RE) have great returns in terms of environmental impact reduction, especially when the starting point is the current grid situation with more than 50% of energy sources being fossil fuel-based with their associated EI. En l'actual situació de l'energia, amb un pronosticat augment del consum energètic en un context d'esgotament dels combustibles fòssils, s'està posant més atenció en les fonts d'energia renovable per generació elèctrica. Per millorar el seu desplegament arreu, els sistemes híbrids d'energia renovable són una alternativa en puixança, donat que aquests poden aprofitar l'escalabilitat i flexibilitat de les fonts d'energia renovable donat que la combinació de dues o més fonts permet contrarrestar les debilitats d'una font d'energia no controlable amb les fortaleses d'una altra o amb la controlabilitat d'una font d'energia no renovable. Aquest treall presenta una metodologia d'optimització que ha estat desenvolupada per a optimització del cost de cicle de vida i per la optimització multi-objectiu de cost i impacte ambiental (IA) de cicle vida d'un sistema híbrid d'energia renovable connectat a la xarxa elèctrica i basat en l'ús de les energies solar fotovoltaica (FV), eòlica i de la biomassa. En aquest sistema l'ús de la biomassa busca l'aprofitament del recurs forestal autòcton en forma de 'wood chips' per proporcionar energia en aquells períodes en els què les energies FV i eòlica no són suficients per a subministrar la demanda existent i, addicionalment, produïr energia tèrmica adoptant un esquema de cogeneració. El model desenvolupat ha estat testat i validat en un municipi rural situat a la Catalunya central i utilitzant dades reals de velocitat de vent, irradiació solar i demanda elèctrica amb una precisió horària. Per a evaluar diferents situacions i disposicions del sistema, s'han dut a terme 4 casos d'estudi, i el model ha estat adaptat a cada una de les situacions analitzades. També s'han dut a terme anàlisis de sensibilitat que permeten detectar a quines variables és més sensible el model i el sistema de producció elèctrica. En tots els casos, el model respon adequadament als canvis implementats en les dades d'entrada, a la vegada que proporciona resultats del dimensionat òptim del sistema. Fixant-nos en un sistema FV - eòlic, els resultats de la seva optimització de cost mostren que seria econòmicament viable la seva instal·lació en la localització evaluada, amb un període de retorn de la inversió de 18 anys dels 25 anys de vida útil del sistema. Si ens fixem en un sistema FV - eòlic - biomassa, els resulstats mostren que el sistema requereix de menys inversió inicial que l'anterior, avantatge contrarrestat per un cost de cicle de vida major. No obstant, aquest sistema aportaria beneficis en termes d'autonomia energètica, millora de qualitat ambiental i en creació de llocs de treball derivats del processat de la biomassa forestal, una font intensiva en demanda de llocs de treball. El mateix sistema també s'ha analitzat des d'una perspectiva multi-criteri, considerant també l'IA. En aquest cas, els resultats mostren que cost i impacte ambiental són criteris contradictoris: sistemes de baix IA tenen costs més elevats que aquells que se sustenten en l'energia de la xarxa elèctrica, que presenta un elevat IA. Els resultats també mostren que la millora de la taxa de retorn de la inversió seria una mesura molt beneficiosa per fomentar l'ús de les energies renovables per a la generació d'electricitat degut al seus retorns positius en termes de reducció de cost i IA. La darrera hipòtesi analitzada ha estat l'adopció d'un esquema de cogeneració. En aquest cas, el sistema mostra menors períodes de retorn de la inversió, fent-lo rentable a partir dels 10 anys. Això es deu a la utilització de l'energia tèrmica produïda en la valorització energètica de la biomassa, que té efectes en la millora de l'eficiència al aprofitar energia que d'altra manera es malbarata. Els balanços entre cost i impacte ambiental mostren de nou que petites inversions en energia renovable tenen grans retorns en termes de reducció de l'IA, en especial partint d'un sistema elèctric on més d'un 50% de fonts energètiques són combustibles fòssils amb elevat IA