Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

As the global agricultural sector faces increasing pressure to decarbonize and mitigate energy market volatility, transitioning from fossil-fuel-dependent machinery to electrified alternatives requires robust, autonomous on-site energy infrastructure. This thesis investigates the technical feasibility of achieving energy self-sufficiency on a Swedish wheat farm by integrating renewable generation with advanced energy storage systems. Specifically, the study evaluates a hybridized system comprising photovoltaic (PV) and biomass-driven Combined Heat and Power (CHP) generation with an Organic Rankine Cycle (ORC) combined with a dual-mode storage configuration: a 1 MWh Battery Energy Storage (BES) for short-term electrical balancing and a 20 MWh Molten Salt Thermal Energy Storage (TES) for long-term exergetic buffering. Additionally, the system utilizes pyrolysis for carbon sequestration and as a thermal energy sink. A dynamic simulation model was developed in MATLAB/Simulink to analyze the system's performance over an annual cycle, with a specific focus on meeting the high-power charging demands of a fleet of autonomous electric tractors. The system’s efficacy was evaluated using Key Performance Indicators (KPIs), including the Self-Sufficiency Ratio (SSR), State of Charge (SoC) dynamics, and Carbon Sequestering Ratio (CSR). The results demonstrate that the integrated configuration can achieve energy autonomy under baseline conditions and identify the 20 MWh TES as the critical component for system stability. In a comparative scenario in which the TES was removed, the SSR collapsed to 56.5% because the CHP's thermal output was treated as “wasted,” and the inactive ORC engine was unable to mitigate fluctuations in electrical loads. Parametric sensitivity analyses revealed that biomass fuel quality and the CHP's operational efficiency are the primary technical bottlenecks governing the farm's energy balance. The findings suggest that while the transition to electric tractors is technically feasible through renewable integration, implementing high-capacity thermal storage is essential to provide the necessary flexibility for off-grid or weak-grid agricultural operations, but poses several technical challenges that require further inquiry. This research provides a framework for evaluating trade-offs between biomass storage, technical configurations, and system autonomy, offering a pathway to reduce the fossil-fuel dependency of modern food production.

Detta examensarbete undersöker den tekniska genomförbarheten av att uppnå fullständig energisjälvförsörjning på en 200 hektar stor svensk veteodling som ställer om till autonoma elfordon. Med insikten att jordbrukssektorn är kraftigt beroende av fossila bränslen och därmed sårbar för volatilitet på energimarknaden, utvärderar studien ett integrerat off-grid-mikronät som drivs helt av lokalt producerad halmbiomassa och solcellsgenerering (PV). För att testa detta utvecklades en dynamisk simuleringsmodell i MATLAB/Simulink för att analysera gårdens energiflöden och arbetsbelastning under ett helt år. Det föreslagna hybrida energisystemet består av en biomassebaserad kraftvärmeanläggning (CHP) och en ORC-motor (Organic Rankine Cycle), kompletterat med två typer av energilagring: ett batterilager (BES) på 1 MWh för kortsiktiga elbehov och ett termiskt energilager (TES) med smält salt på 20 MWh för långsiktig exergetisk utjämning. Systemet integrerar även en pyrolysreaktor för att förädla restprodukter från biomassan till biokol, vilket ger både en termisk energisänka och en miljönytta genom koldioxidbindning.
Simuleringsresultaten visar att fullständig energisjälvförsörjning är tekniskt möjlig under basförhållanden, med en självförsörjningsgrad på 100 % utan behov av stöd från det nationella elnätet, även under de höga effekttoppar som uppstår vid laddning av eltraktorer. En jämförande scenarioanalys visade dock att 20 MWh TES är den mest kritiska komponenten för att upprätthålla systemstabiliteten. När det termiska lagret togs bort i simuleringen sjönk gårdens självförsörjningsgrad drastiskt till 56,5 %, vilket visar att en storskalig exergetisk buffert är absolut nödvändig för att frikoppla värmeproduktionen från det omedelbara elbehovet. Dessutom identifierade parametriska känslighetstester att energiintensiteten och kapaciteten i pelletsproduktionen samt kraftvärmeanläggningens nominella kapacitet är de främsta tekniska flaskhalsarna som snabbt kan destabilisera mikronätet om de inte optimeras noggrant.
Sammanfattningsvis ger forskningen ett konceptbevis för ett fossilfritt och helt autonomt energisystem för jordbruket. Den enorma omfattningen av den nödvändiga lagringsinfrastrukturen innebär dock betydande ekonomiska och praktiska utmaningar för en enskild lantbrukare. Resultaten bekräftar att implementering av termisk lagring med hög kapacitet är avgörande för off-grid-drift; att istället välja ett hybridupplägg, där man behåller en nätanslutning för att hantera sällsynta toppbelastningsproblem samtidigt som man bibehåller en självförsörjningsgrad på 95–98 %, skulle dock sannolikt erbjuda en mer resilient och ekonomiskt bärkraftig väg för moderna jordbruk som siktar på avkarbonisering.