Computer-aided optimization of resource-efficient and flexible power-to-syngas processes

Abstract

The intermittent nature of renewable energy sources is forcing engineers to solve chemical process design tasks with innovative computer-aided process engineering (CAPE) tools. The aim of this thesis is to extend and implement optimization approaches for the synthesis, sizing and control of potentially interesting plant concepts which make use of an unsteady supply of renewable energy and potentially limited feedstock. In particular, synthesis gas, or syngas, is addressed, as it constitutes a relevant intermediate for the production of chemicals and synthetic fuels. A gap in the existing literature can be reported on the systematic analysis of process candidates for the separation of a raw syngas mixture from inert and unreacted gases, such as methane, carbon dioxide and water. First, multi-objective and superstructure optimization tools are used to determine the topology, energy input, and carbon efficiency of candidate reactor-separator layouts that attain either minimum absolute carbon emissions, with or without green renewable power, or minimum total energy demand. The thermodynamic study opens the ground for flexibility analyses. In this framework, a novel power-to-syngas plant concept for Fischer-Tropsch makeup gas specification is identified with the optimization tool previously developed. The new plant configuration is designed to increase the atomic efficiency of a water electrolyzer by valorizing both of its outlets. Hydrogen is fed to a reverse water-gas shift reactor when renewable energy is available. Oxygen, part of which is stored beforehand, is fed to an adiabatic tri-reforming reactor. Both reactors operate together to stabilize the syngas production rate and composition under the fluctuation of renewable energy. Such case is thus used to benchmark an optimal control approach for the stabilization of syngas specifications. The discussion then expands to the general implications of process flexibility in system design, supported by results from multi- period optimization of the design and operation of a highly electrified methanol plant powered by local renewable energy. This novel application of the method to a detailed model of the entire process-system aims to ensure the identification of a feasible design at the maximum profit and constitutes a powerful method to screen different extents of flexibility. When the plant is operated at maximum flexibility, without buffering strategies in place, the base load must be provided by external electricity: its purchase price is a determining factor for the competitiveness of this plant concept as an alternative to a plant operated at steady-state with large buffering devices and an oversized renewable energy park and electrolyzer.

Die intermittierende Natur der erneuerbaren Energiequellen zwingt die Ingenieure, neue Probleme mit innovativen CAPE-Methoden für die Systementwicklung zu lösen. Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung und Implementierung von Optimierungsverfahren für die Synthese, Dimensionie- rung und Steuerung potenziell interessanter Anlagenkonzepte, die eine unstetige Versorgung mit erneuerbarer Energie und potenziell eingeschränkte Ressourcen nutzen. Insbesondere wird das Synthesegas –Syngas– betrachtet, da es ein relevantes Zwischenprodukt für die Herstellung von Chemikalien und synthetischen Brennstoffen darstellt. Eine Lücke in der Literatur besteht in der systematischen Analyse von Prozesskandidaten für die Trennung eines Synthesegasgemisches von inerten und nicht reagierten Gasen wie Methan, Kohlendioxid und Wasser. Zunächst werden mit Hilfe von Mehrziel- und Superstruktur-Optimierung der Energieeinsatz und die Atomeffizienz von Reaktoren-Separatoren Kandidaten Layouts bestimmt, bei denen entweder die minimalen Kohlen- stoffemissionen oder der minimale Gesamtenergiebedarf erreicht werden. Die thermodynamische Studie eröffnet den Weg für Flexibilitätsanalysen. In diesem Rahmen wird ein neuartiges Power-to- Syngas Anlagenkonzept für Fischer-Tropsch mit dem bestehenden Optimierungstool identifiziert. Die neue Anlagenkonfiguration ist darauf ausgelegt, die Atomeffizienz eines Wasserelektroly- seurs zu erhöhen, indem seine beiden Ausgänge genutzt werden. Wasserstoff wird einem RWGS Reaktor zugeführt, wenn erneuerbare Energie verfügbar ist. Sauerstoff, der zum Teil vorher gespeichert wird, wird einem adiabatischen Tri-Reforming-Reaktor zugeführt. Beide Reaktoren arbeiten zusammen, um die Syngasproduktionsrate und -zusammensetzung unter den Schwankun- gen der erneuerbaren Energie zu stabilisieren. Dieser Fall wird daher zum Benchmarking eines optimalen Steuerungsansatzes für die Stabilisierung der Synthesegasspezifikationen verwendet. Die Diskussion wird dann auf die allgemeinen Auswirkungen der Prozessflexibilität bei der Sys- temauslegung ausgedehnt, unterstützt durch Ergebnisse aus der Multiperiodenoptimierung der Auslegung und des Betriebs einer hoch elektrifizierten Methanolanlage, die mit lokaler erneuer- barer Energie betrieben wird. Diese neuartige Anwendung der Methode auf ein detailliertes Modell des gesamten Prozesssystems kann die Identifizierung eines machbaren Entwurfs mit maximalem Profit gewährleisten und stellt eine leistungsfähige Methode zur Untersuchung verschiedener Flexibilitätsgrade dar. Abschließend kann ein Kompromiss zwischen Pufferung und flexiblem Betrieb die maximale Profitabilität der Anlage bestimmen. Wenn die Anlage mit maximaler Flexi- bilität betrieben wird, ohne dass Speichervorrichtungen vorhanden sind, muss die Grundlast durch externen Strom bereitgestellt werden: Sein Einkaufspreis ist ein entscheidender Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit dieses Anlagenkonzepts als Alternative zu einer stationär betriebenen Anlage mit großen Speichervorrichtungen und einem überdimensionierten erneuerbaren Strompark und Elektrolyseur.