Design and control of alternative fuel production systems utilizing renewable hydrogen

Abstract

The scope of this thesis is the design and control of renewable fuel systems that could provide an alternative to fossil fuels and simultaneously contribute to the decarbonization of industrial processes. The addition of renewable hydrogen and its efficient utilization is a common element among the investigated systems. Two renewable fuel systems are considered: biofuels and synthetic fuels. Residual feedstocks that have low value or are an environmental burden are utilized in all cases. Since renewable hydrogen is an important component in the current decarbonization effort, its cost- and energy-efficient integration is investigated. The main issues that are addressed are related to the process, energetic and economic feasibility of those systems. All sections are supported by experimental data of small- and pilot-scale units. Through process modelling, numerous valuable conclusions are extracted related to the design and operation of the systems and each of the subprocesses that compose them. Crucial operating parameters are highlighted across each production system that affect their performance. Moreover, the economic feasibility of the under-investigation concepts is estimated and a set of recommendations are proposed that will facilitate their establishment in the short-, medium- and long-term.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη μαθηματικών προτύπων και ο έλεγχος συστημάτων παραγωγής ανανεώσιμων καυσίμων με αξιοποίηση ανανεώσιμου υδρογόνου που θα μπορούσαν να παρέχουν μία εναλλακτική λύση στα ορυκτά καύσιμα και ταυτόχρονα να συμβάλλουν στους τρέχοντες στόχους απανθρακοποίησης. Εξετάζονται δύο συστήματα ανανεώσιμων καυσίμων: τα βιοκαύσιμα και τα συνθετικά καύσιμα με την προσθήκη ανανεώσιμου υδρογόνου να αποτελεί ένα κοινό στοιχείο μεταξύ αυτών των συστημάτων. Το ανανεώσιμο υδρογόνο αποτελεί το ακριβότερο συστατικό των συγκεκριμένων συστημάτων και η αποδοτική, από πλευράς κόστους και ενέργειας, χρήση του θα διευκολύνει την μετέπειτα εδραίωση των συγκεκριμένων τεχνολογιών. Οι κύριες πτυχές που εξετάζονται σε αυτή τη διατριβή σχετίζονται με την ενεργειακή και οικονομική σκοπιμότητα αυτών των συστημάτων. Μέσω της χρήσης μαθηματικών προτύπων προσομοίωσης των διεργασιών, εξάγονται πολυάριθμα συμπεράσματα σχετικά με το σχεδιασμό και τη λειτουργία αυτών των συστημάτων και καθεμιάς από τις υπο-διεργασίες που τις αποτελούν. Σε κάθε σύστημα παραγωγής εντοπίζονται κρίσιμες παράμετροι λειτουργίας που επηρεάζουν την απόδοσή τους. Επιπλέον, εκτιμάται η οικονομική απόδοση των υπό διερεύνηση συστημάτων και προτείνεται ένα σύνολο συστάσεων που θα διευκολύνουν την βραχυ-, μεσο- και μακροπρόθεσμη καθιέρωσή τους.