Modelling and Assessment of Biomass-PV Tradeoff within the Framework of the Food-Energy-Water Nexus

Food, water and energy are three essential resources for human well-being, poverty reduction and sustainable development. These resources are very much linked to one another, meaning that the actions in any one particular area often can have effects in one or both of the other areas. At the same time, an economy's shift towards climate neutrality requires a massive expansion of energy production from renewable sources. Among these ground-mounted photovoltaic (PV) and biomass will be expanded massively to meet the clean energy generation goal, simultaneously influence regional water and food availability and supply security. It is crucial to understand Food-Water-Energy Nexus (FWE) nexus during the energy transition. However, current studies have limitation both methodically (qualitative assessments) and spatially (aggregated data on a national level is more available). Firstly, a consistent share input data set in geographical format was created with the resolution of building/field. An energy simulation platform (SimStadt) was then extended with new workflows on biomass potential, ground-mounted PV potential, food demand/potential, and urban water demand. Combining with existing workflows on urban building heating/electricity demand and roof PV potential, the dissertation created a complete simulation environmental covering most-relating FWE topics in energy transition with consistent input and output structures at a fine resolution. Secondly, the most representative inter-linkage between ground-mounted PV and biomass on hinterland is investigated in details with the new tools. The output data of each field from ground-mounted PV and biomass workflows are linked and ranked according to the scenarios emphasizing PV yield, feasibility, profit, or biomass. The assessment and scenarios are applied at three representative German counties with distinguished land-use structures and geometries as case studies. Results show that current policies does not guarantee the technically efficient allocation of fields. The optimal technical strategy is to follow the individual market profit drive, which is very likely, at the same time for the social good, to achieve high PV yields with limited biomass losses and more significant crop water-saving effects. The local food, water, and energy demands are also included as a metric for resource allocation on the potential side. Besides focusing on the biomass-PV tradeoff simulation and analysis, pioneer works have also been done to test the transferability of the method in cases outside Germany, and the complement of urban solid waste to agricultural biomass is explored to achieve energy autarky

Future Smart Grid Systems

This book focuses on the analysis, design and implementation of future smart grid systems. This book contains eleven chapters, which were originally published after rigorous peer-review as a Special Issue in the International Journal of Energies (Basel). The chapters cover a range of work from authors across the globe and present both the state-of-the-art and emerging paradigms across a range of topics including sustainability planning, regulations and policy, estimation and situational awareness, energy forecasting, control and optimization and decentralisation. This book will be of interest to researchers, practitioners and scholars working in areas related to future smart grid systems

Empowering Communities, Beyond Energy Scarcity BIWAES 2021 Biennial International Workshop Advances in Energy Studies

This book focuses on the much-needed efforts to design sustainable, well-being-oriented economies, based on appropriate energy use in all sectors of a country´s development. Carbon neutrality, energy efficiency and effectiveness, renewable energies, circular economy strategies, environmental consequences of energy use, engagement and empowerment of local communities in decision making, energy and environmental impacts of consumer behavior, and finally science-based approaches towards sustainable production and consumption are the main focus of the research activities described within this book. An effort to go beyond energy scarcity, to promote energy communities, to explore new technologies, and overall, to understand and address the population-lifestyle-energy nexus towards increased and shared well-being is the final result jointly provided by the book authors. All in all, the aim is for the book to be the starting point of a deeper research and understanding of the importance of a radical improvement in energy use in society, beyond considering energy as just a resource in the world market. Circular economy aspects are also investigated, showing the energy saving potential associated with the appropriate design and recovery of material resources

Data and the city – accessibility and openness. a cybersalon paper on open data

This paper showcases examples of bottom–up open data and smart city applications and identifies lessons for future such efforts. Examples include Changify, a neighbourhood-based platform for residents, businesses, and companies; Open Sensors, which provides APIs to help businesses, startups, and individuals develop applications for the Internet of Things; and Cybersalon’s Hackney Treasures. a location-based mobile app that uses Wikipedia entries geolocated in Hackney borough to map notable local residents. Other experiments with sensors and open data by Cybersalon members include Ilze Black and Nanda Khaorapapong's The Breather, a "breathing" balloon that uses high-end, sophisticated sensors to make air quality visible; and James Moulding's AirPublic, which measures pollution levels. Based on Cybersalon's experience to date, getting data to the people is difficult, circuitous, and slow, requiring an intricate process of leadership, public relations, and perseverance. Although there are myriad tools and initiatives, there is no one solution for the actual transfer of that data

Planning the integration of the renewable energy sources on islands, under the National Electric System in Mexico

The electric generation systems on islands are based generally on fossil fuel. This fact and its supply make the electricity cost higher than in systems used in the continent. In this thesis, as a first part, a review of the renewable energy generation systems on islands is elaborated. To do it, 77 islands from 45 different countries were analized. This analysis will allow to know how the implementation of renewable energy sources could help these islands in developing a renewable and sustainable energy sector, including a reduction of electricity generation cost. The de-carbonising in the electricity generation is necessary to reduce fossil fuel consumption, the pollution emitted and to meet the Energy Technology Perspectives 2ºC Scenario (2DS) targets. Small islands are not exempt from this target, so this the emphasis of this thesis is placed on a 50-50 target: to reduce the fossil fuel consumption through electricity generation from Renewable Energy Sources (RES) to cover 50% of all electric demand by 2050 on small islands. This analysis will be based on three factors: economical, technical, and land-use possibilities of integrating Renewable Energy Technologies (RETs) into the existing electrical grid. As second part of the thesis, this work shows the results from a study case of the application of renewable energy technology in Cozumel Island, Mexico. This island is located in the Riviera Maya, in the Occidental Caribbean Sea. The analysis developed was made through long- term statistical models. A deterministic methodology was used to perform time-series simulations. As a first integration approaching, the simulations show that for the year 2050 a feasible integration of a system based on wind/PV can be achieved on the Island, reducing the electricity price from 0.37 US$/kWh to 0.24 US$/kWh (2050 in the Base Scenario). This result had a renewable penetration of 22.3% and does not considered a battery system or changes in the existing electric grid. With this scenario, the government will achieve its targets in renewable energy and in the reduction of the emissions of CO2. This will allow reaching a sustainable electricity sector. In a second approach, and according to the results, all systems proposed are able to completely satisfy the renewable electricity needed by 2050 in all scenarios proposed. From the 12 system proposals that were compared, two systems, System 2 and System 7, were chosen as eligible systems to be installed. The Levelized Cost of Energy (LCOE) result for System 2 was 0.2401 US$/kWh and for System 7 was 0.2008 US$/kWh by 2050 in the Base Scenario. Meanwhile, the Internal Rate of Return (IRR) value fluctuated from 17.6% for System 2 to 31% for System 7, with a renewable fraction of penetration for System 2 of 56.1% and for System 7 of 56.9% by 2050 in the Base Scenario. The selection of the best system was made on the base of a Dimensional Statistical Variable (DSV) through primary and secondary category rankings. The presented proposal of three phases methodology determines the best systems for capturing the lower initial capital cost and the higher competitiveness of this new proposal compared with the current system of electricity generation on the Island, and can be applied on small islands as well. As third part of this thesis, the analysis presents an optimization of the energy planning, a grid assessment, and an economic analysis, considering three growing scenarios (Low, Base and High) in the electricity consumption, to supply the energy demand for a hybrid power system (Photovoltaics/Wind/Diesel/Battery) on a small island by 2050.Los sistemas de generación en islas generalmente están basados en combustible fósil. Éste hecho y su suministro ocasionan que el costo de la electricidad sea mayor que en los sistemas continentales. En esta tesis y como primera parte, se elaboró una revisión de los sistemas de generación de electricidad en las islas. Para lograr esto, se analizaron 77 islas de 45 diferentes países. Éste análisis permitirá conocer cómo la implementación de las fuentes de energía renovable puede ayudar a éstas islas a desarrollar un sector sostenible y renovable, incluyendo la reducción del costo en la generación de electricidad. La des-carbonización en la generación de electricidad es necesaria para reducir el consumo de combustible fósil, para reducir la contaminación y para lograr los objetivos propuestos en el escenario de los 2 grados en la perspectiva de las tecnologías de la energía (2DS, por sus siglas en inglés). Las pequeñas islas no están exentas de éstos objetivos, por esto, el énfasis en ésta tesis está localizado en el objetivo 50-50: reducir el consumo de combustible fósil usado en la generación de electricidad a través de las fuentes de energía renovable (RES, por sus siglas en inglés), y así cubrir el 50% de la electricidad demandada por las pequeñas islas para el año 2050. Éste análisis estará basado en tres factores: en el económico, en el técnico y en las posibilidades del uso de la tierra para integrar las tecnologías de energía renovable (RETs, por sus siglas en inglés) en la red eléctrica existente. Como segunda parte de la tesis, en ésta se muestran los resultados de un caso de estudio en la aplicación de la tecnología de energía renovable en la isla de Cozumel, en México. Esta isla está localizada en la Riviera Maya, en el Mar Occidental del Caribe. El análisis desarrollado fue desarrollado a través de modelos estadísticos a largo plazo. Se ha usado una metodología determinística para realizar las simulaciones en las series de tiempo. Cómo un primer acercamiento para la integración, las simulaciones mostraron que se puede lograr para el 2050 una integración de un sistema basado en fuentes eólicas/fotovoltáicas en la isla, reduciendo el precio de la electricidad de 0.37 US$/kWh a 0.24 US$/kWh (en el escenario base para el año 2050). El resultado tuvo una penetración de la energía renovable de 22.3% sin considerar un sistema de baterías o cambios en la red eléctrica existente. En este escenario, el gobierno logrará sus objetivos en energía renovable y en la disminución de la emisión de CO2. Esto permitirá lograr un sector sostenible en la electricidad. En un segundo acercamiento y de acuerdo a los resultados, todos los sistemas propuestos pueden completamente satisfacer la electricidad renovable necesaria para el año 2050 en todos los escenarios propuestos. De los 12 sistemas propuestos que se compararon, dos sistemas, el Sistema 2 y el Sistema 7fueron elegidos como los sistemas para ser instalados. El resultado del costo nivelado de energía (LCOE, por sus siglas en inglés) para el Sistema 2 fue de 0.2401 US$/kWh y para el Sistema 7 fué de 0.2008 US$/kWh para el año 2050 en el escenario base. Mientras tanto, el valor de la tasa interna de retorno (IRR, por sus siglas en inglés) fluctuó del 17.6% para el Sistema 2 al 31% para el Sistema 7, con un factor de penetración en renovable para el Sistema 2 del 56.1% y para el Sistema 7 del 56.9% para el año 2050 en el escenario base. La selección del mejor sistema fue realizada sobre la base de una variable estadística dimensional (DSV, por sus siglas en inglés) a través de una clasificación de categorías primaria y secundaria. La presente propuesta de metodología de tres fases determina el mejor sistema para obtener el menor costo inicial de capital y la mayor competitividad de esta nueva propuesta, comparada con el actual sistema de generación de electricidad en la isla y que también pueda ser aplicada a las pequeñas islas. Como tercera parte de la tesis, el análisis presenta una optimización de la planeación energética, una evaluación de la red y un análisis económico, considerando tres escenarios de crecimiento (bajo, base y alto) para el consumo de electricidad y para suministrar la energía demandada por una isla pequeña para el año 2050. El principal objetivo de este estudio es, presentar una metodología de cuatro fases para optimizar y reducir el tiempo de respaldo del banco de baterías incluidas en el sistema híbrido de generación de energía seleccionado. También comparará cuatro diferentes tecnologías de baterías de manera simultánea, sin cambios en los objetivos planteados en 50% para el año 2050, y sin cambios en la operación segura y continua de la red. La metodología incluye un análisis de la red para obtener una segura, fuerte y confiable respuesta de operación basada en los parámetros indicados en el código de red, incluso en caso de disturbios eléctricos. En esta metodología de cuatro pasos, el análisis está desarrollado en base al uso de dos herramientas de modelos de simulación. La primera herramienta de modelos de simulación determina los valores óptimos de las variables controladas por el diseñador del sistema, tales como la mezcla de los componentes (fotovoltaico, eólico/diésel/baterías) que conformen el sistema, o la cantidad o tamaño de cada variable. Este modelo usa el análisis multi-año basado en corridas de simulación de tiempo-dominio a niveles de flujo de energía en paso de tiempo discretos de 1 hora. La segunda herramienta de simulación asume todas las variable y parámetros en la red como constantes durante el periodo de tiempo analizado. El flujo de potencia es analizado a través de un comando de función de conteo en un lenguaje de programación y refleja la respuesta del sistema en un tiempo específico, con unos parámetros y variables específicas dadas. La propuesta final técnica y su análisis financiero son obtenidos aplicando y validando esta metodología en una isla pequeña, así como también, la selección del sistema a ser instalado para la generación de electricidad renovable. Aquí se incluyen las modificaciones y refuerzos a la red eléctrica a través de los años hasta el año 2050, realizados de acuerdo con el código de red y con los objetivos en energía renovable indicados para el sistema eléctrico de potencia de la isla. De acuerdo a los resultados de esta optimización, el más bajo LCOE obtenido fue el del sistema que incluye las baterías de flujo Zinc-Bromine, en el cual las sensitividades fueron aplicadas y que fue de 0.2036 US$/kWh para el año 2050 en el Escenario Base. Mientras que el valor de la tasa interna de retorno para este sistema fue del 30.37Para el caso del PRE-análisis de cuando la energía renovable suple el 100$/kWh para el año 2050 en el Escenario Base. Estos resultados son combinando el eólico Off-shore/eólico On-shore/fotovoltaico/baterías Zn-Br/diésel, con un factor de penetración de las renovables del 100%

Sustainable Smart Cities and Smart Villages Research

ca. 200 words; this text will present the book in all promotional forms (e.g. flyers). Please describe the book in straightforward and consumer-friendly terms. [There is ever more research on smart cities and new interdisciplinary approaches proposed on the study of smart cities. At the same time, problems pertinent to communities inhabiting rural areas are being addressed, as part of discussions in contigious fields of research, be it environmental studies, sociology, or agriculture. Even if rural areas and countryside communities have previously been a subject of concern for robust policy frameworks, such as the European Union’s Cohesion Policy and Common Agricultural Policy Arguably, the concept of ‘the village’ has been largely absent in the debate. As a result, when advances in sophisticated information and communication technology (ICT) led to the emergence of a rich body of research on smart cities, the application and usability of ICT in the context of a village has remained underdiscussed in the literature. Against this backdrop, this volume delivers on four objectives. It delineates the conceptual boundaries of the concept of ‘smart village’. It highlights in which ways ‘smart village’ is distinct from ‘smart city’. It examines in which ways smart cities research can enrich smart villages research. It sheds light on the smart village research agenda as it unfolds in European and global contexts.