Cuba has a long history of different dependencies and is a country facing many energy challenges, and therefore seeks to diversify its energy sources and reduce its reliance on fossil fuels. The purpose of this degree project is therefore to conceptualize a microgrid based on renewable energy sources for local energy sustainability at the lowest cost possible. For this purpose, the sugar mill Carlos Baliño and its surrounding community, in Villa Clara, Cuba is used for a case study. The currently existing electricity generation at Carlos Baliño is tied to the steam needed to run the sugar production process, which is generated with a back-pressure steam engine. This thesis evaluates the possibility to extend the system including a condensing extraction steam turbine connected to a new generator, solar PV, and wind power by developing and comparing three scenarios for the future. The BASE scenario is the business as-usual case including no changes, the PLAN scenario is based on the plans of installing a 1 MW solar PV power plants, and the APT scenario includes all possible technologies to be part of the system. For all scenarios, the different microgrid configuration were evaluated based on the following key performance indicators; CAPEX, NPV, IRR and DPP of the microgrid, share of electricity supplied from the grid and lastly the emission reduction rate compared to the current system in Carlos Baliño. In addition to the technical, economic, and social perspective, the results are evaluated in relation to the national context and goals. Evolution of microgrids is significant to develop more sustainable power systems. The key advantages of this microgrid solution include reduced greenhouse gas emissions, increased energy independence, and improved resilience in the electricity supply. By utilizing bagasse and renewable energy sources like solar PV and wind, Cuba can reduce its dependence on imported fossil fuels, leading to lower carbon emissions and contributing to global climate change mitigation efforts. Moreover, the integration of bagasse-based cogeneration plants enhances the country's energy resilience by diversifying the energy mix and reducing vulnerability to external energy shocks. The distributed nature of microgrids enables local communities to generate their own clean energy, fostering self-sufficiency and socioeconomic empowerment. The results show negative NPV for the BASE and PLAN scenarios. When including a Condensing Extraction Steam Turbine generator, the electricity supplied from the grid decreases from 30 to 11% for the BASE scenario and even more for the PLAN. Additionally, for the PLAN scenario, the 1 MW solar PV investment in isolation generates a positive NPV of 2.67 million USD indicating a good investment even though the whole system shows infeasibility and should increase the solar PV installation size to become profitable. Lastly, for the APT scenario, the NPV is 59.8 million USD, with an IRR of 11% and payback time of 7 years showing a good investment. However, with a high CAPEX of 41.3 million USD. The emission reduction rate is as high as 92%. Furthermore, a sensitivity analysis is performed to address the uncertainty in different cost parameters affecting the results of the study. And the result shows that the system NPV is most sensitive to the change in cost in bagasse fuel price. In conclusion, the integrated microgrid solution with solar PV and bagasse represents a sustainable and resilient energy option for Carlos Baliño and Cuba in general. By capitalizing on its solar potential and utilizing bagasse as a local biomass resource, Cuba can achieve a greener and more reliable energy system while promoting rural development and reducing carbon footprint. This solution can serve as a blueprint for other regions in Cuba and the Caribbean with similar energy challenges seeking to transition to renewable energy and achieve energy security. / Kuba har en lång historia av olika beroenden och är ett land som står inför många energiutmaningar, och försöker därför diversifiera sina energikällor och minska sitt beroende av fossila bränslen. Syftet med detta examensarbete är därför att konceptualisera ett mikronät baserat på förnybara energikällor för lokal energihållbarhet till längsta möjliga kostnad. För detta ändamål genomförs en fallstudie av sockerfabriken Carlos Baliño och dess närliggande samhälle, i Villa Clara, Kuba. Den nuvarande elproduktionen vid Carlos Baliño är kopplad till den ånga som behövs för att driva sockerproduktionsprocessen, som genereras med en back-pressure turbin. Vårt mål är att utvärdera möjligheten att utöka systemet och inkludera en CEST-generator, solcellsenergi och vindkraft. Dem olika konfigurationerna på mikronätet utvärderas utifrån följande nyckeltal; CAPEX, NPV, IRR och DPP för mikronätet, andel el som levereras från nätet och slutligen utsläppsminskningstakten jämfört med det nuvarande systemet i Carlos Baliño. Utöver det tekniska, ekonomiska och sociala lokala perspektivet utvärderas resultaten i relation till nationella sammanhang och mål. Utvecklingen av mikronätet är viktig för att utveckla mer hållbara kraftsystem. De viktigaste fördelarna med denna mikronätslösning inkluderar minskade växthusgasutsläpp, ökat energioberoende och förbättrad motståndskraft i elförsörjningen. Genom att använda bagass och förnybara energikällor som solenergi och vindkraft kan Kuba minska sitt beroende av importerade fossila bränslen, vilket leder till lägre koldioxidutsläpp och bidrar till globala klimatförändringar. Dessutom förbättrar integrationen av bagass-baserade kraftvärmeverk landets energitålighet genom att diversifiera energimixen och minska sårbarheten för externa energichocker. Mikronätets möjlighet till distribuerad energiproduktion gör det möjligt för lokalsamhällen att generera sin egen rena energi, vilket främjar självförsörjning och socioekonomisk egenmakt.  Resultaten visar en negativ NPV för BASE och PLAN scenarierna. När en Condensing Extraction Steam Turbine generator inkluderas minskar eltillförseln från nätet från 30 till 11% i BASE scenariot och ännu mer för PLAN. Dessutom, för PLAN scenariot, ger 1 MW solcellsinvesteringen en positiv NPV på 2,67 miljoner USD när den beräknas för sig själv, vilket indikerar en bra investering. Däremot är hela systemet inte ekonomiskt möjlig, och bör öka solcellsanläggningens storlek för att bli lönsam. Slutligen, för APT scenariot, är NPV 59,8 miljoner USD, med en IRR på 11% och en återbetalningstid på 7 år, vilket visar på en bra investering. Dessutom med en utsläppsminskningsgraden är så hög som 92%. Dock med en hög CAPEX på 41,3 miljoner USD. Vidare görs en känslighetsanalys för att ta itu med osäkerheten i olika kostnadsparametrar som påverkar studiens resultat. Och resultatet visar att systemets NPV är mest känsligt för förändringen i priset på bagassbränslet. Sammanfattningsvis representerar den integrerade mikronätlösningen med solceller och bagass ett hållbart och motståndskraftigt energialternativ för Carlos Baliño och Kuba i allmänhet. Genom att utnyttja sin solpotential och använda bagass som en lokal biomassaresurs kan Kuba uppnå ett grönare och mer tillförlitligt energisystem samtidigt som det främjar landsbygdsutveckling och minskar koldioxidavtrycket. Denna lösning kan fungera som en plan för andra regioner på Kuba och Karibien med liknande energiutmaningar som försöker gå över till förnybar energi och uppnå energisäkerhet.

Submitted by (edna.saturno@ufrpe.br) on 2016-07-15T14:19:39Z No. of bitstreams: 1 Francisco Gauberto Barros Santos.pdf: 786593 bytes, checksum: 78b295b49411d7f05f1ba270d9402b79 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-15T14:19:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Francisco Gauberto Barros Santos.pdf: 786593 bytes, checksum: 78b295b49411d7f05f1ba270d9402b79 (MD5) Previous issue date: 2006-09-19 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / This study aimed to evaluate the agroindustrial wastes available in the Cariri region State of Ceara, Brazil, such rice hulls, as sugarcane bagasse and banana stems, as options in the composition of substrates for seeding production of chrysanthemum, lettuce and tomato, as well as to evaluate the economic impact in the production costs of these seedlings. Physical and chemical analysis were performed to characterize the substrates, comparing them with substrates considered ideal in the international literature. The treatments consisted of eight substrate formulations: the commercial substrate Plantmax® Hortaliças (Pmax), carbonized rice hulls (CAC), organic compost (cattle manure, sugarcane bagass and banana stems) CBC and the volumetric mixtures: Pmax + CAC 1:1, Pmax + CBC 1:1, CBC + CAC 1:1, Pmax + CAC 1:2 and CBC + CAC 1:2. All treatments were evaluated through bioassays under greenhouse conditions, in order to produce seedlings of tomatoes with fertigation, lettuce seedlings with and without fertigation and rooting of chrysanthemum cuttings. The influence of the substrates on the seedling production was determined by vegetative biometric parameters of the top and root parts. For the rooting of chrysanthemums at 15 days, the substrates studied can be recommended. They can be used insvad of carbonized rice hulls in case of seasonal shortage. The CBC and CAC when used in combination between them or with the commercial substrate Pmax®, were efficient options for the production of lettuce and tomato seedlings in trays by improving the physical and chemical characteristics of the later. The CBC when used by itself had negative effect on seedling emergence for tomato and lettuce. The results obtained showed that it is technically and economically possible to substitute in part or completely the commercial substrate Pmax® for alternative substrates in the Cariri Region, with considerable reduction in costs of this input in the seedling production without quality reduction. / Este estudo teve como objetivo avaliar resíduos agroindustriais disponíveis na região do Cariri Cearense (casca de arroz, bagaço de cana e engaço de bananeira), como opções na composição de substratos para produção de mudas de crisântemo, alface e tomate, bem como avaliar o impacto econômico no custo de produção de mudas dessas espécies. Foram realizadas análises físicas e químicas para caracterizar os substratos, comparando-os com substratos considerados ideais pela literatura internacional. Os tratamentos consistiram de oito formulações de substratos: substrato comercial Plantmax® Hortaliças (Pmax), casca de arroz carbonizada (CAC), composto orgânico (esterco bovino, bagaço de cana e engaço de bananeira) CBC e as misturas volumétricas: Pmax + CAC 1:1; Pmax + CBC 1:1; CBC + CAC 1:1; Pmax + CAC 1:2 e CBC + CAC 1:2. Todos os tratamentos foram avaliados em casa de vegetação, em bioensaios, visando a produção de mudas de tomate com fertirrigação, mudas de alface com e sem fertirrigação e enraizamento de estacas de crisântemo. O efeito dos substratos na produção das mudas foi avaliado estatisticamente por meio das variáveis fitométricas da parte aérea e raízes. Para enraizamento de estacas de crisântemo aos 15 dias, os oito substratos estudados podem ser recomendados, facilitando assim a substituição da CAC em épocas de escassez. O CBC e CAC quando usados em combinação entre si ou com o substrato comercial Plantmax®, apresentaram-se como alternativas eficientes para produção de mudas de alface e tomate em bandejas, pela melhoria das características físicas e químicas. O CBC usado isoladamente afetou negativamente a emergência de plântulas de alface e tomate. Os resultados obtidos apresentaram viabilidade técnica e econômica quanto a substituição parcial ou total do substrato comercial Plantmax®, por substratos alternativos na região do Cariri, implicando em redução considerável do custo deste insumo no seguimento de produção de mudas sem prejuízo de qualidade.

Transitioning from an energy system based on fossil fuels to an energy system based on renewables is necessary to limit global warming and comes with both opportunities and challenges. National policies in Cuba look toward the domestic sugar industry for synergies in this transition, and bagasse is projected to play a key role in the future electricity system. Since bagasse only is available during the sugarcane harvesting season, it must be supplemented with other feedstock for power production year-round. Biomass can have important interactions with CLEWs and therefore a nexus approach is important to ensure policy coherence across sectors. This study investigates different pathways for the Cuban energy transition from a CLEWs perspective through a scenario analysis and uses OSeMOSYS as a tool. This study shows that national policies for increased food security, regrowth of the sugar industry, use of energy crops and increased electricity consumption to develop the country compete for land and water resources. While there are currently plenty of resources, compromises will be needed in the medium- to long-term in order to stay within natural boundaries. This is especially true for the water sector since precipitation is expected to decrease in the future due to climate change and since sea level rise will contaminate groundwater. Another effect of climate change is soil degradation which would decrease yields. Increased energy and water inputs to the agricultural sector is known to increase yields in developing countries such as Cuba, which is why an adaptation strategy to maintain yields could be to increase these inputs. However, this would further amplify the pressure on water resources. Exceeding the exploitable internal renewable freshwater resources would then require water inputs from desalination plants which is an energy intensive process, which - if powered by an electricity system with a high share of biopower - could create a vicious cycle. / Omställningen från ett fossilbaserat energisystem till ett förnybart system är nödvändigt för att begränsa den globala uppvärmningen och innebär både möjligheter och utmaningar. Nationella policys i Kuba ser till landets sockerindustri för synergier i denna omställning, och bagass väntas spela en nyckelroll i det framtida elsystemet. Eftersom bagass endast är tillgängligt under sockerrörens skördesäsong måste den kompletteras med andra bränslen för att el ska kunna produceras året om. Biomassa kan ha betydande påverkan på CLEWs varför det är viktigt med en nexusanalys för att säkerställa samstämmighet av policys för olika sektorer. Denna studie undersöker olika tillvägagångssätt för den kubanska energiomställningen ur ett CLEWs-perspektiv genom en scenarioanalys i vilken OSeMOSYS används som modelleringsverktyg. Denna studie fann att nationella policys för ökad trygghet av matförsörjning, återuppbyggnad av sockerindustrin och ökad elkonsumtion för att utveckla landet konkurrerar om land- och vattenresurser. Det finns för närvarande gott om resurser, men på medel och lång sikt kommer kompromisser behövas för att stanna inom naturens gränser. Detta gäller särskilt för vattensektorn eftersom nederbörd väntas minska i framtiden till följd av klimatförändringar och eftersom höjningar av havsvattennivån kommer kontaminera grundvatten. Ytterligare påverkan från klimatförändringarna är markförstöring vilket minskar skörden. Ökad energi- och vattenanvändning i jordbrukssektorn ger vanligtvis högre skörd i utvecklingsländer såsom Kuba, vilket innebär att en anpassningsstrategi för att behålla skördenivån skulle kunna vara att öka dessa. Detta kan dock ytterligare förstärka belastningen på vattenresurserna. Att överskrida de utnyttjbara förnybara färskvattenresurserna skulle kräva avsaltning av vatten vilket är en energikrävande process, vilket - om energiförsörjningen kommer från ett system med mycket biomassa - skulle kunna skapa en ond cirkel.

Energy systems have significant importance for social development, not least in developing countries. A well-developed energy system can contribute to economic, ecological as well as social sustainability. At the same time, the ambitions to globally reduce dependence on fossil-based fuels and the climate impacting emissions that accompany them increase. To achieve this, energy efficiency improvements and an increased share of renewable energy sources are required. Today, there are both great challenges and opportunities in developing energy systems in developing countries and at the same time reducing the global climate impact. Thanks to the sugar industry in Cuba, there are great opportunities for the country to develop its electricity production from biofuels in the form of bagasse, a residual product which is provided during the process of the production of sugar. This report examines the possibility of developing the energy system in the sugar factory Carlos Baliño, located in Villa Clara in Cuba. The purpose is to enable the factory to minimize its use of bagasse and to maximize electricity production. This is to provide the opportunity for the factory to become more economical and ecologically sustainable. The current energy system in the sugar industry was examined and a model of the energy flows was created in excel. Based on the current energy system, four different scenarios were then examined with potential improvements. These four scenarios were as follows; (1) Preheating, (2) Bagasse drying, (3) Increase inlet boiler pressure and (4) New generator. For the various scenarios, the energy flow schemes were defined and technical components were selected. An economic and ecological analysis based on the best possible parameters of the scenarios was then performed. The result showed that the marginal electricity demand for the current system was 19 kWh per tonne of sugar cane and that the fixed electricity demand was 890 kW. The model defined the value of the bagasse as 8.2 USD per tonne, based on the current system. The current cut of costs by replacing oil were defined as 31 MUSD and the total amount of saved carbon dioxide was 96,000 tonnes, both for a period of 6 years. Out of the four scenarios that were investigated and compared with current systems, drying of bagasse was the option that could best be justified. This scenario resulted in a bagasse value of 5.0 USD per tonne, a cut of costs of 51 MUSD by replacing oil over a 6-year period and 150,000 tonnes of reduced carbon dioxide emissions over the same period. Preheating resulted in an increase in bagasse consumption, but also a higher electricity production. The result also showed that increasing the pressure in the boiler is not relevant, as the current pressure is almost the maximum for the current system. Due to a simplified model, Scenario 4, which included the investment of a new generator, could not be tested. / Energisystem är av stor betydelse för samhällsutveckling, inte minst i utvecklingsländer. Ett väl utvecklat energisystem kan bidra till ekonomisk, ekologisk så väl som social hållbarhet. Samtidigt ökar ambitionerna om att globalt minska beroendet av fossilbaserade bränslen samt de klimatpåverkande utsläppen som följer med dessa. För att uppnå detta krävs energieffektiviseringar och en ökad andel förnyelsebara energikällor. Idag finns både stora utmaningar och möjligheter i att utveckla energisystem i utvecklingsländer och samtidigt minska klimatpåverkan globalt. Tack vare sockerindustrin på Kuba finns stora möjligheter för landet att utveckla dess elproduktion från biobränsle i form av bagass, en restprodukt som tillhandahålls i framställningen av socker. I denna rapport undersöks möjligheten att utveckla energisystemet i sockerbruket Carlos Baliño, beläget i Villa Clara på Kuba. Syftet är att möjliggöra för verksamheten att minimera dess användning av bagass samt maximera elproduktionen. Detta för att ge möjlighet för sockerbruket att bli mer ekonomiskt och ekologiskt hållbart. Det nuvarande energisystemet i sockerbruket undersöktes och en modell av energiflödena skapades i Excel. Utifrån det nuvarande energisystemet undersöktes därefter fyra olika scenarier med potentiella förbättringar. Dessa fyra scenarier var följande; (1) Förvärmning, (2) Bagasstorkning, (3) Höjning av tryck i pannan samt (4) Investering av ny generator. För de olika scenarierna framtogs dess energiflödesscheman samt tekniska komponenter. En ekonomisk samt ekologisk analys utifrån scenariernas bästa möjliga parametrar utfördes sedan. Resultatet visade att det marginella elbehovet för det nuvarande systemet är 19 kWh per ton sockerrör samt att det fasta elbehovet är 890 kW. Med modellen definierades värdet på bagassen som 8,2 USD per ton, utifrån det nuvarande systemet. Den nuvarande besparingen av kostnader genom att ersätta olja definierades till 31 MUSD och den totala mängden besparade koldioxidutsläpp som 96 ton, båda under en period på 6 år. Av de fyra scenarier som utreddes och jämfördes med nuvarande system var torkning av bagass det alternativ som bäst kunde motiveras. Detta scenario resulterade i ett värde på bagassen av 5,0 USD per ton, en minskning av kostnader om 51 MUSD genom att ersätta olja under en 6 års period samt 150 000 ton besparade koldioxidutsläpp under samma period. Förvärmning resulterade i en ökning av bagassförbrukning, men även en högre elproduktion. Resultatet visade även att en höjning av trycket i pannan ej är relevant, då det nuvarande trycket är näst intill maximalt för det nuvarande systemet. På grund av en förenklad modell kunde Scenario 4, vilken innefattade investering av en ny generator, ej testas.