Simulating pelletization strategies to reduce the biomass supply risk at America's biorefineries

Demand for cellulosic ethanol and other advanced biofuels has been on the rise, due in part to federal targets enacted in 2005 and extended in 2007. The industry faces major challenges in meeting these worthwhile and ambitious targets. The challenges are especially severe in the logistics of timely feedstock delivery to biorefineries. Logistical difficulties arise from seasonal production that forces the biomass to be stored in uncontrolled field-side environments. In this storage format physical difficulties arise; transportation is hindered by the low bulk density of baled biomass and the unprotected material can decay leading to unpredictable losses. Additionally, uncertain yields and contractual difficulties can exacerbate these challenges making biorefineries a high-risk venture. Investors' risk could limit business entry and prevent America from reaching the federal targets. This paper explores pelletizer strategies to convert the cellulosic biomass into a denser form more suitable for storage. The densification of biomass would reduce supply risks, and the new system would outperform conventional biorefinery supply systems. Pelletizer strategies exhibit somewhat higher costs, but the reduction in risk is well worth the extra cost if America is to grow the advanced biofuels industry in a sustainable manner

Minskad belastning på dricksvattenresursen genom industriell-urban vattensymbios

Vattenbrist är en akut global, och i många områden växande, utmaning. Pågående klimatförändringar och växande behov i stora delar av världen förändrar både tillgången och efterfrågan på rent vatten. Europa står inför flera akuta vattenrelaterade utmaningar med betydande säkerhets- och miljömässiga konsekvenser. Perioder av återkommande vattenbrist är en av de främsta utmaningarna som redan har drabbat flertalet europeiska länder, särskilt utsatt är området kring medelhavet. Men, även i Sverige är vattenbrist en utmaning som äventyrar försörjning av både dricksvatten och vatten till industri och jordbruk i flera regioner i de södra och sydöstra delarna av landet. I både Vimmerby och Visby, Kalmar och Gotlands län, ses vattenbrist i dag som den främsta utmaningen för att säkra dricksvattenförsörjningen. Risken för vattenbrist förväntas öka i framtiden för båda dessa städer då pågående klimatförändringar bidrar till ökade säsongsvariationer i både nederbörd och temperatur. Utöver vattenbrist brottas båda städerna dessutom med att upprätthålla en god vattenkvalitet. Avrinning från jordbruket (bekämpningsmedel, gödselmedel, etc.) och föroreningar från urbana hårdgjorda ytor som letar sig ned i grund- och ytvattenkällor utgör en ständig risk för vattenkvaliteten i den samhällsviktiga dricksvattenförsörjningen. För att adressera dessa utmaningar och säkra tillgången till dricksvatten i tillräcklig mängd och av god kvalitet även i framtiden behövs ett övergripande tillvägagångssätt, som omfattar hållbara metoder för hantering av grundvatten, förbättrad övervakning av vattenkvalitet och utveckling av robusta strategier som möjliggör anpassning till att klara av ett föränderligt klimat. I detta projekt har konceptet industriell-urban vattensymbios utforskats som en möjlig lösning för att bidra till säkrad vattentillgång och minskad belastning på lokala dricksvattenresurser, med städerna Visby och Vimmerby som fallstudieobjekt. Vattensymbios är ett systematiskt samarbete där olika aktörer i samhället (industri, kommunala verksamheter, jordbruk, m.fl.) agerar tillsammans för att optimera vattenanvändningen och minska avfallet genom lösningar som faciliterar utbyte och återanvändning av vatten, biprodukter och resurser på ett ömsesidigt fördelaktigt sätt. Till exempel kan renat industriavloppsvatten återanvändas för jordbruksbevattning eller som kylvatten i närliggande industrier, vilket minskar efterfrågan på dricksvatten. Detta tillvägagångssätt främjar ett effektivt resursutnyttjande som minimerar vattenslöseri och minskar systemets totala miljöpåverkan. Projektets övergripande syfte har varit att utreda hur en industriell-urban vattensymbios skulle kunna utformas i Visby och Vimmerby för att minska belastningen på lokala vattenresurser genom nyttjandet av mjölkkondensat från Arla Foods AB’s som en möjlig vattenkälla. Utöver detta har projektet syftat till att utveckla och tillämpa en arbetsprocess för uppbyggnaden av lokala vattensymbiosinitiativ genom strukturerade intressentinvolverande metoder. I ett samarbete mellan lokala VA-bolag, kommunala och privata verksamheter och vattenanvändare, och forskare från RISE har en nulägesbedömning av vattentillgång, vattenbehov, vattenbalansmodellering och en kartläggning av vattenflöden tillgängliga för en framtida symbios genomförts. Tekniska möjligheter att effektivisera vattenanvändningen genom recirkulering och utbyte av vattenströmmar av varierande kvalitet har undersökts och utvärderats genom en kombination av teknoekonomisk analys och kvalitativ utvärdering tillsammans med medverkande vattenproducenter och verksamheter. Även hinder för implementering av vattensymbioser har undersökts (juridiska, tekniska och affärsmässiga) och förslag på åtgärder för att överbrygga dessa har tagits fram. Resultaten från projektet pekar på tydliga likheter och skillnader mellan de två fallstudieområdena. Bland verksamheter i både Visby och Vimmerby anses intern effektivisering och återanvändning av vatten vara en mer genomförbar lösning än vattensymbios i samverkan med andra verksamheter. Samtidigt ansågs symbioslösningar ha en större besparingspotential och kunna bidra med riskminimerande diversifiering bort från enbart en vattenkälla. För att symbioslösningar skall vara gångbara krävs dock att dessa sker inom ett relativt avgränsat geografiskt område för att minimera kostnader kopplade till transport av vatten mellan aktörer. För att utveckla symbiossamarbeten som fungera långsiktigt är tillit en avgörande aspekt. Även omfattande tillit mellan verksamheter lyftes som en avgörande faktor för ett få till symbioslösningar. Den tekno-ekonomiska bedömningen i projektet genomfördes utifrån perspektivet av ett generellt företag med kommunal dricksvattenförsörjning. För ett sådant företag kommer den ekonomiska bärkraften för vattenbesparande åtgärder att bero på den relativa kostnaden för vattenrening lokalt jämfört med kostnaden för att köpa dricksvatten från kommunen. Effekterna av detta framgår tydligt när man jämför fallen Visby och Vimmerby. I Visby visar resultaten att både intern återanvändning och industriell symbios kan vara ekonomiskt lönsamma lösningar utifrån industrins perspektiv. Rening och recirkulering med hjälp av RO membran och efterföljande polering bedömdes som mest lönsamt (med en återbetalningstid på cirka 3,5 år) av de fem möjliga åtgärder som studerades. Lösningen uppskattades kunna spara motsvarande vattenbehovet hos 500 typhushåll. I Vimmerby verkar ingen av åtgärderna medföra ekonomisk lönsamhet, då kostnaderna för samtliga fall är högre än dagens kostnader för kommunaltdricksvatten. Anledningen till skillnaden i lönsamhet mellan Visby och Vimmerby förklaras huvudsakligen av skillnaden i prissättningsmodell som används i av respektive VA-bolag i de två kommunerna. Utöver prissättningsmodellens roll som möjliggörare eller hinder för vattensymbios så identifierades utveckling av ett system för klassificering av vattenflöden enligt olika kvalitetsklasser, ökad kunskap om olika vattenklassers hållbarhet, och utveckling av lagar & regler för recirkulering och användning av vatten som viktiga områden för att facilitera effektivare vattenanvändning genom symbios. Detta projekt är ett av de första i Sverige med uttalat fokus på industriell-urban vattensymbios. Lärdomar från projektet kommer vara värdefulla för att vidare utreda möjligheten för symbioslösningar i Visby och Vimmerby, men även i andra kommuner runt om i Sverige. Flera frågeställningar kvarstår att undersöka. Till exempel har detta projekt inte studerat hur variationer i vattentillgång och vattenbehov över säsongen, eller dygnet, påverkar de studerade symbioslösningarna. Dessutom behövs mer detaljerade analyser av de hydrologiska förutsättningarna i respektive fall för att säga något om hur de studerade lösningarna kan påverka den lokala vattenbalansen under olika framtidsscenarier. Vidare bör den teknoekonomiska bedömningen som genomförts förstärkas genom att inkludera mer exakta kostnadsuppgifter (till exempel leverantörspriser på utrustning), inverkan av marknadsfluktuationer, och andra osäkerheter

Data-Driven System Dynamics Model for Simulating Water Quantity and Quality in Peri-Urban Streams

Holistic water quality models to support decision-making in lowland catchments with competing stakeholder perspectives are still limited. To address this gap, an integrated system dynamics model for water quantity and quality (including stream temperature, dissolved oxygen, and macronutrients) was developed. Adaptable plug-n-play modules handle the complexity (sources, pathways) related to both urban and agricultural/natural land-use features. The model was applied in a data-rich catchment to uncover key insights into the dynamics governing water quality in a peri-urban stream. Performance indicators demonstrate the model successfully captured key water quantity/quality variations and interactions (with, e.g., Nash-Sutcliff Efficiency ranging from very good to satisfactory). Model simulation and sensitivity results could then highlight the influence of stream temperature variations and enhanced heterotrophic respiration in summer, causing low dissolved oxygen levels and potentially affecting ecological quality. Probabilistic uncertainty results combined with a rich dataset show high potential for ammonium uptake in the macrophyte-dominated reach. The results further suggest phosphorus remobilization from streambed sediment could become an important diffuse nutrient source should other sources (e.g., urban effluents) be mitigated. These findings are especially important for the design of green transition solutions, where single-objective management strategies may negatively impact aquatic ecosystems