• No results found

Potential for Absorption Cooling Generated from Municipal Solid Waste in Bangkok : A Comparison between Waste Incineration & Biogas Production with Combustion

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Potential for Absorption Cooling Generated from Municipal Solid Waste in Bangkok : A Comparison between Waste Incineration & Biogas Production with Combustion"

Copied!
114
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

 

Potential for Absorption Cooling  

Generated from Municipal Solid Waste in Bangkok 

A Comparison between Waste Incineration &  

Biogas Production with Combustion 

 

Erika Hedberg 

Helén Danielsson 

 

 

 

Environmental Technology and Management 

       

Degree Project 

Department of Management and Engineering 

LIU‐IEI‐TEK‐A‐‐10/00807‐‐SE 

 

(2)
(3)

Abstract  

This master’s thesis has been performed in Bangkok, Thailand at the company Eco Design Consultant  Co., Ltd. The aim is to investigate the possibilities to generate absorption cooling from municipal solid  waste in the Bangkok area. The investigation includes a comparison between waste incineration and  biogas production with combustion to see which alternative is preferable. During the investigation, a  Swedish perspective has been used.   

The  research  for  the  report  mainly  consisted  of  published  scientific  articles  from  acknowledged  sources  as  well  as  information  from  different  Thai  authorities.  Also,  experts  within  different  areas  were  contacted  and  interviewed.  In  order  to  determine  which  of  the  two  techniques  (waste  incineration  or  biogas  production  with  combustion)  that  is  best  suited  to  generate  absorption  cooling,  a  model  was  designed.  This  model  involved  several  parameters  regarding  e.g.  plant  efficiency, amount of treated waste and internal heat usage. As for the results of the model, three  parameters  were  calculated:  the  generated  cooling,  the  net  electricity  generation  and  the  reduced  greenhouse emissions.  

The  overall  Thai  municipal  solid  waste  generation  in  Thailand  is  estimated  to  approximately  15  million tons per year and the majority of the waste ends up at open dumps or landfills. There are only  two  to  three  waste  incinerators  in  the  country  and  a  few  projects  with  biogas  generation  from  municipal  solid  waste.  The  main  electricity  is  today  generated  from  natural  gas  which  makes  the  majority  of  the  Thai  electricity  production  fossil  fuel  based.  As  for  absorption  cooling,  two  applications of this technique has been found in Thailand during the research; one at the Naresuan  University and one at the Suvarnabhumi airport in Bangkok.  

The  model  resulted  in  that  the  best  alternative  to  power  absorption  cooling  technique  is  waste  incineration.  This  alternative  has  potential  to  generate  3200  GWh  cooling  per  year  and  1100  GWh  electricity  per  year.  Also,  this  alternative  resulted  in  the  largest  decrease  of  greenhouse  gas  emissions,  ‐500 000  tons  per  year.  The  model  also  showed  that  the  same  amounts  of  generated  cooling and electricity can never be achieved from biogas production with combustion compared to  waste  incineration.  Regardless,  waste  incineration  has  an  important  drawback:  the  citizens  of  Thailand  seem  to  oppose  further  development  of  waste  incineration  in  the  country.  The  biogas  technique  seems  more  approved  in  Thailand,  which  benefits  this  alternative.  Due  to  the  high  moisture  and  organic  content  in  the  municipal  solid  waste,  a  combination  between  the  two  waste  handling alternatives is suggested. This way, the most energy can be withdrawn from the waste and  the volume of disposed waste is minimized.  

Our overall conclusion is that the absorption cooling technique has great potential in Thailand. There  is an increasing power‐ and cooling demand, absorption cooling generated from either or both of the  alternatives  can  satisfy  these  demands  while  reducing  greenhouse  gas  emissions.  We  also  believes  that the cost for using absorption cooling has to be lower than for the current compression cooling if  the new technique is to be implemented further.   

 

(4)
(5)

Acknowledgements  

We would like to express our gratitude to the persons that have assisted and helped us in different  ways during the process of writing this thesis. In no particular order, the persons we want thank are:  Mattias  Lindahl,  our  supervisor  who  has  guided  us  during  this  entire  process  and  has  offered  his  knowledge and support.  Dr Akajate Apikajornsin and Dr. Prin Boonkanit who welcomed us to Thailand and to Eco Group Co.  Ltd., and have assisted us during our research in Bangkok.   The respondents of our interviews, for taking their time to answer our questions and presenting the  practical perspectives of the researched areas. We have found all of the interviews very interesting.  Our opponents Andres Adelmann and Sissela Lidebjer for useful feedback and comments. 

Louise  Trygg,  who  has  offered  interesting  input  and  guided  us  when  there  has  been  confusing  moments.  Our colleagues at Eco Group Co. Ltd. who all have assisted in welcoming us and assisting in different  ways during our research, but also for making our time in Bangkok interesting and entertaining.     Thank you!   Erika Hedberg & Helén Danielsson   Linköping 26th May 2010   

 

(6)
(7)

Table of Contents

  1  Introduction ... 1  1.1  Background ... 1  1.2  Purpose ... 1  1.3  Limitations ... 2  2  Method ... 3  2.1  Model ... 3  2.2  Interviews ... 3  3  Theoretical Frame of Reference ... 5  3.1  Thailand ... 5  3.2  The Global Warming and the Greenhouse Effect ... 5  3.3  Combined Heat and Power ... 5  3.3.1  CHP in Sweden ... 6  3.4  Waste Management ... 7  3.4.1  Waste Handling in Sweden ... 7  3.5  Landfills and Open Dumps ... 8  3.6  Waste Incineration ... 8  3.6.1  Flue Gas Purification and Residuals ... 9  3.6.2  Waste Incineration in Sweden ... 9  3.7  Biogas ... 10  3.7.1  Production ... 10  3.7.2  Combustion of Biogas ... 11  3.7.3  Biogas in Sweden ... 11  3.8  Environmental Aspects of Waste Management Techniques ... 11  3.8.1  Landfilling and Open Dumping ... 11  3.8.2  Waste Incineration ... 12  3.8.3  Biogas ... 12  3.9  District Heating and Cooling ... 13  3.10  Compression Cooling ... 14  3.11  Absorption Cooling ... 15  3.11.1  Distribution ... 16  3.11.2  The Absorption Cooling Machine ... 16  3.12  Efficiency of ACM Compared to CCM ... 18 

(8)

3.13.1  Price Development ... 20  3.13.2  CHP and Absorption Cooling in the Swedish Energy System ... 21  4  Results ... 23  4.1  Interviews ... 23  4.1.1  Situation in Bangkok ... 23  4.2  Waste Management in Thailand ... 24  4.2.1  Waste Situation ... 24  4.2.2  Waste Development ... 24  4.2.3  The Waste Composition ... 26  4.2.4  Waste Incineration in Thailand ... 26  4.2.5  Biogas in Thailand ... 27  4.3  The Thai Power Generation and Electricity Market ... 28  4.3.1  The Authorities ... 29  4.3.2  Private Participation ... 29  4.3.3  Independent, Small and Very Small Power Producers ... 30  4.3.4  Electricity Prices and Price Development ... 31  4.3.5  Renewable Energy in Thailand ... 32  4.3.6  Thailand Power Development Plan ... 33  4.4  Absorption Cooling in Thailand ... 34  5  Model ... 37  5.1  In‐Parameters ... 38  5.2  Waste Incineration ... 39  5.2.1  Energy Content and Torch Fuel Usage ... 39  5.2.2  Electricity and Heat Generation ... 40  5.2.3  Internal Energy Usage and Net Energy Output ... 41  5.3  Biogas Production and Combustion ... 41  5.3.1  Organic Fraction of MSW and Sorting Percentage ... 42  5.3.2  Electricity and Heat Generation ... 42  5.3.3  Internal Energy Usage and Net Energy Output ... 43  5.4  Absorption Cooling ... 44  5.4.1  Generated from Waste Incineration ... 44  5.4.2  Generated from Biogas Combustion ... 44  5.5  Greenhouse Gas Emissions ... 44  5.5.1  Waste Incineration ... 45 

(9)

5.5.2  Biogas Production and Combustion ... 48  5.6  Results from the Model ... 50  5.7  Sensitivity Analysis ... 50  5.7.1  Percentage of Collected Waste ... 50  5.7.2  Efficiencies Waste Incineration ... 51  5.7.3  Energy Input Waste Incineration ... 51  5.7.4  Sorting Percentage Biogas Process & Biogas Yield ... 51  5.7.5  Efficiencies Biogas Production and Combustion ... 51  5.7.6  Energy Input Biogas Production and Combustion ... 52  5.7.7  Chiller Parameters ... 52  5.7.8  Organic Fraction and Calorific Value of MSW ... 52  6  Analysis ... 55  6.1  Data Collection ... 55  6.2  Energy Situation and Energy Development in Thailand ... 56  6.3  The Thai Waste Situation ... 56  6.3.1  Waste Development ... 57  6.4  Waste Incineration ... 57  6.5  Biogas Production and Combustion ... 58  6.6  Absorption Cooling and Distribution ... 58  6.6.1  Cooling Recipients ... 59  6.7  The Thai Electricity Market, Prices and Costs ... 60  6.7.1  Investors ... 61  6.8  Model ... 62  6.8.1  Results from the Model ... 63  6.8.2  Sensitity Analysis ... 64  6.9  Feasibility in Bangkok ... 67  7  Conclusions ... 69  8  Further Research ... 71  9  List of References ... 73  9.1  Printed sources ... 73  9.2  Web Based Sources ... 75  9.3  Personal Sources ... 81  10  Appendix ... 83 

 

(10)
(11)

List of Figures 

  Figure 3‐1 ‐ Schematic picture displaying difference between Combined Heat and Power Production  and Power Production ... 6  Figure 3‐2‐ The EU Waste Hierarchy ... 7  Figure 3‐3 – Waste treatment in Sweden distributed on different treatment methods ... 8  Figure 3‐4 – Waste incineration process  ... 9  Figure 3‐5 – The biogas production steps ... 10  Figure 3‐6 ‐ Schedule displaying compression cooling and absorption cooling ... 16  Figure 3‐7 – Comparison of Carnot‐factor for compressor cooling and absorption cooling ... 19  Figure 3‐8 – Price development of the Swedish electricity price, no taxes included. ... 21  Figure 4‐1 – Tones of waste generated in Thailand 1998‐2006 ... 25  Figure 4‐2 – The amount of generated waste in Bangkok 1998‐2006 ... 25  Figure 4‐3 ‐ Thailand’s Fuel Mix for Power Generation (Jan 2010). ... 28  Figure 4‐4 ‐ Thailand’s Electricity Industry Structure ... 31  Figure 4‐5 ‐ New power project investments for 2008‐2021 presented in MW ... 34  Figure 5‐1 – A schematic figure of the different flows in the model ... 37  Figure 10‐1 – Treatment of waste generated from manufacturing production in Sweden ... 83  Figure 10‐2 – Waste composition of MSW in weight percent for Sweden ... 83  Figure 10‐3 – Waste composition of MSW in percent of total for Thailand ... 84  Figure 10‐4 – Percent of used energy in Thailand 1986‐2009 ... 84  Figure 10‐5 – Electricity bill for a one room apartment in Bangkok ... 85       

(12)

List of Tables 

Table 3‐1 – Estimated characteristics for different ACMs ... 17  Table 4‐1 “Adder” to the Normal Tariff for SPPs and VSPPs ... 30  Table 5‐1 –Results from Model ... 50  Table 10‐1 – Alteration of Percentage Organic Fraction ... 86  Table 10‐2 – Alteration of Calorific Value MSW ... 87  Table 10‐3 – Alteration of Electric Efficiency Waste Incineration ... 88  Table 10‐4 – Alteration of Heat Efficiency Waste Incineration ... 89  Table 10‐5 – Alteration of Internal Electricity Usage Waste Incineration ... 90  Table 10‐6 – Alteration of Sorting Percentage Biogas Production ... 91  Table 10‐7 – Alteration of Biogas Yield ... 92  Table 10‐8 – Alteration of Electric Efficiency Biogas Combustion ... 93  Table 10‐9 – Alteration of Thermal Efficiency Biogas Combustion ... 94  Table 10‐10 – Alteration of Internal Electricity Usage Biogas Production & Combustion ... 95  Table 10‐11 – Alteration of Internal Heat Usage Biogas Production & Combustion ... 96  Table 10‐12 – Alteration of Percentage of Collected Waste ... 97  Table 10‐13 – Alteration of COP Absorption Chiller ... 98  Table 10‐14 – Alteration of COP Compression Chiller ... 99  Table 10‐15 – Alteration of Torch Fuel Waste Incineration ... 100        

(13)

Abbreviations 

  ACM  Absorption Cooling Machine  AOB  Airport Operation Building  BAT  Best Available Technology   BMA  Bangkok Metropolitan Administration   CCM  Compressor Cooling Machine  CFC   Chlorofluorocarbon  CHP  Combined Heat and Power  CO₂  Carbon Dioxide  CO2 eq.  Carbon Dioxide Equivalents  COP  Coefficient of Performance  CTF  Clean Technology Fund   DCAP  District Cooling System and Power Plant Co., Ltd.  EGAT  Electricity Generating Authority of Thailand   EPPO  Energy Policy and Planning Office (Thailand)  ERC  Energy Regulatory Commission (Thailand)  EU  European Union   GHG  Greenhouse Gas  GWP  Global Warming Potential  HCFC  Hydrochlorofluorocarbon  IPP  Independent Power Producers (Thailand)  MEA  Metropolitan Electricity Authority (Thailand)  MSW  Municipal Solid Waste  NEPC  National Energy Policy Council (Thailand)  NG  Natural Gas  OFMSW  Organic Fraction of Municipal Solid Waste  PCD  Pollution Control Department (Thailand)  PDP  Power Development Plan (Thailand)  PEA  Provincial Electricity Authority (Thailand)  PTT  Petroleum Authority of Thailand  RQ  Research Question  SEK  Swedish krona (currency of Sweden)  SO₂  Sulfur Dioxide  THB  Thai bath (currency of Thailand)  TNSO/NSO  The National Statistic Office (Thailand)  TOU  Time of Use  VAT  Value Added Tax  VSPP  Very Small Power Producers (Thailand)  WTE  Waste to Energy     

 

 

(14)
(15)

1

Introduction 

The introduction part will give a short background as to why the subject of this thesis is interesting,  as well as the purpose of the thesis and an explanation of the limitations that has been made.  

1.1 Background  

It is getting more and more important to save energy and to use a wiser energy approach due to the  current  environmental  situation.  It  is  important  to  use  energy,  materials  and  fuels  in  a  sustainable  way;  generating  energy  from  waste  is  one  way  to  recover  the  energy  in  the  waste.  Today,  large  volumes of waste are however put on landfills and open dumps. This way the potential of using the  energy is lost and huge areas are occupied by waste. 

Since  2002  it  is  forbidden  to  landfill  combustible  materials  in  Sweden.  Instead,  the  majority  of  the  waste  is  incinerated  and  at  some  incineration  plants  the  energy  is  recovered  through  electricity  and/or heat generation. The heat is mostly used as district heating, and sometimes cooling.  

The organic fraction of the waste can be transformed into energy in the form of biogas as well. When  organic materials are digested without oxygen, biogas is produced.  

In Thailand, the waste management is rather different than in Sweden. The majority of the waste is  put  on  open  dumps  and  only  a  fraction  is  incinerated.  This  generates  large  volumes  of  waste  and  unused  resources. Thailand  is  also,  unlike  Sweden,  a  tropical  country  with  warm  temperature.  The  capital city, Bangkok, has an average temperature over 25 °C during the entire year. Due to the high  temperature, the Thai people have a large cooling demand. This demand is today mostly generated  by electricity‐driven cooling machines.  

Absorption cooling machines are in contrast to compression cooling machines, driven by heat instead  of  electricity.  Combined  heat  and  power  generation,  together  with  absorption  cooling  machines,  therefore offers an interesting alternative to produce cooling when it comes to achieving a decrease  of carbon dioxide emissions.  

1.2 Purpose 

The purpose of this master’s thesis is to investigate the possibilities for absorption cooling generated  from municipal solid waste in Bangkok. Waste incineration will be compared with biogas production  and combustion as driving force for the absorption cooling.   The questions at aim together with short explanations of their relevance are presented below:  RQ1. Is absorption cooling generated from MSW an alternative to replace a part of the     compression cooling in Bangkok? Would this achieve a decrease in GHG emissions? 

Absorption  cooling  is  a  technique  that  under  certain  circumstances  offers  cooling  with  less  GHG  emission than compression cooling. This fact combined with the large amount of generated waste in  the region and the big use of compression cooling makes this question relevant.    RQ2. Which alternative would generate the largest GHG emission reduction if used to drive the  absorption cooling; waste incineration or biogas production with combustion? What other  factors affect the comparison of the alternatives, and how? 

(16)

Both  these  alternatives  offer  ways  of  driving  the  absorption  cooling  with  waste  as  input.  Since  the  processes are so different they need to be evaluated toughly to know which would decrease the GHG  emissions more than the other, compared using compression cooling.     RQ3. What other factors, environmental, technical as well as societal, needs to be taken into  consideration if absorption cooling generated from MSW would constitute a relevant option?  The  answers  to  question  number  one  as  well  as  question  number  two  might  only  be  true  under  certain circumstances. These circumstances need to be identified. 

1.3 Limitations  

To perform this investigation a number of limitations need to be made so that the analyzed system  does not become too large. Since the analysis includes many different systems the approach will first  and foremost be a system view. Due to this system view the investigation of technical details will not  be very specific.  

A  model  will  be  used  to  perform  a  comparison  between  waste  incineration  and  biogas  production 

with combustion. This model is a simple model used to compare the two alternatives from a system 

view. Specific limitations made in the model are explained further in Chapter 5. To compensate for  some of these limitations, a sensitivity analysis will be performed. The sensitivity analysis will show  what impact some of the simplifications and assumptions have had on the results.   

Regarding  the  generated  waste  in  Bangkok,  this  will  only  be  considered  as  potential  energy,  the  possibilities regarding recycling will not be evaluated. This could affect both the answers to RQ1 and  RQ2. If recycling was an alternative, this might be more desirable than to use the waste for producing  cooling.  If  recycling  was  performed,  the  amount  of  waste  available  after  recycling  could  decrease  significantly  and  the  content  of  the  waste  available  after  recycling  could  also  change  considerably.  These changes would alter the conditions for both biogas production and waste incineration, which  in  turn  would  affect  the  conditions  for  the  absorption  cooling  in  RQ1.  The  comparison  in  RQ2  will  probably not be affected to the same extent, since RQ2 is a comparison between processes based on  the same input. Although a change in waste content would change the conditions for the processes  in different ways.  

The reasonability and details of distributing absorption cooling in Bangkok will be limited. Bangkok is  a big area and an analysis of the distribution  possibilities and  details is too large to all be  included  since  Bangkok  does  not  have  any  district  heating  or  cooling  networks  at  the  moment.  Since  the  distribution needs to be managed in one way or another, this could affect the answer to RQ1. It is  however  assumed  that  the  distribution  can  be  handled  somehow,  there  are  many  examples  of  densely  populated  cities  that  have  district  heating  or  cooling  and  Bangkok  is  not  considered  to  be  different from these. It is rather a question of how much this would cost, and how complicated the  process would be.   If using CHP production from either waste incineration or biogas combustion, the generated heat will  only be considered as a potential heat source for absorption cooling.       

(17)

2

Method 

To answer the questions at issue and to reach the purpose of this master’s thesis, a series of steps  will  be  taken.  The  first  step  will  be  to  perform  a  literature  study  where  relevant  literature,  articles  and reports  on the subject are read and summarized in a  theoretical frame  of reference. This step  will be preformed to achieve a greater knowledge in the different energy and environmental areas.   The next step will be to research the relevant systems in Bangkok and Thailand, including literature  studies,  observations  and  interviews.  This  work  will  be  performed  at  the  consulting‐firm  Thai  company called Eco Group Co. Ltd. in Bangkok. The results from the research regarding the systems  in Bangkok will be presented as results. The interview methods are further explained in chapter 2.2.   Another step of the process will be to make a model of a system in Bangkok. Based on this model  calculations and/or simulations will be made, in order to determine the effects of using absorption  cooling, and to decide whether waste incineration or biogas production and combustion is the best  option. The method for the model is explained further in chapter 2.1.  When sufficient amounts of material, as well as results from the model, are gathered, this will lead to  results.  The  results  will  be  analyzed  and  discussed,  and  will  finally  result  in  conclusions  and  give  answers to the questions at issue.  

The  project  will  have  a  Swedish  perspective  and  in  the  analysis  part  comparisons  will  be  made  between  the  Swedish  and  Thai  waste  and  energy  systems.  This  is  because  the  idea  for  this  thesis  originates  from  a  Swedish  perspective  and  it  is  important  to  identify  the  differences  between  the  energy systems in the countries. Therefore this perspective will be maintained throughout the work,  especially when investigating the plausibility for the techniques in Thailand. The Swedish perspective  will not be as present in the comparison in the model. The target audience for this report is mainly  Thai citizens. Therefore the Swedish energy systems and waste management will be presented rather  thoroughly, in order to give the reader an understanding for the Swedish perspective.  

2.1 Model  

A model will be constructed in order to compare the GHG emissions and the generated energy from  the  two  different  waste  management  alternatives  suggested.  The  model  will  be  performed  in  MS  Excel  and  the  calculations,  as  well  as  results,  will  be  presented  in  the  thesis.  The  different  waste  management alternatives will share the same in‐parameters and a sensitivity analysis will be made in  order to investigate the parameters dependence.   

2.2 Interviews  

A  part  of  the  investigation  will  involve  personal  interviews.  The  interviews  will  be  considered  as  a  more  precise  source  of  information  regarding  the  areas  where  information  has  been  lacking.  Since  the  report  investigates  different  energy  and  environmental  areas,  the  interviewed  persons  will  be  local  experts  in  these  different  areas.  Therefore,  the  questions  will  be  different  for  each  interview  and  designed  to  achieve  as  precise  information  as  possible.  Before  the  interview,  the  investigated  area will be studied and evaluated.  

During  the  interviews,  one  person  will  be  asking  the  questions  and  another  person  will  be  taking  notes. After the interview the obtained answers will be discussed and evaluated as soon as possible 

(18)

considered as open and there will be no restrictions against attendant questions. Instead, discussions  will  be  welcomed  to  evolve  new  and  interesting  questions  on  the  current  subject.  There  are  no  restrictions for the length of the interviews; the main intention is to achieve answers as extensive as  possible.   

   

(19)

3

Theoretical Frame of Reference 

To be able to present the results of the thesis in a comprehensive way, some background information  is  necessary.  Different  technical  solutions  such  as  combined  heat  and  power,  biogas  production,  waste  incineration,  district  cooling  and  different  cooling  techniques  are  addressed.  Information  regarding different energy systems that are relevant are also included, as well as facts about waste  management systems and the environmental aspects of these different waste management systems.  Regarding  the  different  cooling  techniques  the  absorption  cooling  is  the  most  extensive.  The  theoretical  frame  of  reference  contains  mostly  information  about  the  Swedish  energy  systems,  techniques  and  waste  management,  while  facts  about  the  systems  in  Thailand  are  presented  in  Chapter 4, except for a short introduction of Thailand.   

3.1 Thailand 

Thailand,  previously  Siam,  is  a  country  in  the  southeast  of  Asia.  The  country  is  513 115  km²  and  is  separated into 76 provinces. The nation has 66.1 million inhabitants and the population is expected  to  be  close  to  70  million  in  2050.  The  main  capital,  Bangkok,  has  5.7  million  inhabitants.  (Nationalencyklopedin 2010a) 

Thailand mainly has a tropical monsoonal climate although in the south part, the climate consists of  tropic  rainforest  with  two  rain  seasons.  The  warmest  period  is  between  March  and  April  and  the  yearly average temperature is 24‐30 °C for the entire country. (Nationalencyklopedin 2010a) 

The  currency  in  Thailand  is  Thai  baht  (THB).  The  value  of  the  baht  is  0.223  Swedish  kronor  (SEK).  (Riksbanken 2010) One baht equals 100 satang. The value of the baht in relation to the US dollar is  one dollar equals 31.36 THB. (Thaivisa 2010) These values are valid for 22nd of April 2010 and will be  used throughout the thesis. 

3.2 The Global Warming and the Greenhouse Effect 

The  global  warming  refers  to  the  increased  average  temperature  on  Earth  during  the  last  hundred  years.  One  of  the  most  accepted  explanations  to  this  phenomenon  is  the  emissions  of  greenhouse  gases  made  by  the  humans.  The  greenhouse  effect  is  when  greenhouse  gases,  such  as  carbon  dioxide, methane, dinitrogen oxide and fluorine compounds lay around the Earth and effect the out  flowing  heat  balance.  This  effect  exists  naturally  and  without  it  the  Earth  would  be  about  35  °C  colder. However, the effect has been amplified by the greenhouse gas emissions from the humans,  mainly originating from combustion of fossil fuels. This has led to an increased average temperature  on the Earth. (Miljöportalen 2010) 

3.3 Combined Heat and Power 

Combined heat and power (CHP), also known as co‐generation, refers to the process of simultaneous  production of heat and power. A CHP plant uses the heat that goes to waste when only producing  electricity. The heat produced is used for district heating, industry application or in other ways. When  using  CHP  production,  80‐90%  of  the  energy  content  in  the  fuel  can  be  used  instead  of  only  approximately 50% which is the maximum when only producing electricity in thermal power plants.  (Nationalencyklopedin 2010b) 

(20)

Figure  3‐1  shows  a  schematic  picture  of  a  comparison  between  a  CHP  plant  and  a  power  plant.  It  displays  the  possibilities  to  use  the  heat  from  a  CHP  plant  for  district  heating  and/or  absorption  cooling  through  district  heating  or  other  applications  instead  of  simply  using  a  cooling  tower  to  remove the heat. 

 

Figure 3‐1 ‐ Schematic picture displaying difference between Combined Heat and Power Production and Power 

Production (adapted from Karlsson 2008) 

The traditional type of CHP plant is a steam power station. Gas turbines and a combination of a gas  turbine  and  a  steam  power  station,  a  combination  cycle,  are  also  common.  A  common  way  of  producing  only  power,  i.e.  when  the  heat  is  not  used,  is  through  condensing  power  plants.  (Nationalencyklopedin 2010b)  

The  fuel  type  used  in  CHP  plants  differs  according  to  fuel  access,  boiler  type,  etcetera.  Commonly  used fuels are natural gas, oil, coal, biofuel and municipal solid waste. (Svensk Fjärrvärme 2010a) In  Sweden,  the  municipalities  are  responsible  for  collecting,  transporting  and  treating  the  MSW  generated  in  their  region.  The  municipalities  do  however  charge  for  this  service.  (Nationalencyklopedin 2010c)  

3.3.1 CHP in Sweden 

Since Sweden has a varying climate, the heat demand varies a lot over the year. About 95% of the  heat  produced  in  CHP  plants  is  used  in  district  heating  grids.  (Avfall  Sverige  2009a)  Many  Swedish  CHP plants are run by natural gas or biofuels. (Svensk Fjärrvärme 2009)  

The energy generation in a CHP plant involves energy losses like all energy transformations, although  they  are  not  as  great  as  when  only  producing  electricity.  For  every  two  TWh  of  fuel,  a  standard 

(21)

Swedish CHP plant generates approximately 1.1 TWh of heat and 0.6 TWh of electricity. That means  that the total energy losses are approximately 15%. (ÅF Energi och Miljöfakta 2010a)  

3.4 Waste Management   

All countries in the world generate waste. Waste is classified as material that the owner wants to, or  is responsible to, disposes of. The previous definition is from the Environmental Code in Sweden and  it is the same all over the European Union. (Nationalencyklopedin 2010c) 

There  are  a  several  ways  of  handling  waste.  Elements  such  as  economy,  environmental  awareness  and political management control measures determine the country’s waste management. (Sundberg  2008)  Sweden,  for  example,  follows  the  EU’s  framework  directive  for  waste  handling,  the  waste 

hierarchy. According to this, the waste should be taken care of in the following order; reduce, reuse,  recycle, recover and dispose, as displayed in Figure 3‐2.   

 

 

One way of treating waste is to reuse the energy in the refuse material. This is called waste‐to‐energy  (WTE)  and  waste  incineration  plant  with  heat‐  or/and  electricity  generation  is  one  example  of  this  approach as well as biogas production with combustion. (Sundberg 2008) 

3.4.1 Waste Handling in Sweden 

Since  2002,  there  is  a  ban  against  landfilling  combustible  materials  in  Sweden.    The  ban  was  expanded  in  2005  to  also  include  landfilling  of  organic  waste,  with  some  exceptions.  (Naturvårdsverket 2009a)  

Between the years of 1994‐2006 the number of landfills in Sweden decreased from 300 to 160. This  number  will  continue  to  decrease  in  the  future  due  to  stricter  laws.  (Avfall  Sverige  2009b)  Today  there are about 260 larger waste treatment plants in Sweden where about one hundred of them are  landfills, thirty uses waste combustion with energy and heat recovery and about forty are biological  treatment plants. Figure 10‐1 in Appendix shows the current situation regarding the waste treatment  methods  for  the  Swedish  manufacturing  production.  Figure  3‐3  shows  the  history  for  the  different  treatment  methods  for  the  years  2000‐2008.  (ÅF  Energi  och  Miljöfakta  2010b)  During  2006,  the  amount  of  generated  non‐hazardous  waste  in  Sweden  was  about  121  million  tones.  (Naturvårdsverket 2009b)  

The  ban  against  landfilling  combustible  and  organic  waste  has  led  to  an  increased  amount  of  incinerated  waste  and  an  increased  amount  of  energy  generated  from  the  combustion  process.  In 

(22)

2007,  about  4%  of  the  waste  in  Sweden  was  landfilled.  (ÅF  Energi  och  Miljöfakta  2010d)  Since  the  ban of landfilling organic waste, the biological treatment has increased over the past years. The year  of  2007,  approximately  561  000  tons  of  MSW  was  treated  biologically.  This  number  represented  11.9% of the total amount of treated MSW. (Avfall Sverige 2009c)    Figure 3‐3 – Waste treatment in Sweden distributed on different treatment methods (adapted from ÅF Energi och  Miljöfakta 2010b)  

3.5 Landfills and Open Dumps 

One of the most common ways of handling disposed material is to put it on landfills or open dumps.  There is a difference between sanitary landfilling and open dumping; on an open dump, the waste is  disposed without further treatment. (Encyclopædia Britannica 2010b) Open dumping and landfilling  cause  methane  leakage  into  the  atmosphere  and  can  also  cause  leakage  to  ground  water,  human  diseases, odor and large dioxin emissions due to landfill fires. On sanitary landfills the waste is put in  several thin layers with soil covering the waste layers. All the layers are packed with heavy machinery  to prevent settling, odor and leakage. The possibilities for landfill fires are also minimized when using  sanitary landfilling. (Avfall Sverige 2009d) 

3.6 Waste Incineration 

There  are  mainly  two  different  ways  of  incinerating  waste  material,  grate  firing  and  fluidized  bed  combustion. (ÅF Energi och Miljöfakta 2010c) When using grate firing, the waste is loaded into the  fire and the material is sparked. (Tekniska Verken 2009a) When using fluidized‐bed combustion, the  bed  contains  reactive  or  inert  particles  (a  sand  bed)  which,  together  with  strong  up  flowing  air,  makes  the  bed  behave  like  a  turbulent  fluid.  The  material  is  said  to  be  floating.  (ÅF  Energi  och  Miljöfakta  2010e)  This  type  of  combustion  is  commonly  used  when  having  a  fuel  that  is  of  low  quality, i.e. fuel that is difficult to burn. It is also well adapted for combustion with different waste  materials  and  it  is  sometimes  used  for  combustion  of  coal  and  peat.  (Access  Science  2010a)  Regarding  the  electric  efficiency  of  waste  incineration  plants,  larger  plants  are  more  effective  than  smaller. (Grosso, Motta & Rigamonti 2010)  

Figure 3‐4 shows a simplified example of a waste incineration plant with energy recovery in form of  electricity  generation.  At  (1)  the  waste  is  tipped  into  a  bunker  where  a  crane  picks  it  up  and  transports  the  waste  into  a  hopper  (2).  The  waste  is  then  continuously  loaded  into  the  incinerator  (3).  Inside  the  incinerator,  the  heat  is  used  for  the  boiler  where  the  steamed  water  later  in  the 

(23)

bottom  ash  is  collected  (5)  and  an  electromagnet  is  used  to  separate  the  metal  from  the  ash.  To  clean the flue gases from fine ash, SO₂ and dioxins, the smoke has to pass to a cleaning system with a  scrubber reactor (6). In (7), the gas has to pass through a fine particulate removal system. The gas is  then released through the chimney (8). (BBC NEWS 2010)     Figure 3‐4 – Waste incineration process (BBC NEWS 2006)  3.6.1 Flue Gas Purification and Residuals   When incinerating the waste, there are several toxic pollutions that have to be taken care of before  releasing the gas out in the air. There is a condensation process, in which both gaseous (e.g. sulfur  dioxide, phenol) and stable forms (e.g.. metal dust) of pollutions are separated from the gas. There  are normally two purification processes; one dry and one wet step. (Naturvårdsverket 1993) In the  first step, dry flue gas purification, the process is to separate the dust from the gases. This is done by  letting the gas pass a textile filter.  Before the gas enters the filters, active coal and calk are added so  that heavy metals, dioxins etcetera are captured. The dust is then collected in a special silo. For the  wet  flue  gas  purification  process,  the  chimney  gases  are  washed  with  water.  This  is  made  in  two  cleaning  steps  and  one  heat  recycling  step.  In  these  steps  sulfur,  ammonia,  heavy  metals  and  chlorides are removed and in the last step the heat from the chimney gases is taken care of. After the  cleaning processes, the chimney gas is sent out to the air. (Tekniska Verken 2009b)   When waste is incinerated, there are some residuals left. The slag products, mainly fly ash, soil ash  and non‐burnt material, are transported from the boiler for further recycling or reusing. Metals such  as iron are separated with magnets and are recycled. In Sweden, the slag gravel is used for replacing  natural material in the building sector. There are also toxic residuals that have to be safely landfilled  in special cells. (Naturvårdsverket 1993)  3.6.2 Waste Incineration in Sweden  

The  incineration  plants  in  Sweden  normally  use  different  waste  materials  according  to  supply,  combustion capacity, etcetera. Since Sweden has cold temperatures and a large heat demand during  the  winter,  incineration  plants  with  co‐generation  sometimes  use  different  fuels  during  peak  seasons.  The  most  common  fuel  at  Swedish  waste  incineration  plants  is  household  waste,  approximately 60%.  (Avfall Sverige 2009e) Other rather common materials used for combustion are  industrial waste, construction material, demolished tires and wood residuals. The amount of energy  in one ton of Swedish household waste is about three MWh. (Naturvårdsverket 2010a) For further  information regarding the Swedish composition of MSW, see Figure 10‐2 in Appendix.   

(24)

The  waste  incineration  in  Sweden  contributes  with  20%  of  the  energy  to  the  district  heating  grid.  (Avfall Sverige 2009f) 6% of the electricity consumed in Sweden originates from CHP plants (Svensk  Fjärrvärme 2010b) and 0.3% of the total electrical energy produced in Sweden originates from waste  incineration  (Avfall  Sverige  2009f).  During  2007  13.6  TWh  of  district  heating  and  electricity  were  produced from waste incineration in Sweden. (ÅF Energi och Miljöfakta 2010b) 

3.7 Biogas 

Another way of waste management is biogas production. Biogas consists, like natural gas, mainly of  methane gas but there is a difference in the weight and in the production. Biogas is generated from  organic materials while natural gas is located natural in the earth crust. Since biogas is classified as a  renewable fuel, it can replace the use of fossil fuels. (Svensk Biogas 2010a)   Biogas is a methane rich gas that consists of 55‐75% of methane, 30‐45% of carbon dioxide and 1‐2%  of hydrogen  sulphide.  (Hilkiah et al. 2008) The biogas generation can be divided into  two different  processes  according  to  their  temperature;  mesophilic  (14‐40°  C)  and  thermophilic  (40‐60°  C).  The  mesophilic  processes  is  slower  than  the  thermophilic,  but  instead  it  is  more  stable  and  not  as  sensitive to changes in the surrounding environment. (Nationalencyklopedin 2010d) 

3.7.1 Production 

The  process  of  producing  biogas  can  include  the  following  steps:  Firstly,  the  incoming  organic  material is dispersed in a large tank. After this, the material is heated up to a temperature of 70 °C  during  at  least  one  hour.  This  process  takes  place  in  order  to  eliminate  the  bacteria  in  the  waste.  Next,  the  waste  is  cooled  down  and  after  this  the  material  enters  the  digestion  chamber.  In  the  digestion  chamber  the  temperature  is  approximately  38  °C,  the  process  is  anaerobic  (no  oxygen  is  present)  and  material  will  be  located  here  during  a  period  of  approximately  30  days.  When  the  digestion  process  is  over,  the  biogas  that  has  been  produced  has  a  methane  gas  content  of  approximately 65%, the carbon dioxide content is roughly 35%. If the gas is to be used as vehicle fuel  it  is  upgraded  and  the  carbon  dioxide  is  removed  so  that  the  methane  content  is  around  97%.  Depending  on  the  material  input  for  the  digestion  process,  there  is  a  possibility  to  produce  bio  sludge.  The  bio  sludge  can  favorably  be  used  as  fertilizer.  The  process  of  producing  biogas  is  displayed in Figure 3‐5. (Svensk Biogas 2010b)      Figure 3‐5 – The biogas production steps (Svensk Biogas 2010b)  Dispersing  of  organic  material Heating  step to  remove  bacteria Cooling Digestion Washing  to remove  CO2 97%  methane gas for e.g.  vehicle  fuel Combustion  of biogas

(25)

 

For the digestion process to be optimal the temperature should be kept constant and the pH‐value is  supposed to be little over 7. During an anaerobic biogas digestion process, heat has to be added. This  can  be  compared  with  aerobic  digestion  (i.e.  composting)  where  a  lot  of  heat  is  produced. 

(Bioenergiportalen 2008)  3.7.2 Combustion of Biogas 

To be able to incinerate the biogas that has been produced, the gas firstly has to be dried.  It also has  to be cleaned from corrosive materials and particles. After this, the gas is combusted in a gasturbine  (for  larger  production  scale)  or  in  an  engine  (for  smaller  production  scale).  The  efficiency  of  the  electricity  generation  from  combustion  of  biogas  is  normally  around  30‐40%  (depending  on  the  efficiency in the turbine/engine). The heat produced through the combustion can also be utilized if  heat recovery is used. (Biogasportalen 2009a)  

3.7.3 Biogas in Sweden  

The total biogas production was approximately 1400 GWh during 2008 in Sweden, which was a 12%  increase since 2006. The biggest part of the production is in wastewater treatment plants, but there  are  also  production  from  landfills  and  industrial  facilities.  (Biogasportalen  2008)  In  the  south  of  Sweden, there is a natural gas grid supplying several big cities and at some places, biogas is fed into  this gas grid, replacing natural gas. (Energigas Sverige 2010) The biogas can also be used as vehicle  fuel and it is considered a cleaner fuel compared to both diesel and gasoline. (Svensk Biogas 2010c) 

3.8 Environmental Aspects of Waste Management Techniques  

Regardless  of  the  type  of  waste  management,  there  are  benefits  and  draw  backs  to  all  of  them.  Whether  the  benefits  and  drawbacks  are  economical,  political  or  environmental  the  different  treatment methods have to be evaluated.  

3.8.1 Landfilling and Open Dumping 

As  mentioned  earlier  in  3.5,  one  of  the  most  common  ways  to  treat  waste  is  by  landfills  or  open  dumps.  On  an  organized  landfill,  the  waste  is  covered  with  soil  and  other  material  such  as  mining  waste,  which  also  decrease  the  volume  of  the  waste.  When  covering  the  waste,  this  prevents  settings.  Today,  there  are  a  large  number  of  open  dumps  in  the  world,  especially  in  developing  countries. This is mainly due to the small costs in disposing the waste instead of treating it. When not  covering  the  waste  or  decreasing  the  volume  of  it,  landsliding  is  a  common  risk.  (Avfall  Sverige  2009d)  In  both  landfills  and  open  dumps,  the  different  materials  take  long  time  to  digest.  At  most  landfills and dumps, methane gas generation, as well as carbon dioxide generation, occurs naturally  from the organic waste. When organic waste is digested with oxygen, carbon dioxide is generated,  while digestion of organic material without oxygen present generates methane gas. Both these are  greenhouse  gases.  (ÅF  Energi  och  Miljöfakta  2010d)  The  GHG  generation  can  continue  a  long  time  even  after  the  waste  has  been  landfilled.  (Avfall  Sverige  2009d)  When  using  landfills  or  especially  open  dumps,  there  are  risks  of  landfills  fires.  These  fires  can  occur  when  the  organic  waste  is  decomposing and therefore producing heat that can ignite. There are great risks with these fires. The  waste  contains  several  different  materials  and  the  emissions  from  the  fires  can  be  hazardous.   (Naturvårdsverket 2009c)  

(26)

Even  today,  not  everything  is  known  about  the  effects  regarding  the  emissions  from  landfills  and  open  dumps.  The  waste  materials  at  open  dumps  and  landfills  can  affect  the  ground  water  due  to  stormwater.  The  main  emissions  from  the  stormwater  are  nitrogen,  oxygen  consuming  subjects,  metals and organic environmental toxins such as dioxins. (Naturvårdsverket 2008) The effects from  the  stormwater  can  however  somewhat  be  controlled  by  using  physical  barriers  and  regularly  controls. (ÅF  Energi och  Miljöfakta 2010d) There are several heavy metals involved at open dumps  and landfills. An investigation including tests on samples from the Thai Nonthaburi dumpsite showed  that  the  three  most  common  heavy  metals  in  the  waste  were  zinc,  copper  and  manganese.  (Prechthai,  Parkpian  &  Visvanathan  2008)  Prechthai,  Parkpian  &  Visvanathan  (2008)  also  conclude  that it is necessary to focus on removing heavy metals from the leachate. 

3.8.2 Waste Incineration  

When incinerating waste in facilities with flue gas purification systems, the emissions are controlled  and the dioxin emissions are much smaller than from landfills. (ÅF Energi och Miljöfakta 2010a) Since  1980’s,  the  dioxin  emissions  from  waste  incineration  has  decreased  with  99%  and  today  the  emissions to air from waste incineration is about 0.8 g/year. (Naturvårdsverket 2009d) When using  waste incineration, the volume of the waste is also decreased, normally by 90‐95%. (ÅF Energi och  Miljöfakta 2010a)  In the chimney gases from the waste incineration, several heavy metals are involved, e.g. mercury,  zinc and cadmium. There are other non‐organic materials such as hydrogen chloride and hydrochloric  acid in the gases as well. Today, all Swedish waste incineration stations are supplied with  effective  cleaning system to decrease the emissions. Due to this, the total amount of emissions from the waste  incineration has decreased although the incineration has increased. (ÅF Energi och Miljöfakta 2010f)   Most ashes from biofuels contain important minerals and nutrients and it is therefore important to  restore  the  ashes  to  the  forest.  All  biofuels  contain  metals  since  plants  absorb  metals  from  the  ground.  Most  of  these  metals  stay  in  the  ashes  after  incineration  and  are  therefore  a  risk  for  ecosystems when the ash is restored to the forest. (ÅF Energi och Miljöfakta 2010g)  

Waste  incineration  is  not  a  step  against  reducing  the  production  of  waste.  Instead,  it  is  by  some,  considered as a shortcut for minimizing the waste and that it acts like a barrier, neglecting recycling.  (Greenpeace 2005) There are also some concerns regarding the possibility of developing cancer from  the chimney gases. (BBC NEWS 2010) 

3.8.3 Biogas 

Biogas  can  be  considered  as  waste‐to‐energy  since  the  organic  part  of  the  municipal  solid  waste  is  used as feedstock for the production. This leads to reduced waste volumes on landfills. Biogas does  not contain as many particles as fossil fuels. (Svensk Biogas 2010c) 

Methane is about 23 times stronger as a GHG, compared to carbon dioxide. The methane transforms  into carbon  dioxide  during combustion. (EPA 2010) The carbon dioxide  that is generated when  the  biogas  is  incinerated  does  not  affect  the  climate  changes,  it  is  said  to  be  carbon  dioxide  neutral.  (Biogasportalen  2009b)  This  means  that  there  is  no  net  contribution  of  carbon  dioxide  to  the  atmosphere. When carbon dioxide is released by combustion, this is later added to the plants in the  photosynthesis, resulting in growth of new biomass. (Nationalencyklopedin 2010e) 

(27)

The fertilizer from the biogas production is of high quality. The nutrients are not lost in the process  since the digestion process takes place in closed facilities. When using the fertilizer from the biogas  production, this reduces the need for commercial fertilizers. (Svensk Biogas 2010c)  As mentioned with waste incineration, biogas production from MSW also has a drawback regarding  the fact that it does not prevent the waste generation.  

3.9 District Heating and Cooling 

District  cooling  as  well  as  district  heating,  are  ways  to  supply  heating  or  cooling.  As  the  name  indicates the production of heating or cooling does not take place at the same location as it is used.  Instead  of  using  smaller  heat  or  cold  producing  machines,  the  production  is  centralized.  Environmental benefits are achieved since it is more efficient to produce heating and/or cooling at  one bigger and better adapted facility, instead of at several smaller ones. There are advantages of a  more practical nature for the end users as well: there is no noise, no dripping and no maintenance is  required. The use of district cooling frees spaces as well. (Svensk Fjärrvärme 2005b)  The first district heating system in the world started running in USA in 1877. This system was based  on distribution of steam. In Europe it took until 1900 before the first district heating system was built  in  Germany.  At  present,  district  heating  exists  in  most  countries  where  there  is  a  need  for  heat.  (Werner & Fredriksen 1993) 

The district cooling systems appeared later than the district heating systems. One of the first district  cooling systems was taken into operation in 1962 in USA, while the first to use it in Europe were the  French, in 1967. The first Swedish system was in place in 1992 in Västerås. (Svensk Fjärrvärme 2002)  In  Sweden,  district  heating  is  more  common  than  district  cooling.  District  heating  provides  approximatley half of the heated buildings and premises in Sweden. However, the need for district  cooling is also growing. This increased demand is believed to be a result of higher demands of indoor  comfort,  as  well  as  the  prohibition  of  some  of  the  most  common  refrigerants.  Nevertheless,  the  world’s  energy  usage  for  producing  cold  is  greater  than  the  usage  for  producing  heat.  (Svensk  Fjärrvärme 2005a) & (Svensk Fjärrvärme 2005b) 

For both district heating and district cooling, water is often used to transport the heating or cooling.  The transportation is via pipelines. (Svensk Fjärrvärme 2005a) District heating can however also be  hot steam, delivered to for instance industries that use steam in their processes.  (Svensk Fjärrvärme  2003)  District  cooling  recipients  can  be  residential  buildings,  hospitals,  industries,  offices  etcetera.  The cooled water that is distributed is used to chill the air that is circulating in the room. The water is  returned to the production facilities afterwards to be cooled once again. (Svensk Fjärrvärme 2005a)  Cooling of the water for district cooling can be achieved in three different ways:   • Free cooling  • Absorption cooling  • Compression cooling  If free cooling is used, this means that naturally cold sources are used, such as water from lakes or  rivers.  Absorption  cooling  is  a  technique  that  is  powered  by  heat.  The  heat  can  be  hot  water  or 

(28)

steam,  a  common  alternative  in  Sweden  is  to  use  hot  water  from  a  district  heating  system.  Compression cooling uses electricity as source of energy. (Svensk Fjärrvärme 2005a) 

Regarding  heating,  district  heating  gives  the  user  more  freedom  compared  to  having  a  boiler  and  being dependent on one single source of energy. (Svensk Fjärrvärme 2009) 

3.10 Compression Cooling  

The  second  law  of  thermodynamics  state  that  heat  cannot  by  itself  move  from  a  body  or  location  with low temperature, to a body or location with high temperature. So to achieve cooling, power of  some  kind  is  needed,  which  can  be  high  temperature  heat  or  electrical  energy.  (Nationalencyklopedin 2010f) To refrigerate is by definition “the process of removing heat from an  enclosed space or from a substance for the purpose of lowering the temperature”. In other words,  the goal is to achieve a lower temperature than that of the surrounding environment. (Encyclopædia  Britannica 2010a)  

A  compressor‐driven  cooling  machine  (CCM)  normally  refers  to  the  use  of  the  vapor‐compression  refrigeration  cycle.  This  is  the  most  commonly  used  working  cycle  for  cooling  facilities.  The  same  cycle is used for heat pumps, but when heat is desired the warm side (the condenser) is used instead  of  the  cold  side  (the  evaporator).  The  vapor‐compression  refrigeration  cycle  is  a  closed  system  in  which  a  refrigerant  (the  working  medium)  circulates.  The  refrigerant  is  alternating  between  liquid  and gas form in the four steps of the cycle: 

• The  compressor  in  which  the  refrigerant  is  compressed  isentropically  (constant  entropy)  from  saturated  vapor  to  superheated  vapor.  The  refrigerant  has  a  temperature  high  above  the surrounding temperature. 

• The condenser, where the refrigerant releases heat to the surroundings and transforms into  saturated  liquid.  The  temperature  of  the  refrigerant  is  still  higher  than  the  surrounding  temperature. 

• The expansion valve, where the pressure drops and therefore also the temperature of the  refrigerant, which is now lower than the temperature of the surrounding environment.  • The  evaporator,  in  which  the  refrigerant  evaporates  by  absorbing  heat  from  the  cooled 

space. The refrigerant enters as a saturated mixture and leaves as saturated vapor.  

After the evaporator the refrigerant enters the compressor again, and the cycle is complete. (Cengel  & Turner 2004) 

Common refrigerants that have been used for long times are called CFCs (chlorofluorocarbons) and  HCFCs (hydrochlorofluorocarbons). These are being phased out however, since the chlorine depletes  Earth's  stratospheric  ozone  layer.  (Access  Science  2010b)  For  industrial  applications,  ammonia  and  Freon‐22  are  the  most  commonly  used  refrigerants.  Freon‐11  and  Freon‐12  are  mostly  used  in  air  conditioning units. Freon was more common earlier in e.g. refrigerators, but today it is forbidden to  apply  in  new  systems.  (Nationalencyklopedin  2010g)  In  refrigerant  systems,  ammonia  is  commonly  used  due  to  its  high  vaporization  heat.  Ammonia  is  hazardous  and  poison  in  larger  volumes.  (Nationalencyklopedin 2010h)  

(29)

3.11 Absorption Cooling 

Absorption cooling has become more popular lately but the technique is actually quite old. Already  during  the  19th  century  patents  were  granted  and  around  150  years  ago  the  development  started.  (Rydstrand, Martin & Westermark 2004)   

The  absorption  chilling  machine  (ACM)  works  according  to  the  same  principle  as  the  compression  cooling machine, but with some alternations. The essential difference is that instead of an electrical  compressor,  absorption  cooling  utilizes  a  generator  and  an  absorber,  i.e.  a  thermal  compressor.  (Energy Solutions Center 2010) 

The  other  big  difference  is  that  the  absorption  cooling  process  uses  two  working  mediums  for  the  process,  a  refrigerant  combined  with  an  absorbent.  Normal  working  medium  combinations  are  lithium bromide/water or water/ammonia. In the lithium bromide combination the lithium bromide  works as absorbent and the water as refrigerant while in water/ammonia solution, the water is the  absorbent  and  the  ammonia  is  the  refrigerant.  The  absorption  cooling  process  consists  of  the  following  steps  (here  with  the  example  of  lithium  bromide/water  as  working  couple):  (Zinko  et  al.  2004) 

• The  absorber,  in  which  water  steam  from  the  evaporator  and  concentrated  absorbent,  lithium  bromide,  are  mixed.  The  lithium  bromide  absorbs  the  steam  and  a  low  pressure  is  achieved. This also releases heat that needs to be cooled off to maintain the low pressure.  When the lithium bromide cannot absorb any more water, it is pumped to: 

• The generator, where heat in some form is added, which vaporizes the water, and therefore  the  lithium  bromide  and  the  water  are  separated  again.  On  its  way  to  the  generator,  the  solution also passes a heat‐exchanger, in order to decrease the amount of heat that needs to  be added in the generator. The separated absorbent is fed via the heat exchanger as well as  an expansion valve, back to the absorber. The water steam, on the other hand, is fed to:  • The condenser, where heat is removed from the vaporized refrigerant and condenses. The  condensed refrigerant is afterwards passed on via an expansion valve, to:  • The evaporator, where the pressure and temperature is low enough for the refrigerant to  vaporize  through  absorbing  heat  from  the  cooled  space.  This  is  where  the  actual  desired  cooling occurs. The water, in the form of steam, is passed on to the absorber and the cycle is  complete.  

 (Zinko et al. 2004) 

(30)

  Figure 3‐6 ‐ Schedule displaying compression cooling and absorption cooling (adapted from Martin, Setterwall &  Andersson 2005)  3.11.1 Distribution  When using absorption cooling to satisfy a cooling demand this can be done in different ways. One  option is to have the ACM placed at the premises of the heat producing company, and the cold water  is  distributed  to  the  customer  from  there.  This  is  district  cooling.  The  other  alternative  is  that  the  absorption  cooling  machine  is  placed  closer  to  the  customer,  and  the  hot  water  is  delivered  there  through district heating pipes. The cold water is afterwards transported from there to the customer.  This  alternative  is  referred  to  as  district  heat  driven  cooling  machine.  District  heat  driven  cooling  machines  are  suitable  when  there  is  an  existing  district  heating  system,  which  is  the  case  in  e.g.  Sweden.  District  cooling  is  more  common  the  USA  and  Japan  while  district  heat  driven  cooling  machines occurs more in Europe. (Rydstrand, Martin & Westermark 2004) 

3.11.2 The Absorption Cooling Machine 

There  are  a  number  of  different  absorption  cooling  machines  that  require  driving  temperatures  within  certain  intervals  and  they  also  provide  different  efficiencies.  Here,  the  conventional  single‐  and double‐effect will be presented, as well as the low temperature driven semi‐effect ACM.   The conventional absorption cooling machines require a heat source with temperatures from 120°C  for a single‐effect (SE) ACM up to 170°C for a double effect (DE) ACM. The efficiency of the energy  use for the absorption chiller can be calculated as the relation between the cooling effect of the cold  water and the added driving effect. This relation is called the Coefficient of Performance (COP).  The  COP of a single‐step water/lithium bromide absorption cooling machine is approximately 0.7 or 0.8,  while for a double‐effect  the COP  can  be 1.2.  The  main application of the  conventional ACMs is to  place  them  next  to  e.g.  production  facilities  where  waste  heat  of  high  temperature  is  available.  If 

(31)

these conventional ACM are used with district heating as heat source, this gives a lower COP due to  lower temperature of the district heating. (Zinko et al. 2004)  

The  SE  ACM  works  in  two  different  pressure  levels,  while  the  DE  ACM  works  in  three  different  pressure levels. The SE‐machine has a high pressure level in the generator and condenser, and a low  pressure  level  in  the  evaporator  and  absorber.  For  the  DE‐machine  an  additional  pressure  level  is  added, named a high‐pressure generator and a high‐pressure condenser. The heat that is emitted in  the  high‐pressure  condenser  can  be  reused  in  the  low‐pressure  generator.  The  result  is  that  more  heat  can  be  absorbed  in  the  evaporator  with  the  same  amount  of  added  heat.  Due  to  the  three  pressure levels in a double‐effect machine this is more advanced than a single‐effect one since more  pumps and heat‐exchangers are needed. On the other hand, if a cooling tower is needed as a heat  sink, the installed cooling tower capacity per cooling effect is less for a double‐effect ACM than for  single‐effect.  This  brings  the  price  level  of  the  DE‐ACM  closer  to  the  SE‐ACM,  although  the  DE  is  normally more expensive.  (Rydstrand, Martin & Westermark 2004)  There are ACMs that can be powered by low temperature heat (70‐90°C), for example district heat  water. This ACM is called a semi‐step (SS) ACM. The principle for this is the same as the DE‐ACM but  without the internal heat exchange. The SS‐ACM has two generators, two absorbers, one condenser  and one evaporator. The two generators is the reason to why driving heat within a larger interval can  be used. As a result of this, larger heat exchange areas are needed, and possibly more pumps, which  increases the price of the machine. The expected COP for a machine like this is 0,7. The interest for  the low temperature heat driven ACM has increased in many parts of the world where there is access  to  low  temperature  heat  like  solar  heat,  earth  heat,  heat  from  CHP  production  or  from  waste  incineration.  (Rydstrand,  Martin  &  Westermark  2004)  The  estimated  characteristics  for  the  three  mentioned ACMs can be viewed in Table 3‐1 below.  

Table 3‐1 – Estimated characteristics for different ACMs (Rydstrand, Martin, Westermark 2004) 

Type of ACM  COPelectricity  Required temperature [°C]

Single Effect (SE)  0.7  120  Double Effect (DE)  1.2  150‐170  Semi Step (SS)  0.7  > 65    The investment cost for an ACM is higher than for a CCM. However, the overall cost for the ACM can  be decreased by at least 50% by placing the absorption cooling nearby a natural heat sink, e.g. a lake.  This  is  compared  to  the  alternative  where  cooling  towers  are  needed.  (Martin,  Setterwall  &  Andersson 2005) According to Zinko et al. (2004) the cooling effect and thereby the investment cost  is a function of the temperature of the heat used in the ACM. Zinko et al. (2004) also states that it is a  matter  of  a  system  optimization  with  the  parameters  heat,  cooling  and  electrical  power,  and  the  price differences among these. 

For  the  ACM  to  be  economically  profitable,  there  has  to  be  a  thermodynamic  difference,  a  factor  between the electricity price and the heat price of about 2.5‐3. The biggest usage possibility can be  found when the driving heat originates from facilities with waste heat or from CHP plants where the  heat is considered as a byproduct from the electricity production. (Zinko et al. 2004)   

(32)

3.12 Efficiency of ACM Compared to CCM 

As  mentioned  before  the  single‐effect  ACM  has  a  COP  of  approximately  0.8.  The  COP  for  a  CCM  is  higher,  as  high  as  4.5  for  a  large  scale  water  cooled  chillers,  while  2‐4  is  common  in  Europe  for  smaller CCMs. The COP value for the ACM is however based on heat as power source, while for the  CCM  the  value  is  based  on  electricity  as  source  of  power.  Due  do  this,  absorption  cooling  is  often  considered  to  be  an  inefficient  way  to  produce  cooling.  Rydstrand,  Martin  &  Westermark  (2004)  explains why this is approach is inaccurate. The efficiency of a thermodynamic process can be valued  with an ideal Carnot‐process as a reference. What Rydstrand, Martin & Westermark (2004) refers to  as  the  Carnot‐factor  is  the  efficiency  of  a  process,  divided  by  the  efficiency  of  a  Carnot‐process  working with the same internal temperatures. (Rydstrand, Martin & Westermark 2004) 

The  Carnot‐factor  does,  per  definition,  equal  one  for  an  ideal  process.  For  expansion  in  a  steam  turbine the Carnot‐factor is normally between 0.5 and 0.7, where 0.7 is for a very large steam turbine  (e.g. condense power plant) and 0.5 for an average sized CHP plant. For a compressor driven cooling  machine the Carnot‐factor is also around 0.5‐0.7 depending on size and efficiency. Consequently, the  Carnot‐factor  for  producing  cooling  with  a  compression  cooling  machine  that  is  run  of  electricity  from a steam turbine, the total Carnot‐factor is 0.25‐0.5. Regarding an absorption cooling machine,  the Carnot‐factor is 0.7 when no consideration is taken to external heat transfer. The conclusion is  that  cooling  produced  with  an  ACM  is  a  thermodynamic  shortcut  compared  to  first  generating  electricity in a steam turbine and afterwards using the electricity to produce cooling with a CCM. The  Carnot‐factor for absorption cooling is in comparison approximately twice as big as for compression  cooling. Figure 3‐7 shows this comparison. (Rydstrand, Martin & Westermark 2004) 

References

Related documents

A series of batch experiments with different initial feed concentrations (0, 1, 2, 5 and I 0%) of the leachate from the apple residues are carried out to find the total

I also conclude that in order to reach a sustainable development within the waste sector in Mutomo there has to be an improvement in the collaboration between the County Council of

A second aim was to study the association between SASI and risk factors such as sociodemographic factors, sexual orientation, voluntary and risk-taking sexual behaviors,

Däremot anger speciallärarna att de själva är en möjlighet att göra lärmiljöer tillgängliga och att de behöver kompetensutveckling i form av handledning för att kunna

The waste generated from household is collected by the city council once or twice per week, and the collected waste is transported to the landfill for disposal without

An AE was categorized, as recommended in the Swedish National Manual for Record Review, according to type in 9 main groups; hospital-acquired infection, surgical and other

The study lead to the conclusion that the build process required to build applications in VISIARC:s framework for cross-platform mobile application development can be automated

Att deltagarna uttrycker att grannar och andra personer ser ner på dem för att de inte har ett arbete något som stämmer med vad Jönsson (2003) fått fram i sin studie av