Decentralised mini-grids based on renewable energy - Case Study: Svalbard

Group work, NorRen Summer School, by
Sara Ghaem Sigarchian, PhD candidate at KTH Royal Institute of Technology, Sweden
Chiara Bordin, PhD candidate University of Bologna, Italy
Dr. Gideon Goldwine, Ben-Gurion University, Israel
Fabio Buonsanti, Head of Operations Norway at Aega AS, Norway
Georgios Fytianos, PhD candidate at NTNU, Norway

What we would like to focus on is something that could be considered a bridge between policy and science section, and something that lies on the edge of this summer school and that reflects both our interdisciplinary backgrounds and the interdisciplinary nature of the research institutes to which we belong to.

Svalbard is the vastest and northernmost wild area in Western Europe, that sixty percent of the archipelago is glacier and it is a paradise for rare species of seabirds.

As a country with well-established traditions in environmental and climate research, it was highly surprising to learn about the controversial choice of Norway to encourage a coal enterprise on Svalbard.

Smart Campus project

By participants at the NorRen Summer School 2014
Professor Paul Borza, Professor at Transilvania University of Brasov, Romania
Professor Gady Golan, President at Hermelin Academic College of Engineering, Israel
Kaveri Bhuyan, Researcher at SINTEF, Norway
Vasco Gomes, Researcher at Transylvania University Brasov, Romania
Mohammad Ostadi, PhD candidate at NTNU, Norway, and
Nuno Amaro, PhD candidate at University in Lisbon, Portugal

Smart Grids are the electric grids of the future. 

Although everyone in science and technology knows the term, there is not yet a clear definition for it. To help people understand the methodologies involved, our group decided to create a little example of a smart grid. 

The created project was named Smart Campus. The idea is to establish a micro grid system, operating as an energetic island, in a Smart Grid context. The campus consists of 5 departments/buildings which can be seen as grid users. 

 

The main goals of this project include:

1. Creation of a self-sustained self-managed energy system;
2. To demonstrate a holistic energy efficient system;
3. To generate consumption and tariff patterns for optimization of energy efficiency;
4. Consumer and government education by increasing customer awareness;
5. Dissemination and deployment of the Smart Grid concept;
6. Building a knowledge base of the smart grid consumers behavior;
7. Connecting to the distribution network and other micro grids.

Like any faculty campus, this one is connected to the power grid. However, it will only buy energy from the grid as a last resource, since it has its own power sources. The considered power sources are: solar panels, wind turbines, a micro hydro generator, and a diesel generator. Since one of the main issues in existing electric grids is related to energy storage, this campus will also have a storage system consisting of batteries (for medium term storage) and flywheels acting as fast energy stabilizers to assure the continuity of the electric system in case of a fault.

To measure spent energy and to be able to optimize energy consumption it is necessary to add intelligent devices such as smart meters and smart energy counters. The considered consumers for this scenario are comprised of departments and neighboring micro-grids which are faculties. This brings up the possibility to not only use generated energy in the campus, but also to trade it with neighbors.

Smart Grids – What’s in it for me?

By
Gabriela Pena, Royal Institute of Technology, Sweden
Orna Raviv, University of Haifa, Israel
Ofira Ayalon, University of Haifa, Israel
Peter Hall, University of Sheffield, UK
Rikke Stoud Platou, Norwegian University of Science and Technology, Norway
Shiyu Yan Norwegian school of economics - Norway
Zvi Baum, University of Haifa - Israel

Although there is universally accepted definition of what smart grids will be, they may be broadly regarded as a collection of energy generation, distribution, storage, communication and usage technologies that will allow consumers to flexibly access a wide range of energy services. They will allow greater freedom of energy usage, will allow consumers to become producers and the emergence of new generators plus many other benefits. Above all Smart Grids will allow citizens and communities to play a truly democratic role in the energy market.

Source: http://www.offshorewind.biz/2012/06/21/germany-siemens-tests-smart-grid/

How to light up rural Bangladesh: Renewable energy mini-grid solution for villages

By
Katherine Inzani, PhD student, Department of Materials Science and Engineering, Norwegian University of Science and Technology

Ershad Ullah Khan, PhD student, Department of Energy Technology, KTH Royal Institute of Technology, Sweden
Duong Le, Postdoctoral Researcher, Department of Energy, Politecnico di Milano, Italy​ 
Nhi Nguyen, PhD student, Department of Energy, Politecnico di Milano, Italy
Livingstone Senyonga, PhD student, NMBU School of Economics and Business, Norwegian University of Life Sciences

Bangladesh in 2014: three quarters of rural villages are in darkness with no clean fuel for cooking. Kerosene lanterns and hurricane lamps light up the darkening sky and generate black carbon. People cook their meals by firewood in open traditional stoves. Women and children face dangerous health problems. Business and studies end at dusk. Sustainable access to electricity for the 100 million of the population that are not connected to the national grid is a huge challenge but will give widespread benefits. Here we present a model for electrification of a typical village in Bangladesh, and show that it is feasible, with some initial funding, to utilize local resources for electricity and clean cooking fuel in a sustainable way. This in turn will support social services such as healthcare and schools, and encourage development of local businesses and entrepreneurship.

Mini-grid configuration

Electricity is a pre-requisite for technological development and economic growth of a nation. Around 30% of people in Bangladesh earn below $2 per day. Countries that are lower in per capita energy consumption have low adult literacy rates, life expectancies and education index. In remote areas of Bangladesh especially in the rural and hilly regions, the health, education and communication system are in deteriorating condition because of the unavailability of electricity. In this context, energy deficiency is one of the main barriers to poverty alleviation, industrial and economic advancement, empowerment, and rural development. 

A typical village is Sherpur, located on the bank of the river Jamuna. The village consists of 219 households with an average of five family members. It is unlikely that the village will be connected to the national grid in the next 25 years. The main livelihood is agriculture and the lifestyle is simple, not requiring large amounts of electricity for dramatic improvement. Electricity for lighting, cooling, TV, radio and IT alone would bring enormous benefits, facilitating better learning conditions in schools, with longer study hours and PC-based learning made possible, as well as benefiting business and improving communication and healthcare. TV, lighting and productive uses in community centers enhances social life and may foster community based development. Risk of fire from kerosene lamps and candles would be significantly reduced. Energy security would no longer be related to the availability of diesel and kerosene.

Energy resources from a hybrid system

The electricity and cooking fuel needs of the village can be provided by a hybrid system of photovoltaics, an anaerobic biomass digester and a small-scale gas engine.
 

Solar PV systems utilize semiconductor-based materials (solar cells) which directly convert solar energy into electricity. Solar PV systems have many attractive features, including modularity, no fuel requirements, zero emissions, no noise and no need for national grid connection.

In a biomass digester, agricultural residues (biomass) are converted into a combustible gas in a high temperature digester, and the gas is cleaned to remove tars and particulates before being stored in a large tank. From the storage tank, clean gas is partly provided through a piping network to the individual households in the village for cooking using gas stoves. Reduced deforestation, health benefits and hygiene improvement through waste disposal are considerable benefits of using the anaerobic digester. This gas is also provided to an internal combustion engine-generator to generate electricity along with the PV solar.

Energigjenvinning av avløpsvann

Av Tor Haakon Bakken, PhD-student ved CEDREN

Anslag fra NVE, Vestlandsforskning, SSB antyder at 10-20 % av energiforbruket i en vanlig norsk husholdning går til oppvarming av vann i varmtvannsbereder, og ytterligere energi går til oppvarming av vann i vaskemaskin, oppvaskmaskin og i forbindelse med matlaging. Det totale energiforbruket til oppvarming av vann kan anslagsvis være 25 % av det totale energiforbruket (som regel elektrisitet) og internasjonale anslag ligger prosentvis enda høyere. Det aller meste av dette vannet sendes rett i sluket og ut på det kommunale avløpsnettet med mye gjenværende energi (i form av varme).

Ideen går ut på å ta vare på denne varmen i avløpsvannet og bruke denne til ny oppvarming av rent vann, evt. til oppvarming av rom i hus. Ideen er å utvikle et system som automatisk skiller varmt fra kaldt vann i avløpssystemet i huset, dvs. før vannet slippes ut på stikkledning og ‘tappe’ energien i det varme vannet gjennom (for eksempel til oppvarming av varmtvannsbereder eller rom) før det avkjølte vannet slippes tilbake til avløpsledningen og ut sammen med det kalde vannet. En realisering av ideen kan være å installere en sensor høyt opp i de av rørene som frakter varmt og kaldt vann for å detektere temperaturen i vannet. Når vannet holder en temperatur som er høyere enn en bestemt grenseverdi ledes vannet inn i et eget rør hvor vannet midlertidig sluses inn i et separat system hvor varmen i vannet tappes. Energien i det varme vannet kan for eksempel brukes til å varme opp varmtvannsbereder. Den kan benyttes en varmeveksler, være direkte kontakt mellom varme/kalde overflater eller lignende. Når vannet er tappet for varme ledes vannet tilbake til avløpsledningen der det kalde vannet renner ut av huset og ute i gata sammen med det andre avløpsvannet. Varme gjenvinnes dermed internt i huset før det slippes ut sammen med annet avløpsvann/gråvann. 

Det later til å være flere mer eller mindre ferdige tekniske konsepter som kan anvendes til dette, og min vurdering er at det er ikke behov for krevende teknisk utvikling for å realisere konseptet. Det finnes blant annet piloter i Hamburg, det er gjort forskning i Nederland og Husbanken har faktisk beskrevet et konsept som virker mer eller mindre klar til anvendelse, med noen forskjeller fra hva jeg tenker. 

I en innovasjonssammenheng er det imidlertid interessant å spørre seg hvorfor dette ikke i større grad er tatt i bruk og det er kanskje der arbeidet burde gå videre. Spørsmål som bør stilles er hvorvidt det er økonomiske eller institusjonelle barrierer som stenger for anvendelsen. Er rammevilkårene gode nok, eller ville en subsidiering på lik linje med den støttet ny el-produksjon (ref. grønne sertifikater) får gjøre at varmegjenvinning vil "av seg selv" og komme i anvendelse? Finnes det en leverandørindustri som er klar? Slike spørsmål bør besvares for å berede grunnen for «det neste store ENØK-tiltak i norske boliger».

Tor Haakon Bakken

Vi i Morpho Solar er en spinoff-bedrift fra NTNU sin entreprenørskole som utvikler innovative varmelagre for solkjøkken. Teknologien vi har muliggjør lagring av solvarme i flere timer.

Solkjøkken er nytt i Norge, men er allerede kjent i USA og en rekke land i Asia og Afrika. Solkjøkken er en slags blanding av en utegrill og et stormkjøkken, men varmen kommer direkte fra solen. Solstråler blir konsentrert ved hjelp av speil, og varmen kan brukes direkte til matlaging. Vi utvikler et termisk varmelager som stabiliserer solkjøkken og gjør det mulig å også bruke solkjøkken på kvelden og når det skyer over.

 

Olje- og energiministeren delte ut Grønn Fases energipris

Under avslutningen av årets NorRen (Norsk sommerskole for fornybar energi), delte Olje- og energiminister Tord Lien ut tankesmias energipris for 2014. Prisen ble i år delt ut for tredje gang, og denne gangen til to vinnere, som hver mottok 50 000 kroner.

Årets ene vinner er Even H. Larsen og Guro G. Seim, masterstudenter ved NTNUs entreprenørskole, som sammen utgjør studentbedriften MorphoSolar. De har utviklet en solgrill, som allerede er på kommersialiseringsstadiet, samtidig som de jobber med å utvikle prototyper. Mer informasjon om prosjektet deres postes her i løpet av kort tid.

Den andre vinneren er Tor Haakon Bakken, PhD-student ved CEDREN, og forsker ved SINTEF. Han mottok prisen for sin idé om å utnytte energien fra varmtvann i bygninger.

I sin tale vektla ministeren viktigheten av forskning og utvikling, og arbeid for å skaffe ny kunnskap for å løse klimautfordringen. Han roste deltakerne både ved sommerskolen og i konkurransen, for deres sterke engasjement for en svært viktig sak. "Regjeringen har høye ambisjoner for Norge som kunnskapsnasjon. Forskning og utvikling er fundamentelt for å utvikle kunnskap og teknologi som kan bringe verden i riktig retning - også på fornybar-feltet. Grønn Fases energipris har en viktig rolle når det gjelder å motivere studenter og PhD-kandidater til å realisere ideer og ta kreative idéer på feltet videre."

Lykkelige vinnere Even H. Larsen (t.v.) og Tor Haakon Bakken gratuleres av olje- og energiminister Tord Lien.

Om vinnerne sier juryen: