Optimization of CO2 capture and utilization networks using intensified rotating packed bed units

Abstract

The large-scale deployment of CO2 capture, utilization, and sequestration (CCUS) networks requires methods that consistently connect i) process-intensified design and operability of process units, ii) network-wide infrastructure synthesis, and iii) long-horizon planning under economic and technical uncertainties. This thesis develops integrated computational frameworks that address these requirements, with an emphasis on the process intensification of the CO2 capture and CO2 mineralization processes through the deployment of rotating packed bed (RPB) reactors.Rotating packed bed process units enhance the mass transfer rates in the CO2 capture by an aqueous amine solution through the acceleration of the liquid phase and the formation of large interfacial area. RPB also offer an efficient utilization pathway for nano-sized precipitated calcium carbonate (PCC) production with targeted properties. The process design and operability of absorption solvent-based CO2 capture systems and the subsequent utilization of the captured CO2 for the production of precipitated calcium carbonate are performed in a unified way through rigorous optimization. The optimal combination of capture solvents, flowsheet configuration for both the capture and PCC production, as well as the operating conditions are obtained for robust operability under variable flue gas conditions. In order to harness the high computational workload, a novel workflow is employed that exploits parallel computing infrastructures and approximate computing techniques. Systematic optimization though efficient screening of multiple design combinations results in highly performing capture-utilization process solutions with improved operability and controllability. At the network level, the thesis proposes a superstructure-based optimization framework for CCUS infrastructure synthesis in multi-emitter industrial clusters, encompassing CO2 capture through solvent-based absorption and mineralization, utilization of the captured CO2 for the production of PCC and synthetic natural gas (SNG), and CO2 transportation to the sequestration sites. Rigorous CO2 capture and utilization to various products process model simulations provide reliable data to develop linear and piece-wise linear surrogate models through a structured methodology that preserves predictive accuracy while facilitating the efficient solution of large-scale mixed-integer linear programming (MILP) problems aiming at determining the optimal capture collaborative strategies for the industrial users. The explicit incorporation of uncertainty enables the industrial emitters to manage volatility in capture costs, carbon permit prices, and utilization feedstock availability and market conditions. Building on this foundation, at the deployment-scale, the CCUS network framework is extended to strategic multi-period planning, where investment and operational decisions for all periods are optimized simultaneously under uncertainty. The multi-period optimization rigorously defines when progressive deployment is economically justified and when maintaining an established configuration, supplemented by carbon permit purchasing, becomes preferable. Across realistic, deterministic and uncertain studies, results consistently identify carbon permit pricing and CO2 capture costs as dominant factors for infrastructure choices. Mineralization becomes favorable beyond high-cost thresholds, PCC production remains a resilient utilization option across all tested uncertainty levels, and SNG production is selected only under sufficiently favorable market conditions. This thesis contributes the development of coherent, multi-scale decision frameworks that connect intensified process design, operability-aware optimization and long-horizon CCUS infrastructure planning under uncertainty. By coupling rigorous modeling with computationally efficient surrogates and MILP-based network synthesis and operation, this work enables systematic evaluation of CCUS technology choices and policy-driven deployment strategies that remain economically competitive while meeting emission reduction targets. The resulting insights, on the roles of carbon permit pricing, utilization-market volatility, and process-intensification options such as RPB reactors, provide practical guidance for stakeholders planning to design CCUS systems that are not only optimal at a nominal operating point, but are also resilient, scalable, and implementable across evolving industrial and regulatory conditions.

Η ανάπτυξη δικτύων δέσμευσης, αξιοποίησης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα (CO2 capture, utilization, and sequestration – CCUS) σε μεγάλη κλίμακα απαιτεί μεθόδους που συσχετίζουν συστηματικά i) τον εντατικοποιημένο σχεδιασμό και την λειτουργικότητα των μονάδων διεργασιών, ii) την διαμόρφωση υποδομών σε επίπεδο δικτύου και iii) τον μακροπρόθεσμο σχεδιασμό υπό συνθήκες οικονομικής και τεχνικής αβεβαιότητας. Η παρούσα διατριβή αναπτύσσει ολοκληρωμένα υπολογιστικά πλαίσια που ανταποκρίνονται σε αυτές τις απαιτήσεις, με έμφαση στην εντατικοποίηση των διεργασιών της απορρόφησης CO2 και της αξιοποίησης/ορυκτοποίησης του μέσω της χρήσης αντιδραστήρων περιστρεφόμενης κλίνης (rotating packed bed – RPB).Οι μονάδες διεργασιών περιστρεφόμενης κλίνης αυξάνουν τον ρυθμό μεταφοράς μάζας κατά τη δέσμευση CO2 με χρήση υδάτινων διαλυμάτων αμινών μέσω της επιτάχυνσης της υγρής φάσης και τον σχηματισμό μεγάλων επιφανειών διεπαφής μεταξύ των φάσεων. Οι μονάδες διεργασιών RPB καταλήγουν σε δραστική μείωση του μεγέθους των συστημάτων διεργασιών δέσμευσης CO2 και δίνουν την δυνατότητα για την ευέλικτη λειτουργία των συστημάτων αυτών υπό συνθήκες μεταβλητότητας των απαερίων. Επιπρόσθετα, οι αντιδραστήρες RPB αποτελούν μία αποδοτική κατεύθυνση για την παραγωγή κατακρημνισμένου ανθρακικού ασβεστίου (precipitated calcium carbonate – PCC) με στοχευμένες ιδιότητες. Η αξιολόγηση του σχεδιασμού και της λειτουργικότητας της διεργασίας δέσμευσης CO2 μέσω απορρόφησης και χρήσης διαλυτών και της επακόλουθης διεργασίας αξιοποίησης του δεσμευμένου CO2 για την παραγωγή κατακρημνισμένου ανθρακικού ασβεστίου πραγματοποιούνται σε μία ενιαία βάση μέσω μεθοδικής βελτιστοποίησης. Ο βέλτιστος συνδυασμός διαλυτών δέσμευσης και διατάξεων τόσο για την διεργασία της δέσμευσης όσο και για την διεργασία της παραγωγής PCC, καθώς και οι λειτουργικές συνθήκες τους, επιτυγχάνονται με στόχο την εξασφάλιση αξιόπιστης λειτουργικότητας υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες απαερίων. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί ο μεγάλος υπολογιστικός φόρτος εργασίας, χρησιμοποιείται μία καινοτόμος ροή εργασιών που αξιοποιεί υποδομές παράλληλης υπολογιστικής επεξεργασίας και τεχνικές προσεγγιστικών υπολογισμών. Η συστηματική βελτιστοποίηση μέσω της αποτελεσματικής διαλογής πολλαπλών συνδυασμών σχεδιασμού οδηγεί σε λύσεις ενοποιημένων διεργασιών δέσμευσης και αξιοποίησης που προσφέρουν υψηλή απόδοση και βελτιωμένη λειτουργικότητα και ελεγξιμότητα. Σε επίπεδο δικτύου, η διατριβή προτείνει ένα υπολογιστικό πλαίσιο βελτιστοποίησης υπό τη μορφή υπερδομής για την συγκρότηση υποδομών CCUS σε βιομηχανικές συστοιχίες πολλαπλών εκπομπών, το οποίο περιλαμβάνει τη δέσμευση μέσω απορρόφησης με χρήση διαλυτών, την ορυκτοποίηση, την αξιοποίηση του δεσμευμένου CO2 για την παραγωγή PCC και συνθετικού φυσικού αερίου (synthetic natural gas, SNG) και την μεταφορά του CO2 στους χώρους εναπόθεσης. Αξιόπιστα μοντέλα διεργασιών για την δέσμευση και αξιοποίηση του CO2 σε διάφορα προϊόντα παρέχουν αξιόπιστα δεδομένα για την ανάπτυξη γραμμικών και τμηματικά γραμμικών υποκατάστατων μοντέλων μέσω μίας δομημένης μεθοδολογίας που διατηρεί την ακρίβεια των προβλέψεων, ενώ παράλληλα υλοποιεί την αποτελεσματική επίλυση προβλημάτων μεγάλης κλίμακας υπό την μορφή μικτού ακέραιου προγραμματισμού (mixed-integer linear programming – MILP) στοχεύοντας στον καθορισμό βέλτιστων συνεργατικών στρατηγικών δέσμευσης μεταξύ βιομηχανικών εταίρων. Η σαφής ενσωμάτωση της αβεβαιότητας επιτρέπει στους βιομηχανικούς εκπομπείς να διαχειρίζονται τη μεταβλητότητα όσον αφορά το κόστος δέσμευσης, τις τιμές των δικαιωμάτων εκπομπής CO2, τη διαθεσιμότητα των πρώτων υλών για αξιοποίηση και τις συνθήκες της αγοράς. Βασιζόμενο σε αυτό το θεμέλιο, σε επίπεδο ανάπτυξης δικτύων, το υπολογιστικό πλαίσιο επεκτείνεται σε στρατηγικό σχεδιασμό πολλαπλών περιόδων, όπου οι επενδυτικές και λειτουργικές αποφάσεις για όλες τις περιόδους βελτιστοποιούνται ταυτόχρονα υπό συνθήκες αβεβαιότητας. Η βελτιστοποίηση πολλαπλών περιόδων αποσαφηνίζει πότε η προοδευτική ανάπτυξη είναι οικονομικά δικαιολογημένη και πότε είναι προτιμότερη η διατήρηση μίας υπάρχουσας διαμόρφωσης, σε συνδυασμό με την αγορά αδειών εκπομπών CO2. Σε όλες τις ρεαλιστικές μελέτες, τόσο τις ντετερμινιστικές όσο και τις αβέβαιες, τα αποτελέσματα εντοπίζουν συστηματικά την τιμολόγηση των αδειών εκπομπής CO2 και το κόστος δέσμευσης ως κυρίαρχους παράγοντες για τις αποφάσεις σχετικές με τις υποδομές των συστημάτων CCUS. Η ορυκτοποίηση καθίσταται συμφέρουσα μόνο πέραν υψηλών ορίων κόστους της διεργασίας δέσμευσης, η παραγωγή PCC παραμένει μία σταθερή επιλογή αξιοποίησης σε όλες τις συνθήκες αβεβαιότητας που δοκιμάστηκαν, ενώ η παραγωγή SNG επιλέγεται μόνο υπό επαρκώς ευνοϊκές συνθήκες της αγοράς. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει στην ανάπτυξη συνεκτικών, πολυεπίπεδων υπολογιστικών πλαισίων λήψης αποφάσεων που συνδέουν τον εντατικοποιημένο σχεδιασμό διεργασιών, τη βελτιστοποίηση με γνώμονα τη λειτουργικότητα και τον μακροπρόθεσμο σχεδιασμό υποδομών συστημάτων CCUS σε συνθήκες αβεβαιότητας. Συνδυάζοντας την ενδελεχή μοντελοποίηση με υπολογιστικά αποδοτικά υποκατάστατα μοντέλα και τη σύνθεση και λειτουργία δικτύων υπό τη φόρμα των προβλημάτων MILP, η παρούσα εργασία επιτρέπει τη συστηματική αξιολόγηση των τεχνολογικών επιλογών και των στρατηγικών ανάπτυξης και επέκτασης δικτύων CCUS που καθορίζονται από πολιτικές οι οποίες παραμένουν οικονομικά ανταγωνιστικές και ταυτόχρονα πληρούν τους στόχους μείωσης των εκπομπών. Οι πληροφορίες που προκύπτουν σχετικά με τον ρόλο της τιμολόγησης των αδειών εκπομπής CO2, της μεταβλητότητας της αγοράς προϊόντων αξιοποίησης CO2 και των επιλογών εντατικοποίησης των διαδικασιών, όπως αντιδραστήρες RPB, παρέχουν πρακτικές οδηγίες για τους ενδιαφερόμενους φορείς που σχεδιάζουν την ανάπτυξη συστημάτων CCUS, τα οποία δεν είναι βέλτιστα μόνο στο ονομαστικό σημείο λειτουργίας, αλλά και ανθεκτικά, επεκτάσιμα και εφαρμόσιμα σε εξελισσόμενες βιομηχανικές και ρυθμιστικές συνθήκες.