MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692!...

24
MECH 4692 Final Report: OffGrid Winnipeg Bed and Breakfast University of Manitoba 20110411 Mitch Smith 6843751

Transcript of MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692!...

Page 1: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

           

MECH  4692  Final  Report:  

Off-­‐Grid  Winnipeg    Bed  and  Breakfast  

   

University  of  Manitoba  2011-­‐04-­‐11  

           

Mitch  Smith  6843751  

         

   

Page 2: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  2  

Table  of  Contents  List  of  Tables  .............................................................................................................................  3  List  of  Figures  ............................................................................................................................  3  1.0   Executive  Summary  ......................................................................................................  4  2.0   Introduction  ....................................................................................................................  5  3.0   Assumptions  ...................................................................................................................  6  

3.1   Electricity  ................................................................................................................................................  6  3.2   Natural  Gas  .............................................................................................................................................  7  3.3   Gasoline  ...................................................................................................................................................  7  3.4   Anaerobic  Digestion  ...........................................................................................................................  7  3.5   Thermal  Tank  ........................................................................................................................................  8  

4.0   Mathematical  Models  ...................................................................................................  9  4.1   Energy  Loads  .........................................................................................................................................  9  4.2   Weather  Analysis  ..............................................................................................................................  12  4.3   Anaerobic  Digester  –  CHP  .............................................................................................................  13  4.4   Thermal  Tank  .....................................................................................................................................  15  

5.0   Results  ............................................................................................................................  16  5.1   Anaerobic  Digester  –  CHP  .............................................................................................................  16  5.2   Thermal  Tank  .....................................................................................................................................  18  5.3   Greenhouse  Gases  ............................................................................................................................  19  5.4   Cost  .........................................................................................................................................................  21  

6.0   Conclusion  ....................................................................................................................  23  Bibliography  ...........................................................................................................................  24          

Page 3: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  3  

List  of  Tables    Table  1.  Design  Parameters  ..................................................................................................................  5  Table  2.  Energy  Consumption  of  Bed  and  Breakfast  ..................................................................  5  Table  3.    Electrical  Load  Usage  Breakdown  ...................................................................................  6  Table  4.  Digester  Performance  -­‐  Thermal  and  Electrical  Distribution  .............................  16  Table  5.  Digester  Performance  -­‐  Natural  Gas  Distribution  ....................................................  17  Table  6.  Results  for  Thermal  Tank  Analysis  ................................................................................  18  Table  7.  Business  as  Usual  GHG  Emissions  ..................................................................................  19  Table  8.  CO2  Emissions  after  renewable  energy  implementation  ......................................  19  Table  9.  Business  as  Usual  Cost  Breakdown  ................................................................................  21  Table  10.  Present  Value  of  a  Series  of  Annuities  per  Unit  Time  ..........................................  21  Table  11.  After  Renewable  Cost  Breakdown  with  5  digesters  .............................................  22  Table  12.  After  Renewable  Cost  Breakdown  with  3  digesters  .............................................  23    

List  of  Figures  Figure  1.  Electrical  Load  per  Year  ....................................................................................................  10  Figure  2.  Natural  Gas  Load  per  Year  ...............................................................................................  11  Figure  3.  Gasoline  Load  per  Year  ......................................................................................................  11  Figure  4.  Overall  kWhr  per  Year  .......................................................................................................  12  Figure  5.  Average  Annual  Temperature  for  Winnipeg  ............................................................  13  Figure  6.  24-­‐hour  Breakdown  of  Average  Temperature  on  August  8  in  Winnipeg  ....  13  Figure  7.  Excerpt  from  Fisher  et  al.  ..................................................................................................  14  Figure  8.  Snapshot  of  GUI  showing  Thermal  Tank  Heating  Loads  .....................................  15  Figure  9.  System  Results  -­‐  Thermal  .................................................................................................  17  Figure  10.  System  Results  -­‐  Electrical  .............................................................................................  18  Figure  11.  Yearly  CO2  Emissions  for  'Business  as  Usual'  and  'After  Renewable'  ........  20  Figure  12.  CO2  Emissions  for  March  25  ........................................................................................  20      

Page 4: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  4  

1.0   Executive  Summary    An  anaerobic  digestion  system  with  a  thermal  storage  system  has  been  proposed  for  an  off-­‐grid  renewable  energy  bed  and  breakfast.  This  system  will  see  the  use  of  four  ‘Dachs  Mini-­‐CHP’  cogeneration  units  capable  of  producing  5.5  kWe  and  12.5  kWth  at  full  load.  These  will  be  powered  by  biogas  generated  from  3  swine  manure  digesters,  each  with  a  volume  of  54.3  m3,  generating  a  total  of  512  m3  of  methane  a  day.  The  digesters  will  be  couple  to  a  163  m3  reserve  manure  tank,  as  well  as  an  18  m3  thermal  tank  for  storing  excess  heat.  To  account  for  excess  methane  and  heat  from  the  cogeneration  units,  both  a  flare  and  a  radiator  will  be  incorporated  into  the  design.  This  system  operates  in  the  thermophilic  region  with  a  temperature  of  50oc  and  a  hydraulic  retention  time  of  1  week  for  ease  of  maintenance.  Volatile  solids  of  the  manure  entering  should  remain  around  75  g/L,  but  can  be  adjusted  at  a  cost  of  natural  gas  production  per  hydraulic  retention  time.  The  energy  loads  were  divided  into  daily  usages  based  on  a  number  of  assumptions,  and  further  parasitic  loads  for  the  heating  of  the  digester  and  thermal  tank  were  added  into  the  total  energy  required.  From  all  this,  the  system  was  sized  to  the  dimensions  above.      Over  the  year,  the  digesters  are  able  to  produce  enough  natural  gas  to  fulfill  the  100000  m3  of  natural  gas  load,  send  48052  m3  of  gas  to  the  cogeneration  units,  with  an  excess  of  38698  m3,  which  is  to  be  flared.  The  electrical  loads  are  fulfilled  outside  of  a  total  of  19920  kW,  which  is  only  a  14%  requirement  from  Manitoba  Hydro  in  comparison  to  the  full  load.  There  will  be  reverse  metering  throughout  the  year,  but  this  value  represents  an  overall  load.  With  R-­‐16  insulation  on  all  tanks,  a  loss  from  the  thermal  tank  of  11657  kWhr/year  and  a  loss  from  the  digesters  of  40540  kWhr/yr  is  realized.      Greenhouse  gas  emissions  were  calculated  for  the  ‘business  as  usual’  model,  at  a  total  of  223719  kg  of  CO2  per  year.  The  addition  of  the  system  increases  the  CO2  emissions  to  408786  kg,  but  considering  this  is  removing  the  emission  on  methane  to  atmosphere,  a  total  equivalent  reduction  of  3513682  kg  CO2,  as  it  is  part  of  the  natural  carbon  cycle.    Finally,  installation  of  this  system  will  be  slightly  smaller  than  what  would  have  been  optimal,  as  costs  are  quite  substantial  for  this  project.  For  a  3-­‐digester,  4-­‐cogeneration  install,  a  total  projected  present  worth  cost  of  $315641.13  was  estimated.  This  is  equivalent  to  roughly  20  years  of  utility  costs,  therefore  yielding  a  20-­‐year  payback  period.    This  technology  is  very  stable  in  the  sense  that  it  doesn’t  depend  on  weather  patterns  in  order  to  perform,  and  is  able  to  provide  the  required  heating  load  the  most  efficiently  in  comparison  to  the  other,  electrical  based  renewable  energy  systems.  Anaerobic  digestion  has  been  utilized  in  treating  human  feces  in  water  treatment  plants  for  a  long  time,  so  this  technology  is  proven.  It  will  be  an  excellent  choice  for  implementation  into  this  bed  and  breakfast  project.    

Page 5: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  5  

2.0   Introduction    

It  is  common  knowledge  that  energy  is  a  very  cheap  resource  in  Manitoba,  as  our  energy  rates  are  among  the  lowest  per  kW-­‐hr  in  the  world.    Having  this  luxury  makes  the  use  of  renewable  energy  a  very  difficult  decision  when  planning  out  large  buildings  and  infrastructure,  as  their  prices  are  still  not  competitive  enough  economically.  This  is  a  plenty  good  reason  continue  to  develop  novel  types  of  renewable  energy  resources,  as  having  cheap  energy  available  to  all  parts  of  the  world  will  help  humanity  in  its  entirety.  With  the  discovery  and  increasing  usage  of  fossil  fuels  in  the  last  century,  cheap  energy  has  been  available,  but  a  cost  to  the  environment.  As  well,  it  has  a  limited  supply,  and  we  are  quickly  approaching  its  bounds.  Therefore,  finding  cheap  energy  sources  is  important,  but  we  have  to  make  sure  that  it  will  not  harm  the  environment,  and  that  it  will  last.  Renewable  energy  is  the  solution.     Implementation  of  various  types  of  renewable  energy  systems  has  been  proposed  for  a  bed  and  breakfast  to  be  located  in  southern  Manitoba.  A  list  of  criteria  was  provided  for  design  parameters,  and  below  is  a  valid  subset  of  the  list  for  this  specific  design.    

Table  1.  Design  Parameters  Maximum  Utility  Usage   50%  Purchase  Price  of  Power   $0.06/kW-­‐hr  Selling  Price  of  Power     $0.06/kW-­‐hr  

 From  these  values,  the  most  important  to  meet  is  the  50%  maximum  utility  

usage  rate.  To  better  quantify  this  goal,  the  energy  requirements  must  be  analyzed.  From  the  supplied  information,  the  specific  energy  types  have  all  been  converted  to  similar  units  to  show  a  better  comparison.  

 Table  2.  Energy  Consumption  of  Bed  and  Breakfast  

Energy  Type   Energy  Consumed   Energy  Consumed  Electricity   18000   kW-­‐hr/yr   64800   MJ  Electricity   18000   kW-­‐hr/yr   64800   MJ  Electricity   18000   kW-­‐hr/yr   64800   MJ  Electricity   18000   kW-­‐hr/yr   64800   MJ  Electricity   18000   kW-­‐hr/yr   64800   MJ  Electricity   18000   kW-­‐hr/yr   64800   MJ  Electricity   36000   kW-­‐hr/yr   129600   MJ  Electricity   36000   kW-­‐hr/yr   129600   MJ  Natural  Gas   80000   m3/yr   814705   MJ  Natural  Gas   20000   m3/yr   3258819   MJ  Gasoline   1000   L/year   36051   MJ  Gasoline   2400   L/year   86523   MJ  

 From  this  chart,  and  knowledge  of  the  use  of  each  of  these  energy  types,  3  of  

the  4  highest  usages  are  used  for  heating,  and  the  two  highest  are  natural  gas  demand.  It  is  therefore  inherent  that  when  designing  the  renewable  energy  system,  

Page 6: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  6  

the  focus  should  be  on  providing  heat,  or  fuel,  rather  than  reproducing  electricity  for  the  building.  

The  design  selection  for  this  project  is  focused  on  methane  production,  using  swine  manure  in  an  anaerobic  digestion  system.  This  methane  will  serve  two  purposes:  to  supply  the  household  and  greenhouse  natural  gas  loads  of  100  000  m3  total  per  year,  as  well  as  to  be  run  in  a  combined  heat  and  power  cycle,  or  micro  cogeneration,  to  provide  electricity  and  external  heat,  which  will  be  used  for  hot  water  generation.  To  better  constrain  the  system  design,  assumptions  for  each  step  of  the  project  must  be  outlined.  

3.0   Assumptions    

The  majority  of  assumptions  made  during  the  design  process  will  outlined  in  this  section.  Less  important  assumptions  used  during  calculations  will  be  made  in  the  appendices.  

3.1   Electricity       The  electricity  use  of  this  building  is  rather  high,  but  not  high  enough  to  warrant  dedicated  electricity  production.  In  breaking  down  energy  loads  to  daily-­‐allotted  values,  the  following  assumptions  were  made.    

Table  3.    Electrical  Load  Usage  Breakdown  Refrigeration   Distributed  evenly  throughout  the  year  and  per  day  Freezing   Distributed  evenly  throughout  the  year  and  per  day  Lighting   Distributed  evenly  throughout  the  year  during  hours  awake  and  sun  is  

set  Appliances   Distributed  evenly  throughout  year  during  hours  awake  Computers/Electronics   Distributed  evenly  throughout  year  during  hours  awake  Air  Circulation   Used  in  parallel  with  heating  –  distributed  evenly  between  November  

1  and  April  1  Air  Conditioning   Used  in  summer  only  –  distributed  evenly  between  June  21  and  

September  22  Hot  Water  Heating   Removed  from  electrical  load  –  powered  by  cogeneration  unit  

 To  perform  much  of  the  cost  analysis  it  is  will  be  assumed  that  there  are  no  

demand  charges  in  terms  of  volt-­‐amperes,  and  that  costs  per  kW-­‐hr  will  be  fixed  at  the  price  listed  above.  With  reverse  metering,  it  is  an  equal  give  and  take  system  where  energy  produced  is  paid  the  same  amount  as  energy  used.  

Finally,  the  proposed  system  has  electrical  output,  and  will  be  assumed  to  provide  either  full  rated  power,  or  be  off,  and  provide  nothing.  The  cogeneration  units  selected  are  able  to  perform  within  a  certain  range,  but  for  simplicity  in  controls  it  is  assumed  to  be  an  ‘on’  or  ‘off’  piece  of  equipment.  

   

Page 7: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  7  

3.2   Natural  Gas       Natural  gas  usage  is  spread  out  in  a  linear  trend  throughout  the  fall,  winter  and  spring  months.  Again,  prices  will  be  considered  constant,  with  no  demand  charges  if  needed,  and  a  cost  of  $0.2108/m3  will  be  used  for  costing  [Hydro].  Summer  was  assumed  to  start,  temperature-­‐wise  on  June  1  and  end  on  its  typical  day  of  September  22.  Heating  increases  linearly  until  December  31,  where  it  then  begins  to  fall  linearly  to  June  1.  The  slope  of  each  line  and  y-­‐intercepts  are  found  by  assuming  the  area  under  the  combined  curves  to  equal  the  total  usage  throughout  the  year.  This  will  be  further  explained  in  the  mathematical  models  section  for  energy  loads.     The  model  designed  for  the  bed  and  breakfast  supplies  its  own  self-­‐generated  natural  gas  for  use  in  the  building.  It  is  already  known  that  biogas  only  provides  ~70%  methane,  but  this  is  already  accounted  for  in  the  biogas  model,  and  therefore  may  be  neglected  [1]  [2].  Biogas  also  contains  CO2  and  trace  amounts  of  ammonia  (NH3)  and  hydrogen  sulfide  (H2S).  As  the  last  two  may  be  very  harmful  to  humans  as  well  as  equipment,  a  gas  scrubbing  system  must  in  place  to  clean  the  biogas  if  it  is  being  burned  in  the  home  in  an  air  furnace.  Since  boilers  have  been  described  in  the  definition  of  the  heating  loads,  this  should  not  be  a  problem  as  long  as  stainless  steel  is  used  for  the  combustion  chamber  and  pipes,  and  the  effluent  gases  are  vented  away  from  the  home.  

3.3   Gasoline       Through  the  investigation  of  the  energy  requirements  of  the  bed  and  breakfast,  the  gasoline  usage  is  small  percentage  of  the  energy  use,  and  from  the  beginning  was  not  going  to  be  chosen  for  replacement  with  renewable  energy.  Assumptions  were  still  made  on  its  yearly  distribution.  Through  research  it  has  been  found  that  fuel  usage  for  the  typical  Canadian  is  1.4  times  more  in  the  summer  than  the  winter  [3].  Therefore  a  sinusoidal  model  was  created  having  a  peak  value  1.4  times  higher  during  the  summer  than  during  the  winter,  and  total  area  under  the  curve  equal  to  total  gasoline  usage.  This  will  be  further  explained  in  the  model  section.     Finally,  as  gas  prices  fluctuate  daily,  a  standardized  value  of  $1.00/L  will  be  used  for  the  costing  section  of  the  report.  

3.4   Anaerobic  Digestion       The  entire  anaerobic  digestion  system  is  simple  in  its  inputs  and  outputs,  but  overall  is  quite  a  complex  series  of  events.  Typical  manure  is  allowed  to  flow  into  lagoons  from  hog  barns  with  bacteria  breaking  it  down  into  more  simple  components,  which  are  eventually  spread  onto  fields  as  compost.  By  providing  heat  to  the  manure  in  a  controlled  manner,  it  is  possible  to  culture  the  bacteria  into  higher  counts,  able  to  break  down  the  manure  faster  and  more  efficiently.  Luckily,  methane  is  a  byproduct  of  this  reaction,  and  therefore  the  source  of  this  design.    

Page 8: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  8  

  First  off,  a  model  to  describe  these  phenomena  has  been  selected  which  has  been  derived  from  empirical  correlations.  It  has  been  deemed  accurate  for  a  baseline  model,  but  would  have  to  be  refined  to  meet  the  specific  criteria  of  this  location,  and  possibly  the  age  of  the  hogs  from  which  the  manure  is  received.  As  well,  the  temperature  range  with  which  the  model  is  described  transfers  through  3  different  types  of  bacteria,  being  the  psychrophiles,  mesophiles  and  thermophiles.  As  it  takes  time  for  these  bacteria  to  culture  and  switch  between  one  set  and  another,  it  is  assumed  that  a  steady  state  must  be  achieved  for  whatever  temperature  is  going  to  be  selected,  and  the  design  would  not  change  following  that     As  per  the  model  itself,  a  number  of  restrictions  were  laid  out  in  the  beginning,  completely  dependent  on  the  research.  Temperature  ranges  are  only  valid  between  20-­‐60oc  for  the  digester,  and  a  hydraulic  retention  time  between  5  and  30  days.  HRTs  have  been  found  longer  in  cold  climate  situations  such  as  Manitoba,  but  this  is  utilizing  the  very  cold  psychrophilic  range,  and  large  volume  long  retention  times  benefit  from  these  conditions.  The  plan  here  is  to  utilize  a  slightly  higher  temperature,  meaning  a  lower  retention  time  and  higher  gas  production.  Finally,  the  volatile  solids  content  has  been  restricted  to  a  range  between  10-­‐120  g/L  as  methane  extraction  will  be  very  low  on  the  low  end  of  the  range,  and  the  model  utilized  in  this  system  is  not  valid  outside  of  the  higher  range  [2].  

The  number  of  reactors  is  limited  to  5  as  any  more  becomes  to  cumbersome  for  installation  as  well  as  providing  an  abundance  of  energy  to  the  house,  much  of  which  would  become  wasted.  It  is  also  chosen  that  the  maximum  number  of  cogeneration  units  used  at  once  would  be  4,  as  this  correlates  with  the  average  electrical  load  if  divided  into  the  year.  Also,  costs  become  an  important  factor  to  consider  if  any  more  are  required.  

To  provide  a  means  of  measuring  the  heat  loss,  some  type  of  R-­‐value  was  assigned  to  the  tanks.  An  R-­‐16  spray  on  polyurethane  insulation  has  be  specified  for  the  tanks  [4].  

Piping,  pumps,  controls  and  installation  have  been  omitted  from  the  design  as  it  would  prove  to  complex  at  this  point  in  time  to  utilize  this,  and  the  layout  would  be  highly  dependent  on  the  land  and  house/greenhouse  layout.      

3.5   Thermal  Tank       The  thermal  tank  will  be  used  as  a  thermal  storage  device  for  excess  heat  produced  by  the  cogeneration  units.  This  device  is  very  basic,  as  it  works  on  the  principle  of  storing  hot  water  in  a  tank  for  future  use.  It  will  be  very  similar  to  a  radiator,  except  since  the  goal  is  to  store  the  heat,  it  will  have  to  be  able  to  be  disconnected.  It  is  planned  that  the  thermal  tank  will  be  placed  outdoors  with  the  digesters,  as  it  will  be  decently  large  in  size.  Insulation  on  this  tank  will  follow  the  same  R-­‐16  value  specified  for  the  digester  tanks,  and  the  same  assumption  of  a  perfectly  insulated  base  will  apply.  Heat  transfer  through  the  tank  will  follow  the  same  temperature  difference  as  explained  above.  Pumping  loads  required  for  this  device  will  be  consumed  in  the  anaerobic  digester  system  

Page 9: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  9  

4.0   Mathematical  Models       Explained  in  this  section  will  be  the  models  devised  for  the  energy  loads,  the  weather  analysis  and  the  two  specified  designs  being  the  anaerobic  digester  featuring  combined  heat  and  power,  and  the  thermal  energy  storage  tank.  

4.1   Energy  Loads    The  energy  loads  were  separated  into  3  distinct  Excel  sheets,  for  each  of  the  3  

types.  As  explained  earlier  for  electricity,  the  freezer,  refrigeration,  appliances,  hot  water  and  electronics  were  separated  evenly  through  the  year  by  dividing  their  energy  load  by  365  to  obtain  a  daily  value.  The  hot  water  load  was  calculated  here  just  for  organization,  but  it  is  still  omitted  from  the  electrical  energy  load  as  the  thermal  tank  supplies  it.  The  lighting  load  is  spread  equally  over  the  time  awake  and  time  the  sun  is  not  in  the  sky.  With  6:30am  and  11:30pm  chosen  as  time  to  wake  up  and  sleep,  the  following  formula  was  utilized.    =IF($I$16-C27>0,0,ABS($I$16-C27))*24+IF($I$17-D27>0,ABS($I$17-D27),0)*24

This  code  sums  the  hours  in  any  specific  day,  by  checking  if  a  person  awakes  before  sunrise  and  stays  up  past  sunset.  Summing  these  values  for  a  year  amounts  to  1824  hours  of  lighting  required,  which  is  then  divided  into  the  lighting  energy  load,  and  multiplied  into  each  days  lighting  requirement  to  give  an  overall  daily  energy  load  for  lighting.  Air  conditioning  is  divided  evenly  into  what  was  deemed  summer  days,  running  from  summer  solstice  on  June  21  to  fall  equinox  on  September  22.  The  number  of  days  during  this  period  was  divided  into  the  total  air  conditioning  load,  and  was  considered  the  average  daily  value.  The  final  electrical  load  is  the  fan,  which  was  displaced  in  the  same  manner  as  the  natural  gas  loads  explain  later.  The  load  is  to  maximized  at  December  31  and  January  1,  and  taper  off  to  zero  from  January  1  to  June  1,  and  start  from  zero  going  to  a  maximum  from  September  22  to  December  31.  The  area  under  the  curve  would  be  equal  to  the  total  energy  load.  Two  linear  lines  were  solved  for  to  come  up  with  these  values.  Their  equations  are  

 !"#$  !"#  !"!!"#!!"#$(!"ℎ!) =  −0.94984 !"##$%&  !"# − 1 + 142.95108  !"#$  !"#  !"!!"#$!!"#(!"ℎ!) =  1.43426 !"##$%&  !"# − 265 + 0.71713    Natural  gas  usage  followed  the  same  model  as  the  fan  equation,  using  the  

same  beginning  and  ending  days  for  its  linearization.  First  the  natural  gas  was  converted  from  m3  to  kWhr  using  its  density  of  0.78  kg/m3,  HHV  of  52.225  MJ/kg  and  3.6  MJ/kWhr.  The  linear  equation  for  energy  demand  per  day  for  the  greenhouse  was  calculated  as,  

 !"#$  !"#  !"!!"#!!"#$(!"ℎ!) =  −47.7680 !"##$%&  !"# − 1 + 7189.0838  

Page 10: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  10  

!"#$  !"#  !"!!"#$!!"#(!"ℎ!) =  72.19678 !"##$%&  !"# − 265 + 36.06048    The  household  used  ¼  the  amount  of  energy  as  the  greenhouse,  so  the  final  

value  for  each  day  for  the  greenhouse  was  divided  by  4  to  gain  the  household  daily  energy  load.  These  values  were  summed  together  to  find  the  total  kWhr  per  day,  as  well  as  converted  back  to  m3  of  natural  gas  for  use  in  the  anaerobic  digestion  model.  

Finally,  the  gasoline  usage  followed  a  sinusoidal  curve  as  mentioned  above.  Using  the  density  of  0.7747  kg/L  and  HHV  of  46.536  MJ/kg  with  the  same  3.6MJ/kWhr  value,  the  equation  for  the  sinusoidal  functions  for  the  car  and  truck  are  

!"#  !"#  !"!!"# ! = −0.45662 cos360 !"#365 + 2.7397  

!"#  !"#  !"!!"#$% ! = −1.09488cos360 !"#365 + 6.56926  

 These  values  were  converted  to  kWhr  following  this,  but  were  left  in  litres  

for  the  final  summary  as  no  system  was  implemented  to  change  them  to  renewable,  so  a  simple  representation  of  how  much  fuel  used  in  a  certain  time  frame  is  sufficient.  

Below  are  the  results  of  the  energy  breakdown  for  each  of  the  three  energy  sources  as  well  as  the  total  overall  energy  load.  

Figure  1.  Electrical  Load  per  Year  

   

Page 11: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  11  

Figure  2.  Natural  Gas  Load  per  Year  

 Figure  3.  Gasoline  Load  per  Year  

   

Page 12: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  12  

Figure  4.  Overall  kWhr  per  Year  

 

4.2   Weather  Analysis       Using  the  weather  data  proved  very  cumbersome,  as  there  were  almost  half  a  million  data  points,  so  only  the  last  3  years  worth  of  data  was  utilized  in  the  analysis.  As  the  overall  system  only  requires  temperature,  it  seemed  more  computationally  favourable  to  only  bring  in  the  temperature  values  rather  than  every  column  of  data.  The  dates  and  temperature  values  were  input  into  columns,  and  the  date  information  was  separated  into  its  year,  month,  day  and  hour  sections  using  the  ‘RIGHT’  and  ‘LEFT’  functions  of  Excel.  This  was  able  to  pull  certain  data  points  out  to  give  each  of  the  individual  time  steps  mentioned  above.  As  the  temperature  was  given  in  T  x  102  oc,  a  quick  divide  by  10  was  performed  to  get  the  appropriate  temperature.  The  basic  formula  used  to  separate  the  data  points  into  average  daily  values  is  shown  below,  for  January  1.    {=SUM(IF(($D$4:$D$35067=MONTH(L4))*($E$4:$E$35067=DAY(L4))*($H$4:$H$35067<80),$H$4:$H$35067,0))/SUM(IF(($D$4:$D$35067=MONTH(L4))*($E$4:$E$35067=DAY(L4))*($H$4:$H$35067<80,1,0))}   What  this  code  does  is  perform  an  array  summation  over  the  entire  set  of  data  such  that  it  pulls  only  specific  data  for  the  specified  month  and  day,  summing  the  values,  then  dividing  it  by  the  number  of  values  summed.  As  this  is  an  array  formula,  it  requires  a  CTRL+SHIFT+Enter  to  work  properly.  The  same  type  of  formula  was  used  to  provide  a  24  hour  temperature  display  for  any  given  day,  specified  in  the  Summary  Page  of  the  Excel  sheet.  One  important  note  in  this  code  is  the  temperature  value  being  less  than  80oc.  As  corrupted  values  in  the  data  were  displayed  as  99,  this  helped  reduce  error  in  the  annual  average  temperature  chart,  

0.00  

1000.00  

2000.00  

3000.00  

4000.00  

5000.00  

6000.00  

7000.00  

8000.00  

9000.00  

10000.00  

18-­‐Nov   07-­‐Jan   26-­‐Feb   17-­‐Apr   06-­‐Jun   26-­‐Jul   14-­‐Sep   03-­‐Nov   23-­‐Dec   11-­‐Feb  

Total  kWhr  per  Year  

Time  (days)  

Page 13: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  13  

while  still  including  all  temperature  values.  The  average  temperature  displayed  annually  and  for  August  8  for  a  24-­‐hour  breakdown.    

Figure  5.  Average  Annual  Temperature  for  Winnipeg  

   

Figure  6.  24-­‐hour  Breakdown  of  Average  Temperature  on  August  8  in  Winnipeg  

   

4.3   Anaerobic  Digester  –  CHP       The  digestion  model  requires  a  number  of  inputs  to  produce  results.  First  the  size  and  number  of  cogeneration  units  is  specified,  in  the  form  of  cylindrical  tanks.  A  

Page 14: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  14  

limit  of  5  digesters  is  imposed  as  any  more  would  be  redundant  for  this  project,  and  produce  abundant  amounts  of  natural  gas.  From  here,  the  empirical  formulas  used  to  define  the  model  as  shown  in  the  following  excerpt  from  a  paper  by  Fisher  et  al  [2].  

Figure  7.  Excerpt  from  Fisher  et  al.  

    Therefore  this  model  is  capable  of  providing  the  gas  production  per  unit  volume  of  digester  for  various  hydraulic  retention  times  and  volatile  solid  concentrations.  This  model  was  limited  to  a  reactor  temperature  of  35oc  with  only  a  single  μm  value.  Another  study  was  able  to  provide  a  relation  for  this  value  as  a  function  of  temperature  [5].    

!" = 0.013 ! − 0.129    

So  to  obtain  a  methane  production  value,  the  temperature  and  volatile  solid  content  are  first  utilized  in  the  above  equation  as  well  as  the  kinetic  parameter  equation  listed  in  the  excerpt.  These  values  are  then  plugged  into  the  initial  two  formulas  to  obtain  the  overall  methane  production.     Having  a  constant  production  of  methane  each  day,  and  the  overall  methane  load  required  each  day,  a  difference  was  calculated  for  each  day.  If  the  value  was  negative,  this  would  mean  required  utility  gas,  and  this  circumstance  was  not  completed  in  time  for  this  report.  The  positive  gas  flow  however  has  been  accounted  for.  Excess  gas  is  utilized  in  one  of  two  ways.  If  there  is  enough  on  a  certain  day  to  power  a  cogeneration  unit  at  full  capacity,  it  is  burned  in  the  unit  to  provide  heat  and  power.  All  excess  is  sent  to  the  flare.  Therefore  the  utilization  of  gas  increases  in  steps  as  cogeneration  unit  has  enough  gas  to  be  able  to  provide  full  operating  loads.    

The  electricity  is  sent  to  the  household,  where  if  there  is  too  much,  it  is  sent  to  the  grid  in  reverse  metering  at  cost,  and  if  it  is  not  enough,  the  house  pulls  back  on  the  grid  for  the  remainder.  The  heat  is  separated  in  a  number  of  ways.  First,  an  energy  loss  for  each  day  is  performed  using  the  outdoor  temperature,  the  digester  temperature,  the  resistance  value  of  the  insulation  placed  on  the  digester  and  the  

Page 15: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  15  

surface  area  of  the  tank  exposed  to  the  environment.  This  energy  load  is  the  primary  load  to  be  fulfilled,  and  must  be  fulfilled  whether  or  not  it  must  use  utility  natural  gas.  If  there  is  excess  heat  after  this,  it  goes  into  the  thermal  tank,  which  also  has  the  same  energy  loss  as  the  digester  tanks  due  to  environmental  losses.  It  also  has  the  losses  due  to  the  hot  water  energy  load  from  the  house.  Finally,  if  there  is  any  remainder  heat,  it  is  sent  to  an  external  radiator,  to  be  shed  to  the  environment.  

Many  of  the  Excel  formula  used  in  this  model  are  the  same  as  in  the  previously  defined  models,  and  for  the  sake  of  brevity,  will  not  be  included  in  this  section.  

4.4   Thermal  Tank         The  thermal  tank  uses  the  same  principles  as  the  methods  above  by  discretizing  the  year  by  day,  and  solving  for  an  effective  heat  loss  or  gain  for  each  day.  As  the  cogeneration  units  supply  water  at  80oc,  and  for  simplicity  sake,  it  was  chosen  to  leave  the  thermal  tank  at  this  temperature.  The  tank  is  rectangular  in  shape  with  a  chosen  size  of  3  x  3  x  2  m  tall,  giving  a  total  volume  of  18  m3.  Using  the  same  R-­‐16  insulation  as  specified  for  the  digester  and  reserve  tanks,  the  same  temperature  difference  according  to  a  specific  average  daily  temperature  and  the  80oc  tank  temperature,  and  calculating  the  surface  area  open  to  heat  transfer  as  33  m2,  heat  loss  though  the  boundary  may  be  calculated.  It  must  be  noted  that  the  total  heat  required  as  an  input  from  the  thermal  output  of  the  cogeneration  units  must  be  the  heat  loss  through  the  tank  boundary  as  well  as  the  heating  load  from  the  hot  water.  These  two  values  are  summed  and  made  equal  to  the  heat  going  into  the  digester,  as  seen  in  the  Excel  Summary  Page.      

Figure  8.  Snapshot  of  GUI  showing  Thermal  Tank  Heating  Loads  

      The  same  array-­‐based  Excel  formulae  are  used  to  generate  the  monthly  values  in  the  summary  section,  and  ‘VLOOKUP’  was  used  for  the  daily  values  in  the  table.  As  with  the  other  models,  yearly  was  a  summation  of  the  daily  values,  and  hourly  was  found  by  dividing  the  daily  value  by  24.        

   

Page 16: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  16  

5.0   Results       The  results  of  this  analysis  are  shown  for  the  digester  and  thermal  tank  themselves,  as  well  as  a  basic  cost  analysis  and  environmental  analysis  in  the  form  of  greenhouse  gas  emissions.  

5.1   Anaerobic  Digester  –  CHP       Using  anaerobic  digestion  with  cogeneration  is  a  very  attractive  renewable  energy  source  as  it  is  capable  of  harnessing  copious  amounts  of  natural  gas.  The  final  model  selected  was  using  3  reactors  with  a  series  of  4  cogeneration  units  by  Dachs.  with  a  hydraulic  retention  time  of  7  days,  volatile  solids  of  75  g/L  and  a  digester  temperature  in  the  thermophilic  range  of  50oc.  By  changing  each  of  these  values,  and  previous  knowledge,  it  was  known  that  a  higher  temperature  would  yield  higher  gas  production,  and  would  be  able  to  utilize  a  higher  volatile  solids  concentration.  The  7-­‐day  HRT  was  chosen  to  help  with  the  turnaround  of  fresh  manure  into  the  digester,  without  flooding  the  thermophiles  out,  but  also  provide  a  very  accessible  maintenance  schedule,  performed  on  a  weekly  basis.  A  list  of  monthly  data  is  shown  below.  

 Table  4.  Digester  Performance  -­‐  Thermal  and  Electrical  Distribution  

 Month  

Thermal  Energy  Produced  (kWhr)  

Electrical  Energy  Produced  (kWhr)  

Heat  Lost  by  Digesters  (kWhr)  

Heat  to  Thermal  Tank  (kWhr)  

Heat  Lost  by  Thermal  Tank  (kWhr)  

Heat  from  Radiator  (kWhr)  

January   0.00   0.00   4888.06   4298.60   1241.06   -­‐6129.12  February   0.00   0.00   4053.79   3819.86   1058.22   -­‐5112.01  March   15000.00   6600.00   4015.15   4146.99   1089.45   9895.39  April   35100.00   15444.00   3193.52   3893.01   934.10   30972.37  May   37200.00   16368.00   2822.14   3939.79   882.25   33495.60  June   36000.00   15840.00   2482.02   3769.43   810.53   32707.45  July   37200.00   16368.00   2263.99   3842.84   785.31   34150.70  August   37200.00   16368.00   2297.11   3848.60   791.06   34111.82  September   36000.00   15840.00   2705.97   3808.33   849.43   32444.61  October   37200.00   16368.00   3332.74   4028.47   970.93   32896.32  November   11100.00   4884.00   3751.17   3989.86   1030.96   6317.87  December   0.00   0.00   4734.24   4271.88   1214.35   -­‐5948.59  Total   282000.00   124080.00   40539.91   47657.66   11657.66   229802.43  

           

Page 17: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  17  

Table  5.  Digester  Performance  -­‐  Natural  Gas  Distribution  

Month  

Natural  Gas  Produced  (m3)  

Natural  Gas  to  Cogen  (m3)  

Natural  Gas  to  House  (m3)  

Natural  Gas  to  Flare  (m3)  

January   15863.86   0.00   22165.64   -­‐6301.78  February   14328.65   0.00   15661.86   -­‐1333.21  March   15863.86   2556.00   12514.18   793.68  April   15352.13   5981.04   7282.13   2088.96  May   15863.86   6338.88   2535.55   6989.43  June   15352.13   6134.40   0.00   9217.73  July   15863.86   6338.88   0.00   9524.98  August   15863.86   6338.88   0.00   9524.98  September   15352.13   6134.40   251.26   8966.46  October   15863.86   6338.88   5810.30   3714.69  November   15352.13   1891.44   12920.49   540.20  December   15863.86   0.00   20892.04   -­‐5028.18  Total   186784.20   48052.80   100033.45   38697.95  

    It  is  important  to  note  that  the  negative  values  for  gas  to  the  flare  represent  and  are  equal  to  the  intake  from  the  utility  of  natural  gas,  but  the  controls  were  too  difficult  to  implement  into  the  model  to  counteract  this,  and  have  been  omitted.  By  using  the  utility  gas  the  negative  values  in  the  heat  to  radiator  column  would  also  be  turned  to  zero.  These  values  are  also  graphically  represented  to  get  a  better  feel  for  the  system  as  a  whole.    

Figure  9.  System  Results  -­‐  Thermal  

   

Page 18: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  18  

Figure  10.  System  Results  -­‐  Electrical  

    The  first  graph  shows  the  large  portion  of  heat  required  to  heat  the  house.  The  stepped  portions  represent  the  powering  on  of  each  individual  cogeneration  unit,  and  can  also  be  seen  in  the  purple  “Total  Heat  from  Flare”  data.  In  the  second  graph,  electricity  is  take  from  grid  for  the  winter  months,  but  is  able  to  be  returned  to  the  grid  in  the  summer  months,  yielding  a  still  negative,  but  much  lower  need  for  utility  electricity.  

5.2   Thermal  Tank       The  thermal  tank  was  designed  such  that  it  will  always  provide  enough  heat  to  supply  the  household  with  hot  water.  The  tank  itself  will  consume  energy  as  it  is  placed  outside  and  will  experience  heat  losses  due  to  temperature  differences.  Using  the  criteria  listed,  a  summation  of  the  heat  losses  for  each  month  as  well  as  an  annual  value  are  listed  in  the  table  below.    

Table  6.  Results  for  Thermal  Tank  Analysis  

Month  Heat  Loss  (kWhr)  

Hot  Water  Heating  Load  (kWhr)  

Total  Heat  to  Thermal  Tank  (kWhr)  

January   1241   3058   4299  February   1058   2762   3820  March   1089   3058   4147  April   934   2959   3893  May   882   3058   3940  June   811   2959   3769  July   785   3058   3843  August   791   3058   3849  

Page 19: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  19  

September   849   2959   3808  October   971   3058   4028  November   1031   2959   3990  December   1214   3058   4272  Annual   11658   36000   47658  

    It  may  be  advantageous  in  the  future  to  utilize  some  of  the  extra  heat  in  this  thermal  tank  by  increasing  it  in  size  and  using  it  as  a  backup  for  the  thermal  energy  required  to  heat  the  digesters,  as  there  is  some  natural  gas  usage  in  the  coldest  months  of  the  year  as  supplementary  fuel.      

5.3   Greenhouse  Gases       Greenhouse  gas  emission  will  be  divided  into  two  distinct  cases,  being  the  ‘business  as  usual’  case,  without  any  added  technology,  and  the  ‘after  renewable  case’,  using  the  anaerobic  digesters  as  an  energy  source.  First,  the  ‘business  as  usual’  case  is  modeled  for  all  CO2  emissions.  The  CO2  emissions  will  be  presented  from  each  energy  form  and  calculated  in  their  entirety.    

Table  7.  Business  as  Usual  GHG  Emissions  

Electricity   1080      kg  CO2  Natural  Gas   214500      kg  CO2  Gasoline   8139      kg  CO2  Total   223719      kg  CO2  

    From  the  amount  of  each  energy  source  as  some  common  knowledge,  it  was  obvious  that  natural  gas  would  provide  the  highest  source  of  CO2  emissions.  Renewable  energy  systems  must  not  only  provide  near  unlimited  sources  of  energy,  but  also  reduce  effects  on  the  environment  in  comparison  to  fossil  fuels.  The  proposed  system  still  uses  natural  gas,  but  is  removing  it  from  a  source,  which  is  a  higher  GHG  producer  than  the  combustion  of  fossil  fuels.  Anaerobic  digestion  occurs  naturally  in  manure  lagoons,  releasing  the  natural  gas  to  atmosphere,  rather  than  capturing  and  combusting  it.  Methane  is  known  to  be  21  times  worse  as  a  greenhouse  gas  than  CO2,  therefore  an  equivalent  21kg  CO2  per  kg  of  methane.  Using  the  system  data  of  total  methane  captured  from  the  digesters,  and  the  equivalent  CO2  reduction,  it  may  be  concluded  that  this  technology  vastly  decreases  the  emission  of  greenhouse  gases  to  the  atmosphere.    

Table  8.  CO2  Emissions  after  renewable  energy  implementation  

Business  As  Usual   223719   kg  CO2  After  Renewable   408786   kg  CO2  Equivalent  CO2   3922468   kg  CO2  Total  Reduction   3513682   kg  CO2  

Page 20: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  20  

    In  the  Excel  model,  a  yearly  and  daily  CO2  emission  plot  was  created  to  show  how  they  vary  with  the  system  throughout  the  year.  An  example  for  March  25  is  shown  along  with  the  yearly  distribution  below.    

Figure  11.  Yearly  CO2  Emissions  for  'Business  as  Usual'  and  'After  Renewable'    

       

Figure  12.  CO2  Emissions  for  March  25  

 

Page 21: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  21  

5.4   Cost    

Provision  of  a  cost  report  is  in  the  form  a  very  basic  break-­‐even  analysis.  First  a  benchmark  must  be  calculated  using  the  cost  of  power  to  begin  with,  which  will  be  known  as  the  ‘business  as  usual’  model.  The  following  table  shows  a  breakdown  of  this  cost.    

Table  9.  Business  as  Usual  Cost  Breakdown  Energy  Type   Cost/  Unit   Energy  Consumed  per  Year   Total  Cost  per  Year  Electricity   $0.06  /  kWhr   180000  kWhr   $10800.00  Natural  Gas   $0.2108  /  m3   100000  m3   $21080.00  Gasoline   $1.00  /  L   3400  L   $3400       Total   $35280.00  

   As  both  the  ‘business  as  usual’  and  ‘after  renewable’  models  both  require  constant  O&M  costs,  they  will  be  assumed  to  be  equal  and  be  negated  from  the  rest  of  the  analysis.  This  will  also  help  to  show  a  better  comparison  between  the  energy  sources  only,  rather  than  also  including  auxiliary  costs  in  the  calculations.  As  the  comparison  is  between  a  series  of  annuities  and  a  large  initial  capital  expenditure,  a  net  present  value  calculation  will  be  used  to  compare  the  results.  For  the  ‘business  as  usual’  model,  the  following  equation  was  used,  and  values  for  various  time  intervals  are  shown  below.  It  must  also  be  noted  that  the  cost  of  capital  was  derived  from  the  Government  of  Canada  as  a  fixed  rate  equal  to  that  of  a  single-­‐family  mortgage  from  a  local  vendor  plus  3%.  From  CIBC,  this  value  came  out  to  9.35%  [6]  [7].    

!" = !1− 1+ ! !!

!    

Table  10.  Present  Value  of  a  Series  of  Annuities  per  Unit  Time  

Life  Span  (years)   Present  Value  ($)  5   -­‐$135,989.69  10   -­‐$222,968.22  15   -­‐$278,599.38  20   -­‐$314,180.88  25   -­‐$336,938.67  30   -­‐$351,494.48  35   -­‐$360,804.33  40   -­‐$366,758.87  45   -­‐$370,567.37  50   -­‐$373,003.28  

    If  one  were  to  keep  going  with  this  trend,  the  present  value  would  maximize  at  a  value  of  $377,326.20,  which  is  a  commonly  known  economic  occurrence  in  long  term  annuities.  It  will  be  assumed  that  if  our  costs  for  the  ‘after  renewable’  model  

Prof. E. Bibeau
Highlight
Page 22: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  22  

are  higher  than  this  value,  that  the  project  will  be  deemed  too  expensive  and  that  changes  must  be  made  in  order  to  make  it  more  attractive.     For  the  ‘after  renewable’  costing  model,  a  number  of  assumptions  were  made.  The  cost  of  capital  will  remain  the  same  for  consistency.  The  tanks  for  construction  would  cost  $1/gal  of  capacity,  which  is  on  par  with  many  industrial  quotes.  This  was  also  met  with  a  zero  discount  on  multiple  unit  purchases,  as  there  would  be  a  multiple  quantity  for  almost  all  components.  The  pumps  required  are  not  known  for  size,  but  an  estimate  based  on  previous  experience  was  made.  Piping  and  the  radiator  costs  were  also  made  this  way.  The  installation  was  chosen  to  cost  75%  of  the  total  capital  cost  of  all  equipment  required.  Finally,  rebates  from  Manitoba  Hydro  were  given  as  $0.30/m3  of  natural  gas  saved  and  $0.15/kWhr  electricity  saved.  As  we  did  not  exceed  their  limits  as  per  their  website,  the  full  dollar  value  is  returned  to  us.  This  led  to  the  following  cost  breakdown.    

Table  11.  After  Renewable  Cost  Breakdown  with  5  digesters  

Item   Cost  /  Unit   Qty   Total  Cost  Cogen  Unit   $28,968.00   4   $115,872.00  Digester  Tank   $14,341.03   5   $71,705.17  Reserve  Tank   $71,705.17   1   $71,705.17  Thermal  Tank   $4,755.10   1   $4,755.10  Piping   $20,000.00       $20,000.00  Pumps   $10,000.00       $10,000.00  Radiator   $10,000.00       $10,000.00  Installation/Maintenance   $228,028.08       $228,028.08  Hydro  Gas  Rebate   -­‐$30,000.00       -­‐$30,000.00  Hydro  Electrical  Rebate   -­‐$27,000.00       -­‐$27,000.00  Reverse  Metering   $0.06   36576   -­‐$2,194.56           Total   $472,870.95  

    Comparing  the  two  total  costs,  it  is  obvious  that  this  project  would  never  pay  for  itself,  and  that  modifying  of  this  optimum  case  would  be  necessary  to  make  it  viable  for  the  prospective  client.  By  reducing  the  number  of  digesters  to  3,  maintaining  the  same  values  for  everything  else,  the  price  of  the  entire  system  would  fall  to  a  payback  of  just  over  20  years.  Payments  would  be  on  par  for  the  20  years  of  utility  costs,  with  the  21st  year  as  upkeep  only.  It  would  not  longer  be  100%  off  grid,  as  electrical  load  is  now  required,  as  well  as  natural  gas  load  during  peak  heating  periods.  This  may  be  combatted  with  a  storage  source  of  the  excess  natural  gas  during  off-­‐peak  periods,  but  this  will  also  introduce  additional  costs.            

 

Page 23: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  23  

Table  12.  After  Renewable  Cost  Breakdown  with  3  digesters  

Item   Cost  /  Unit   Qty   Total  Cost  Cogen  Unit   $28,968.00   4   $115,872.00  Digester  Tank   $8,604.62   3   $25,813.86  Reserve  Tank   $25,813.86   1   $25,813.86  Thermal  Tank   $4,755.10   1   $4,755.10  Piping   $20,000.00       $20,000.00  Pumps   $10,000.00       $10,000.00  Radiator   $10,000.00       $10,000.00  Installation/Maintenance   $159,191.11       $159,191.11  Hydro  Gas  Rebate   -­‐$30,000.00       -­‐$30,000.00  Hydro  Electrical  Rebate   -­‐$27,000.00       -­‐$27,000.00  Reverse  Metering   $0.06   -­‐19920.00   $1,195.20           Total   $315,641.13  

 

6.0   Conclusion       This  project,  though  expensive,  will  provide  its  owner  with  a  highly  renewable  source  of  energy  to  replace  the  natural  gas  and  electrical  loads  of  the  bed  and  breakfast.  It  provides  the  best  energy  per  cost  in  comparison  to  wind  and  solar  energy  devices  for  this  region,  as  the  utility  supplied  electricity  prices  are  very  competitive.    

Page 24: MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!bibeauel/research/... · MECH!4692! Final!Report:! Off8Grid!Winnipeg!! BedandBreakfast!!! UniversityofManitoba! 2011304311!!!!!

  24  

Bibliography    [1]  K.  J.  Chae,  Am  Jang,  S.K.  Yim,  and  In  Kim,  "The  effects  of  digestion  temperature  and  temperature  shock  on  the  biogas  yields  from  the  mesophilic  anaerobic  digestion  of  swine  manure,"  Bioresource  Technology,  vol.  99,  pp.  1-­‐6,  2008.  

[2]  J.R.  Fischer,  E.L.  Iannotti,  and  J.H.  Porter,  "Anaerobic  Digestion  of  Swine  Manure  at  Various  Influent  Solids  Concentrations,"  Agricultural  Wases,  vol.  11,  pp.  157-­‐166,  1984.  

[3]  National  Resources  Canada.  (1996,  September)  Personal:  Transportation  -­‐  6  -­‐  Fuel  Consumption  Ratio.  [Online].  http://oee.nrcan.gc.ca/publications/infosource/pub/energy_use/NAPVUS/NAPVUSch6.cfm?attr=8  

[4]  Hanson  Tank  Pressure  Vessels.  (2011,  April)  Hanson  Tanks.  [Online].  http://hansontank.us/r16-­‐insulation.html  

[5]  D.T.  Hill,  "Simplified  Monod  Kinetics  of  Methane  Fermentation  of  Animal  Wastes,"  Agricultural  Wastes,  vol.  5,  pp.  1-­‐16,  1983.  

[6]  Government  of  Canada.  (2011,  April)  Canada  Small  Business  Financing  Program.  [Online].  http://www.ic.gc.ca/eic/site/csbfp-­‐pfpec.nsf/eng/h_la02855.html  

[7]  CIBC.  (2011,  April)  CIBC  Fixed  Rate  Open  Mortgage.  [Online].  https://www.cibc.com/ca/mortgages/fixed-­‐rate-­‐open-­‐mortg.html