<p>This thesis is made by Carl Persson and Alejandro Saavedra for Gryaab. Gryaab is Gothenburg’s water processing plant and produces about 60 GWh biogas annually with a flow around 1150 Nm3/h. Gryaab wants to research their possibilities to become independent with electrical energy and the possibilities to enrich, upgrade biogas. The use of methane rich gases like biogas and natural gas is today low in Sweden compared to major parts of the world. Natural gas is one of the most established energy sources in the world, it contributes to about a quarter of the world energy supply. In Sweden natural gas only contributes about 2 % of the energy supply. The natural gas in Sweden is being imported from Denmark and the gas net goes from Malmo to Gothenburg. Usage of gas in that region is about 20 % of total energy usage. There are a total of 26 municipalities along the south- and west coast. Biogas is climate neutral and all infrastructures being used today with natural gas can potentially be used with biogas. The purpose of this thesis is to examine old and new technology intended to harvest energy in biogas and compare these technologies in a decision matrix. We have chosen two areas, combined heat and power (CHP) and upgrading biogas. In this report there are short reviews of heat engines, gas turbines, fuel cells, PSA, scrubbers, cryogenics, internal methane enrichment, ecologic lung, sulphide- and water removal. Interesting and appropriate technologies for Gryaab might be high temperature fuel cells, like molten carbonate fuel cells, or big gas engines in MW range, like Jenbacher J624 GS, in combined heat and power. These CHP systems are flexible in fuel quality, the biogas only need simpler purification, and they have a high electrical efficiency. To upgrade biogas to vehicle gas quality are water scrubbers, PSA and cryogenics all good choices. Cryogenically treated biogas gives liquid or combusted methane and liquid carbon dioxide as a byproduct.</p><p>Det här examensarbetet är gjort av Alejandro Saavedra och Carl Persson åt Gryaab. Gryaab är reningsverket i Göteborg vilka producerar cirka 60 GWh biogas årligen med ett flöde runt 1150 Nm3/h. Gryaab vill undersöka deras möjligheter att bli självförsörjande av elenergi och möjligheter att förädla, uppgradera biogasen. Användning av metanhaltiga gaser som biogas och naturgas är idag i Sverige låg jämfört stora delar av världen. Naturgas är en av världens mest etablerade energikällor, den står för cirka en fjärdedel av världens energiförsörjning. I Sverige står naturgasanvändningen för bara 2 %. Naturgasen i Sverige importeras från Danmark och stamnätet sträcker sig från Malmö till Göteborg. Användningen i den regionen uppgår till cirka 20 % av total energiförbrukning. Det är totalt 26 kommuner längst syd- och västkusten. Biogas är CO2-neutral och all infrastruktur som idag används för naturgas är potentiellt användbar för biogas. Syftet med examensarbetet är att undersöka ny och gammal teknik för att nyttja biogas på samt att utvärdera och jämföra teknikerna i en utvärderingsmatris. Vi har riktat in oss på två områden, el- och värmegenerering samt förädling av biogas. I det här arbetet står det kortfattade summeringar om värmemotorer, gasturbiner, bränsleceller, PSA, scrubbers, kryoteknik, processintern metananrikning, ekologisk lunga, svavelväte- och vattenavskiljning. Intressanta och lämpliga tekniker för Gryaab kan vara högtempererade bränsleceller, som smältkarbonat-bränsleceller, eller stora gasmotorer i MW- skala, som Jenbacher J624 GS i el- och värmegenerering. Dessa kraftvärmesystem är mycket flexibla när det gäller bränslekvalité, biogasen kräver endast enklare rening och dessutom har de hög elverkningsgrad. För att förädla biogasen till fordonsgaskvalité är vattenscrubber, PSA och kryoteknik alla bra val. Kryoteknisk uppgradering av biogas kan ge flytande eller gasformig metan samt flytande koldioxid som biprodukt.</p>

This thesis is made by Carl Persson and Alejandro Saavedra for Gryaab. Gryaab is Gothenburg’s water processing plant and produces about 60 GWh biogas annually with a flow around 1150 Nm3/h. Gryaab wants to research their possibilities to become independent with electrical energy and the possibilities to enrich, upgrade biogas. The use of methane rich gases like biogas and natural gas is today low in Sweden compared to major parts of the world. Natural gas is one of the most established energy sources in the world, it contributes to about a quarter of the world energy supply. In Sweden natural gas only contributes about 2 % of the energy supply. The natural gas in Sweden is being imported from Denmark and the gas net goes from Malmo to Gothenburg. Usage of gas in that region is about 20 % of total energy usage. There are a total of 26 municipalities along the south- and west coast. Biogas is climate neutral and all infrastructures being used today with natural gas can potentially be used with biogas. The purpose of this thesis is to examine old and new technology intended to harvest energy in biogas and compare these technologies in a decision matrix. We have chosen two areas, combined heat and power (CHP) and upgrading biogas. In this report there are short reviews of heat engines, gas turbines, fuel cells, PSA, scrubbers, cryogenics, internal methane enrichment, ecologic lung, sulphide- and water removal. Interesting and appropriate technologies for Gryaab might be high temperature fuel cells, like molten carbonate fuel cells, or big gas engines in MW range, like Jenbacher J624 GS, in combined heat and power. These CHP systems are flexible in fuel quality, the biogas only need simpler purification, and they have a high electrical efficiency. To upgrade biogas to vehicle gas quality are water scrubbers, PSA and cryogenics all good choices. Cryogenically treated biogas gives liquid or combusted methane and liquid carbon dioxide as a byproduct. Det här examensarbetet är gjort av Alejandro Saavedra och Carl Persson åt Gryaab. Gryaab är reningsverket i Göteborg vilka producerar cirka 60 GWh biogas årligen med ett flöde runt 1150 Nm3/h. Gryaab vill undersöka deras möjligheter att bli självförsörjande av elenergi och möjligheter att förädla, uppgradera biogasen. Användning av metanhaltiga gaser som biogas och naturgas är idag i Sverige låg jämfört stora delar av världen. Naturgas är en av världens mest etablerade energikällor, den står för cirka en fjärdedel av världens energiförsörjning. I Sverige står naturgasanvändningen för bara 2 %. Naturgasen i Sverige importeras från Danmark och stamnätet sträcker sig från Malmö till Göteborg. Användningen i den regionen uppgår till cirka 20 % av total energiförbrukning. Det är totalt 26 kommuner längst syd- och västkusten. Biogas är CO2-neutral och all infrastruktur som idag används för naturgas är potentiellt användbar för biogas. Syftet med examensarbetet är att undersöka ny och gammal teknik för att nyttja biogas på samt att utvärdera och jämföra teknikerna i en utvärderingsmatris. Vi har riktat in oss på två områden, el- och värmegenerering samt förädling av biogas. I det här arbetet står det kortfattade summeringar om värmemotorer, gasturbiner, bränsleceller, PSA, scrubbers, kryoteknik, processintern metananrikning, ekologisk lunga, svavelväte- och vattenavskiljning. Intressanta och lämpliga tekniker för Gryaab kan vara högtempererade bränsleceller, som smältkarbonat-bränsleceller, eller stora gasmotorer i MW- skala, som Jenbacher J624 GS i el- och värmegenerering. Dessa kraftvärmesystem är mycket flexibla när det gäller bränslekvalité, biogasen kräver endast enklare rening och dessutom har de hög elverkningsgrad. För att förädla biogasen till fordonsgaskvalité är vattenscrubber, PSA och kryoteknik alla bra val. Kryoteknisk uppgradering av biogas kan ge flytande eller gasformig metan samt flytande koldioxid som biprodukt.

<p>Despite big expansion of biogas plants in the world, does not have the levels in the Swedish market succeeded very good. Presently are not so many expanded biogas plants in Sweden. Especially biogas plants that are based on rest products from the industry. This study checks the possibility and takes up the profitability in producing biogas off spill products from rape oil production. The spill product that is interesting in this case is process water with high-energy contents that currently are given away to the local farmers for fertilization of farmland.</p><p> Results from the study show that the process water in itself is not appropriate substrate for digestion in a biogas plant. On the other hand if you use an involvement corresponding 20- 25% graft in the process water can the result become really good. But to use this biogas to heat power plant or upgrading to vehicle fuel can it be unsuitable on the basis of economic calculations. This entirely depends on that production of the process water is too little and that will give a result with smaller amount biogas production. This amount will not be neither enough to be sold to other companies for upgrading or other purposes.</p><p> This problem can be solved through cooperation with the municipality’s sewage treatment or local farmers that will supply their energy needs by themselves. If the cooperation takes in force can biogas plant becomes profitable irrespective of what the biogas will be used to.</p><p> Using biogas in heat power plant to force electricity and heat with minimum 200-kilowatt gas engine can investment be profitable, regardless of if the electricity will be sold on the market or it be used internal. It is also economic to upgrade biogas to vehicle fuel with a minimum prise of 7, 5 SEK/Nm³ biogas.   </p><p> Investment on biogas plant is depending on factors like interest rate, economic contribution, costs and political arrangements so. The results will be changed if the economic factors changed, for examples lower interest rate and higher economic contributions brings profitability in the investment. On the other hand higher raw materials or less economic contribution will make that the investment becomes uneconomical.</p>

Despite big expansion of biogas plants in the world, does not have the levels in the Swedish market succeeded very good. Presently are not so many expanded biogas plants in Sweden. Especially biogas plants that are based on rest products from the industry. This study checks the possibility and takes up the profitability in producing biogas off spill products from rape oil production. The spill product that is interesting in this case is process water with high-energy contents that currently are given away to the local farmers for fertilization of farmland.  Results from the study show that the process water in itself is not appropriate substrate for digestion in a biogas plant. On the other hand if you use an involvement corresponding 20- 25% graft in the process water can the result become really good. But to use this biogas to heat power plant or upgrading to vehicle fuel can it be unsuitable on the basis of economic calculations. This entirely depends on that production of the process water is too little and that will give a result with smaller amount biogas production. This amount will not be neither enough to be sold to other companies for upgrading or other purposes.  This problem can be solved through cooperation with the municipality’s sewage treatment or local farmers that will supply their energy needs by themselves. If the cooperation takes in force can biogas plant becomes profitable irrespective of what the biogas will be used to.  Using biogas in heat power plant to force electricity and heat with minimum 200-kilowatt gas engine can investment be profitable, regardless of if the electricity will be sold on the market or it be used internal. It is also economic to upgrade biogas to vehicle fuel with a minimum prise of 7, 5 SEK/Nm3 biogas.     Investment on biogas plant is depending on factors like interest rate, economic contribution, costs and political arrangements so. The results will be changed if the economic factors changed, for examples lower interest rate and higher economic contributions brings profitability in the investment. On the other hand higher raw materials or less economic contribution will make that the investment becomes uneconomical.

Despite the country's rural electrification programme, kerosene is the predominant source for lighting, and unsustainable and polluting woody biomass is virtually the only option available for cooking. The rural population also struggles with unsafe drinking water in terms of widespread arsenic contamination of well water. The present work has taken an integrated approach in an attempt to mitigate problems through small-scale polygeneration, a concept linking renewable energy sources to these energy needs via novel energy conversion systems. Anaerobic digesters (AD) for biogas production are promising in the rural setting, and field surveys have identified problems in the construction, maintenance and operation of existing AD, particularly in overall performance of household digesters. Based on these results, a number of operational and technological improvements are suggested for employing digesters in polygeneration units. This study also examines one approach for small-scale, low cost arsenic removal in groundwater through air gap membrane distillation, a thermally-driven water purification technology. Integration of biogas production with power generation and water purification is an innovative concept that lies at the core of feasibility analyses conducted in this work. One of the case studies presents a new concept for integrated biogas based polygeneration and analyzes the techno-economic performance of the scheme for meeting the demand of electricity, cooking energy and safe drinking water of 30 households in a rural village of Bangladesh. The specific technologies chosen for the key energy conversion steps are as follows: plug-flow digester; internal combustion engine; and membrane distillation. One major concern is local feedstock availability for the digester, since a single feedstock is impractical to serve both cooking, lighting and water purification systems. In this circumstance solar PV could be a potential option for integrated hybrid systems. / Bangladesh har varit föremål för en svår energikris (bristande el- och gasnät) de senaste tre decennierna. Landsbygden, som innefattar 75 % av befolkningen, har varit särskilt drabbad. Trots landets elektrifieringsprogram av landsbygden är fotogenlampor den företrädande ljuskällan, medan förorenande och ohållbar träbaserad biomassa är praktiskt taget det enda alternativet för matlagning. Landsbygden kämpar samtidigt mot osäkert dricksvatten, på grund av utbredd arsenikförgiftning av brunnsvatten, med negativa hälsoeffekter som följd. Tillgång till ren energi och säkert dricksvatten är verkliga behov bland de fattiga på landsbygden, för ökad välfärd. Detta arbete antar ett integrerat tillvägagångssätt för att försöka lösa dessa problem genom småskalig polygenerering. Detta koncept länkar samman förnyelsebara energikällor av biomassa och sol med energibehoven, genom nya energiomvandlingssystem. Anaerobiska rötkammare för biogasproduktion är lovande för landsbygdsmiljö, även om det för närvarande råder en betydande klyfta mellan den tekniska och kostandseffektiva potentialen och faktisk implementering på grund av bristande tekniskt kunnande och tillgång på råmaterial, höga installations- och driftkostnader, och begränsade användartillämpningar. Intervjuundersökningar visar på problem i konstruktion, underhåll och drift av befintliga anaerobiska rötkammare. Särskilt den generella prestandan hos hushållsrötkammare identifieras som bristfällig. Utifrån dessa resultat föreslås en rad drift- och teknikförbättringar för att utnyttja rötkammare i polygenereringssystem.   Denna studie undersöker även en metod för småskalig och kostnadseffektiv arsenikrening av grundvatten genom membrandestillation med luftspalt (Air Gap Membrane Distillation, AGMD), vilket är en termiskt driven vattenreningsteknik. Resultat från en experimentell undersökning visar att den undersökta AGMD-prototypen är kapabel att uppnå utmärkt separationseffektivitet med hänsyn till arsenikrening. Parametriska studier med fokus på varierande kylvattentemperatur illustrerar möjligheten att integrera AGMD-teknik i diverse termiska system. Integrering av biogasproduktion med kraftproduktion och vattenrening är ett innovativt koncept som utgör kärnan av förstudierna utförda i detta arbete. En av studierna visar ett nytt koncept för biogasbaserad polygenerering och analyserar den techno-ekonomiska prestandan av metoden för att möta efterfrågan av elektricitet, matlagningsvärme och säkert dricksvatten för 30 hushåll i en Bangladeshisk by på landsbygden. De specifika tekniker som valts för energiomvandlingsstegen är följande: plugg-flödesrötkammare, förbränningsmotor och en AGMD-enhet. Termodynamisk utvärdering inklusive mass- och energibalans av systemet undersöktes tillsammans med produktionskostnaden för elektricitet, matlagningsgas, och säkert dricksvatten. Även återbetalningsperiod och internräntan undersöktes. För att bemöta energi- och arsenikproblemen i Bangladesh, indikerar resultaten att detta polygenereringssystem är mycket mer konkurrenskraftigt och lovande (med avseende på produktionskostnaderna) jämfört med andra tillgängliga tekniker. Ett viktigt problem för rötkammaren är tillgången till lokalt råmaterial, eftersom en ensam källa till råmaterial är opraktiskt för att tillgodose efterfrågan från både matlagning, belysning och vattenrening. I detta fall kan solceller vara ett potentiellt alternativ för integrerade hybridsystem. Teknisk värdering och optimering har genomförts för elektricitet med verktyget HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources), för ett polygenereringssystem beläget i byn Panipara i Faridpur. Resultaten visar att systement kan tillgodoses det dagliga elektricitetsbehovet och samtidigt producera 0.4 m3 matlagningsbränsle och 2-3 L/person rent dricksvatten. Kostnadsuppskattningar visar att denna metod är högst gynnsam jämfört med andra förnyelsebara alternativ (t ex vind-, vatten-, biobränslebaserad- eller geotermisk energi). / <p>QC 20170419</p> / SIDA – the Swedish International Development Cooperation Agency, Department for Research Cooperation, SAREC- project no. SWE-2011-135 / STEM-Fjärrsyn project 2014

Utsläpp från bilar har spelat stor roll de senaste decennierna. Detta har lett till ökad användning av Otto gasmotorer som använder naturgas som bränsle. Nya motordesigner behöver optimeras för att förbättra motorens effektivitet. Ett effektivt sätt att göra detta på är genom användningen av simuleringar för att minska ledtiden i motorutvecklingen. Verifiering och validering av simuleringarna spelar stor roll för att bygga förtroende för och förutsägbarhet hos simuleringsresultaten. Syftet med detta examensarbete är att föreslå förbränningsmodellparametrarna efter utvärdering av olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller för Otto förbränning, vad gäller beräkningstid och noggrannhet. In-cylindertrycksspår från simulering och mätning jämförs för att hitta den bästa kombinationen av förbrännings- och tändmodell. Inverkan av tändtid, antal motorcykler och randvillkor för simuleringsresultatet studeras också. Resultaten visar att ECFM-förbränningsmodellen förutsäger simuleringsresultaten mer exakt när man jämför med mätningarna. Effekten av tändningstiden på olika kombinationer av förbrännings- och tändningsmodell utvärderas också. Stabiliteten hos olika förbränningssimuleringsmodeller diskuteras också under körning för fler motorcykler. Jämförelse av beräkningstid görs även för olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller. Resultaten visar också att flamspårningsmetoden med Euler är mer känslig för cellstorlek och kvalitet hos simuleringsnätet, jämfört med övriga studerade modeller. Rekommendationer och förslag ges om nät- och simulerings-inställningar för att prediktera förbränningen på ett så bra sätt som möjligt. Några möjliga förbättringsområden ges som framtida arbete för att förbättra noggrannheten i simuleringsresultaten. / Emission from automobiles has been gaining importance for past few decades. This has gained a lot of impetus in search for alternate fuels among the automotive manufacturers. This led to the increase usage of Otto gas engine which uses natural gas as fuel. New engine designs have to be optimized for improving the engine efficiency. This led to usage of virtual simulations for reducing the lead time in the engine development. The verification and validation of actual phenomenon in the virtual simulations with respect to the physical measurements was quite important.  The aim of this master thesis is to suggest the combustion model parameters after evaluating various combination of combustion and ignition models in terms of computational time and accuracy. In-cylinder pressure trace from the simulation is compared with the measurement in order to find the nest suited combination of combustion and ignition models. The influence of ignition timing, number of engine cycles and boundary conditions on the simulation results are also studied. Results showed that ECFM combustion model predicts the simulation results more accurately when compare to the measurements. Impact of ignition timing on various combination of combustion and ignition model is also assessed. Stability of various combustion simulation models is also discussed while running for more engine cycles. Comparison of computational time is also made for various combination of combustion and ignition models. Results also showed that the flame tracking method using Euler is dependent on the mesh resolution and the mesh quality.  Recommendations and suggestions are given about the mesh and simulation settings for predicting the combustion simulation accurately. Some possible areas of improvement are given as future work for improving the accuracy of the simulation results.