Self-Optimizing Control of an Offshore Blue Hydrogen Plant

Abstract

Utviklingen av fornybare energikilder øker stadig, men ytterligere fremgang er nødvendig. Oppdagelsen av nye metoder for å produsere miljøvennlig drivstoff og energikilder er avgjørende, med hydrogen som et lovende alternativ. Konvensjonelle metoder for å produsere hydrogen resulterer imidlertid i betydelig miljøskade på grunn av den store mengden CO2 som produseres som et biprodukt. Blått hydrogen regnes som en lavkarbon-utslippsmetode for å produsere hydrogen der hydrogenet produseres ved dampreformerende naturgass med karbonfangst og -lagring. Dagen blå hydrogenproduksjon er basert på land, noe som krever en del transport av gasser til og fra naturgasskilden til anlegget tilbake til karbonlagringsstedet i havet. Flytting av produksjonsprosessen offshore til en plattform eller et skip vil dramatisk redusere transportbehovet, ettersom hydrogenproduktet vil være det eneste elementet som krever transport tilbake til land. Samtidig vil modifikasjoner av produksjonsprosessen være nødvendig på grunn av vekt- og plassbegrensninger ved drift offshore. Målet med dette prosjektet er å utvikle en modell som nøyaktig gjenspeiler prosessen, sette opp et økonomisk optimaliseringsproblem, en kontrollstruktur som kan avvise forstyrrelser, og studere den økonomiske gjennomførbarheten av prosessen.

Målet med optimeringsproblemet er å maksimere fortjenesten av prosessen ved å finne en optimal mengde hydrogen produsert med en optimal mengde energi som kreves for å komprimere CO2, som er avhengig av mengden CO2 som produseres i prosessen. Fortjenesten maksimeres avhengig av operasjonelle begrensninger og fysikken bak modellen. Viktige variabler i prosessen er valgt, som kalles inputvariabler og optimaliseringsresultatene studeres for å se hvilke variabler som kan bli kontrollert ved å manipulere inputvariablene. Ved å studere hvordan systemet oppfører seg når inputvariablene og forstyrrelsesvariablene endres, er det dannet en kontrollstruktur ved å bruke “self-optimizing control” metoden. Ulike kontrollstrukturer har blitt implementert og sammenlignet for å validere deres ytelse ved å studere tap av optimalitet.

Resultatet fra det nominelle tilfellet har vist et overskudd på 1268.2 $/time, som tilsvarer ca. 11 millioner USD årlig, forutsatt at anlegget er i drift kontinuerlig. På grunn av denne lave inntekten, i tillegg til de neglisjerte kostnadene i prosessen, som oksygenkostnader, PSAdriftskostnader, rensekostnader og hydrogentransportkostnader, konkluderes dette prosjektet med å være ugjennomførbart. Etterspørselen etter hydrogen er også for lav til en hydrogenpris til å gjøre denne prosessen gjennomførbar. Å forsyne anlegget med egenprodusert strøm kan også være et skritt nærmere for at prosessanlegget er gjennomførbart, i tillegg til karbonavgift eller høyere hydrogenpriser. Kontrollstrukturer viste i noen tilfeller umulighet av begrensning på grunn av at forstyrrelsesendringene var for høye. Noen kontrollstrukturer viste god ytelse med tilnærmet null tap av optimalitet, noe som viser at kontrollstrukturer fra “self-optimizing control”-metoden viser effektiv forstyrrelsesavvisning, forutsatt at den lineære antakelsen gjelder for alle forstyrrelsesendringer. Videre arbeid kan omfatte videre modellutvikling, analyse av ulike økonomiske scenarier og å studere alternativer til PSA-enhet for H2/CO2-separasjon, generering av elektrisitet og metoder for å produsere oksygenstrøm.

The development of renewable energy sources is steadily increasing, but further progress is necessary. The discovery of new methods for producing eco-friendly fuels and energy sources is imperative, with hydrogen being a such promising option. However, conventional methods for producing hydrogen result in significant environmental damage due to the large amount of CO2 produced as a by-product. Blue hydrogen is produced by steam-reforming natural gas with carbon capture and storage and therefore is considered as a low-carbon-emitting method for producing hydrogen. Currently, most blue hydrogen is produced onshore, which necessitates significant transport of gases to and from the natural gas source and the offshore storage site. Moving the production process offshore to a platform or ship would dramatically reduce transport needs, as the hydrogen product would be the sole item requiring transport back to shore. However, modifications to the production process would be necessary due to weight and space constraints when operating offshore. The objective of this project is to develop a model that accurately reflects the process, set up an economic optimization problem, a control structure that can reject disturbances, and study the economic feasibility of the process.

The goal of the optimization problem is to maximize the profit of the process by finding an optimal amount of hydrogen produced and energy required for compressing CO2, which is dependent on the amount of CO2 produced in the process. The profit is maximized subject to operational constraints and the physics of the plant model. Important variables in the process have been chosen, which are called input variables, and the optimization results are studied to see which variables can be controlled by manipulating the input variables. By studying how the system behaves when the input variables and disturbance variables change, a control structure has been formed by using the “self-optimizing control” method. Different control structures have been implemented and compared to validate their performance by studying the loss of optimality.

The resulting profit from the nominal case has shown a profit of 1268.2$/h, which corresponds to approximately 11 million USD annually, assuming that the facility is operating continuously. Due to this low income, in addition to the neglected costs in the process, such as oxygen costs, PSA operating costs, purifying costs, and hydrogen transport costs, this project is concluded to be infeasible. The demand for hydrogen is also too low for a hydrogen price to make this process feasible. Supplying the facility with self-generated electricity can be a step closer to feasibility, in addition to a carbon tax or higher hydrogen prices. Control structures showed constraint infeasibility in some cases due to the disturbance changes being too high. Some control structures showed good performance with approximately zero loss of optimality, which indicates that control structures from the “self-optimizing control” method show effective disturbance rejection, assuming that the linear assumption holds for all disturbance changes. Further work may include further model development, analysis of different economic scenarios, and studying alternatives to PSA unit for H2/CO2 separation, generating electricity, and methods to produce oxygen stream.