INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the...

105
INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIO Richard Pereira Rohan Lall

Transcript of INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the...

Page 1: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

  

 

 

 

 

INCREASING MANITOBA’S 

RENEWABLE ENERGY RATIO 

Richard Pereira Rohan Lall

 

   

Page 2: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

INCREASING MANITOBA’S 

RENEWABLE ENERGY RATIO 

Richard Pereira Rohan Lall

A thesis submitted in conformity with

the requirements for the degree of

BACHELOR OF SCIENCE (MECH. ENG.)

at the University of Manitoba

Supervisor: Dr. E. Bibeau

Department of Mechanical and Manufacturing Engineering

University of Manitoba

2008

Page 3: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

ii 

ABSTRACT 

 

This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase 

the  renewable  energy  ratio  of  Manitoba.    The  renewable  energy  ratio  (RER)  is  the  total 

renewable  energy  consumption  compared  to  the  total  primary  energy  consumption.    Four 

concepts  are  studied  in  two  comparisons.    The  first  comparison  uses Manitoba’s  available 

agricultural and  forestry biomass  residue  for district heating, with  the  alternative  case using 

biomass in a biochemical conversion to produce ethanol fuel for transportation.  In the second 

comparison,  plug‐in  hybrid  electric  vehicles  (PHEVs)  are  analyzed  for  light  passenger 

transportation  and  are  compared  to  the  alternative hydrogen  fuel  cell  vehicle  (HFCV).    Each 

concept  is  incorporated  into  the  current  provincial  energy  consumption  by  replacing  its 

respective  non‐renewable  energy  source  to  see  which  technology  would  have  the  largest 

impact.   The concept  that makes  the greater difference between biomass  for district heating 

and biomass to ethanol  is biomass district heating.    It  increases the current RER  from 31% to 

45%, while biomass  to ethanol conversion can only achieve an RER of 36%.   The comparison 

between PHEV and HFCV yields a nearly  identical RER  increase of 4%.   This  is due to the  fact 

that  the HFCV  analysis  is based on  the  amount of electrical energy  consumed by  the PHEV.   

However, when comparing the distance that the two types of vehicles are able to travel with 

the aforementioned electric energy, the PHEV is three times more capable.  This demonstrated 

that the PHEV is the more efficient system.  The implementation possibilities for both biomass 

district heating and PHEV are explored.  In order to satisfy Manitoba’s space and water heating 

requirements, a solar heat collector system  is put  into place with the biomass district heating 

system.  Together, all three systems are able to increase the RER to 53%. 

   

Page 4: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

iii 

ACKNOWLEDGEMENTS 

 

We would  like  to  thank  the  following  people  for  their  assistance  during  the  course  of  this 

undergraduate thesis: 

 

Dr. Eric Bibeau  Assistant  Professor,  Department  of  Mechanical  Engineering, 

University of Manitoba 

 

G. Paul Zanetel, P.Eng  Associate  Professor,  Engineer‐in‐Residence,  Department  of 

Mechanical Engineering, University of Manitoba 

 

Ed Innes Technology Options  Specialist,  Emerging  Energy  Systems, Power 

Planning & Development Division, Manitoba Hydro 

 

Graham Leverick  Undergraduate  Student,  Faculty  of  Engineering,  University  of 

Manitoba 

 

   

Page 5: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

iv 

TABLE OF CONTENTS 

ABSTRACT .........................................................................................................................................ii 

ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................................... iii 

TABLE OF CONTENTS....................................................................................................................... iv 

LIST OF FIGURES ............................................................................................................................. vii 

LIST OF TABLES ................................................................................................................................ ix 

NOMENCLATURE ............................................................................................................................. xi 

1  INTRODUCTION ....................................................................................................................... 1 

1.1  Background ....................................................................................................................... 1 

1.2  Purpose and Scope ........................................................................................................... 2 

1.3  Layout of Thesis ................................................................................................................ 3 

2  CURRENT MANITOBA ENERGY ................................................................................................ 4 

2.1  Heat .................................................................................................................................. 5 

2.2  Transportation .................................................................................................................. 6 

2.3  Electricity .......................................................................................................................... 7 

2.4  Manitoba Energy Map ...................................................................................................... 8 

2.5  Renewable Technology Concepts .................................................................................. 10 

3  BIOMASS ENERGY CONVERSION .......................................................................................... 11 

3.1  Introduction .................................................................................................................... 11 

3.1.1  Biomass ................................................................................................................... 11 

3.1.2  Biomass Inventory for Manitoba ............................................................................ 12 

3.2  Biomass Combustion for District Heating ...................................................................... 16 

3.2.1  The District Heating System .................................................................................... 16 

3.2.2  Biomass District Heating Analysis ........................................................................... 19 

3.3  Conversion of Biomass to Ethanol ................................................................................. 22 

3.3.1  Ethanol .................................................................................................................... 22 

3.3.2  Ethanol Conversion Analysis ................................................................................... 23 

3.4  Comparison of District Heating and Ethanol .................................................................. 27 

Page 6: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

4  RENEWABLE TRANSPORTATION TECHNOLOGIES ................................................................. 28 

4.1  Introductory Remarks .................................................................................................... 28 

4.2  Plug‐in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) ........................................................................... 28 

4.3  Hydrogen Fuel Cell Vehicle (HFCV)................................................................................. 33 

4.4  Analysis ........................................................................................................................... 36 

4.4.1  PHEV ........................................................................................................................ 36 

4.4.2  HFCV ........................................................................................................................ 38 

4.4.3  Comparison ............................................................................................................. 39 

5  IMPLEMENTATION ................................................................................................................ 43 

5.1  Current Natural Gas Consumption ................................................................................. 43 

5.2  District Heating ............................................................................................................... 44 

5.2.1  Plant Operation ....................................................................................................... 45 

5.2.2  Solar Heat ................................................................................................................ 45 

5.2.3  Solar District Heating .............................................................................................. 47 

5.2.4  Solar and Biomass District Heating ......................................................................... 48 

5.3  PHEV Implementation .................................................................................................... 52 

5.4  Maximum Renewable Energy Ratio Increase ................................................................ 56 

6  CONCLUSION AND RECOMMENDATION .............................................................................. 59 

6.1  Biomass Conversion ....................................................................................................... 59 

6.2  Renewable Transportation Technologies ...................................................................... 59 

6.3  Implementation .............................................................................................................. 60 

6.4  Recommendations ......................................................................................................... 61 

7  BIBLIOGRAPHY ...................................................................................................................... 62 

APPENDIX A ‐ CURRENT ENERGY MAP ......................................................................................... 67 

APPENDIX B ‐ BIOMASS INVENTORY ............................................................................................. 69 

B.1  Forestry Residues ........................................................................................................... 69 

B.2  Agricultural Residues ...................................................................................................... 69 

B.3  Forestry and Agricultural Residues ................................................................................ 70 

APPENDIX C ‐ BIOMASS DISTRICT HEATING .................................................................................. 71 

C.1  Biomass Energy Conversion ........................................................................................... 71 

Page 7: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

vi 

C.2  Biomass Combustor Efficiency ....................................................................................... 71 

C.3  Change in Renewable Energy Ratio ............................................................................... 75 

APPENDIX D ‐ BIOMASS CONVERSION TO ETHANOL .................................................................... 77 

D.1  Change in Renewable Energy Ratio ............................................................................... 79 

APPENDIX E:  PLUG‐IN HYBRID ELECTRIC VEHICLES ..................................................................... 81 

E.1  Change in Renewable Energy Ratio ............................................................................... 84 

APPENDIX F ‐ HYDROGEN FUEL CELL VEHICLES ............................................................................ 86 

F.1  Change in Renewable Energy Ratio ............................................................................... 88 

APPENDIX G:  SOLAR ENERGY ....................................................................................................... 90 

G.1  Methodology – Solar Isolation ....................................................................................... 92 

APPENDIX H ‐ DISTRICT HEATING AND PHEV IMPLEMENTATION ................................................ 97 

H.1  District Heating ............................................................................................................... 97 

H.2  Plug‐in Hybrid Electric Vehicles ...................................................................................... 99 

H.3  Maximum Renewable Energy Ratio Increase .............................................................. 100 

    

   

Page 8: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

vii 

LIST OF FIGURES 

Figure 1:  Current Manitoba Energy Map ....................................................................................... 9 

Figure 2:  Manitoba's Productive Forests ..................................................................................... 13 

Figure 3:  Manitoba's Agricultural Land ........................................................................................ 14 

Figure 4: (a) Left; Insulated District Heating Pipes in Germany [54] and (b) Right; Close‐up of 

Insulted District Heating Pipe [55] ................................................................................................ 17 

Figure 5:  An Example of a Heat Exchanger That Could be Used to Extract Heat from District 

Heating Pipes [15] ......................................................................................................................... 18 

Figure 6:  District Heating Schematic ............................................................................................ 19 

Figure 7:  Manitoba Energy Map with Biomass District Heating .................................................. 21 

Figure 8:  Schematic of the process to convert biomass to ethanol [23 p. 629] .......................... 23 

Figure 9:  The Biomass to Ethanol Conversion Process ................................................................ 24 

Figure 10:  Manitoba Energy Map with Biomass Ethanol ............................................................. 26 

Figure 11:  A Schematic of a PHEV Power Train [24] .................................................................... 29 

Figure 12:  Plug‐in Cord for Chevy Volt [27] ................................................................................. 30 

Figure 13:  Battery Pack for Plug‐in Hybrid Prius [29] .................................................................. 31 

Figure 14:  2010 Chevy Volt [32] ................................................................................................... 32 

Figure 15:  Illustration of Hydrolysis ............................................................................................. 33 

Figure 16:  Hydrogen Fuel Cell Diagram [34] ................................................................................ 34 

Figure 17: Honda FCX Clarity [38] ................................................................................................. 35 

Figure 18:  Manitoba Energy Map with PHEVs ............................................................................. 41 

Figure 19:  Manitoba Energy Map with HFCVs ............................................................................. 42 

Figure 20:  The Geometry of the Sun and a Solar Panel ............................................................... 46 

Figure 21:  Summer District Heating ............................................................................................. 48 

Figure 22:  Winter District Heating ............................................................................................... 49 

Figure 23:  Population Density Map for Southern Manitoba ....................................................... 50 

Figure 24:  Winnipeg Airport Surface Area ................................................................................... 51 

Figure 25:  PHEV Charging Cord [40] ............................................................................................ 53 

Page 9: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

viii 

Figure 26:  Daily Winter Electricity Load on Manitoba Hydro [31] ............................................... 55 

Figure 27:  Manitoba Energy Map – Maximized RER Increase ..................................................... 58 

Figure A. 1:  Current Manitoba Energy Map ................................................................................. 68 

Figure C. 1:  Manitoba Energy Map with Biomass District Heating .............................................. 76 

Figure D. 1:  Manitoba Energy Map with Biomass Ethanol .......................................................... 80 

Figure E. 1:  Manitoba Energy Map with PHEV ............................................................................. 85 

Figure F. 1:  Manitoba Energy Map with HFCV ............................................................................. 89 

Figure G. 1: Beam and Diffusion Radiation on Solar Panel [1] ..................................................... 92 

Figure G. 2:  Solar Geometry for a Tilted Plate ............................................................................. 93 

Figure H. 1:  Manitoba Energy Map – Maximized RER Increase ................................................. 101 

   

Page 10: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

ix 

LIST OF TABLES 

Table 1:  Manitoba’s Energy Consumption ..................................................................................... 4 

Table 2:  Natural gas deliveries to Manitoba Hydro Customers [3] ............................................... 5 

Table 3:  Divisions of Motor Gasoline Consumption ...................................................................... 6 

Table 4:  Divisions of Passenger Transportation Motor Gasoline Consumption ............................ 7 

Table 5:  Manitoba's Biomass Inventory ....................................................................................... 15 

Table 6:  Ethanol Conversion Model ............................................................................................. 25 

Table 7:  Comparison between Biomass District Heating and Biomass Ethanol .......................... 27 

Table 8:  NRCAN Transportation Data [5] ..................................................................................... 36 

Table 9:  Summary of Fuel and Energy ......................................................................................... 37 

Table 10:  PHEV Consumption Results .......................................................................................... 37 

Table 11:  Summary of Energy Changes Due to PHEV .................................................................. 38 

Table 12:  Hydrogen Conversion Model ....................................................................................... 39 

Table 13:  PHEV and HFCV Analysis Summary .............................................................................. 40 

Table 14:  Natural Gas and Heat Requirement Assumptions ....................................................... 44 

Table 15:  PHEV Power Requirements .......................................................................................... 54 

Table 16:  Final Manitoba Energy Consumption with PHEV & Solar/Biomass District Heating ... 57 

Table 17:  Manitoba Energy Changes ........................................................................................... 57 

Table A. 1 Manitoba’s Energy Consumption ................................................................................ 67 

Table A. 2:  Energy Consumption Categories – With Total Energy Consumed ............................. 68 

Table B. 1:  Biomass from Forest Resources ................................................................................. 69 

Table B. 2:  Forestry and Agricultural Biomass Energy Model ...................................................... 70 

Table C. 1:  Biomass District Heating Model ................................................................................. 71 

Table C. 2:  Average Proximate and Ultimate Analysis for Biomass [42] ..................................... 72 

Table C. 3:  Biomass Combustor Model ........................................................................................ 73 

Table C. 4:  Proximate and Ultimate Analysis for Various Biomass Species [42] ......................... 74 

Table C. 5:  Manitoba’s Energy Consumption with Biomass District Heating .............................. 75 

Table C. 6:  Energy Consumption Categories Including Biomass District Heating ........................ 75 

Page 11: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

Table D. 1:  Ethanol Conversion Model ........................................................................................ 77 

Table D. 2:  Manitoba’s Energy Consumption with Biomass Ethanol ........................................... 79 

Table D. 3:  Energy Consumption Categories Including Biomass Ethanol .................................... 79 

Table E. 1: Properties of Gasoline [1] ........................................................................................... 81 

Table E. 2:  NRCAN Transportation Data [5] ................................................................................. 81 

Table E. 3:  PHEV Fuel and Electricity Used per Kilometre ........................................................... 81 

Table E. 4: Car to Light Truck Weight Ratio .................................................................................. 82 

Table E. 5:  Calculated PHEV Consumption ................................................................................... 82 

Table E. 6:  Summary of PHEV Energy Change .............................................................................. 83 

Table E. 7:  Manitoba’s Energy Consumption with PHEV ............................................................. 84 

Table E. 8:  Energy Consumption Categories Including PHEV ....................................................... 84 

Table F. 1:  Hydrogen Production Model and Results .................................................................. 86 

Table F. 2:  Equivalent Gasoline Energy Used by HFCV ................................................................ 87 

Table F. 3:  Manitoba’s Energy Consumption with HFCV ............................................................. 88 

Table F. 4:  Energy Consumption Categories Including PHEV ....................................................... 88 

Table G. 1:  Retscreen Data for Winnipeg [1] ............................................................................... 90 

Table G. 2:  Solar Isolation Model ................................................................................................. 90 

Table G. 3:  Solar Isolation Model Continued ............................................................................... 91 

Table G. 4:  Solar Isolation Model Continued ............................................................................... 91 

Table G. 5:  Average Solar Isolation over Summer Months .......................................................... 91 

Table G. 6: Average Sky Diffuse Factor on the 21st of Each Month [1] ......................................... 92 

Table G. 7:  Recommended Average Day for Each Month [1] ...................................................... 94 

Table H. 1:  Natural Gas and Heating Assumptions ...................................................................... 97 

Table H. 2:  Solar Isolation and Panel Area Model ....................................................................... 98 

Table H. 3:  PHEV Power Requirements ........................................................................................ 99 

Table H. 4:  Manitoba Energy Changes ....................................................................................... 100 

Table H. 5:  Manitoba Energy Consumption for Maximum Renewable Energy Input ............... 100 

   

Page 12: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

xi 

NOMENCLATURE 

All Electric Range (AER)  

is the distance a fully charged PHEV can travel in solely electric mode  

Anode  is an electrode through which electric current flows into a polarized electrical device  

Battery Electric Vehicle (BEV) 

is a type of electric vehicle (EV) that only uses chemical energy stored in rechargeable battery packs  

Biomass  organic materials, such as wood by‐products and agricultural wastes, that can be burned to produce energy or converted into a gas and used for fuel  

Catalyst  is a chemical substance that increases the rate of a chemical reaction of a process  

Cathode  is an electrode through which (positive) electric current flows out of a polarized electrical device  

Cellulose  is a carbohydrate and is the main constituent of all plant tissues and fibres  

Cellulosic Biomass  biomass from agricultural plant wastes, plant wastes from industrial processes, and energy crops specifically grown for fuel production  

Charge‐depleting (CD)  

when the system is depleting the charge stored in the batteries 

Charge‐sustaining (CS)  

when the ICE is being used to help maintain the battery pack’s current state‐of‐charge  

Conventional Vehicle  

is a vehicle that is not a PHEV of HFCV  

Curb Weight  is the total weight of a vehicle with standard equipment, all necessary operating consumables (e.g. motor oil and coolant), a full tank of fuel, while not loaded with either passengers or cargo  

      

 

Page 13: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

xii 

Electrolysis of water  

is the decomposition of water (H2O) into oxygen (O2) and hydrogen gas (H2) due to an electric current being passed through the water  

Electrolyte  is any substance containing free ions that behaves as an electrically conductive medium  

Energy  the capacity to do work  

Energy Content/Density  the amount of energy per physical unit, e.g.     ⁄ ; can be based on either the lower heating value or higher heating value  

Feedstock  stock from which material is taken to be fed into a processing unit; is any biomass resource destined for conversion to energy or bio‐fuel  

Fossil Fuel  naturally occurring organic fuel that is produced by the decomposition of ancient plant and animal matter within the Earth’s crust  

Fuel Cell  is an electrochemical conversion device; it produces electricity from fuel (on the anode side) and an oxidant (on the cathode side), which react in the presence of an electrolyte  

Fuel Economy/Mileage  

is the quantity of fuel used to travel one unit of distance, e.g. ⁄  or mpg 

 Gigawatt (GW)  SI unit for measurement of power;  10  Watts 

 Glycol  a type of alcohol used as antifreeze 

 Hectare (Ha)  SI unit for an area equal to 10,000 square meters, or 2.471 acres 

 Hemicellulose  a carbohydrate polysaccharide that is similar to cellulose, but is 

less complex and easily hydrated  

Higher Heating Value (HHV)  is the amount of heat released when combusting a certain quantity and returning the temperature of the combustion products to 25°C  

Hybrid Electric Vehicle (HEV)  

a vehicle which combines a conventional propulsion system with an electric propulsion system and a rechargeable electricity storage system   

Page 14: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

xiii 

Hydrocarbon  

is an organic compound consisting entirely of hydrogen and carbon  

Hydro‐Electricity  is electricity harnessed from the kinetic energy of moving water  

Hydrogen Fuel Cell Vehicle (HFCV)  

is a vehicle that is powered by a hydrogen fuel cell linked to an electric system 

Internal Combustion Engine (ICE)  

is an engine in which the combustion of fuel and an oxidizer, typically air, occurs in a confined space 

Joule (J)  SI unit for measurement of energy  

Kilowatt hour (kWh)  is the product of power in kilowatts multiplied by time in hours  

Lead‐Acid Battery  

is a electrical storage device that uses a reversible chemical reaction to store energy  

Light vehicle  is defined as a vehicle with a curb weight below 4,500 kg  

Lignin  the organic substance that holds together the individual fibres of wood  

Lignocellulose  is the term used to refer to the bulk of plant material; it consists principally of lignin, cellulose, hemicellulose and extractives  

Lithium‐Ion Battery (Li‐Ion)  

are a type of rechargeable battery in which a lithium ion moves between the anode and cathode  

Load  is the electrical demand on the grid by the customers at any given moment  

Lower Heating Value (LHV)  is the amount of heat released when combusting a certain quantity and returning the temperature of the combustion products to 150°C  

Nickel‐Metal Hydride (Ni‐MH)  

is a type of rechargeable battery that uses a hydrogen‐absorbing alloy for the negative electrode, the positive electrode is nickel oxyhydroxide (NiOOH)  

Non‐renewable Resource    any natural resource from the Earth that exists in limited supply and cannot be replaced if it is used up   

Page 15: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

xiv 

Non‐stem Biomass  the residues produced from the harvest of forests, includes the bark, branches, and leaves of the tree  

NRCAN  Natural Resources Canada  

Off‐peak  is the time when the electrical load on the grid is not at its maximum, the maximum being the time when customers tend to draw the most power 

Oven‐Dried Tonne (ODT)  refers to a tonne of biomass that has been dried in a oven to approximately 12% moisture content  

Passenger Vehicle  

a vehicle limited to the transportation of people and not freight  

Plug‐in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)  

is a hybrid vehicle that consists of a gasoline engine coupled to an electric system    

Power  is the rate at which work is performed or energy is transmitted, or the amount of energy required or expended for a given unit of time  

Power/Electrical Grid  is an interconnected network for delivering electricity from suppliers to consumers   

Primary Energy  is energy that has not been subjected to any conversion of transformation  

Renewable Energy  any naturally occurring, theoretically inexhaustible source of energy that is not derived from fossil or nuclear fuel  

Renewable Energy Ratio (RER) 

ratio of renewable energy consumption to total primary energy consumption  

Renewable Resource  any natural resource that can replenish itself naturally over time  

Roundwood  the portion of the tree that is harvested for the production of lumber, and pulp and paper  

Smart Meter  is an advanced electrical meter that identifies consumption in more detail than a regular meter; allows the power grid to communicate with PHEVs 

   Society of Automotive Engineers (SAE) 

is a professional organization for mobility engineering professionals in the aerospace, automotive, and commercial vehicle industries 

Page 16: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

xv 

Solar Isolation  is a measure of solar radiation energy received on a given surface area in a given time  

Sport Utility Vehicle (SUV)  

a generic marketing description for a rugged automotive vehicle similar to a station wagon but built on a light‐truck chassis   

State‐of‐charge (SOC)  

is the quantity of charge in the battery pack 

Sustainability  is the practise of maintaining and protecting natural resources to ensure their longevity  

Terajoules (TJ)  SI unit for measurement of energy;  10  Joules  

Watt (W)  SI unit for measurement of power  

 

 

 

 

Page 17: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

1 INTRODUCTION 

1.1 Background 

Renewable  energy  is  energy  that  is  produced  using  naturally  reoccurring  resources,  such  as 

sunlight, wind, biomass, and hydrological systems.  These resources are vastly available across 

the  globe  and  there  are  numerous  technologies  that  allow  their  energy  to  be  harnessed.  

However, a majority of the Earth’s renewable energy resources are not being utilized to their 

full potential. 

 

Currently, the world’s energy needs are being satisfied by non‐renewable fossil fuels and there 

are  significant  problems  that  accompany  this  dependence.    The  availability  of  fossil  fuels  is 

limited and demand continues  to  increase exponentially creating  issues with energy security.  

These  fuels  also  emit  harmful  pollutants  that  contribute  to  the  greenhouse  effect  and may 

trigger  climate  change.    The  Earth  possesses  a  limited  amount  of  fossil  fuels  and  if  current 

consumption continues this resource will soon be depleted. 

 

It  is  thus  imperative  that  renewable  sources  of  energy  be  explored  and  implemented.    The 

dependency  on  non‐renewable  sources must  decrease  substantially  in  order  to  sustain  the 

current lifestyles of many people all over the world.   

 

   

Page 18: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

1.2 Purpose and Scope 

The  purpose  of  this  thesis  is  to  examine  the  potential methods  of  increasing  the  level  of 

renewable  resource utilization  in  the province of Manitoba.   A method  to quantify  this  is  to 

determine the renewable energy ratio (RER).   The RER  is defined as the amount of renewable 

energy used divided by the total primary energy used.   

 

 

    

 

The primary  intent of this thesis  is to recommend two alternative renewable energy concepts 

that would maximize the province’s RER.    In order to accomplish this, the current RER will be 

determined and the areas requiring improvement will be analyzed.  

 

Manitoba’s  current  RER  is  31%.    This  is  relatively  high when  compared  to  the  national  RER 

average of 16.5% [1].  Nevertheless, Manitoba has an enormous potential for improving its RER.  

The majority of Manitoba’s current renewable energy is due to the hydro‐electricity generating 

capabilities provided by the extensive lake and river systems within the province.  Although the 

current  RER  is  good,  the  province’s  energy  use  is  still  not  sustainable  and  new methods  of 

energy  generation must  be  explored  and  implemented.    It  is  important  for  jurisdictions  like 

Manitoba  to  lead  in  the  next  phase  of  the  development  for  renewable  energy.    Renewable 

resources  such  as  biomass  and  additional  hydro‐electric  power,  along  with  renewable 

technologies  like Plug‐in Hybrid Electric Vehicles  (PHEV) and district heating, must be  further 

pursued to increase the Manitoba’s RER.  The introduction of these renewable energies into the 

province’s energy scheme must be done in order to reduce the dependency on non‐renewable 

resources. 

 

The scope of this paper is limited to improving the RER of the province of Manitoba.  Emphasis 

will be placed on the analysis of the following two comparisons: the use of biomass in a district 

heating  system  versus  the use of biomass  to produce ethanol;  and  the  replacement of  light 

Page 19: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

weight  passenger  vehicles  with  PHEVs  versus  Hydrogen  Fuel  Cell  Vehicles  (HFCV).    The 

implementation  of  the  technologies with  the  greatest  influence  on Manitoba’s  RER will  be 

briefly  discussed.    The  assessment  of  carbon  dioxide  emissions,  greenhouse  gases,  energy 

demand, and a detailed cost report will not be included in this analysis.   

 

1.3 Layout of Thesis 

To  begin  this  thesis,  the  renewable  energy  ratio  concept  is  introduced.    Following  this 

introduction,  an  overview  of Manitoba’s  current  energy  consumption will  be  presented  and 

discussed.    The  discussion  explains  the  dispersion  of  the  energy  sources  amongst  the  three 

energy consumption categories which consist of heat, electricity, and transportation energy.   

 

The renewable energy sources will then be introduced, starting with biomass.  This chapter will 

contain three sections; one to examine the available biomass in Manitoba, another to detail the 

conversion  of  biomass  for  district  heating,  and  the  final  section will  discuss  the  alternative 

conversion  of  biomass  to  ethanol  for  transportation.    A  comparison  of  the  two  conversion 

concepts will be presented based on the impact on the RER.  A chapter that examines the use of 

plug‐in hybrid electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles for renewable transportation will 

then  follow.    These  two  vehicle  concepts  will  then  be  compared  based  on  energy  use, 

efficiencies, and their impact on the RER. 

 

Based on the comparisons of the renewable energy technologies, the concepts that have the 

largest  impact  on  the  RER  will  be  combined  and  their  collaborative  effects  studied.    A 

hypothetical plan for the  implementation of the combined systems will then be designed and 

discussed.    Finally,  a  recommendation will  be made  on  the  effectiveness  of  such  a  plan  on 

increasing Manitoba’s RER.  

 

 

   

Page 20: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

2 CURRENT MANITOBA ENERGY 

Currently, 31% of Manitoba’s energy use is satisfied by renewable sources while 69% is satisfied 

by non‐renewable  sources.   Conversely,  the energy use  can also be broken down  into  three 

categories; heat energy, electricity, and transportation.   

 

In Manitoba, a majority of the heat energy is derived from fossil fuel natural gas for the purpose 

of space and water heating, while a small proportion uses electricity for the same applications.  

The majority of the electricity used is produced by hydro‐electric generating stations along the 

various  river systems, most of which are  located  in  the northern areas of  the province.   This 

renewable electricity satisfies Manitoba’s power consumption.   Transportation energy use can 

be  considered  to  be  derived  either  from  one,  or  a  combination  of  the  two  fundamental 

energies,  heat  and  electricity.    For  example,  the  internal  combustion  engine  (ICE)  uses  heat 

derived from motor fuel, while hybrid electric vehicles use a combination of an ICE and electric 

motors  to propel  the  vehicle.   The  table below presents Manitoba’s energy  consumption by 

individual energy sources.   

Table 1:  Manitoba’s Energy Consumption  

   Source  Energy in TJ  Source 

Non‐Renewable  Coal     6,434     [2 p. 22] 

200,516  TJ  Natural Gas     87,520     [3 p. 8] 

   Propane     3,982     [2 p. 107] 

   Heavy Fuel Oil     3,263     [2 p. 70] 

   Other Fossil Fuels  Light Fuel Oil 

1,234 

525  [2 p. 70] 

   Kerosene and Stove Oil  293  [2 p. 70] 

   Petroleum Coke  89  [2 p. 70]

   Refinery Liquefied Petroleum Gases  4  [2 p. 70]

   Aviation Gasoline  323  [2 p. 70]

   Gasoline     49,225     [2 p. 70]

   Diesel     40,879     [2 p. 70]

   Aviation Turbo Fuel     7,979     [2 p. 70]

Renewable  Ethanol     3,063     [4] 

89,962  TJ  Wood Waste and Pulping Liquor     5,000     [5] 

      Wood     2,300     [5] 

      Other Renewables  Biomass 

694 

500  [6] 

      Biodiesel  2  [4] 

      Wind  192  [7 p. 11] 

      Hydro  78,905     [7 p. 39] 

   Total Primary Energy     290,478    

Page 21: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

2.1 Heat 

Based on  the energy data provided  in Table 1,  the  total provincial consumption attributed  to 

heat energy is 37%. The majority of this energy, 30% of the total consumption, is produced by 

burning  fossil  fuel natural gas.   Propane, coal, heavy and  light  fuel oils, petroleum coke, and 

refined  liquefied  petroleum  gases  are  other  non‐renewable  sources  that  contribute  to  the 

heating percentage.  The heat energy percentage also accounts for renewable sources including 

biomass  used  in  combustors, wood waste  and  pulp  liquor, wood  used  in wood  stoves,  and 

other small scale heating applications.  These renewable heat sources only contribute to 3% of 

the total energy use. 

 

It  is  assumed  that  all  natural  gas  use  in Manitoba  is  divided  into  three  sectors:  residential, 

commercial, and  industrial.    It  is also assumed that all natural gas used by the residential and 

commercial sectors  is for  low temperature applications, such as space and water heating.   All 

industrial natural gas use will be assumed to be used for  industrial processes requiring higher 

temperatures.   

 

Based  on  Table  2  and  this  assumption,  the  30%  of  total  energy  consumption  attributed  to 

natural gas  is divided as  follows; 22%  is used  in  space and water heating  for  residential and 

commercial use and 8% is used in high temperature industrial process applications.  The values 

in Table 2 concur with the data provided by Natural Resources Canada [5]. 

 

Table 2:  Natural gas deliveries to Manitoba Hydro Customers (3) 

Natural Gas Deliveries  (x 106) m3 Energy (TJ)

Residential  681 27,63164,839

Commercial  917 37,207

Industrial  559 22,681

Total  2,157 87,520

 

Since natural gas is the source of nearly a third of Manitoba’s energy use, a section of this thesis 

will concentrate on  increasing the RER by replacing  it with renewable sources.   The portion of 

Page 22: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

heat energy used  for space and water heating can be satisfied by other renewable resources 

rather than fossil fuel natural gas. 

 

2.2 Transportation 

As seen in Table 1, 35% of the total provincial energy consumption is used in the transportation 

sector.   The two major  fuels that contribute to this energy use are motor gasoline and diesel 

fuel.   Motor gasoline accounts  for 17% of Manitoba’s  total energy  consumption while diesel 

accounts for 14% [5].   

 

To  further define motor gasoline use,  it will be divided  into passenger  transportation,  freight 

transportation, agriculture, and off‐road categories [5].  Passenger transportation is the largest 

category,  contributing  to  11%  of Manitoba’s  total  energy  consumption.    Table  3  shows  the 

percentage of the province’s total energy use that the other categories are responsible for.    

Table 3:  Divisions of Motor Gasoline Consumption 

Motor Gasoline Energy Consumption (TJ)% of MB's Total Consumption 

Passenger Transportation 31,900 11%

Freight Transportation 8,100 3%

Agriculture  5,800 2%

Off‐Road  3,400 1%

Total  49,200 17%

 

Passenger transportation can be further broken down into the categories shown in Table 4.  It 

shows that almost all gasoline used for passenger transportation is attributed to small and large 

cars, and passenger  light  trucks.   The  “other”  category accounts  for  the  small percentage of 

motorcycle, aviation, and bus gasoline use.  The buses designation includes school buses, urban 

transit, and intercity buses.   

 

 

Page 23: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

Table 4:  Divisions of Passenger Transportation Motor Gasoline Consumption 

Passenger Transportation Motor Gasoline Consumption (TJ)

% of MB's Total Consumption

Small Car  7,800 3%

Large Car  9,000 3%

Passenger Light Truck 14,900 5%

Other  200 0%

Total  31,900 11%

 

Given  that  the majority of  the passenger  transportation  gasoline  consumption  is  credited  to 

cars and  light passenger trucks, converting this sector to use renewable sources of energy will 

have the largest impact.  Also, it would be the most straightforward sector to convert because a 

large  portion  of  consumers  are  assumed  to  not  have  specific  transporting  requirements  for 

their vehicles.    It  is  therefore assumed  that  the major use of  these vehicles  is  to move small 

amounts of people from one location to another.   

 

For  the purpose of  this  thesis,  it  is assumed  that  it will be  idealistic  to  implement  renewable 

technologies  into the passenger transportation sector.   This ease of  implementation  is due to 

the  availability  of  technologies  like  hybrid  electric  vehicles  for  integration  into  smaller 

applications,  such as passenger  cars and  light  trucks.   Therefore, a  section of  this  thesis will 

concentrate  on  replacing  Manitoba’s  passenger  transportation  gasoline  consumption  with 

renewable sources in order to increase the RER. 

 

2.3 Electricity 

Electrical energy consumed by the province accounts for 28% of the total consumption.  Of this, 

27%  is  produced  by  the  hydro‐electric  generating  stations  along  the  various  provincial  river 

systems and the remaining 1%  is provided by wind and coal generation.   Electrical generation 

from wind provided 192 TJ in 2005 which is less than 0.07% of the total provincial consumption 

[7].    Electrical  generation  from  coal  provided  1,552  TJ  which  is  approximately  0.5%  of 

Manitoba’s  total  consumption  [2].    Coal  generated  electricity  represents  25%  of  total  coal 

Page 24: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

energy use.    It  is used  as a backup  for hydro‐electricity, while  the  remaining  coal generated 

energy is used for heat. 

 

Hydro‐electricity  is  considered  to  be  a  renewable  resource  and  is  the  main  reason  that 

Manitoba has such a high RER.  As a result, this thesis will not address the electricity category in 

as much detail as  the heat and  transportation  categories.   Heat and  transportation currently 

depend heavily on non‐renewable energy;  therefore  renewable energy  forms  that could  take 

their place must be explored and developed.   

 

2.4 Manitoba Energy Map 

Figure 1 on the following page is Manitoba’s energy map.  It is based on the data in Table 1 and 

demonstrates Manitoba’s  energy  consumption.    The  outer  ring  of  the  chart  contains  each 

source of energy and its percentage of the total consumption.  The middle ring displays which 

of  the  three previously discussed categories  the  specific  source belongs  to.   This middle  ring 

contains four categories: non‐renewable heat, renewable heat, transportation, and electricity.  

The heat energy category was divided into two separate parts to facilitate readability.  This was 

also necessary for the logical organization of the inner circle.  The inner circle indicates whether 

the energy is renewable or not and displays the RER.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 25: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

 

 

 

 

Figure 1:  Current Manitoba Energy Map

Page 26: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

10 

2.5 Renewable Technology Concepts 

The  concepts  that will be  studied  to  address  the non‐renewable energy  consumption  in  the 

heat and  transportation  categories  include biomass district heating, ethanol  conversion  from 

biomass, Plug‐in Hybrid Electric Vehicles, and Hydrogen Fuel Cell Vehicles. 

 

The  district  heating  and  ethanol  conversion  concepts  both  utilize  the  available  biomass  in 

Manitoba.   This biomass consists of  the residues  left behind during  forest harvesting and  the 

residues created from the crop harvest.  A biomass district heating system would make use of 

these resources to provide heat energy, thus shifting the consumption from non‐renewable to 

renewable  heat  and  increasing Manitoba’s  RER.    Alternatively,  the  forestry  and  agricultural 

residues  can be biochemically  converted  into ethanol  to use as  fuel  for  transportation.   This 

would  shift  part  of Manitoba’s  current  transportation  energy  consumption  to  a  renewable 

source  and  would  also  increase  the  RER.    Chapter  3  examines  the  two  biomass  energy 

conversion concepts in detail. 

 

The  PHEV  and  HFCV  concepts  both make  use  of  electricity  to  offset  gasoline  consumption.  

PHEVs address  the problem by using a hybrid  configuration  that  combines an electric motor 

with an internal combustion engine to propel the vehicle.  PHEVs plug into the electrical grid to 

charge  batteries  from  which  the  electricity  can  later  be  drawn  to  power  the  vehicle.    In 

contrast, HFCVs employ only electric motors powered by electricity generated by a hydrogen 

fuel cell.  Hydrogen is stored in the vehicle where it must be periodically refilled.  It is produced 

by the electrolysis of water at a central facility.  The renewability of these concepts is limited to 

the  source  of  the  electricity  used  to  power  them.    Fortunately, Manitoba  has  an  immense 

capacity  for  hydro‐electric  power  generation  and  the  renewability  of  hydro‐electricity  is 

transmitted  to  these  transportation  technologies.    Chapter  4  explains  the  details  for  each 

concept.   

Page 27: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

11 

3  BIOMASS ENERGY CONVERSION 

3.1 Introduction 

This chapter will examine  the details and methodology used  for  the utilization of Manitoba’s 

biomass resources to  increase the RER.   Two cases will be analyzed to demonstrate how each 

will  impact one of the three energy categories (heat, electricity, and transportation) discussed 

in Chapter 2.  The base case will use Manitoba’s available biomass resources in a district water 

heating  system.    The  alternative  case will  convert  the  biomass  into  ethanol  for  use  in  the 

transportation sector.   For both cases, the energy conversion efficiencies will be analyzed and 

examined to determine how well each case utilizes the available renewable energy. 

 

3.1.1 Biomass 

Biomass  is  considered  to  be  any  organic material  that  is  non‐fossil;  however  the  biomass 

discussed in this thesis refers specifically to plant matter.  Typical plant matter contains energy 

that  originates  from  the  sun  and  has  been  captured  and  stored  through  a  process  called 

photosynthesis.    The  sun’s  energy  is  absorbed  by  the  plant,  along  with  water  and  carbon 

dioxide,  to  produce  carbohydrates  and  oxygen.    This  energy  is  stored  in  the  form  of 

carbohydrates, hydrocarbons, and esters.   Carbohydrates consist of sugars and their polymers 

such  as  starches,  cellulose,  and  hemicelluloses;  hydrocarbons  consist  of  the  alkyne 

hydrocarbon,  isoprene, C5H8; esters are the oils contained  in the plant [8 p. 494].   Aside from 

these components plant matter contains between 50% to 95% water [1]. 

 

Depending  on  the  species  of  plant  and  its moisture  content,  the  energy  density  can  range 

between 15 and 20 MJ/kg based on the HHV [1].   The energy content can be harnessed using 

various existing technologies that convert the plant matter into a useful form of energy such as 

heat or fuel.  For example, wood can be burnt to obtain direct heat energy.  Alternatively, it can 

be chemically converted into methane via anaerobic digestion, or converted to ethanol through 

a  fermentation  process.    Each  conversion  process  has  a  specific  conversion  efficiency  that 

determines the amount of energy recovered from the original energy content of the feedstock. 

Page 28: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

12 

3.1.2 Biomass Inventory for Manitoba 

Manitoba has  a  combination of prairie  land used  for  cultivation  and  forest  land  that  can be 

harvested.    The  total  land  area  in  the  province  is  approximately  54  million  hectares  (not 

including water).   Of  that, approximately 36 million hectares are  forest or wooded  land and 

another 5.9 million hectares are agricultural land [9].   Combined, these 41.9 million hectares of 

land are harvested  for many applications and generate  large amounts of  residues  that could 

prove to be very valuable in increasing the RER of Manitoba. 

 

Agricultural  crop  and  forestry  residue  is  the  portion  of  the  plant  that  has  traditionally  been 

considered unusable  in the manufacture of products such as food or furniture.   This unusable 

portion consists of the straw of the crops and the bark, branches, and leaves of the harvested 

trees.  This portion is typically more “woody” as it is the structural segment of the plant and can 

be  referred  to  as  cellulosic  biomass  or  lignocellulose.    It  consists  of  cellulose  (38%  to  50%), 

hemicellulose (23% to 32%), lignin (15% to 25%), and the remaining proportion consists mainly 

of ash [1]. 

 

   

Page 29: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

13 

3.1.2.1 Forestry Residues 

Of the 36 million hectares of forest or 

wooded  land  in  Manitoba, 

approximately 19 million hectares are 

only  forest  land.    Figure  2  shows 

Manitoba’s  most  productive  forests 

cover  the  central  and  south  eastern 

areas.   Of  that,  only  15,500  hectares 

are  harvested  for  lumber,  and  pulp 

and  paper  in  a  given  year  [10  p.  8].  

The Canadian Biomass Inventory, [10], 

considers only 58% of  the  forest  land 

as  timber  productive  forest  (forests 

that  are  available  for  growing  and 

harvesting  trees),  and  it  excludes 

woodlands from the data.   

 

 

 

 

The residues created by harvesting are referred to as non‐stem biomass.  The stem of the tree 

is what  is  desired  and  harvested.    The  non‐stem  biomass  includes  the  bark,  branches,  and 

leaves.    In Manitoba, the available non‐stem biomass amounts to 55 oven‐dried tonnes (ODT) 

per hectare, where oven‐dried assumes a 12% moisture content [10 p. 10].  This represents the 

maximum amount of non‐stem biomass that can be removed while maintaining an ecologically 

healthy forest [10 p. 10].  In addition, this rate allows for sustainability given that less than 0.1% 

of  the Manitoban  forest  land  is  harvested  each  year.    As  a  result,  there  are  approximately 

852,995 ODT of non‐stem biomass available per year for energy conversion. 

   

Figure 2:  Manitoba's Productive Forests [5] 

Page 30: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

14 

The harvested stem wood, also referred to as the roundwood, amounts to 1.18 million ODT per 

year  [10 p. 13].    “Approximately 78% of  a  typical  saw  log  from  a  roundwood harvest  site  is 

useable: 40%  is harvested  for  lumber and 38%  is chipped  for pulp and paper production. The 

remaining 22%  is the residue  fraction and consists of sawdust, bark and shavings  [10 p. 15].”  

This  is  a  general  approximation  and  the  data  for Manitoba  is much  less.    The mill  residue 

production is 7.7% of the harvested roundwood and 75% of the residues are already used [10 p. 

17].    This  leaves  a  small  amount  of  unused  mill  residues  totalling  22,715  ODT  per  year.  

Together,  the  total  available  biomass  residue  from Manitoba’s  forestry  industry  for  energy 

conversion is 875,710 ODT per year. 

 

3.1.2.2 Agricultural Residues  

Manitoba’s agricultural land consists of 5.9 

million  hectares  located  in  the  southwest 

portion of the province as shown  in Figure 

3.  Harvesting this land produces 3,513,000 

ODT  of  agricultural  crop  residues  [11  p. 

23].    This  number  considers  sustainability 

of  the  land  because  it  is  only  15%  of  the 

total  quantity  that  is  actually  allocated  to 

energy production. Some  residue must be 

left  behind  to  ensure  fertile  soils,  and  to 

avoid  erosion  and  other  forms  of  crop 

deterioration.  It is also used as bedding for 

livestock. 

 

   

Figure 3:  Manitoba's Agricultural Land [5]

Page 31: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

15 

3.1.2.3 Combination 

Combining the agricultural crop and forest residues, results  in an estimated 4,388,710 ODT of 

biomass  available  for  energy  conversion  every  year.   As  previously mentioned,  plant matter 

biomass  has  an  energy  density  ranging  between  15  and  20 MJ/kg  based  on  the  HHV  [1].  

Therefore,  it will  be  assumed  that  the  agricultural  crop  and  forest  residues  have  an  energy 

density of 16 MJ/kg or 16,000 MJ/tonne.  This is on the lower end of the energy density range 

for this type of biomass and it is considered a conservative assumption.  

 

If this quantity of residue is available and 100% of the energy content is converted, there would 

be approximately 70,219 TJ of energy.   This  is enough  to offset almost a quarter of  the non‐

renewable energy consumption in Manitoba.  However, this is under the unrealistic assumption 

that all of the energy would be converted at 100% efficiency.   In real world systems there are 

always losses in the conversion process.  Table 5 is a summary of the current biomass inventory 

and  the  energy  available.    There  is  a  great  deal  of  potential  in  the  agricultural  and  forestry 

residues that could displace non‐renewable energy consumption and increase the RER.  

 

Table 5:  Manitoba's Biomass Inventory 

Biomass from Forest Resources

Harvested Land  15,509  ha/yr Non‐stem Biomass Available From Productive Forests 55  ODT/ha

Total Non‐Stem Biomass  852,995  ODT/yr

Harvested Roundwood  1.18  MODT/yr

Mill Roundwood Residue Factor 0.077 Residue Utilization Factor  0.75 Total Mill Residue Available  22,715  ODT/yr

Total Biomass from Forest Resources 875,710  ODT/yr

Biomass from Agricultural Resources

Available Crop Residue  3,513,000  ODT Energy from Forest Resources and Ag Crop Residue

Total Biomass from Forest Resources and Ag Crop Residue 4,388,710  ODT/yr

Energy Density of Forests Residue and Ag Crop Residue 16  MJ/kg Tonnes to Kg  Conversion Factor 1,000  kg/tonne

Energy Density of Forests Residue and Ag Crop Residue 16,000  MJ/tonne

Energy Available from Forest Resources and Ag Crop Residue7.02194E+16  J/yr 

70219.36  TJ/yr 

Page 32: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

16 

3.2 Biomass Combustion for District Heating 

District  heating  is  a  system  for  distributing  heat  generated  in  a  centralized  location  to 

residential  and  commercial users  to  satisfy heating  requirements  such  as  space heating  and 

water heating [12].   This  idea emerged  in the  late nineteenth century and grew  in popularity.  

District heating systems eventually expanded to exist to most large cities in North America and 

Europe [13].  Early district heating systems first used coal to heat water, which would then be 

piped to the end users.  After WWII petroleum based oil and gas, and electricity became widely 

available and thus district heating was discarded for newer technologies.  However, the last few 

decades have  led  to  the  realization  that  these petroleum based  fuels are neither  secure nor 

sustainable.   For this reason, district heating has been revisited as an alternative to  individual 

building heating. 

 

Manitoba  currently  delivers  natural  gas  to  each  residential  and  commercial  user  through  a 

network of pipes.  It mainly fuels air furnaces for space heating and hot water tanks for water 

heating.  The total natural gas consumed for heating purposes in the province totals to 87,520 

TJ of energy.   The  consumption of  this  fossil  fuel  could be  significantly  reduced  if a biomass 

district heating system was implemented.  

 

3.2.1 The District Heating System 

A district heating system that provides heat for space heating can be broken  into three parts; 

the  centralized plant,  the piping network, and  the heat exchanger at  the user  location.   The 

centralized plant heats a fluid which  is then piped to a heat exchanger that enables each end 

user  to extract heat  from  the hot  fluid.   The depleted  cold  fluid  is piped back  to  the district 

heating plant for reheating, thus making it a closed loop system. 

 

In Manitoba, district heating plants could be strategically positioned across the province, mainly 

in the southern half, in areas of greater population density.  These plants would deliver heat to 

residential or commercial users via a hot fluid mixture of water and glycol.  Glycol is mixed with 

the water to avoid freezing issues due to Manitoba’s harsh winter climate.  The water mixture is 

Page 33: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

17 

heated  to a  temperature between 80°C and 110°C at a centralized plant using available  fuels 

[14 p. 15].   To  increase Manitoba’s RER, the burning of the biomass available from agriculture 

and forestry residue would be used to heat the fluid. 

 

To deliver heat to a large quantity of users, an extensive piping network is required and must be 

insulated to eliminate heat losses that would greatly reduce efficiency.  Similar existing systems 

in Europe have used pre‐insulated pipes buried underground within the frost line.  Figure 4 (a) 

left; shows the insulted district heating pipes being installed in a shallow trench in Germany and 

(b) right; is a close up of an insulted pipe. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The end user must be able to extract the heat energy from the hot fluid in the pipe network.  To 

achieve this, small heat exchangers are used at each end user location, Figure 5 is an example 

of  such a device.   The hot water mixture  from  the district heating plant  flows  into  the heat 

exchanger where the pipes containing the hot fluid pass through a shell.  This shell contains low 

temperature water to which heat  is transferred from the hot water mixture through the pipe 

walls.   This process heats the user’s water which can then be used  in a space heating system.  

Such a system could be a hot water furnace to heat air, or an in floor water heating system. 

Figure 4: (a) Left; Insulated District Heating Pipes in Germany [54] and (b) Right; Close‐up of Insulted DistrictHeating Pipe [55] 

Page 34: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

18 

 

Figure 5:  An Example of a Heat Exchanger That Could be Used to Extract Heat from District Heating Pipes [15] 

 

A district heating system that also provides heat for hot water requirements works in much the 

same way.   Water  is  heated  at  the  district  heating  plant  and  is  delivered  through  a  similar 

network  of  insulated  pipes  buried  alongside  the  space  heating  pipes.    Since  this  water  is 

intended  for  cooking,  cleaning,  and  bathing  it must  be  pure  and  cannot  contain  antifreeze.  

Similarly  to  current water  systems,  the  hot water  is  stored  in  hot water  tanks  at  the  user’s 

location and used as needed.   Once this hot water has been used  it  is  lost to the waste water 

system, making the water heating component an open loop system. 

 

Figure 6 is a schematic of the district heating system discussed above.  Both the space heating 

closed loop and the hot water open loop systems are shown. 

 

Page 35: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

19 

 

Figure 6:  District Heating Schematic 

 

3.2.2 Biomass District Heating Analysis 

As previously mentioned,  in order  to  increase  the RER of Manitoba, a district heating system 

would  utilize  the  available  biomass  from  the  agriculture  and  forestry  industries.    The most 

direct method of converting  the energy content of biomass  to heat  is combustion, and  large 

systems would allow the process to be optimized for the highest possible thermal efficiencies.  

Based on a biomass combustion model acquired  from  [1], combustion of the agricultural and 

forest  residues  can  achieve  thermal  efficiencies  in  excess of  80%.    This model  requires user 

input  for  equipment  heat  losses,  supplied  excess  air,  initial  biomass  temperature,  inlet  air 

temperature, exit flue gas temperature, relative humidity, biomass quantity, biomass moisture 

content, HHV of biomass, plant operation hours and availability, and the chemical composition 

of the biomass.  The assumed inputs are discussed in Appendix C. 

 

For  simplicity  it  is assumed  that  the piping network, heat exchangers, and  storage  tanks will 

experience thermal losses in the vicinity of 25% [16].  This results in a total system efficiency of 

60%  and  hence  the  user  recovers  only  60%  of  the  original  energy  content  contained  in  the 

biomass.  However, to keep a consistent and complete analysis, the energy lost to harvest and 

Page 36: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

20 

transportation must be considered.  Harvesting energy requirements are assumed to use 5% of 

the energy content, while transportation  is assumed to use 1.5% of the energy content [17 p. 

19].  The harvest and transport energy factors are based on the findings for ethanol conversion 

from  lignocellulose.    It  is  assumed  that  the  same  feedstock  (i.e.  agriculture  and  forestry 

residues)  is used  in biomass district heating as  in ethanol production from biomass.   The only 

difference being that they are transported to a different production facility. 

 

The  impact  of  a  district  heating  system  on Manitoba’s RER  is  completely  dependent  on  the 

system efficiency.  Recall that the total energy content of the agricultural and forestry residues 

is approximately 70,219 TJ.  When the energy is finally delivered to the user it only amounts to 

39,425 TJ.  This is not enough to completely replace natural gas use but it does shift almost half 

of Manitoba’s non‐renewable heat to renewable heat.  Figure 7 is Manitoba’s energy map that 

visually  represents  the  impact  biomass  district  heating  can  have  on  the  province’s  energy 

consumption.  The resulting RER is 45% which is a 14% increase from the current ratio. 

 

 

 

   

Page 37: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

21 

 

Figure 7:  Manitoba Energy Map with Biomass District Heating 

Page 38: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

22 

3.3 Conversion of Biomass to Ethanol 

3.3.1 Ethanol 

Ethanol  is a high‐octane, water‐free alcohol that can be used to fuel vehicles [11 p. 24].   This 

renewable  fuel  can  be  produced  from  the  fermentation  of  cellulose  and may  be  useful  in 

increasing  the  renewable  energy  use  in  the  transportation  sector.    Currently, Manitoba  is 

producing 130 million  litres, or 3,063 TJ, of ethanol  for use as a  transportation  fuel  [4].   The 

ethanol is blended with regular gasoline by the fuel suppliers in concentrations of at least 8.5% 

to  offset  fossil  fuel  consumption  [18].    This  blending  occurs  due  to  a  mandate  that  was 

implemented by the provincial government in the first quarter of 2008 [18]. 

 

Ethanol blended gasoline  is referred to  in short form with the  letter “E” representing ethanol, 

followed by the percent concentration (i.e. E10 for 10% ethanol blends or E85 for 85% ethanol 

blends).  In recent years, vehicles that run on higher concentrations of ethanol blended gasoline 

have emerged.  A majority of these vehicles can use either regular gasoline or ethanol blended 

gasoline, with concentrations of up to 85% ethanol.  These vehicles are referred to as flex fuel 

vehicles [19]. 

 

It has been determined that E85  is  the maximum percentage of ethanol  that can be blended 

with gasoline due to problems with cold starting in winter months.  When temperatures reach 

less than 11° Celsius, ethanol cannot form a rich enough fuel vapour‐to‐air mixture to support 

combustion [20 p. 4].   This problem has many solutions but can simply be solved by reducing 

the percentage of ethanol in the blend.  Another problem associated with ethanol blends is the 

fact  that  it  is a  solvent and can dissolve plastic,  rubber,  fibreglass, and aluminum  [21].    If an 

engine has not been designed  to  run on high  concentrations of ethanol,  such  as E85,  it will 

destroy  components  made  of  such  materials.    Ethanol  is  also  a  powerful  cleaning  agent, 

therefore it can free any stuck on dirt, rust, or sediment inside the engine and cause clogs [21]. 

 

Traditionally, ethanol has been produced by the fermenting of glucose and sucrose  in starchy 

grains, however new processes have been developed to make use of lignocellulose (i.e. biomass 

Page 39: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

23 

or  agricultural  and  forestry  residue).    The  cellulose  and  hemi‐cellulose  portions  of  the 

lignocellulose  contain  sugars  that  can  be  isolated  via  hydrolysis.    These  sugars  can  then  be 

fermented  to produce ethanol, which  in  turn must be distilled and dehydrated  to  remove all 

water content [1]. 

 

Figure 8 is a schematic of the conversion process.  It includes a pre‐treatment that prepares the 

biomass  residues  for  hydrolysis  by  breaking  the  bond  between  the  cellulose  and  the  lignin.  

Options  for  pre‐treatment  include  acid  hydrolysis,  steaming  or  steam  explosion  (STEX), 

ammonia freeze explosion (AFEX) and wet oxidation (WO) [22 p. 11].   Each option results  in a 

material that can be more efficiently hydrolyzed. 

 

Figure 8:  Schematic of the process to convert biomass to ethanol [23 p. 629] 

 

3.3.2 Ethanol Conversion Analysis 

To produce ethanol from agricultural and forestry residue, certain conversion efficiencies must 

be  considered  in  order  to  achieve  the  best  estimate  of  ethanol  yields.    There  are  other 

processes used to convert  lignocellulose to ethanol such as thermo‐chemical, but this analysis 

will only examine the biochemical method. 

 

Of  the  total dry mass of  lignocellulose, only 60%  is cellulose and hemi‐cellulose.   This  is  then 

converted into ethanol with a theoretical yield of 48% of the original energy content based on 

Page 40: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

24 

the LHV [17 p. 21].  In terms of HHV, the theoretical ethanol yield is 45% of the original energy 

content  (refer  to Appendix D  for calculation).   The actual yield  is only 81% of  the  theoretical 

yield,  which  will  result  in  a  total  process  efficiency  of  21.9%  [17  p.  21].    As  previously 

mentioned,  the  energy  used  for  harvesting  must  be  considered.    Harvesting  energy 

requirements are assumed to be 3% for less energy intensive crops and 6.5% for crop that have 

higher  energy  requirements  [17  p.  18].    To maintain  a  conservative  outlook,  harvesting  is 

assumed  to  use  5%  of  the  energy  content  while  transportation  energy  requirements  are 

assumed to be 1.5% of the energy content [17 p. 19].  The efficiency of the entire processes is 

summarized in Figure 9. 

 

 

Figure 9:  The Biomass to Ethanol Conversion Process 

 

One  particular  reason  that  this  process  efficiency  can  be  achieved  is  due  to  by‐product 

utilization.  The lignin portion of the lignocellulose cannot be used to produce ethanol, however 

it can be burnt to provide energy in the conversion process, where fossil fuels would otherwise 

be used.  This increases the total efficiency of the system by eliminating external energy inputs 

and it reduces waste products. 

 

If all available agricultural and  forest residue were allocated to ethanol production, Manitoba 

would be able  to produce an additional 610 million  litres per year.    In  terms of energy,  this 

equals  14,370  TJ  annually.    Currently  the  province  produces  130  million  litres  of  ethanol 

(approximately 3,063 TJ) from energy crops each year [4].  A summary of the calculation model 

is shown in Table 6. 

Page 41: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

25 

Table 6:  Ethanol Conversion Model 

Transportation Ethanol Production Model

Energy Available from Ag and Forestry Residue 70,219  TJ/yr Cellulose and Hemicellulose Content 60% Theoretical Yield from Feedstock Energy Content 45% Actual Yield from Feedstock Energy Content 81% Process Efficiency Factor  21.9% Harvesting Energy Factor  5% Transport Energy Factor  1.5% Ethanol Energy Available from Ag and Forestry Residue  14,370  TJ/yr Energy Density of Ethanol (HHV) 29.85  MJ/kg

Density of Ethanol  789.35  kg/m3

Conversion Factor Cubic Meters to Litres 0.001  m3/L Total Volume of Ethanol Produced 609,954,358,047  L 

 

The additional ethanol produced could replace almost one‐third of the current gasoline use  in 

the  transportation  sector.    In  terms  of  the  RER,  if  14,370  TJ  of  gasoline was  replaced with 

renewable  ethanol,  it would  increase  by  5%.    Recall  that  the  current  RER  is  31%  and  this 

additional renewable fuel would achieve a RER of 36%.   The energy map for such a change  is 

shown below in Figure 10. 

   

Page 42: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

26 

 

 

 

   

Figure 10:  Manitoba Energy Map with Biomass Ethanol

Page 43: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

27 

3.4 Comparison of District Heating and Ethanol 

The two biomass energy concepts can now be compared based on their impact on Manitoba’s 

RER.    Biomass  district  heating  unlocks  the  energy  content  of  the  agricultural  and  forestry 

residues  through  combustion  and  addresses  the  heat  category  of  energy  consumption.  

Meanwhile renewable ethanol production harnesses this energy content through a biochemical 

process to address the transportation category.   

 

By examining the changed energy maps, Figure 7 and Figure 10, it is clear that district heating 

has a  larger  impact on Manitoba’s RER  than ethanol.   A biomass district heating  system  that 

utilizes residues from the agriculture and forest industries can increase the RER by 14% to 45%.  

Using the same renewable biomass resource to produce ethanol for a transportation fuel can 

only increase the RER by 5% to 36%.   

Table 7 below provides a summary. 

 

Table 7:  Comparison between Biomass District Heating and Biomass Ethanol 

   District Heating Ethanol Non‐Renewable Energy Displaced 39425 TJ 14370 TJ Current Total Energy  290478 TJ

Current RER  31%

RER Increase  14% 5% Attainable RER  45% 36% 

 

   

Page 44: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

28 

4 RENEWABLE TRANSPORTATION TECHNOLOGIES 

4.1 Introductory Remarks 

This chapter will examine the details and methodology concerning the  increase of Manitoba’s 

RER by using renewable energy  for passenger  transportation.     Two cases will be analyzed  to 

demonstrate  how  each will  impact  the  transportation  energy  category.    The  base  case will 

analyze  the effects of  replacing  a  large portion of Manitoba’s  light  vehicle  fleet with Plug‐In 

Hybrid Electric Vehicles.   The second  is an alternative case that  inspects the use of Hydrogen 

Fuel  Cell  Vehicles.    For  both  cases,  the  energy  conversion  efficiencies  will  be  analyzed  to 

determine how well each case utilizes the available renewable energy.  Both cases will seek to 

replace the conventional  internal combustion engine system  in all passenger cars,  light trucks, 

and  small  SUVs.    These  automotive  categories  belong  to  the  light  vehicle  sector,  which  is 

defined as a vehicle with a curb weight below 4,500 kg.  All medium and large trucks and SUVs 

will  retain  their  current  power  trains.    In  addition,  all  commercial,  industrial,  and  aerial 

transport (passenger or freight) will not be addressed.    

 

4.2 Plug‐in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) 

As opposed to a conventional vehicle, a Plug‐in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) uses more than 

one source of energy  to perform  its motor  functions.    It  is a hybrid vehicle  that consists of a 

gasoline engine coupled to an electric system.  This system is focused around an electric motor 

that is powered by Lithium‐Ion batteries [24].  The motor draws its power from these batteries 

as much  as possible.    If more power  is needed  (for example under heavy  acceleration or  at 

highway speeds) or if the batteries are depleted, the internal combustion engine is then used to 

aid  in  the powering of  the electric motor.   A PHEV, much  like a  conventional hybrid electric 

vehicle (HEV), only uses its internal combustion engine (ICE) to complement its electric motor.  

The vehicle can be operated solely in an electric mode for a certain range, which is based on the 

battery  capacity  [24].    The  use  of  the  electric  system  helps  to  alleviate  the  need  for  large 

engines and high volumes of gasoline.  In other words, fossil fuel consumption is displaced with 

Page 45: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

29 

the  use  of  hydro‐electricity  and  therefore  transportation  becomes  more  renewable  in 

Manitoba.  The following figure shows an example of a PHEV power train.   

 

 

Figure 11:  A Schematic of a PHEV Power Train [24] 

 

PHEVs make use of batteries that are able to store a higher electric capacity than those used in 

HEVs  [24].   Many types of batteries have been used  in a PHEV system.   Earlier PHEV systems 

and  hybrid  conversion  kits  employed  rechargeable  lead‐acid  batteries.    These  are  still  used 

today  in  conventional  vehicles  due  to  their  relatively  low‐cost  and  widespread  availability.  

However their low energy and high environmental concerns have lead to the use of alternative 

battery types in PHEVs.  Current hybrids and hybrid conversions use high energy density nickel‐

metal hydride batteries, which have a higher energy capacity.  Yet, more hybrid producers are 

beginning  to migrate  towards  the  use  of  lithium‐ion  batteries.    These  batteries  store more 

energy  in  less space, recharge faster and have a higher energy‐to‐weight ratio [25].   They are 

expected to significantly improve hybrid fuel economy.  Lithium‐ion batteries also have a higher 

volumetric  energy  density  and  lower  self  discharge  rate  than  a  nickel‐metal  hydride  battery 

[26]. 

 

Contrary to HEVs, PHEVs can replenish their batteries with electricity from an external electric 

energy source; for example the electric utility grid [24].  The recharging can be done by plugging 

the  vehicle  into  any  conventional  power  outlet.    As  a  result,  PHEVs  have much  lower  fuel 

consumption when compared to HEVs and conventional fossil fuel powered vehicles.  Figure 12 

depicting the plug‐in charger for the upcoming Chevrolet Volt. 

Page 46: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

30 

 

Figure 12:  Plug‐in Cord for Chevy Volt [27] 

 

Presently,  hybrid  battery  packs  are  expected  to  last  between  10  and  15  years, while  newer 

batteries under development are projected to have a lifetime of 20 to 40 years [28].  With the 

improvements  over  conventional  lead‐acid  batteries,  newer  batteries  continue  to  excel  in 

winter conditions.   Upcoming batteries are believed to be able to perform as well at  ‐40°C as 

they do at room temperature [28].   Furthermore, PHEVs use a heat pump to heat their cabins 

as opposed  to heater cores.   The current Toyota Prius uses a heater core  to heat  the vehicle 

interior, which  runs  off  the waste  heat  from  the  ICE  cooling  system.    Therefore  the  engine 

needs to be running in order to produce heat and as a result the electric only mode of the HEV 

is compromised.  Whilst in a PHEV, heat is provided to the passengers with an electric powered 

heat pump.  This allows the vehicle to run in electric only mode with the ICE off while still being 

able to provide heat to the cabin.  As a result, a greater fuel economy is achieved. 

 

Page 47: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

31 

 

Figure 13:  Battery Pack for Plug‐in Hybrid Prius [29] 

 

As mentioned earlier, a PHEV runs on its batteries as much as possible.  Because the ICE is off, 

the car is running in a charge‐depleting (CD) mode.  In this mode, the vehicle makes use of the 

electric charge stored in the batteries.  The quantity of charge in the battery pack is called the 

state‐of‐charge.  Once the charge decreases to a certain level, the vehicle exits CD mode, turns 

on the ICE, and starts functioning in a charge‐sustaining (CS) mode [24].  CS means that the gas 

engine is being used to help maintain the battery pack’s current SOC.  This is accomplished by 

running a generator off of the ICE.  The generator then aids the battery pack in delivering power 

to the electric motor, while charging the batteries to ensure that they do not lower to a critical 

SOC.    Such  a  system  prevents  the  vehicle  from  stranding  itself  by  completely  depleting  its 

batteries. 

 

Even when the gas engine is running, PHEVs are able to maximize the efficiency of their hybrid 

system because they impose a limited use on the ICE.  The batteries alone are able to satisfy the 

vehicle’s moderate power needs  at  times when  the  ICE would operate  at  less  than  its peak 

efficiency.  A PHEV only requires the use of its ICE at higher speeds and heavy acceleration.  In 

such scenarios, the engine would operate closer to its peak efficiency.  

Page 48: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

32 

The  size and  storing  capacity of PHEV batteries determine  the all electric  range  (AER) of  the 

vehicle.  The AER is indicated by a PHEV  notation, where   represents a numerical distance in 

miles  that a  fully  charged vehicle  can  travel without using  its  ICE  [24].   With various battery 

packs, PHEVs are available in a multitude of AER denominations.  Based on recent prototypes, 

PHEVs fall into a PHEV10‐PHEV60 range [30].  The average daily mileage of a Manitoban vehicle 

is 50  kilometres  [31];  this distance  is equivalent  to approximately 30 miles.   This  falls  in  the 

middle of  the possible AER of PHEVs.    It  is  therefore  reasonable  to assume  that  the average 

Manitoban would have very  little difficulty  selecting an appropriate PHEV  to meet his or her 

needs. 

 

Chevrolet  plans  to  release  the  2011  Volt  by  the  end  of  2010.    It  employs  plug‐in  hybrid 

technology  and  has  an  estimated  AER  of  40 miles.    According  to  gm‐volt.com,  over  45,000 

people are currently on a waiting list for the new car. 

 

 

Figure 14:  2010 Chevy Volt [32] 

 

   

Page 49: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

33 

4.3 Hydrogen Fuel Cell Vehicle (HFCV) 

At  standard  temperature  and pressure, hydrogen  is  a  gas with  the molecular  formula of H2.  

This molecule  is  very  light  and  if  uncontained  it  is  able  to  escape  gravity  and  leave  Earth’s 

atmosphere.   On  Earth,  it  is  found  in  the  form  of  chemical  compounds  such  as water  and 

hydrocarbons.  In order to extract the potential from such a compound, the H2 molecule must 

first be separated and then reacted with oxygen.  In this case, hydrogen gas will be analyzed as 

a method for powering an automotive vehicle. 

 

There are a number of ways  in which hydrogen gas can be produced.   Furthermore, there are 

two popular sources from which hydrogen can be obtained, namely water and hydrocarbons.  

This analysis examines the use of water and electricity to produce hydrogen gas. 

 

The electrolysis of water  is a  clean and  simple process  for producing hydrogen gas.   Passing 

electricity  through water causes  the bonds of H2O  to break resulting  in  the separation of  the 

hydrogen and oxygen atoms.  Figure 15 below depicts the process. 

 

Figure 15:  Illustration of Hydrolysis 

 

Once isolated, the hydrogen must then be cooled and compressed until it reaches a liquid state.  

Liquid hydrogen  is typically used as a  form of concentrated storage because, as with any gas, 

storing hydrogen as a  liquid  takes  less  space  [33].   Once  liquefied,  the  fuel  is  transported  to 

Water2H2O(l)

Hydrogen2H2(g)

OxygenO2(g)

Page 50: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

34 

hydrogen  stations  in  thermally  insulated  tankers.    At  these  stations,  HFCVs  can  access  the 

hydrogen fuel and make use of the hydrogen to power an electric motor. 

 

HFCVs  employ  fuel  cells  to  generate  electric  power.    The  liquid  hydrogen  produced  from 

electrolysis is used to fuel the fuel cell.  The figure below visually demonstrates how a fuel cell 

works. 

 

 

Figure 16:  Hydrogen Fuel Cell Diagram [34] 

 

Hydrogen enters into the fuel cell at the anode.  The catalyst, generally a platinum group metal 

or alloy, causes the hydrogen  fuel to split  into positive hydrogen  ions and negatively charged 

electrons  [35].    The  electrolyte  allows  the  positive  ions  to  travel  directly  across  it  to  the 

cathode.   However, the electrons are forced to travel through an external circuit because the 

electrolyte  is electrically  insulated.   This flow of electrons creates an electric current and thus 

electricity.    Any  unused  hydrogen  exits  the  anode  area  and  is  returned  to  the  vehicle’s 

hydrogen  storage  tank  for  reuse.   Meanwhile,  at  the  cathode  oxygen  is  combined with  the 

Page 51: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

35 

electrons and hydrogen  ions  to  form water.   This water  then exits  the cell as waste product.  

The electricity created by  the  fuel cell  is  then used  to power an electric motor.   This motor, 

similar to HEVs and PHEVs, provides power to the vehicle’s drive wheels.  The average hydrogen 

fuel cell life in a vehicle is 2.5 years [28].  

 

Honda Motor  Company  has  produced  a  hydrogen  fuel  cell  concept  vehicle  called  the  FCX.  

There are a number of early prototypes being leased throughout the United States of America.  

Recently, a newer  version  called  the  FCX Clarity,  shown below, has been made available  for 

leasing to customers in Southern California [36].  Honda believes it could start mass producing a 

vehicle based on the FCX by the year 2018 [37]. 

 

 

Figure 17: Honda FCX Clarity [38] 

 

 

 

 

 

 

 

Page 52: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

36 

4.4 Analysis 

PHEVs and HFCVs were analyzed based on transportation data taken from 2005.  The goal was 

to determine the amount of energy needed for vehicles powered by renewable energy to travel 

the  same  amount  of  vehicle‐kilometres  covered  by  conventional  gas  vehicles.    Only  light 

passenger vehicles were  considered.   A  light passenger vehicle  is an automobile with a  curb 

weight of less than 4,500 kg.  They include all cars, light trucks, and small SUVs.  Cars and light 

trucks  were  separated  into  two  categories  in  order  to  achieve  an  accurate  and  realistic 

comparison.    Identical energy  consumption  cannot be assumed  for PHEV and HFCV  cars and 

light trucks. 

 

4.4.1 PHEV 

The  first  analysis  studies  the  replacement  of  cars,  small  trucks,  and  SUVs  with  PHEVs  in 

Manitoba.    Information  from the NRCAN database for the year 2005 was gathered.   The data 

detailed  the quantity of gasoline used as well as  the amount of kilometres  travelled  for both 

cars  and  small  trucks.   7.7 billion  kilometres were  travelled by  cars  in Manitoba while using 

16,800 TJ of gasoline energy, whereas  light  trucks consumed 14,900 TJ of gasoline energy  to 

travel 5.14 billion kilometres.  A review of the data gathered is presented in the following table. 

 

Table 8:  NRCAN Transportation Data [5] 

Transportation Data (2005)

Car  Gasoline Energy Used 16,800 TJ

Vehicle‐Kilometres Travelled 7.70E+09 km

Truck 

Gasoline Energy Used  14,900 TJ

Vehicle‐Kilometres Travelled 5.14E+09 km

Total Gasoline Energy Used 31,700 TJ

Total Vehicle‐Kilometres travelled 1.28E+10 km

 

Fuel and energy data needed to be assembled in order to perform an accurate analysis.  Since a 

mass  produced  PHEV  does  not  exist  for  either  vehicle  class,  best  case  scenario  values were 

assumed from existing HEVs  in each class.   The 2007 Toyota Prius’ statistics were modelled  in 

order to obtain the  ICE gasoline consumption rates.   With respect to  light trucks, data for the 

Page 53: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

37 

2007 Ford Escape Hybrid FWD was used.   Fuel economy was  set at 3.9L/100km  [39] and an 

electric motor power consumption of 200 Wh/km was used for the car category.   The electric 

use was determined based on a California‐rated PHEV‐60 of 120 Wh/km and was increased to 

compensate for Manitoba’s winters and roads [16].  The power consumption is the energy used 

by the motor  in addition to the gas consumption for average vehicular use.   The numbers for 

the truck PHEV were established based on a weight  factor.   A summary of the energy data  is 

tabulated below.  

Table 9:  Summary of Fuel and Energy  

Fuel and Energy Data

Car  PHEV Fuel Mileage (for ICE) 

3.9 L/100km 0.039 L/km 

Power Consumption (electric motor) 200 Wh/km Electric Energy Used per km 720,000 J/km 

Truck  PHEV Fuel Mileage (for ICE) 

5.7 L/100km 0.057 L/km 

Power Consumption (electric motor) 281.25 Wh/km Electric Energy Used per km 1,012,500 J/km 

 

With the necessities for PHEVs set, the amount of energy needed to travel the desired distance 

was then calculated.  It was found that together, PHEV cars and light trucks would require 594 

million  litres  of  gasoline,  or  20,569  TJ  of  gasoline  energy,  to  travel  12.9  billion  kilometres.  

When added to the 10,753 TJ of electric energy needed for their electric motor systems, PHEVs 

consumed a total of 31,322 TJ of energy while travelling the desired distance.  The PHEV results 

can be found in the following table. 

Table 10:  PHEV Consumption Results 

PHEV Consumption

Car and Truck Gasoline 5.94E+08 L

Total Gasoline Energy Used 20,569 TJ

Car Electric Energy 5,545 TJ

Truck Electric Energy 5,207 TJ

Total Electric Energy Used 10,753 TJ

Total PHEV Energy 31,3212 TJ

 

Page 54: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

38 

By observing Table 10 and Table 9,  the effects of PHEVs can be  seen.   Travelling 12.8 billion 

kilometres with  car  and  light  truck  PHEVs  displaced  11,131  TJ  of  gasoline with  10,753  TJ  of 

electricity.    The  electricity would  be  used  for  replenishing  the  SOC  of  the  battery  pack  and 

would  be  generated  by  hydro‐electricity,  a  renewable  resource.    The  increased  electrical 

demand  imposed  by  recharging  the  PHEVs would  be  satisfied  in Manitoba Hydro’s  off‐peak 

hours [16].  The analysis and calculation of this impact will later be discussed in Chapter 5.  The 

changes in energy use due to PHEVs are summarized below. 

Table 11:  Summary of Energy Changes Due to PHEV 

Summary of Changes

Total Gasoline Energy Consumed in 2005 31,700 TJ

Gasoline Energy Consumed by PHEV 20,569 TJ

Gasoline Energy Saved by PHEV 11,131 TJ

Added Electrical Load with PHEV 10,753 TJ

Total Energy Use for PHEV 31,322 TJ

 

4.4.2 HFCV 

Hydrogen  fuel cell vehicles are solely powered by renewable hydro‐electricity.   To maintain a 

consistent analysis, the renewable energy required by PHEVs to travel the desired distance was 

then applied to HFCVs to compute its capabilities. 

 

Seeing  that  HFCVs  are  still  in  their  development  stages,  little  information  on  their mileage 

exists.  Therefore the entire hydrogen process from origin to wheel must be evaluated.  Recall 

that hydrogen gas is not readily available for use in fuel cells.  Water must first be electrolysed 

to  isolate  the H2 molecules.   Using electricity  to  separate water molecules  is a 70% efficient 

process.  In other words 70% of the electrical energy input into the conversion is retained in the 

hydrogen gas produced.   Next the hydrogen  is compressed to facilitate storage and transport.  

The  liquefaction of hydrogen gas experiences 10%  losses  in energy content.   The storage and 

transportation of  liquid hydrogen to fuelling stations  is 90% efficient.   And finally, fuelling the 

vehicle with hydrogen is a 97% efficient process.  Together, the overall efficiency of converting 

water  to hydrogen,  compressing  it,  transporting  it,  and  fuelling  the  vehicle  is 55%  [33 p. 2].  

Thus, with  10,753  TJ  of  renewable  hydro‐electric  energy,  5,914  TJ  of  hydrogen  is  produced.  

Page 55: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

39 

Fuel cells operate at an efficiency of 45% [33 p. 2].   This yields 2,661 TJ of electricity, which  is 

then  sent  to  the motor.    A  fuel  cell  requires  13g  to  propel  a  vehicle  of  average  size  one 

kilometre [16].  5,914 TJ of hydrogen energy was then converted to kilograms using hydrogen’s 

LHV (The LHV was used to ensure a conservative result).  49.3 million grams of hydrogen were 

produced which  resulted  in  a  hydrogen  distance  travelled  of  3.79  billion  kilometres.    These 

values have been organized in the table below. 

 

Table 12:  Hydrogen Conversion Model 

Hydrogen

Available Electrical Energy 10,753  TJ Efficiency of Electrolysis  0.70    Efficiency of Liquefaction of Hydrogen 0.90    Efficiency of Storage and Transport to Fuelling Stations 0.90    Efficiency of Fuelling Vehicle 0.97    Overall Efficiency  0.55    Hydrogen Energy Produced 5,914  TJ Fuel Cell Efficiency  0.45    Electricity Produced  2,661  TJ LHV of Hydrogen  120.00  MJ/kg Mass of Hydrogen Produced 4.93E+07  kg Hydrogen Fuel Cell Consumption 13.00  g/km Distance Travelled  3.79E+09  km 

  

4.4.3 Comparison 

This analysis used the total amount of passenger vehicle‐kilometres travelled by cars and  light 

trucks  in 2005.   Over  that distance  (12.8 billion  kilometres), PHEVs were  able  to  reduce  the 

amount of fuel used by 11,131 TJ, or 915 million  litres, while  increasing the electricity  load by 

10,753 TJ.  With that same amount of renewable electricity, HFCVs would only be able to travel 

3.79 billion kilometres, only 30% of the desired distance.  This demonstrates the hydrogen fuel 

cell vehicle’s inefficient use of energy.  Table 13 summarizes the effects of PHEVs and HFCVs on 

Manitoba’s energy use. 

 

   

Page 56: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

40 

Table 13:  PHEV and HFCV Analysis Summary 

Total Summary

Total Gasoline Energy Consumed in 2005 31,700 TJ Gasoline Energy Consumed by PHEV 20,569 TJ Gasoline Energy Saved by PHEV 11,131 TJ Gasoline Energy Consumed by HFCV 0 TJ Equivalent Gasoline Energy Saved by HFCV 9,356 TJ Vehicle‐Kilometres Travelled in 2005 1.28E+10 km Vehicle‐Kilometres Travelled by PHEV 1.28E+10 km Vehicle‐Kilometres Travelled by HFCV 3.79E+09 km 

 

The distance travelled by HFCVs was converted  into an equivalent amount of gasoline energy 

that a conventional vehicle would have consumed over  the  same distance.   This allowed  the 

amount of gasoline energy saved by HFCVs to be considered in Manitoba’s energy map.  These 

savings  were  calculated  to  be  9,355  TJ.    The  procedure  used  to  obtain  this  value  used  a 

weighted average of kilometres  travelled by cars and  light trucks.   The details can be seen  in 

Appendix F. 

 

Based on this analysis, PHEVs increase the RER of Manitoba by 3.75% while HFCVs increase the 

ratio by 3.54%.   According  to  these RER results,  it would appear  that  the difference between 

PHEVs and HFCVs is negligible.  However, it must be remembered that HFCVs were not able to 

travel  the  required  distance  with  the  same  amount  of  renewable  electricity  as  PHEVs.  

Conventional  ICE  vehicles would  have  to  be  employed  in  order  to  satisfy  the  difference  in 

kilometres travelled.  

 

The electricity additions and gasoline savings for both PHEVs and HFCVs can now be transferred 

into the current Manitoba energy map.  The resulting energy maps can be seen below in Figure 

18 and Figure 19. 

Page 57: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

41 

  

   

Figure 18:  Manitoba Energy Map with PHEVs

Page 58: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

42 

  

   

Figure 19:  Manitoba Energy Map with HFCVs

Page 59: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

43 

5 IMPLEMENTATION 

The results from the previous two chapters make it clear that the RER would benefit most from 

the  use  of  biomass  district  heating  systems  and  PHEVs.    It  is  possible  to  implement  these 

technologies but  it  is not a simple  task.   Such systems require careful planning.   This chapter 

outlines  a basic plan  that would  incorporate  these  concepts  into Manitoba’s  current  energy 

plan and help to eliminate non‐renewable energy use. 

 

5.1 Current Natural Gas Consumption 

As  detailed  in  Chapter  2,  Manitoba’s  natural  gas  use  can  be  divided  into  residential, 

commercial, or industrial consumption.   Typically natural gas used in the industrial sector is for 

the  generation  of  very  high  temperatures,  something which  district  heating  cannot  provide.  

Consequently, the  industrial portion of natural gas consumption must remain.   The other two 

sectors, residential and commercial, use natural gas mainly for space and water heating, which 

are replaceable by a district heating system.   

 

The total natural gas consumed for residential and commercial heating amounts to 64,838 TJ.  

This number is the total gas energy delivered to customers by Manitoba Hydro.  A percentage 

of  this  is  lost due  to  inefficiencies  in  residential and commercial natural gas systems, such as 

furnaces, hot water tanks, boilers, etc.  Thus the natural gas delivered is not the actual amount 

of  energy  needed  for  heating.    To  determine  this  amount,  the  efficiency  of  the  natural  gas 

heating  systems must  be  factored  in.    These  systems  all  have  different  efficiencies  and  for 

simplicity it is assumed that their natural gas combustion is 80% efficient.  The result is 51,871 

TJ of heat energy required for space and water heating within the residential and commercial 

sectors. 

 

Another critical issue in implementation is the heating distribution over the course of a year.  In 

Manitoba,  during  the winter months,  space  heating  is  essential while  the  summer months 

Page 60: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

44 

require little space heating.  It is crucial to know how the peak and base loads differ throughout 

the seasons so an operation schedule can be outlined.   However, due  to  the  lack of data  for 

Manitoba’s  space  and  water  heating  distribution,  an  assumption  must  be  made  for  the 

proportion  used  in  the  winter  versus  the  summer.    For  the  purpose  of  this  analysis,  it  is 

assumed that 75% of the heat energy is consumed over the winter months.  The winter months 

are considered to begin on October 1st and end on March 31st, while the summer months begin 

on April  1st  and  end  on  September  30th,  during which  the  remaining  25%  of  heat  energy  is 

consumed.  

 

Water  heating  requirements  are  assumed  to  remain  constant  throughout  the  year.      This 

implies  that  the  heat  energy  consumption  in  the  summer months  is mostly  due  to  water 

heating with some space heating at the beginning and the end of the season.     The following 

table summarizes these assumptions. 

 

Table 14:  Natural Gas and Heat Requirement Assumptions 

Natural Gas and Heating Assumptions

Manitoba Natural Gas Energy Delivered (Residential and Commercial)

64,839 TJ

Burner Efficiency 0.8

Space and Water Heating Requirement 51,871 TJ

Summer Heating Requirement ‐25% 12,968 TJ

Winter Heating Requirement ‐ 75% 38,903 TJ

 

5.2 District Heating 

The  biomass  district  heating  system  previously  analyzed  replaces  nearly  half  of  the  current 

natural gas consumption.   To  implement  such district heating  systems  in Manitoba  is a  large 

task, as the required  infrastructure changes would be enormous.   For this reason,  it would be 

logical  for such a system  to completely  replace  the current natural gas system  for  residential 

and commercial heating.   However, since  the analysis demonstrated  that biomass could only 

satisfy half of Manitoba’s heat energy needs, the  implementation of an auxiliary solar heating 

system to provide energy for water heating during the summer months will be examined.    

Page 61: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

45 

5.2.1 Plant Operation 

A  biomass  district  heating  system  that  burns  the  available  agricultural  and  forestry  residues 

could deliver 39,425 TJ of heat energy  to  the users.   This  is enough  to satisfy  the majority of 

winter heating demands.   Therefore a district heating system could only provide heat energy 

for the winter months.   During the summer months, heat energy would have to be supplied by 

another source.  One possible solution being, if infrastructure was to change to district heating, 

it  would  be  sensible  to  provide  the  remaining  heat  through  a  natural  gas  district  heating 

system.  However, in maintaining the focus of increasing the RER it would be advantageous to 

introduce a renewable concept to replace the summer heating. 

 

For this reason, the implementation of an auxiliary solar heating system to provide heat energy 

during  the  summer months will  be  analyzed  and  examined.      A  solar  heating  system  that 

complements  the biomass district heating plan  is  ideal since solar  isolation  is greatest during 

the summer.  A solar heat collector field could be incorporated beside a biomass district heating 

plant where it would be integrated into the piping network. 

 

5.2.2 Solar Heat 

Before a solar and biomass district heating system can be further examined, solar heating must 

be briefly discussed.   Solar  irradiance, or the solar energy that reaches the Earth, amounts to 

1,354 W/m2 [1].   Most of this energy  is unfortunately  lost to absorption and reflection by the 

Earth’s  atmosphere,  clouds,  and  land  surface.    These  losses  reduce  the  total  energy  that 

reaches  the ground.   A  rule of  thumb states  that on a clear day  the solar energy available  is 

approximately 1000 W/m2 [1].   However,  this cannot be used  for detailed calculations on  the 

availability of solar energy. 

 

To calculate  the actual solar energy, or solar  isolation, on a solar panel  in Manitoba  requires 

detailed  calculations  that  are  demonstrated  in  Appendix  G.    A  working  knowledge  of 

methodology  is required  to understand  the subsequent discussions.   The  following  figure  is a 

Page 62: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

46 

diagram  of  a  solar  panel  and  the  sun.    The most  important  angles  in  determining  the  solar 

isolation are the solar azimuth,  , the solar zenith,  , the tilt angle of the plate,  , and the plate 

azimuth,  .   

Solar Azimuth is the angle between a line directed north from a specific location 

and the direct line between the sun and that same location 

Solar Zenith is the angle between an imaginary vertical line out of the ground at 

a specific location and the direct line between the sun and that same location 

Plate Tilt Angle is the acute angle between the plate and the ground 

Plate Azimuth is the angle between a line directed north from the solar panel 

location and the direction in which the panel is facing 

 

Figure 20:  The Geometry of the Sun and a Solar Panel 

Page 63: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

47 

The calculated solar energy available  in Winnipeg averaged over the outlined summer months 

is 243.7 W/m2.  This is the optimum value for a solar heat panel with a 49° plate tilt angle and a 

170° plate azimuth angle at solar noon.   In terms of energy it is approximately 21 MJ/m2/day.  

These values are based on Retscreen data and solar panel  isolation calculations  from  [1] and 

[8].  They are detailed in Appendix G. 

 

5.2.3 Solar District Heating 

With  the  solar energy available per  square metre  in Winnipeg,  the area  required  for a  solar 

district heating system can be calculated.  However, before this can be done, assumptions must 

be made for system efficiencies.   

 

Solar collectors harness the sun’s energy at an efficiency of 65% [16].  The solar energy is then 

transferred to the water being delivered to the end users.   The delivery system consists of the 

same underground  insulted pipe network as  the biomass district heating system discussed  in 

Chapter  3.    At  the  user  location  the  hot  water must  be  stored  for  later  use.    The  losses 

experienced  in delivery and user storage  is  lumped together and assumed to total 25% of the 

solar energy [16].   Furthermore, 10% of the solar panels are assumed to be out of operation for 

maintenance purposes at any given time.   

 

When  these  inefficiencies are  factored  into  the calculation of  the  required area  for  the  solar 

panels, the 12,968 TJ of energy required for summer heating can be absorbed by 7.67 square 

kilometres of solar heat panels.   This would provide Manitoba a total of 106.93 W/m2 or 9.24 

MJ/m2/day.  However, this number does not include the spacing required for panel accessibility 

which, when considered,  increases the  land area by 15%.   As a result, the total required  land 

area becomes 9.02 square kilometres. 

 

   

Page 64: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

48 

5.2.4 Solar and Biomass District Heating 

As  shown,  a  solar  and  biomass  system  could  be  implemented  together  to  almost  entirely 

eliminate the use of natural gas for space and water heating.  The biomass plant would operate 

in  the winter months  to provide hot water  for  space and water heating, and would be  shut 

down  for  the  summer  months.    For  the  considered  6  months  of  summer,  the  solar  heat 

collectors would provide hot water for water heating and the minimal space heating required.  

However, during the winter the solar heaters would be shutdown since solar isolation is limited.  

The following figures illustrate the district heating system in operation for both seasons. 

 

 Figure 21:  Summer District Heating 

Page 65: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

49 

 Figure 22:  Winter District Heating 

 

To  implement one district heating plant  to  serve  all of Manitoba would be  very difficult.   A 

better strategy would be to put into service many district heating systems that are sized based 

on the area’s population density distribution.  Figure 23 is a population density map of southern 

Manitoba and  it demonstrates that the majority of the population  lives near the southern US 

border.  District heating plants could be operated in each one of the small census subdivisions.  

However,  for  simplicity,  it  is assumed  that all  the  systems operate as a  single unit, with  the 

same efficiency. 

Page 66: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

50 

 

   

Figure 23:  Population Density Map for Southern Manitoba

Page 67: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

51 

Each biomass plant would be designed to fit the specific needs of the area, and the appropriate 

land would be dedicated  for a  solar panel  field.   Recall  that  the  solar panel  land  required  to 

provide all of Manitoba’s summer heat needs is 9.02 square kilometres, which is approximately 

the same area occupied by the Winnipeg airport.  This is illustrated by Figure 24. 

 

 Figure 24:  Winnipeg Airport Surface Area 

 

   

Page 68: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

52 

Together, solar and biomass district heating, can deliver 52,393 TJ of the heat energy for space 

and  water  heating.    This  number  exceeds  the  current  51,871  TJ  of  required  heat  energy 

required and  increases the RER substantially.   The extra 522 TJ can be used to accommodate 

the fluctuating energy demand that occurs due to varying temperatures between seasons.  The 

RER will be shown at the end of this chapter.  It will demonstrate the maximum RER attainable 

by implementing this concept in conjunction with PHEVs. 

 

5.3 PHEV Implementation 

Implementing PHEVs  into Manitoba’s  transport  sector  is  relatively  simple when compared  to 

implementing a biomass district heating system.   The vehicular  technology already exists and 

system flaws are already being  improved;  it simply has to be  incorporated  into an automotive 

manufacturer’s business plan.   The  introduction of PHEVs would differ very  little  from that of 

another conventional car model.   However, some minor  issues must be addressed  in order to 

ensure their success in the automotive market.  

 

As opposed  to biomass district heating,  the  implementation of PHEVs  is not  reliant upon  the 

creation of new infrastructure.  The first major hurdle that must be overcome is the absence of 

PHEV models available for purchase.   At this time a  limited amount of manufacturers produce 

HEVs and even fewer have a PHEV concept.    It would thus be difficult for the needs of all car 

and light truck owners to replace their conventional vehicle with a PHEV.  In order for them to 

become common on Manitoba’s roads, automotive manufacturers must commence  the mass 

production of PHEVs. 

 

Second,  the  implementation of PHEVs would  require a  few  changes  to  the existing electrical 

infrastructure.   Residential neighbourhoods with no private driveways and only street parking 

would necessitate the  installation of curb side electrical outlets  in order to make recharging a 

possible.   The majority of public parking  lots already possess outlets due  to Manitoba’s  cold 

winters.  However those that are not serviced would need to add electrical connections so that 

Page 69: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

53 

the  public  could  recharge  PHEVs  when  away  from  home.    Furthermore,  gas  stations  and 

restaurants along major highways would have to install electric recharging stations.  This would 

allow  PHEVs  to  travel  long  distances  and  providing  them  the  opportunity  to  recharge  their 

electric system during a trip. 

 

Plugging  in  to  the electric  system would have  to be made  simple and easy.   Since August of 

2006, the Society of Automotive Engineers (SAE) has been working on a standardization of the 

plug to be used for PHEVs [40].  This plug is unique on the vehicle’s end of the cord; it provides 

better connections with interlocks and includes shock protection [40].  The other end allows the 

user  to plug‐in at any  location with an electrical outlet.   The  installation of household  smart 

meters,  like  those being  installed  in California, would  allow  the power  grid  to  communicate 

with PHEVs [41].  This would allow parameters such as the size of the battery pack, its SOC, and 

other data to be communicated with Manitoba Hydro.  Extra wires would be built‐into the cord 

to accommodate such data communication.  Another photo of the charging cord is seen below. 

 

 

Figure 25:  PHEV Charging Cord (40) 

Page 70: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

54 

This  communication with Manitoba Hydro would  allow  them  to  recognize when a PHEV has 

been plugged  into a smart meter.   The utility would be able to decide when to send power to 

the car to recharge the batteries based on its overall load. 

 

Ideally  all  PHEV  recharging  would  occur  during  off‐peak  hours.    This  would  prevent  the 

electrical demand from exceeding Manitoba Hydro’s capability.   The maximum  load posed on 

hydro‐electric generation was calculated  in order  to ensure  that  the additional  load could be 

handled by  the utility.   Remember  that PHEVs  consumed 10,753 TJ of electric energy over a 

year.  This is an annual demand of 3 billion kWh.  With the assumption that the recharge rate of 

a PHEV’s battery pack is 8 hours per day, and that all PHEVs were plugged in at the same time, 

it was found that a maximum power  load of 1,023 MW would be placed on Manitoba Hydro.  

This  is  a worst  case  scenario  and  portrays  the  absolute maximum  possible  power  load  that 

PHEVs would demand.  The following table summarizes the energy conversion. 

 

Table 15:  PHEV Power Requirements 

PHEV Electrical Requirements from Manitoba Hydro

Total Electric Energy Used 10,753 TJ

Conversion Factor 3.60 MJ/kWh

Annual Energy Demand 2.99E+09 kWh

Daily Energy Demand 8,183 MWh/day

Time to Recharge Batteries 8.00 h/day

Maximum Power Load 1,023 MW

 

The  imposed  load of  recharging all PHEVs  simultaneously would  require approximately 1000 

MW of power from Manitoba Hydro.  Of course, this assumption is extreme and thus it can be 

expected  that  the  actual  load  would  be  much  smaller.    The  following  graph  depicts  the 

electricity  load for Manitoba during the winter.   This  is the season of greatest energy demand 

and serves as a conservative comparison between  the power demands of PHEVs, HFCVs, and 

battery  electric  vehicles  (BEVs).    BEVs  are  not within  the  scope  of  this  thesis,  however  the 

report from which this figure  is sourced  includes them  in  its comparison.   The orange vertical 

line specifies the time at which vehicles would be plugged‐in at, 9pm.   The pink  line  indicates 

Page 71: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

55 

the present electric winter  load  in Manitoba.   Notice that the overnight  increase  in electricity 

consumption due to PHEVs is much less than the worst case scenario calculated above. 

 

 

Figure 26:  Daily Winter Electricity Load on Manitoba Hydro [31] 

 

Next  it  was  determined  if Manitoba  Hydro  could  handle  the  additional  load.   Manitoba’s 

current hydro‐electric generating capabilities are roughly 5.5 GW [3].   With the completion of 

the new 200 MW Wuskwatim Generating Station expected in 2012 and the addition of the 1.5 

GW Conawapa Generating  Station  in  2021, Manitoba’s  capacity will  increase  to  over  7 GW.  

From  the  chart  in  Figure 26  above,  it  is  seen  that prior  to  the  construction of  the  two new 

stations,  the additional  load of PHEVs can be handled by Manitoba Hydro.   Even  if  the worst 

case scenario came to occur, the nightly hydro load would still be less than 5 GW.  Therefore it 

is possible to implement PHEVs and handle the additional electricity demand. 

 

With  the  use  of  PHEVs,  11,131  TJ  of  non‐renewable  energy was  displaced with  renewable 

energy  in  the  transportation  category.    This  resulted  in  an  increase  of Manitoba’s  RER  by 

roughly 4%.   When the effects of PHEVs are added with those of biomass for district heating, 

the  RER  of Manitoba  undergoes  a  drastic  improvement.   A  large  amount  of  non‐renewable 

Page 72: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

56 

energy sources are replaced with renewable energy sources and some of the negative effects of 

the heat and transportation section are reduced.   Next, the new Manitoba Energy tables and 

maps can be found. 

5.4 Maximum Renewable Energy Ratio Increase  

If  PHEVs  were  implemented  simultaneously  with  solar  and  biomass  district  heating  plants 

across  the  province,  their  individual  renewable  contribution  to  the RER would  be  combined 

together to have a greater effect. 

 

Solar  and  biomass  district  heating  systems  could  replace  52,393  TJ  of  natural  gas  with 

renewable heat energy for space and water heating.  On their own, PHEVs would increase the 

renewable  energy  consumption  by  10,753  TJ,  while  removing  11,131  TJ  of  non‐renewable 

energy  from  current  usage.    These  changes  are  summarized  in  Table  17.    Together,  both 

systems would amount to a renewable energy increase of 63,146 TJ, which translates into a RER 

of 52.78%.   The resulting Manitoba energy consumption  is shown  in Table 16 below and  it  is 

followed by  a new Manitoba energy map.   Please  refer  to Appendix H  for  the methodology 

used in obtaining these results. 

   

Page 73: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

57 

Table 16:  Final Manitoba Energy Consumption with PHEV & Solar/Biomass District Heating 

   Source  Energy in TJ  Source 

Non‐Renewable  Coal     6,434     [2 p. 22] 

136,993  TJ  Natural Gas     35,127     [3 p. 8] 

   Propane     3,982     [2 p. 107] 

   Heavy Fuel Oil     3,263     [2 p. 70] 

   Other Fossil Fuels  Light Fuel Oil 

1,234 

525  [2 p. 70] 

   Kerosene and Stove Oil  293  [2 p. 70] 

   Petroleum Coke  89  [2 p. 70]

   Refinery Liquefied Petroleum Gases  4  [2 p. 70]

   Aviation Gasoline  323  [2 p. 70]

   Gasoline     38,094     [2 p. 70]

   Diesel     40,879     [2 p. 70]

   Aviation Turbo Fuel     7,979     [2 p. 70]

Renewable  Ethanol     3,063     [4] 

153,107  TJ  Wood Waste and Pulping Liquor     5,000     [5] 

      Wood     2,300     [5] 

Biomass Combustion  39,425  ‐ 

Solar  12,968  ‐ 

      Other Renewables  Biomass 

694 

500  [6] 

      Biodiesel  2  [4] 

      Wind  192  [7 p. 11] 

      Hydro  78,905     [7 p. 39] 

Hydro for PHEV  10,753  ‐ 

   Total Primary Energy     290,100    

 

Table 17:  Manitoba Energy Changes 

Renewable Energy Increase (TJ) Non‐renewable Energy Decrease (TJ)

District Heating Solar  12,968 12,968 Biomass  39,425 39,425 

PHEV  10,753 11,131  

Page 74: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

58 

   

Figure 27:  Manitoba Energy Map – Maximized RER Increase 

Page 75: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

59 

6  CONCLUSION AND RECOMMENDATION 

The goal of this thesis was to compare four concepts and select the two that would have the 

greatest impact on the RER of the province Manitoba.  The conversion of available biomass was 

analyzed  and  two  renewable  transportation  technologies  were  compared.    Each  concept 

addressed the use of non‐renewable energy  in one of Manitoba’s three major energy sectors: 

heat, transportation, and electricity.   

 

The  following  conclusions  and  recommendations  can  be made  upon  the  completion  of  this 

thesis. 

6.1 Biomass Conversion 

The analysis first studied the impact made on the RER by a biomass district heating system and 

a  biomass  to  ethanol  conversion  process.    The  use  of  biomass  for  district  heating  removed 

39,425 TJ of non‐renewable natural gas energy from the heat consumption category.  This was 

greater than the 14,370 TJ of ethanol energy produced from the same biomass, which displaced 

non‐renewable transportation fuel.  This clarified that biomass used for district heating is more 

efficient and was  further demonstrated by  the difference  in  the  increase  in Manitoba’s RER.  

Biomass district heating yielded an RER of 45% while biomass ethanol yielded an RER of 36%. 

 

6.2 Renewable Transportation Technologies 

The second analysis examined the use of renewable energy in PHEVs and HFCVs.  Both systems 

were analyzed based on  the amount of vehicle‐kilometres  travelled  in 2005.   The amount of 

renewable energy required by PHEVs to travel this distance was then used in HFCVs to compare 

their capabilities.  The use of PHEVs over this distance resulted in the replacement of 11,131 TJ 

of non‐renewable gasoline energy with 10,753 TJ of renewable electric energy.  With this same 

amount of electric energy, the HFCV was only able to travel 30% of the kilometres travelled by 

the PHEV.   Because both concepts used the same amount of renewable energy, the resulting 

Page 76: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

60 

RERs  were  very  similar,  35.7%  for  PHEVs  and  35.5%  for  HFCVs.    This  is  why  the  distance 

travelled  was  used  as  the  basis  for  comparison.    The  shortcoming  of  the  HFCV  clearly 

exemplified the inefficiencies of its system. 

 

6.3 Implementation 

The more efficient  systems were  then  analyzed  for operation  in Manitoba.   Biomass district 

heating was unable to satisfy the residential and commercial heating requirements alone thus 

solar was integrated into the district heating plan to aid in maximizing the RER.  In addition to 

contributing  to  the  RER,  implementing  a  solar  heating  system  alongside  a  biomass  district 

heating system makes the large infrastructure requirement worthwhile.  This is due to the fact 

that it helped to eliminate the natural gas consumption that biomass could not.    

 

In  comparison  to  district  heating,  PHEVs  require  less  infrastructure  changes,  and  can  be 

implemented whenever  they become  readily  available  to  the public.    This  is not  to  say  that 

there are no issues to address.  Before PHEVs could be implemented on a large scale, it must be 

determined  if  Manitoba  Hydro  could  provide  the  power  for  the  added  load  imposed  by 

charging.    Based  on  the  daily  load  distribution  and  the  current  project  plans  that Manitoba 

Hydro has  in place,  it  is safely assumed that Manitoba could handle a  light passenger vehicle 

fleet of PHEVs to replace the current light passenger transportation energy consumption.       

 

The  implementation of biomass district heating  systems and PHEVs  in conjunction with  solar 

heating resulted in the RER increasing from 31% to 53%.  Together, both systems were able to 

displace 63,524 TJ of non renewable energy in the heat and transportations sectors with 63,146 

TJ of renewable energy. 

 

 

   

Page 77: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

61 

6.4 Recommendations 

This thesis concludes that the implementation of solar and biomass district heating along with 

PHEVs  is a  feasible task and would  increase the RER of Manitoba beyond 50%.   However  it  is 

worth noting that incorporating these two concepts would require a lot of work and dedication 

to  yield  only  a  small  increase  in  the  RER.    District  heating  and  PHEVs  would  increase  the 

renewability of  the heat and  transport  sectors but  their moderate  results acknowledges  that 

this plan is only one way to address the current energy problem.   

 

Based on historical data from Stats Canada, since the year 1990 the consumption of energy  in 

the province of Manitoba has risen roughly 2.7% per year [51].  If the province continues to use 

energy in this way, it is projected that in 50 years in the year 2058 the energy consumption will 

be over 1 million TJ.   That  is almost  five  times  the  current energy  consumption.    In only 25 

years, it is projected that Manitoba’s energy needs will double.  Thus if Manitoba continues to 

rely heavily on non‐renewable resources, the supply of energy will soon dwindle.   This clearly 

indicates the severity of the current energy crisis and why is it essential that the maximization 

of the RER becomes an important goal for the province. 

 

Other areas must be  looked at when attempting  to  increase Manitoba’s RER and better  the 

province’s sustainability.    Issues such as energy conservation and  lowering demand are topics 

that must be taken seriously and require immediate action. 

 

   

Page 78: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

62 

7 BIBLIOGRAPHY 

[1] Bibeau, Dr. Eric (1). MECH 4690: Renewable Energy Course Notes. Winnipeg, Manitoba, Canada : University of Manitoba, January 2008. URL: http://www.umanitoba.ca/engineering/mech_and_ind/prof/bibeau/.  [2] Statistics Canada (1). Report on Energy Supply‐demand in Canada. Manufacturing, Construction and Energy Division. Ottawa : Minister of Industry, 2007.  [3] Manitoba Hydro (1). 55th Annual Report. Winnipeg : The Manitoba Hydro‐Electric Board, 2006.  [4] Brennand, Bob. Project Manager, Manitoba Government. [interv.] Richard Pereira. Manitoba Science, Technology, Energy and Mines. Winnipeg, October 9, 2008.  [5] Natural Resource Canada. Natural Resource Canada. Comprehensive Energy Use Database Tables. [Online] 2007. http://www.oee.nrcan.gc.ca/corporate/statistics/neud/dpa/comprehensive_tables/index.cfm?attr=0.  [6] National Energy Board. Canadian Energy: Supply and Demand to 2025. Calgary : National Energy Board, 1999.  [7] Statistics Canada (2). Electric Power Generation, Transmission, and Distribution. Manufacturing, Construction & Energy Division. Ottawa : Minister of Industry, 2007.  [8] Rosa, Aldo V. da. Fundamentals of Renewable Energy Processses. London : Elsevier Academic Press, 2005.  [9] Natural Resource Canada. Canada's Forest Inventory (Canfi). Natural Resource Canada. [Online] 2001. http://cfs.nrcan.gc.ca/subsite/canfi/data‐summaries‐1/2.  [10] Wood, Susan M. and Layzell, David B. A Canadian Biomass Inventory: Feedstocks for a Bio‐based Economy. Queen’s University. Kingston, Ontario : BIOCAP Canada Foundation, 2003.  [11] Martin Tampier, M.Eng., et al. Stage 1: Identifying Environmentally Preferable Uses for Biomass Resources. Vancouver : Envirochem Services Inc., 2004.  [12] Wikipedia (1). District Heating. Wikipedia: The Free Encyclopedia. [Online] November 2008. http://en.wikipedia.org/wiki/District_heating.  

Page 79: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

63 

[13] Natural Resources Canada. History of District Heating. The Canadian Renewable Energy Network (CanREN). [Online] July 28, 2003. http://www.canren.gc.ca/tech_appl/index.asp?CaId=2&PgId=1146.  [14] Energy, Mines and Resources Canada. Retscreen Training Course Heating/Cooling. Natural Resources Canada: Retscreen Training. [Online] http://oee.nrcan.gc.ca/commercial/password/downloads/EMS_10_heating,ventilation_and_air.pdf.  [15] Spirax‐Sarco Limited. Steam Consumption of Heat Exchangers. Spirax Sarco International Site. [Online] Spirax‐Sarco Limited. http://www.spiraxsarco.com/resources/steam‐engineering‐tutorials/steam‐engineering‐principles‐and‐heat‐transfer/steam‐consumption‐of‐heat‐exchangers.asp.  [16] Zanetel, Paul. P. Eng. [interv.] Rohan Lall. Winnipeg, November 2008.  [17] Brandberg, Åke and Ahlvik, Peter. Well‐To Wheel Efficiency for Alternative Fuels from Natural Gas or Biomass. Swedish National Road Administration. Borlänge : Ecotraffic R&D3 AB, 2001.  [18] Province of Manitoba. Seeing Green for Economic Growth and Prosperity. Province of Manitoba. [Online] http://www.gov.mb.ca/seeinggreen/economic_growth/initiatives/ethanol.html.  [19] U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (1). Flex‐Fuel Vehicles. FuelEconomy.gov. [Online] U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. [Cited: November 20, 2008.] http://www.fueleconomy.gov/feg/flextech.shtml.  [20] Dr. Gregory W. Davis, P.E. Development of Technologies to Improve Cold Start Performance of Ethanol Vehicles. Biomass Energy Program, Michigan Department of Consumer & Industry Services. Flint, MI : s.n., 2001.  [21] Fuel Testers. E10 Alcohol Fuel Blends Can Cause Damage to Engines. Fuel Testers. [Online] http://www.fuel‐testers.com/ethanol_problems_damage.html.  [22] Inhibition of ethanol‐producing yeast and bacteria by degradation products produced during pre‐treatment of biomass. Klinke, H. B., Thomsen, A. B. and Ahring, B. K. 1, s.l. : Springer Berlin / Heidelberg, November 2004, Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 66, pp. 10‐26.  [23] Ethanol Fermentation from Biomass Resources: Current State and Prospects. Lin, Yan and Tanaka, Shuzo. 6, s.l. : Springer Berlin / Heidelberg, February 2006, Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. Volume 69, pp. 627‐642. 

Page 80: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

64 

 [24] Cost‐Benefit Analysis of Plug‐In Hybrid Electric Vehicle Technology. Simpson, Andrew. Yokohama : National Renewable Energy Laboratory, 2006. 22nd International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS‐22). p. 1.  [25] Poole, Chris. 2011 Chevrolet Volt Review and Prices. Consumer Guide Automotive. [Online] HowStuffWorks, Inc. http://consumerguideauto.howstuffworks.com/2011‐chevrolet‐volt.htm.  [26] Responsible Energy Corporation. Li‐ion Battery FAQs. Green Batteries. [Online] Responsible Energy Corporation. http://www.greenbatteries.com/libafa.html.  [27] HybridCars.com (1). Chevrolet Volt Charging Cord #1. HydridCars.com. [Online] 2008. http://www.hybridcars.com/gallery/22082/photo?page=3.  [28] Manitoba Hydro (2). PHEV Component FAQ. Manitoba Hydro: Plug‐in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) Research Project. [Online] http://www.hydro.mb.ca/corporate/phev/faq.shtml#winter.  [29] CalCars.org (1). Top Plug‐In Hybrid and CalCars Photos. CalCars.org. [Online] The California Cars Initiative. http://www.calcars.org/photos.html.  [30] Calcars.org (2). All About Plug‐In Hybrids (PHEVs). Calcars.org. [Online] The California Cars Initiative. http://www.calcars.org/vehicles.html.  [31] Bibeau, Dr. Eric (2). Research Papers. Dr. Eric Bibeau: Manitoba Hydro/NSERC Alternative Energy Chair. [Online] http://www.umanitoba.ca/engineering/mech_and_ind/prof/bibeau/research/papers/2006_Bibeau_NRC.pdf.  [32] GM‐Volt.com. Photo Gallery. GM‐Volt.com. [Online] 2008. http://www.gm‐volt.com/galleries/album/72157607038955164/photo/2863181069/Production‐Chevy‐Volt‐volttop.html.  [33] Bossel, Ulf. Efficiency of Hydrogen Fuel Cell, Diesel‐SOFC‐Hybrid and. Oberrohrdorf : European Fuel Cell Forum, 2003.  [34] GreenJobs.com. Fuel Cells. GreenJobs.com. [Online] http://www.greenjobs.com/Public/info/industry_background.aspx?id=12.  [35] Wikipedia (2). Fuel Cell. Wikipedia: The Free Encyclopedia. [Online] November 2008. http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell.  [36] American Honda Motor Co. FCX Clarity. Honda Automobiles. [Online] American Honda Motor Co., Inc., 2008. http://automobiles.honda.com/fcx‐clarity/. 

Page 81: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

65 

 [37] CBC.ca. Honda plans fuel‐cell cars for public by 2018. CBC.ca. [Online] December 29, 2006. http://www.cbc.ca/news/story/2006/12/29/honda‐hydrogen.html.  [38] The Car Maker. The Car Maker. WordPress.com. [Online] http://carmaker.wordpress.com/category/honda/.  [39] U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (2). Compare Old and New EPA MPG Estimates. FuelEconomy.gov. [Online] U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. http://www.fueleconomy.gov/feg/calculatorSelectEngine.jsp?year=2007&make=Toyota&model=Prius.  [40] HybridCars.com (2). Plugging In Your Volt: Not With Just Any Old Cord. HybridCars.com. [Online] October 28, 2008. http://www.hybridcars.com/technology/plugging‐your‐volt‐not‐just‐any‐old‐cord‐25203.html.  [41] Gupta, Aloke. An Overview of California Smart Meter Policy & Deployment. Presentation. [Power Point]. s.l. : California Public Utilities Commission (CPUC), September 4, 2008. http://piee.stanford.edu/cgi‐bin/docs/behavior/workshop/2008/presentations/01‐02_An_Overview_of_California_Smart_Meter_Policy_and_Deployment.pdf.  [42] S. Gaur and T. Reed, Marcel Dekker. Densification: Proximate and Ultimate Analysis. Woodgas. [Online] 1998. http://www.woodgas.com/proximat.htm.  [43] Natural Resources Canada. Fuel Consumption Guide Search Results. Natural Resources Canada. [Online] 12 27, 2007. http://www.oee.nrcan.gc.ca/transportation/tools/fuel‐consumption‐guide/fuel‐consumption‐guide‐results.cfm?year=2008&type=TSP&Mfg=FORD&attr=8.  [44] MSN Autos. Prices and Specifications. MSN Autos. [Online] Microsoft. http://autos.msn.com/Default.aspx.  [45] Spinning Straw Into Fuel. Greer, Diane. 4, April 2005, BioCycle, Vol. 46, p. 61.  [46] Natural Resources Conservation Service. The Agricultural Waste Management Field Handbook: Chapter 4. http://www.wsi.nrcs.usda.gov/products/W2Q/AWM/handbk.html. [Online] June 1999.   [47] Greenhouse Gas Division. National Inventory Report, 1990‐2005: Greenhouse Gas Sources and Sinks in Canada. Gatineau, Quebec  : Environment Canada, 2007.  [48] U.S. Environmental Protection Agency. Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990 ‐ 2006. Washington, D.C. : U.S. Environmental Protection Agency, 2008. pp. 8‐2. 

Page 82: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

66 

[49] (S&T)2 Consultants Inc.; Cheminfo Services Inc.; MacLean, Dr. Heather; Fugacity Technology Consulting. Sensitivity Analysis of Biodiesel LCA Models to Determine Assumptions with the Greatest Influence on Outputs. 2008.  [50] Martin Tampier, M.Eng. Stage 2: Identifying Environmentally Preferred Uses for Biomass Sources. Vancouver : Envirochem Services Inc., 2004. Co‐Authors: Doug Smith, P.Eng.; Eric Bibeau, PhD; Paul A. Beauchemin, P.Eng. (2).  [51] Statistics Canada (3). Overview 2007. Statistics Canada. [Online] 2007. http://www41.statcan.ca/ceb_r000_e.htm.  [52] Transport Canada. Transportation in Canada 2005: Annual Report. Ottawa : Minister of Transport, Infrastructure and Communities, 2005.  [53] U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Flex‐Fuel Vehicles. Fuel Economy. [Online] U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. [Cited: November 20, 2008.] http://www.fueleconomy.gov/feg/flextech.shtml.  [54] Unknown, (1). District Heating. Nation Master. [Online] Rapid Intelligence. http://www.nationmaster.com/encyclopedia/District‐heating.  [55] Unknown, (2). Group Effort: Energy in District Heating. Construction Ireland. [Online] http://www.constructireland.ie/articles/0214groupeffort2.php.  

 

 

 

   

Page 83: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

67 

APPENDIX A ‐ CURRENT ENERGY MAP 

This appendix outlines the methodology used to create the current energy map. 

Table A.1 organizes Manitoba’s energy consumption by energy source.   The table  is divided  in 

two  sections,  the  top portion  consists of  the non‐renewable energy  sources and  the bottom 

consists of the renewable energy sources.  The energy total for non‐renewable and renewable 

energy consumption is indicated underneath the respective headings, and from these totals the 

RER  can  be  determined.    Energy  sources  that  do  not  exceed  one  percent  of  total  energy 

consumption  have  been  lumped  together  into  two  categories;  other  fossil  fuels  and  other 

renewable sources.   This enables the current energy map to be well organized for readability.  

The reference for each energy value is indicated in the column to the far right. 

Table A. 1 Manitoba’s Energy Consumption 

   Source  Energy in TJ  Reference 

Non‐Renewable  Coal     6,434      [2 p. 22] 

200,516  TJ  Natural Gas     87,520     [3 p. 8] 

   Propane     3,982     [2 p. 107] 

   Heavy Fuel Oil     3,263     [2 p. 70] 

   Other Fossil Fuels  Light Fuel Oil 

1,234 

525  [2 p. 70] 

   Kerosene and Stove Oil  293  [2 p. 70] 

   Petroleum Coke  89  [2 p. 70] 

   Refinery Liquefied Petroleum Gases  4  [2 p. 70] 

   Aviation Gasoline  323  [2 p. 70] 

   Gasoline     49,225     [2 p. 70] 

   Diesel     40,879     [2 p. 70] 

   Aviation Turbo Fuel     7,979     [2 p. 70] 

Renewable  Ethanol     3,063     [4] 

89,962  TJ  Wood Waste and Pulping Liquor     5,000     [5] 

      Wood     2,300     [5] 

      Other Renewable Sources  Biomass 

694 

500  [6] 

      Biodiesel  2  [4] 

      Wind  192  [7 p. 11] 

      Hydro  78,905     [7 p. 39] 

   Total Primary Energy     290,478    

 

Table  A.2  totals  the  energy  consumption  into  the  three  categories  (heat,  electricity,  and 

transportation) and this data is used for the middle ring of the energy map.  Heat was divided 

into non‐renewable and  renewable sections  to maintain  the grouping of  renewable and non‐

renewable sources.  The energy map is based on both tables. 

Page 84: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

68 

Table A. 2:  Energy Consumption Categories – With Total Energy Consumed 

Energy Category  Energy (TJ) 

Electricity  80,706 

Heat ‐ Non‐Renewable  100,502 

Transportation  101,470 

Heat ‐ Renewable  7,800 

Total  290,478 

  

89,962 

290,478 100  30.97% 

  

 

Figure A. 1:  Current Manitoba Energy Map 

   

Page 85: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

69 

APPENDIX B ‐ BIOMASS INVENTORY 

This appendix outlines the methodology used to determine the results found in section 3.1. 

B.1  Forestry Residues 

Table  B.1  is  the  excel model  used  to  determine  the  forestry  residues  available  for  energy 

conversion. 

Table B. 1:  Biomass from Forest Resources 

Biomass from Forest Resources  Reference 

Harvested Land  15,509  ha/yr  [10 p. 8] 

Non‐stem Biomass Available From Productive Forests  55  ODT/ha  [10 p. 10] 

Total Non‐Stem Biomass  852,995  ODT/yr  ‐ 

Harvested Roundwood  1.18  MODT/yr  [10 p. 13] 

Mill Roundwood Residue Factor  0.077  [10 p. 17] 

Residue Utilization Factor  0.75  [10 p. 17] 

Total Mill Residue Available  22,715  ODT/yr  ‐ 

Total Biomass from Forest Resources  875,710  ODT/yr  ‐ 

 

Sample Calculations:  

    55  15,509

852,995   

      0.077 0.75 1.18 10  

22,715   

    852,995  22,715  ,    

 

B.2  Agricultural Residues 

There is no model for the agricultural residues.  The data was found in [11 p. 23]. 

 

    , ,    

   

Page 86: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

70 

B.3  Forestry and Agricultural Residues 

Table B.2  is  the excel model used  to determine  the  total energy content of  the  forestry and 

agricultural residues. 

 

Table B. 2:  Forestry and Agricultural Biomass Energy Model  

Forestry and Agricultural Residues  Reference 

Total Biomass 4,388,710  ODT/yr  ‐ 

4.39  MODT/yr  ‐ 

Energy Density   16.00  MJ/kg  Assumed 

Tonnes to Kg  Conversion Factor  1,000  kg/tonne  [1] 

Energy Density  16,000  MJ/tonne  ‐ 

Energy Content 7.02194E+16  J/yr  ‐ 

70,219  TJ/yr  ‐ 

 

Sample Calculation: 

  875,710    3,513,000 

, ,    

 

             

16,000  4,388,710 10

  ,    

   

Page 87: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

71 

APPENDIX C ‐ BIOMASS DISTRICT HEATING 

C.1 Biomass Energy Conversion 

This appendix outlines the methodology used to determine the results found in section 3.2.2. 

Table C.1  is  the excel model used  to determine  the amount of  recoverable energy  from  the 

original energy content of the forestry and agricultural residues.   

 

Table C. 1:  Biomass District Heating Model 

Recoverable Biomass Energy From District Heating System  Reference 

Energy Available from Forest Resources and Ag Crop Residue  70,219  TJ/yr  ‐ 

Biomass Combustor Efficiency  80%  [1] 

Heat Exchanger Efficiency (Including Pipe Losses)  75%  [16] 

Harvesting Energy Factor  5%  [17 p. 19] 

Transport Energy Factor  1.5%  [17 p. 19] 

Total Energy Recovered (by user)  39,425  TJ/yr  ‐ 

  

Sample Calculation:  

 

          0.8 0.75 1 0.05 1 0.015 70,219 

,    

 

C.2 Biomass Combustor Efficiency 

The biomass combustor efficiency was determined using a biomass combustor model obtained 

from [1] and is shown in Table C.3.  The yellow highlighted cells are user inputs.  Some were left 

at  default  values  and  others were modified  to  fit  the  specifications  of  the  district  heating 

system.   

 

Since  the district heating  system will only operate  in  the winter  it  is assumed  that  the  initial 

wood temperature and inlet air temperature are both at ‐20°C.  To achieve a high efficiency the 

exit flue gas temperature was set to 25°C even though the default was set to over 300°C.  This is 

done to remove as much energy from the fuel as possible.  If exit flue gas is exhausted at 300°C, 

Page 88: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

72 

there  is still a significant amount of heat energy that can be extracted.   Reducing the exit flue 

gas temperature increased the efficiency by 20%.  All other inputs in the input section were left 

at the default settings. 

 

For the biomass species user  inputs  in Table C.3, the properties entered were the averages of 

many  different  species.    The  average  properties  of  biomass  are  shown  in  Table  C.2.      This 

average was taken from the data shown in Table C.4. 

 

Table C. 2:  Average Proximate and Ultimate Analysis for Biomass (42) 

Name  Fixed Carbon %  Volatiles %  Ash %  C %  H %  O %  N %  S % 

HHV  HHV 

MEAS  CALC 

kJ/g  kJ/g 

BIOMASS AVERAGE  ‐  ‐  ‐  48.73  5.83  41.70  0.37  0.02  19.48  19.50 

 

The total mass of available  forest and agriculture residues was specified as the biomass mass 

quantity.  The average biomass energy density (HHV) was not used for the combustor analysis 

because  the energy density  for biomass varies greatly and  the average  is on  the higher end.  

The value used was 16 MJ/kg which  is same as the value used for all previous calculations.    It 

was chosen to be conservative since  it  is  in the  lower range of biomass energy densities.   The 

combustor model  also  requires  inputs  for  chlorine  and phosphorus  compositions.   However, 

this data was not specified in Table C.4 and is assumed to be 0.5% for both elements.  The final 

inputs were  the  plant  availability  and  the  hours  of  operation  per week.    Since  the  biomass 

district heating will only operate in the winter, the availability was set to 26 weeks running for 

168 hours per week. 

Page 89: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

73 

Table C. 3:  Biomass Combustor Model [1] 

 

   

Page 90: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

74 

Table C. 4:  Proximate and Ultimate Analysis for Various Biomass Species [42] 

 

Page 91: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

75 

C.3 Change in Renewable Energy Ratio 

To  determine  the  change  in  the  RER,  the  total  energy  recovered  by  the  user  for  a  biomass 

district heating system was added  into Table A.1 to create Table C.5 shown below.   This same 

value  was  subtracted  from  the  current  natural  gas  consumption  value  because  a  biomass 

district heating system is intended to supply heat via hot water rather than natural gas.  These 

changes to the energy consumption table are indicated by the green highlighted cells.  Table C.6 

shows the energy shift from non‐renewable heat to renewable heat. 

 

Table C. 5:  Manitoba’s Energy Consumption with Biomass District Heating 

   Source  Energy in TJ  Reference 

Non‐Renewable  Coal     6,434     [2 p. 22] 

161,092  TJ Natural Gas 

  87,520 – 39,425 = 

48,095    [3 p. 8] 

   Propane     3,982     [2 p. 107] 

   Heavy Fuel Oil     3,263     [2 p. 70] 

   Other Fossil Fuels  Light Fuel Oil 

1,234 

525  [2 p. 70] 

   Kerosene and Stove Oil  293  [2 p. 70] 

   Petroleum Coke  89  [2 p. 70] 

   Refinery Liquefied Petroleum Gases  4  [2 p. 70] 

   Aviation Gasoline  323  [2 p. 70] 

   Gasoline     49,225     [2 p. 70] 

   Diesel     40,879     [2 p. 70] 

   Aviation Turbo Fuel     7,979     [2 p. 70] 

Renewable  Ethanol     3,063     [4]  

129,387  TJ  Wood Waste and Pulping Liquor     5,000     [5] 

      Wood     2,300     [5] 

Biomass Combustion  + 39,425  ‐ 

      Other Renewable Sources  Biomass 

694 

500  [6] 

      Biodiesel  2  [4] 

      Wind  192  [7 p. 11] 

      Hydro  78,905     [7 p. 39] 

   Total Primary Energy     290,478    

 

Table C. 6:  Energy Consumption Categories Including Biomass District Heating 

Energy Category  Energy (TJ) 

Electricity  80,706 

Heat ‐ Non‐Renewable  61,077 

Transportation  101,470 

Heat ‐ Renewable  47,225 

Total  290,478 

 

Page 92: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

76 

The Manitoba  energy map,  including  the  changes  introduced  by  a  biomass  district  heating 

system, is shown in Figure C.1.  The resulting RER is as follows: 

 

129,387 

290,478 100  44.54% 

    

Figure C. 1:  Manitoba Energy Map with Biomass District Heating

Page 93: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

77 

APPENDIX D ‐ BIOMASS CONVERSION TO ETHANOL 

This appendix outlines the methodology used to determine the results found in section 3.3.2. 

Table D.1  is an excel ethanol conversion model used to determine the amount of recoverable 

energy from the original energy content of the forestry and agricultural residues.  The process 

efficiency  factor  is  the  product  of  the  cellulose  and  hemicelluloses  content,  the  theoretical 

ethanol yield, and the actual ethanol yield. 

 

Table D. 1:  Ethanol Conversion Model 

Ethanol Production from Biomass  Reference 

Energy Available from Forest Resources and Ag Crop Residue  70,219  TJ/yr  ‐ 

Cellulose and Hemicellulose Content  60%  [17 p. 21] 

Theoretical Ethanol Yield (Based on Energy Content)  45%  ‐ 

Actual Ethanol Yield (Based on Theoretical Yield)  81%  [17 p. 21] 

Process Efficiency Factor  21.87%  ‐ 

Harvesting Energy Factor  5%  [17 p. 18] 

Transport Energy Factor  1.5%  [17 p. 19] 

Ethanol Energy Available from Crop and Forest Residue  14,370  TJ/yr  ‐ 

Energy Density of Ethanol (HHV)  29.85  MJ/kg  [1] 

Density of Ethanol  789.35  kg/m3  [1] 

Conversion Factor Cubic Meters to Litres  0.001  m3/L  [1] 

Total Volume of Ethanol Produced  609,954,358,047  L  ‐ 

 

Sample Calculations: 

 

        0.6 0.45 0.81 1 0.05 1 0.015 70,219 

0.2187 1 0.05 1 0.015 70,219 

,    

         14,370 

10  

29.8510  

789.35 0.001

, , ,    

   

Page 94: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

78 

In addition  to  these calculations,  the  theoretical ethanol yield based on HHV was calculated.  

The  theoretical  ethanol  yield  from  the  conversion,  specified  in  [17],  is  48%  of  the  original 

energy content based on the LHV [17 p. 21].  All analyses thus far have been based on the HHV 

therefore the theoretical ethanol yields must be calculated based on the HHV.  To achieve this, 

48% of the LHV of forest and agriculture residues is determined.  It is then divided by the HHV 

of forest residues to establish the ethanol yield percentage of the original energy content based 

on the HHV. 

 

LHV of forest and agriculture residues = 15.402 MJ/kg [1] 

HHV of forest and agriculture residues = 16.473 MJ/kg [1] 

 

48% of the LHV is: 

0.48 15.402  7.39296   

This energy content compared to the HHV: 

7.39296 

16.473 100 44.88%  45% 

 

   

Page 95: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

79 

D.1  Change in Renewable Energy Ratio 

To  determine  the  change  in  the  RER,  the  total  ethanol  energy  produced  from  the  biomass 

conversion process was added into Table A.1 to create Table D.2 shown below.  This same value 

was subtracted from the current gasoline consumption value because biomass ethanol can be 

blended  with  regular  gasoline  to  reduce  fossil  fuel  use.    These  changes  to  the  energy 

consumption table are  indicated by the green highlighted cells.   Table D.3 does not have any 

changes  from  Table  A.2  but  Figure  D.1  does  show  the  energy  shift  from  non‐renewable 

transportation to renewable transportation.   This shift  is not shown  in the data because non‐

renewable and renewable transportation energy is combined in the same category.  

Table D. 2:  Manitoba’s Energy Consumption with Biomass Ethanol 

   Source  Energy in TJ  Reference 

Non‐Renewable  Coal     6,434     [2 p. 22] 

186,146  TJ  Natural Gas     87,520     [3 p. 8] 

   Propane     3,982     [2 p. 107] 

   Heavy Fuel Oil     3,263     [2 p. 70] 

   Other Fossil Fuels  Light Fuel Oil 

1,234 

525  [2 p. 70] 

   Kerosene and Stove Oil  293  [2 p. 70] 

   Petroleum Coke  89  [2 p. 70] 

   Refinery Liquefied Petroleum Gases  4  [2 p. 70] 

   Aviation Gasoline  323  [2 p. 70] 

   Gasoline    49,225‐14,370 = 

34,855    [2 p. 70] 

   Diesel     40,879     [2 p. 70] 

   Aviation Turbo Fuel     7,979     [2 p. 70] 

Renewable  Ethanol    3,063+14,370 

=17,433     [4] 

104,332  TJ  Wood Waste and Pulping Liquor     5,000     [5] 

      Wood     2,300     [5] 

      Other Renewable Sources  Biomass 

694 

500  [6] 

      Biodiesel  2  [4] 

      Wind  192  [7 p. 11] 

      Hydro  78,905     [7 p. 39] 

   Total Primary Energy     290,478    

 

Table D. 3:  Energy Consumption Categories Including Biomass Ethanol 

Energy Category  Energy (TJ) 

Electricity  80,706 

Heat ‐ Non‐Renewable  100,502 

Transportation  101,470 

Heat ‐ Renewable  7,800 

Total  290,478 

Page 96: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

80 

The Manitoba energy map,  including the changes  introduced by biomass ethanol,  is shown  in 

Figure D.1.  The resulting RER is as follows: 

 104,332 

290,478 100  35.92% 

 

  

   

Figure D. 1:  Manitoba Energy Map with Biomass Ethanol  

Page 97: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

81 

APPENDIX E:  PLUG‐IN HYBRID ELECTRIC VEHICLES 

This appendix outlines the methodology used to determine the results found in Section 4.4.1. 

Tables  E.1  through  Table  E.6  make  up  an  excel  model  used  to  determine  the  amount  of 

electricity and gasoline energy used by PHEVs.   The calculations completed  in each  table are 

shown below the respective table. 

 

Table E. 1: Properties of Gasoline [1] 

Properties of Gasoline 

HHV of Gasoline (by mass)  46.54  MJ/kg 

Density of Gasoline  744.70  kg/m3 

HHV of Gasoline (by volume)  34,655.36  MJ/m3 

 

Table E. 2:  NRCAN Transportation Data [5] 

Transportation Data (2005) 

Car  Gasoline Energy Used  16,800  TJ 

Vehicle‐Kilometres Travelled  7.70E+09  km 

Truck 

Gasoline Energy Used   14,900  TJ 

Vehicle‐Kilometres Travelled  5.14E+09  km 

Total Gasoline Energy Used  31,700  TJ 

Total Vehicle‐Kilometres travelled  1.28E+10  km 

 

      16,800  14,900  31,700    

      7.7 10   5.14 10   12.8 10    

 

Table E. 3:  PHEV Fuel and Electricity Used per Kilometre 

Fuel and Energy Data  Reference 

Car  PHEV Gas Mileage (for ICE) 

3.9  L/100km  [39] 

0.039  L/km  ‐ 

Power Consumption (electric motor)  200  Wh/km  [16] 

Electric Energy Used per km  720,000  J/km  ‐ 

Truck  PHEV Gas Mileage (for ICE) 

5.7  L/100km  [43] 

0.057  L/km  ‐ 

Power Consumption (electric motor)  281.25  Wh/km  ‐ 

Electric Energy Used per km  1,012,500  J/km  ‐ 

 

        2003600

2003600

720,000  

   

Page 98: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

82 

Due to the lack of data for PHEV trucks, the weight ratio shown in Table E.4 is used to calculate 

the fuel mileage for PHEV passenger light trucks. 

 

Table E. 4: Car to Light Truck Weight Ratio 

Car to Light Truck Weight Ratio  Reference 

Weight of Average Passenger Car  1600  kg  [44] 

Weight of Average Light Truck/Suv  2250  kg  [44] 

Weight Ratio  1.40625  NA 

 

    1.40625 200 281.25  

        281.253600

281.253600

1,012,500  

 

Table E. 5:  Calculated PHEV Consumption 

PHEV Consumption 

Car and Truck Gasoline  5.94E+08  L 

Total Gasoline Energy Used  20,569  TJ 

Car Electric Energy  5,545  TJ 

Truck Electric Energy  5,207  TJ 

Total Electric Energy Used  10,753  TJ 

Total PHEV Energy Used  31,322  TJ 

 

                      

           

0.039 7.7 10   0.057 5.14 10    

593,529,000   

 

           

593,529,000 0.001 

744.7 34,655.36 10

,    

 

                    

           

720,000 7.7 10  10

281.25 5.14 10  10

 

5,545  5,207   ,    

 

Page 99: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

83 

                  

20,569  10,753 

,    

Table E. 6:  Summary of PHEV Energy Change 

Summary of PHEV Energy Changes 

Total Gasoline Energy Consumed in 2005  31,700  TJ 

Gasoline Energy Consumed by PHEV  20,569  TJ 

Gasoline Energy Saved by PHEV  11,131  TJ 

Added Electrical Load with PHEV  10,753  TJ 

Total Energy Use for PHEV  31,322  TJ 

 

                            

31,700  20,569 

,    

 

   

Page 100: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

84 

E.1  Change in Renewable Energy Ratio 

To determine the change in the RER, the total electric energy used by the PHEVs was added into 

Table A.1 to create Table E.7 (shown below).  The gasoline energy saved by using PHEVs in the 

place  of  conventional  vehicles  is  subtracted  from  the  current  gasoline  energy  consumption.  

These changes  to  the energy consumption  table are  indicated by  the green highlighted cells.  

Table E.8 shows the energy shift from transportation to electricity. 

 

Table E. 7:  Manitoba’s Energy Consumption with PHEV 

   Source  Energy in TJ  Reference 

Non‐Renewable  Coal     6,434     [2 p. 22] 

189,385  TJ  Natural Gas     87,520     [3 p. 8] 

   Propane     3,982     [2 p. 107] 

   Heavy Fuel Oil     3,263     [2 p. 70] 

   Other Fossil Fuels  Light Fuel Oil 

1,234 

525  [2 p. 70] 

   Kerosene and Stove Oil  293  [2 p. 70] 

   Petroleum Coke  89  [2 p. 70] 

   Refinery Liquefied Petroleum Gases  4  [2 p. 70] 

   Aviation Gasoline  323  [2 p. 70] 

   Gasoline    49,225‐11,131 = 

38,094    [2 p. 70] 

   Diesel     40,879     [2 p. 70] 

   Aviation Turbo Fuel     7,979     [2 p. 70] 

Renewable  Ethanol     3,063      [4] 

100,715  TJ  Wood Waste and Pulping Liquor     5,000     [5] 

      Wood     2,300     [5] 

      Other Renewable Sources  Biomass 

694 

500  [6] 

      Biodiesel  2  [4] 

      Wind  192  [7 p. 11] 

      Hydro  78,905     [7 p. 39] 

Hydro for PHEV  10,753     ‐ 

   Total Primary Energy     290,100    

 

Table E. 8:  Energy Consumption Categories Including PHEV 

Energy Category  Energy (TJ) 

Electricity  91,459 

Heat ‐ Non‐Renewable  100,502 

Transportation  90,339 

Heat ‐ Renewable  7,800 

Total  290,100 

   

Page 101: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

85 

The  Manitoba  energy  map,  including  the  changes  introduced  by  the  replacement  of 

conventional light passenger cars and trucks with PHEVs, is shown in Figure E.1.  The resulting 

RER is as follows: 

 100,715 

290,100 100  34.72% 

   

Figure E. 1:  Manitoba Energy Map with PHEV

Page 102: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

86 

APPENDIX F ‐ HYDROGEN FUEL CELL VEHICLES 

This appendix outlines the methodology used to determine the results found in Section 4.4.2 

Tables  F.1  is  the  excel model  used  to  determine  the  distance  that HFCVs  are  able  to  travel 

powered by the hydrogen that could be produced from the electric energy used by the PHEVs. 

 

Table F. 1:  Hydrogen Production Model and Results 

Hydrogen Production and Results  Reference 

Available Electrical Energy  10,753  TJ  ‐ 

Efficiency of Electrolysis  0.70  [33 p. 2] 

Efficiency of Liquefaction of Hydrogen  0.90  [33 p. 2] 

Efficiency of Storage and Transport to Fuelling Stations  0.90  [33 p. 2] 

Efficiency of Fuelling Vehicle  0.97  [33 p. 2] 

Overall Efficiency  0.55  [33 p. 2] 

Hydrogen Energy Produced  5,914  TJ  ‐ 

Fuel Cell Efficiency  0.45  [33 p. 2] 

Electricity Produced  2,661  TJ  ‐ 

LHV of Hydrogen  120.00  MJ/kg  [1] 

Mass of Hydrogen Produced  49,282,438  kg  ‐ 

Hydrogen Fuel Cell Consumption  13.00  g/km  [16] 

Distance Travelled  3.79E+09  km  ‐ 

 

Sample Calculations: 

      0.7 0.9 0.9 0.97 10,753 

0.55 10,753 

5,914   

          0.45 5,914 

2,661   

      5,914 120.00 

 10

49,282,438   

    49,282,438  13.001000

.  

 

   

Page 103: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

87 

In order  to determine  the gasoline  saved by using  the HFCV,  the amount of gasoline energy 

required for a convention vehicle to travel the distance travelled by the HFCV must be found.  

The results are shown in Table F.2. 

 

Table F. 2:  Equivalent Gasoline Energy Used by HFCV 

Equivalent Gasoline Energy 

Distance Travelled by HFCV  3,790,956,793  km 

Gasoline Energy req'd per km (cars)  2,181,252  J/km 

Gasoline Energy req'd per km (trucks)  2,897,142  J/km 

Proportion of Distance Travelled by Cars  0.60 

Proportion of Distance Travelled by Trucks  0.40 

Weighted Average  2,467,886  J/km 

Equivalent Gasoline Energy Used by HFCV    9,355.65  TJ 

 

Before  the  equivalent  gasoline  energy  can  be  calculated,  the  average  fuel  mileage  for 

conventional gasoline vehicles must be determined.  The light passenger vehicle fleet contains 

small and large vehicles thus fuel mileage varies; hence a weighted average was taken based on 

the percentage of total vehicle kilometres travelled by cars and  light trucks.   The fuel mileage 

for each category was determined from the total energy used to travel the vehicle kilometres 

travelled by the respective vehicle type. 

 

:           16,800 

7.7 10

102,181,252  

:           14,900 

5.14 10

102,897,142  

          0.6 2,181,252 0.4 2,897,142

2,467,886  

          2,467,886 3,790,956,793 

9.35565 10  

, .    

 

   

Page 104: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

88 

F.1  Change in Renewable Energy Ratio 

To determine the change in the RER, the total electric energy used by the HFCVs was added into 

Table A.1  to create Table F.3  (shown below).   The equivalent gasoline energy saved by using 

HFCVs  is  subtracted  from  the  current  gasoline  energy  consumption.    These  changes  to  the 

energy  consumption  table are  indicated by  the green highlighted  cells.   Table  F.4  shows  the 

energy shift from transportation to electricity. 

 

Table F. 3:  Manitoba’s Energy Consumption with HFCV 

   Source  Energy in TJ  Reference 

Non‐Renewable  Coal     6,434     [2 p. 22] 

191,161  TJ  Natural Gas     87,520     [3 p. 8] 

   Propane     3,982     [2 p. 107] 

   Heavy Fuel Oil     3,263     [2 p. 70] 

   Other Fossil Fuels  Light Fuel Oil 

1,234 

525  [2 p. 70] 

   Kerosene and Stove Oil  293  [2 p. 70] 

   Petroleum Coke  89  [2 p. 70] 

   Refinery Liquefied Petroleum Gases  4  [2 p. 70] 

   Aviation Gasoline  323  [2 p. 70] 

   Gasoline    49,225‐9,356 = 

39,869    [2 p. 70] 

   Diesel     40,879     [2 p. 70] 

   Aviation Turbo Fuel     7,979     [2 p. 70] 

Renewable  Ethanol     3,063      [4] 

100,715  TJ  Wood Waste and Pulping Liquor     5,000     [5] 

      Wood     2,300     [5] 

      Other Renewable Sources  Biomass 

694 

500  [6] 

      Biodiesel  2  [4] 

      Wind  192  [7 p. 11] 

      Hydro  78,905     [7 p. 39] 

Hydro for PHEV  10,753     ‐ 

   Total Primary Energy     291,875    

 

 

Table F. 4:  Energy Consumption Categories Including PHEV 

Energy Category  Energy (TJ) 

Electricity  91,459 

Heat ‐ Non‐Renewable  100,502 

Transportation  92,115 

Heat ‐ Renewable  7,800 

Total  291,875 

Page 105: INCREASING MANITOBA’S RENEWABLE ENERGY RATIObibeauel/research/... · This thesis examines the implementation of renewable energy technology concepts to increase the renewable energy

Increasing Manitoba’s Renewable Energy Ratio 

 

 

89 

The  Manitoba  energy  map,  including  the  changes  introduced  by  the  replacement  of 

conventional  light passenger cars and trucks with HFCVs,  is shown  in Figure F.1.   The resulting 

RER is as follows: 

 100,715 

291,875 100  34.51% 

 

   

Figure F. 1:  Manitoba Energy Map with HFCV