A methodology to analyse the impact of offshore wind forecasting error on electricity markets

Currently wind power is dominated by onshore wind farms in the British Isles, but both the United Kingdom and the Republic of Ireland have high renewable energy targets, expected to come mostly from wind power. However, as the demand for wind power grows to ensure security of energy supply, as a potentially cheaper alternative to fossil fuels and to meet greenhouse gas emissions reduction targets offshore wind power will grow rapidly as the availability of suitable onshore sites decrease. However, wind is variable and stochastic by nature and thus difficult to schedule. In order to plan for these uncertainties market operators use wind forecasting tools, reserve plant and ancillary service agreements. Onshore wind power forecasting techniques have improved dramatically and continue to advance, but offshore wind power forecasting is more difficult due to limited datasets and knowledge. So as the amount of offshore wind power increases in the British Isles robust forecasting and planning techniques are even more critical. This paper presents a methodology to investigate the impacts of better offshore wind forecasting on the operation and management of the single wholesale electricity market in the Republic of Ireland and Northern Ireland using PLEXOS for Power Systems. © 2013 IEEE.

A review of offshore wind power development in the United Kingdom

Currently wind power is dominated by onshore wind farms. However, as the demand for power grows driven by security of energy supply issues, dwindling fossil fuel supplies and greenhouse gas emissions reduction targets, offshore wind power will develop rapidly because of the decline of viable onshore sites. The United Kingdom has a target of 21% renewable electricity by 2020 and this is expected to come mostly from wind power. Britain is the most active internationally in terms of offshore wind farm development with almost 48GW in some stage of development. In addition the Scottish Government, the Northern Ireland Executive and the Government of Ireland undertook the 'Irish-Scottish Links on Energy Study' (ISLES), which examined the feasibility of creating an offshore interconnected transmission network and subsea electricity grid based on renewable energy sources off the coast of western Scotland and the Irish Sea. The aim of this paper is to provide an appraisal of offshore wind power development with a focus on the United Kingdom. © 2013 IEEE.

What do high penetrations of wind power mean for gas generation?

Dependency on thermal generation and continued wind power growth in Europe due to renewable energy and greenhouse gas emissions targets has resulted in an interesting set of challenges for power systems. The variability of wind power impacts dispatch and balancing by grid operators, power plant operations by generating companies and market wholesale costs. This paper quantifies the effects of high wind power penetration on power systems with a dependency on gas generation using a realistic unit commitment and economic dispatch model. The test system is analyzed under two scenarios, with and without wind, over one year. The key finding of this preliminary study is that despite increased ramping requirements in the wind scenario, the unit cost of electricity due to sub-optimal operation of gas generators does not show substantial deviation from the no wind scenario.

Techno-Economic and Life Cycle Assessment on Lignocellulosic Biomass Thermochemical Conversion Technologies: A Review

Bioenergy derived from biomass provides a promising energy alternative and can reduce the greenhouse gas (GHG) emissions generated from fossil fuels. Biomass-based thermochemical conversion technologies have been acknowledged as apt options to convert bioresources into bioenergy; this bioenergy includes electricity, heat, and fuels/chemicals in solid, liquid, and gaseous phases. In this review, the techno-economic and life cycle assessment of these technologies (combustion, gasification, pyrolysis, liquefaction, carbonization, and co-firing) are summarized. Specific indicators (production costs in a techno-economic analysis, functional units and environmental impacts in a life cycle analysis) for different technologies were compared. Finally, gaps in research and future trends in biomass thermochemical conversion were identified. This review could be used to guide future research related to economic and environmental benefits of bioenergy.

Understanding aerospace composite components' supply chain carbon emissions

This paper examines a large structural component and its supply chain. The component is representative of that used in the production of civil transport aircraft and is manufactured from carbon fibre epoxy resin prepreg, using traditional hand layup and autoclave cure. Life cycle assessment (LCA) is used to predict the component’s production carbon emissions. The results determine the distribution of carbon emissions within the supply chain, identifying the dominant production processes as carbon fibre manufacture and composite part manufacture. The elevated temperature processes of material and part creation, and the associated electricity usage, have a significant impact on the overall production emissions footprint. The paper also demonstrates the calculation of emissions footprint sensitivity to the geographic location and associated energy sources of the supply chain. The results verify that the proposed methodology is capable of quantitatively linking component and supply chain specifics to manufacturing processes and thus identifying the design drivers for carbon emissions in the manufacturing life of the component.

Central-Tapped Node Linked Modular Fault-Tolerance Topology for SRM Applications

Electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) can reduce greenhouse gas emissions while switched reluctance motor (SRM) is one of the promising motor for such applications. This paper presents a novel SRM fault-diagnosis and fault-tolerance operation solution. Based on the traditional asymmetric half-bridge topology for the SRM driving, the central tapped winding of the SRM in modular half-bridge configuration are introduced to provide fault-diagnosis and fault-tolerance functions, which are set idle in normal conditions. The fault diagnosis can be achieved by detecting the characteristic of the excitation and demagnetization currents. An SRM fault-tolerance operation strategy is also realized by the proposed topology, which compensates for the missing phase torque under the open-circuit fault, and reduces the unbalanced phase current under the short-circuit fault due to the uncontrolled faulty phase. Furthermore, the current sensor placement strategy is also discussed to give two placement methods for low cost or modular structure. Simulation results in MATLAB/Simulink and experiments on a 750-W SRM validate the effectiveness of the proposed strategy, which may have significant implications and improve the reliability of EVs/HEVs.

A Conventional Internal Combustion Engine Versus a Range Extended Electric Vehicle Under the Current Regulatory Regime in the United Kingdom

Transport accounts for 22% of greenhouse gas emissions in the United Kingdom and cars are expected tomore than double by 2050. Car manufacturers are continually aiming for a substantially reduced carbonfootprint through improved fuel efficiency and better powertrain performance due to the strict EuropeanUnion emissions standards. However, road tax, not just fuel efficiency, is a key consideration of consumerswhen purchasing a car. While measures have been taken to reduce emissions through stricter standards, infuture, alternative technologies will be used. Electric vehicles, hybrid vehicles and range extended electricvehicles have been identified as some of these future technologies. In this research a virtual test bed of aconventional internal combustion engine and a range extended electric vehicle family saloon car were builtin AVL’s vehicle and powertrain system level simulation tool, CRUISE, to simulate the New EuropeanDrive Cycle and the results were then soft-linked to a techno-economic model to compare the effectivenessof current support mechanisms over the full life cycle of both cars. The key finding indicates that althoughcarbon emissions are substantially reduced, switching is still not financially the best option for either theconsumer or the government in the long run.

Building information modeling based building design optimization for sustainability

Environmental problems, especially climate change, have become a serious global issue waiting for people to solve. In the construction industry, the concept of sustainable building is developing to reduce greenhouse gas emissions. In this study, a building information modeling (BIM) based building design optimization method is proposed to facilitate designers to optimize their designs and improve buildings’ sustainability. A revised particle swarm optimization (PSO) algorithm is applied to search for the trade-off between life cycle costs (LCC) and life cycle carbon emissions (LCCE) of building designs. In order tovalidate the effectiveness and efficiency of this method, a case study of an office building is conducted in Hong Kong. The result of the case study shows that this method can enlarge the searching space for optimal design solutions and shorten the processing time for optimal design results, which is really helpful for designers to deliver an economic and environmental friendly design scheme.

Arbuscular mycorrhizal fungal hyphae reduce soil erosion by surface water flow in a greenhouse experiment

The role of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in resisting surface flow soil erosion has never been tested experimentally. We set up a full factorial greenhouse experiment using Achillea millefolium with treatments consisting of addition of AMF inoculum and non-microbial filtrate, non-AMF inoculum and microbial filtrate, AMF inoculum and microbial filtrate, and non-AMF inoculum and non-microbial filtrate (control) which were subjected to a constant shear stress in the form of surface water flow to quantify the soil detachment rate through time. We found that soil loss can be explained by the combined effect of roots and AMF extraradical hyphae and we could disentangle the unique effect of AMF hyphal length, which significantly reduced soil loss, highlighting their potential importance in riparian systems.

Integrated techno-economic and environmental assessments of sixty scenarios for co-firing biomass with coal and natural gas

Displacement of fossil fuel-based power through biomass co-firing could reduce the greenhouse gas (GHG) emissions from fossil fuels. In this study, data-intensive techno-economic models were developed to evaluate different co-firing technologies as well as the configurations of these technologies. The models were developed to study 60 different scenarios involving various biomass feedstocks (wood chips, wheat straw, and forest residues) co-fired either with coal in a 500 MW subcritical pulverized coal (PC) plant or with natural gas in a 500 MW natural gas combined cycle (NGCC) plant to determine their technical potential and costs, as well as to determine environmental benefits. The results obtained reveal that the fully paid-off coal-fired power plant co-fired with forest residues is the most attractive option, having levelized costs of electricity (LCOE) of $53.12–$54.50/MW h and CO2 abatement costs of $27.41–$31.15/tCO2. When whole forest chips are co-fired with coal in a fully paid-off plant, the LCOE and CO2 abatement costs range from $54.68 to $56.41/MW h and $35.60 to $41.78/tCO2, respectively. The LCOE and CO2 abatement costs for straw range from $54.62 to $57.35/MW h and $35.07 to $38.48/tCO2, respectively.

An optimized process design for oxymethylene ether production from woody-biomass-derived syngas

The conversion of biomass for the production of liquid fuels can help reduce the greenhouse gas (GHG) emissions that are predominantly generated by the combustion of fossil fuels. Oxymethylene ethers (OMEs) are a series of liquid fuel additives that can be obtained from syngas, which is produced from the gasification of biomass. The blending of OMEs in conventional diesel fuel can reduce soot formation during combustion in a diesel engine. In this research, a process for the production of OMEs from woody biomass has been simulated. The process consists of several unit operations including biomass gasifi- cation, syngas cleanup, methanol production, and conversion of methanol to OMEs. The methodology involved the development of process models, the identification of the key process parameters affecting OME production based on the process model, and the development of an optimal process design for high OME yields. It was found that up to 9.02 tonnes day1 of OME3, OME4, and OME5 (which are suitable as diesel additives) can be produced from 277.3 tonnes day1 of wet woody biomass. Furthermore, an optimal combination of the parameters, which was generated from the developed model, can greatly enhance OME production and thermodynamic efficiency. This model can further be used in a techno- economic assessment of the whole biomass conversion chain to produce OMEs. The results of this study can be helpful for petroleum-based fuel producers and policy makers in determining the most attractive pathways of converting bio-resources into liquid fuels.

Avaliação do aproveitamento da palha do milho (Zea mays L.) para bioenergia, nos sistemas de produção do Vale do Tejo

Dissertação de mestrado em Agricultura Sustentável, apresentada na Escola Superior Agrária de Santarém, Instituto Politécnico de Santarém.

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

Road traffic information platform for energy and emissions savings

Apesar das recentes inovações tecnológicas, o setor dos transportes continua a exercer impactes significativos sobre a economia e o ambiente. Com efeito, o sucesso na redução das emissões neste setor tem sido inferior ao desejável. Isto deve-se a diferentes fatores como a dispersão urbana e a existência de diversos obstáculos à penetração no mercado de tecnologias mais limpas. Consequentemente, a estratégia “Europa 2020” evidencia a necessidade de melhorar a eficiência no uso das atuais infraestruturas rodoviárias. Neste contexto, surge como principal objetivo deste trabalho, a melhoria da compreensão de como uma escolha de rota adequada pode contribuir para a redução de emissões sob diferentes circunstâncias espaciais e temporais. Simultaneamente, pretende-se avaliar diferentes estratégias de gestão de tráfego, nomeadamente o seu potencial ao nível do desempenho e da eficiência energética e ambiental. A integração de métodos empíricos e analíticos para avaliação do impacto de diferentes estratégias de otimização de tráfego nas emissões de CO2 e de poluentes locais constitui uma das principais contribuições deste trabalho. Esta tese divide-se em duas componentes principais. A primeira, predominantemente empírica, baseou-se na utilização de veículos equipados com um dispositivo GPS data logger para recolha de dados de dinâmica de circulação necessários ao cálculo de emissões. Foram percorridos aproximadamente 13200 km em várias rotas com escalas e características distintas: área urbana (Aveiro), área metropolitana (Hampton Roads, VA) e um corredor interurbano (Porto-Aveiro). A segunda parte, predominantemente analítica, baseou-se na aplicação de uma plataforma integrada de simulação de tráfego e emissões. Com base nesta plataforma, foram desenvolvidas funções de desempenho associadas a vários segmentos das redes estudadas, que por sua vez foram aplicadas em modelos de alocação de tráfego. Os resultados de ambas as perspetivas demonstraram que o consumo de combustível e emissões podem ser significativamente minimizados através de escolhas apropriadas de rota e sistemas avançados de gestão de tráfego. Empiricamente demonstrou-se que a seleção de uma rota adequada pode contribuir para uma redução significativa de emissões. Foram identificadas reduções potenciais de emissões de CO2 até 25% e de poluentes locais até 60%. Através da aplicação de modelos de tráfego demonstrou-se que é possível reduzir significativamente os custos ambientais relacionados com o tráfego (até 30%), através da alteração da distribuição dos fluxos ao longo de um corredor com quatro rotas alternativas. Contudo, apesar dos resultados positivos relativamente ao potencial para a redução de emissões com base em seleções de rotas adequadas, foram identificadas algumas situações de compromisso e/ou condicionantes que devem ser consideradas em futuros sistemas de eco navegação. Entre essas condicionantes importa salientar que: i) a minimização de diferentes poluentes pode implicar diferentes estratégias de navegação, ii) a minimização da emissão de poluentes, frequentemente envolve a escolha de rotas urbanas (em áreas densamente povoadas), iii) para níveis mais elevados de penetração de dispositivos de eco-navegação, os impactos ambientais em todo o sistema podem ser maiores do que se os condutores fossem orientados por dispositivos tradicionais focados na minimização do tempo de viagem. Com este trabalho demonstrou-se que as estratégias de gestão de tráfego com o intuito da minimização das emissões de CO2 são compatíveis com a minimização do tempo de viagem. Por outro lado, a minimização de poluentes locais pode levar a um aumento considerável do tempo de viagem. No entanto, dada a tendência de redução nos fatores de emissão dos poluentes locais, é expectável que estes objetivos contraditórios tendam a ser minimizados a médio prazo. Afigura-se um elevado potencial de aplicação da metodologia desenvolvida, seja através da utilização de dispositivos móveis, sistemas de comunicação entre infraestruturas e veículos e outros sistemas avançados de gestão de tráfego.