ORIGINAL PAPER
A preliminary techno-economic analysis of the potential of using municipal waste gasification installations in a hybrid electricity generation system
1
Institute of Electrical Power Engineering, Faculty of Environmental Engineering and Energy, Poznan University of Technology, Poland
Submission date: 2022-08-30
Final revision date: 2022-09-14
Acceptance date: 2022-09-15
Publication date: 2022-12-19
Corresponding author
Jacek Roman
Institute of Electrical Power Engineering, Faculty of Environmental Engineering and Energy, Poznan University of Technology, Poland
Institute of Electrical Power Engineering, Faculty of Environmental Engineering and Energy, Poznan University of Technology, Poland
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2022;25(4):55-72
KEYWORDS
hybrid generation systemmunicipal waste gasificationcost of electricity generationelectricity generation system modelling
TOPICS
ABSTRACT
This paper presents the results of modeling and analysis of hybrid generation system (HSW). The system contains municipal waste gasification installation, photovoltaic (PV) system and wind farm. The system cooperates with the power system to provide electrical energy to the communal consumer. The consumer is characterized by a maximum power demand equal to 10 MW and an annual energy demand of 42.351 GWh. Generation with renewable sources was modelled using meteorological data. Moreover, in order to cover the demand with the level of generation, gas storage was used. Next, the three-stage gasification model is presented. It was validated, using the literature data, and its efficiency and gas composition have been calculated and are presented. Furthermore, energetic and economic analysis have been conducted. Installed power usage factor and efficiency of energy sources were calculated. Gross and net energy generation of hybrid generation systems have been computed and are presented. In this analysis, energy consumption by gas compressing was included. The analyzed HSW covered 54.5% of the demand. Most of this (30.2%) was covered by the gasification system. However, the system was characterized by a low net efficiency equal to 16.7%. Diagrams of power generation in each source and storage fill chart are presented. In the economic part of the analysis, results of calculations of net present value and payback period are published in order to examine the profitability of the system.
The cost of electricity was 490–1050 PLN/MWh. The results show that municipal waste gasification can be used as a part of HSW to adjust the generation with the demand. Moreover, it can be economically advantageous. However, it is characterized by high CO2 emission and low efficiency of the waste processing system.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Wstępna analiza techniczno-ekonomiczna potencjału wykorzystania instalacji zgazowania odpadów komunalnych w hybrydowym systemie wytwarzania energii elektrycznej
hybrydowy system wytwórczy, zgazowanie odpadów komunalnych, koszty wytwarzania energii, modelowanie systemów wytwórczych
W artykule przedstawiono wyniki modelowania i analizy hybrydowego systemu wytwórczego (HSW), zawierającego instalację zgazowania odpadów komunalnych, współpracującego z siecią elektroenergetyczną. Zamodelowano HSW składający się z farmy wiatrowej, farmy PV i instalacji zgazowania. System ten służy do zasilania odbiorcy komunalnego o maksymalnym zapotrzebowaniu na moc równym 10 MW i rocznym poborze energii elektrycznej 42,351 GWh. Generację w źródłach odnawialnych obliczono na podstawie danych meteorologicznych. Ponadto, w celu wyrównywania generacji HSW z zapotrzebowaniem na moc odbiorców zastosowano magazyn gazu. Przedstawiono trzystopniowy model generatora gazu. Poddano go walidacji, a następnie obliczono jego sprawność oraz skład generowanego gazu. Dokonano analizy energetycznej oraz ekonomicznej badanego HSW. Wyznaczono czas pracy poszczególnych źródeł, ich sprawności, a także generację energii elektrycznej netto i brutto całego HSW. W analizie uwzględniono pobór energii elektrycznej na potrzeby własne. Analizowany HSW pokrywał 54,5% zapotrzebowania. Większość (30,2%) pokrywała instalacja zgazowania. Charakteryzowała się ona niską sprawnością netto równą 16,7%. Przedstawiono przebiegi czasowe generacji w źródłach oraz wykres napełnienia magazynu gazu. W części ekonomicznej zaprezentowano na wykresach wyniki obliczeń wartości bieżącej netto oraz okresu zwrotu instalacji w celu sprawdzenia opłacalności systemu. Koszt wytwarzania energii elektrycznej wyniósł 490–1050 zł/MWh. Wyniki wskazują, że zgazowanie odpadów komunalnych jest możliwe do zastosowania jako część HSW w celu wyrównania generacji z zapotrzebowaniem. Ponadto, zastosowanie takiego układu jest opłacalne ekonomicznie. Jednakże, system zgazowania charakteryzuje się wysoką emisją CO2 oraz niską sprawnością.
REFERENCES (29)
1.
Bagheri et al. 2018 – Bagheri, M., Shirzadi, N., Bazdar, E. and Kennedy, C.A. 2018. Optimal planning of hybrid renewable energy infrastructure for urban sustainability: Green Vancouver. Renewable and Sustainable Energy Reviews 95, pp. 254–264, DOI: 10.1016/j.rser.2018.07.037.
2.
Ceran, B. and Sroka, K. 2016. Multi-criteria analysis of the cooperation of the hybrid and electrical power systems (Wielokryterialna analiza współpracy hybrydowego systemu wytwórczego z systemem elektroenergetycznym). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 19(4), pp. 37–50 (in Polish).
3.
Eliasu et al. 2022 – Eliasu, A., Derkyi, N.S.A. and Gyamfi, S. 2022. Techno-Economic Analysis of Municipal Solid Waste Gasification for Electricity Generation. International Journal of Energy Economics and Policy 12(1), pp. 342–348, DOI: 10.32479/ijeep.11894.
4.
Esfilar et al. 2021 – Esfilar, R., Bagheri, M. and Golestani, B. 2021. Technoeconomic feasibility review of hybrid waste to energy system in the campus: A case study for the University of Victoria. Renewable and Sustainable Energy Reviews 146, DOI: 10.1016/j.rser.2021.111190.
5.
IMGW. Public Data (Dane publiczne). [Online] https://danepubliczne.imgw.pl/... [Accessed: 2022--05-06] (in Polish).
6.
IRENA 2020, Renewable Power Generation Costs in 2019, Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency.
7.
Jamrozik et al. 2015 – Jamrozik, A., Pyrc, M., Świącik, M. and Schab, M., Cleaning and processing of generator gas from gasification waste (Oczyszczanie i przetwarzanie gazu generatorowego ze zgazowania odpadów). Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury XXXII(62(2)), pp. 145–156, DOI: 10.7862/rb.2015.45 (in Polish).
8.
Kamiński, J. and Pietracho, R. 2019. Determining the optimal hybrid power plant structure with wind-solar type sources (Wyznaczanie optymalnej struktury elektrowni hybrydowej ze źródłami typu wiatrowo-solarnego). Przegląd Elektrotechniczny 95(12), pp. 136–139, DOI: 10.15199/48.2019.12.29 (in Polish).
9.
Kardaś et al. 2017 – Kardaś, D., Kluska, J., Kazimierski, P. and Heda, Ł. 2017. Container gasification installation for municipal waste in Nowy Dwór (Kontenerowa instalacja zgazowania odpadów komunalnych w Nowym Dworze). Nowa Energia 56(2), pp. 16–20 (in Polish).
10.
Kasprzyk et al. 2020 – Kasprzyk, L., Tomczewski, A., Pietracho, R., Mielcarek, A., Nadolny, Z., Tomczewski, K., Trzmiel, G. and Alemany, J. 2020. Optimization of a PV-Wind Hybrid Power Supply Structure with Electrochemical Storage Intended for Supplying a Load with Known Characteristics. Energies 13(22), DOI: 10.3390/en13226143.
11.
KOBiZE 2021. EMISSION INDICATORS CO2, SO2, NOx, CO and total dust FOR ELECTRICITY on the basis of information contained in the National Emissions Database greenhouse gases and other substances for 2020 (WSKAŹNIKI EMISYJNOŚCI CO2, SO2, NOx, CO i pyłu całkowitego DLA ENERGII ELEKTRYCZNEJ na podstawie informacji zawartych w Krajowej bazie o emisjach gazów cieplarnianych i innych substancji za 2020 rok). [Online] https://kobize.pl/uploads/mate... [Accessed: 2022-09-14].
12.
Kwaśniewski et al. 2018 – Kwaśniewski, K., Grzesiak, P. and Kapłan, R. 2018. The economic assessment of the municipal and industrial waste gasification process (Ocena efektywności ekonomicznej procesu zgazowania odpadów komunalnych i przemysłowych). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 107, pp. 5–17 (in Polish).
13.
Meraz et al. 2003 – Meraz, L., Dominguez, A., Kornhauser, I. and Rojas, F. 2003. A thermochemical concept-based equation to estimate waste combustion enthalpy from elemental composition. Fuel 82(12), pp. 1499–1507, DOI: 10.1016/S0016-2361(03)00075-9.
14.
Minutillo et al. 2017 – Minutillo, M., Perna, A., Jannelli, E., Cigolitti, V., Nam, S., Yoon, S. and Kwon, B. 2017. Coupling of biomass gasification and SOFC – Gas Turbine Hybrid System for small scale cogeneration applications. Energy Procedia 105, pp. 730–737, DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.383.
15.
Palej et al. 2019 – Palej, P., Qusay, H., Kleszcz, S., Hanus, R. and Jaszczur, M. 2019. Analysis and optimization of hybrid renewable energy systems. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 22(2), pp. 107–120, DOI: 10.33223/epj/109911.
16.
Paska, J. 2017. Distributed sources of energy (Rozproszone źródła energii). Warszawa: Oficyna Wydawnicza PW (in Polish).
17.
Paska et al. 2019 – Paska, J., Kłos, M., Pawlak, K., Zagrajek, K., Marchel, P., Błędzińska, M., Michalski, Ł. and Terlikowski, P. 2019. Topologies of hybrid RES installations with the strategy of contracting energy (Topologie instalacji hybrydowych OZE wraz ze strategią kontraktowania energii). Przegląd Elektrotechniczny 95(10), pp. 94–97, DOI: 10.15199/48.2019.10.20 (in Polish).
18.
Piasecki et al. 2019 – Piasecki, A., Jurasz, J. and Kies, A. 2019. Measurements and reanalysis data on wind speed and solar irradiation from energy generation perspectives at several locations in Poland. SN Applied Sciences 1, 865, DOI: 10.1007/s42452-019-0897-2.
19.
Primus, A. and Rosik-Dulewska, C. 2017. Energy production in low-power cogeneration systems using the gasification technology of post-municipal waste. The legal and economic conditions (Produkcja energii w źródłach kogeneracyjnych małej mocy z wykorzystaniem technologii zgazowania odpadów pochodzenia komunalnego. Uwarunkowania prawne i ekonomiczne). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 20(3), pp. 71–92 (in Polish).
20.
Primus, A. and Rosik-Dulewska, C. 2018. Fuel potential of the over-sieve fraction of municipal waste and its role in the national waste management model (Potencjał paliwowy frakcji nadsitowej odpadów komunalnych i jego rola w krajowym modelu gospodarki odpadami). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 105, pp. 121–134 (in Polish).
21.
Polish Power Grids. Report 2021 KSE (Polskie Sieci Elektroenergetyczne. Raport 2021 KSE). [Online] https://www.pse.pl/dane-system... [Accessed: 2022-07-06].
22.
Ordinance of the Minister of Economy of 16 July 2015 on allowing waste to be stored in landfills (Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 16 lipca 2015 r. w sprawie dopuszczania odpadów do składowania na składowiskach). Dz.U. z 2015 r., poz. 1277 (in Polish).
23.
Singh, A. and Basak, P. 2022. Conceptualization and techno-economic evaluation of municipal solid waste based microgrid. Energy 238(B), DOI: 10.1016/j.energy.2021.121711.
24.
Skorek, J. and Kalina, J. 2005. Gas cogeneration systems (Gazowe układy kogeneracyjne). Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne (in Polish).
25.
Standard energy consumption profiles for 2021 (Standardowe profile zużycia energii na 2021 rok) Enea. [Online] https://www.operator.enea.pl/b... [Accessed: 2022-05-10].
26.
Wacławiak, K. 2007. Gasification of fuels and waste (Zgazowanie paliw i odpadów). [In:] Nadziakiewicz, J., Wacławiak, K. and Stelmach, S., Thermal waste utilization processes (Procesy termiczne utylizacji odpadów). Gliwice: Wydawnictwo PŚ (in Polish).
27.
Wielgosiński, G. 2020. Thermal waste treatment (Termiczne przekształcanie odpadów). Racibórz: Wydawnictwo „Nowa Energia” (in Polish).
28.
Waste Act of December 14, 2012 (Ustawa o odpadach z dnia 14 grudnia 2012 roku). Dz.U. z 2022, poz. 699 (in Polish).
29.
Zahedi et al. 2021 – Zahedi, R., Ahmadi, A. and Sadeh, M. 2021. Investigation of the load management and environmental impact of the hybrid cogeneration of the wind power plant and fuel cell. Energy Reports 7, pp. 2930–2939, DOI: 10.1016/j.egyr.2021.05.008.
| eISSN: | 2720-569X |
| ISSN: | 1429-6675 |
We process personal data collected when visiting the website. The function of obtaining information about users and their behavior is carried out by voluntarily entered information in forms and saving cookies in end devices. Data, including cookies, are used to provide services, improve the user experience and to analyze the traffic in accordance with the Privacy policy. Data are also collected and processed by Google Analytics tool (more).
You can change cookies settings in your browser. Restricted use of cookies in the browser configuration may affect some functionalities of the website.
You can change cookies settings in your browser. Restricted use of cookies in the browser configuration may affect some functionalities of the website.
