Load-Flexible Methanol Production from Intermittent Off-Grid Renewable Energy

Abstract

Denne oppgaven utforsker mulighetene for å produsere e-metanol gjennom "Power-to-Liquid" prosessen ved å bruke energi generert av vindmølleturbiner som ikke er tilkoblet strømnettet for hydrogenproduksjon, etterfulgt av hydrogenering av CO2.

Formålet til dette studie er å utvikle et fleksibelt reaktordesign som er i stand til å imøtekomme ulike produksjonsnivåer som følge av varierende strømningshastigheter. Det ble utført en litteratursøk for å utforske ulike konsepter for fleksible reaktorer for metanolproduksjon. Derretter ble en metanol syntese loop implementert i Aspen HYSYS, og en dynamisk modell av reaktoren utviklet i Python. Disse modellene ble brukt til å analysere ytelsen og driftsbetingelsene til det foreslåtte reaktordesignet under ulike mengder av reaktantstrømmer.

Det foreslåtte designet innebar å dele reaktoren inn i fire seksjoner, hvor hver seksjon består av 1000 rør. Ved lavere produksjonsrater kan seksjoner isoleres og inaktiveres. Et kokesystem på skallsiden ble også implementert og regulert av PI-kontrollere. Reaktoren viste evnen til å håndtere en strømtilførsel som spenner fra 440 MW til 80 MW.

Stasjonære simuleringer bekreftet at reaktoren kunne operere under konstante gasshastighet, akseptabelt trykkfall og kontroll over høye temperaturer. Den dynamiske modellen demonstrerte viktigheten av nøyaktig temperaturkontroll av kjølemediet for å imøtekomme variasjoner av varme som generertes som følge av endringer i gassstrømningshastigheter og aktive reaktorrør i bruk.

Det nye reaktordesignet demonstrerte dermed potensial for effektiv drift ved ulike innstrømninger av reaktanter. E-metanol kan dermed være et potensielt fossilfritt alternativ innen transportindustrien, og bidra til reduksjon av CO2 utslipp.

This study explores the use of power from off-grid intermittent wind turbines to produce e-methanol through the Power-to-Liquid scheme.

The aim was to develop a flexible reactor design capable of accommodating different production levels and effectively handling varying feed flow rates of hydrogen and CO2 produced using intermittent power supply and energy storage technologies. A literature search was conducted to explore various concepts of load-flexible reactors for methanol production. Following that, a stationary reactor loop was developed in Aspen HYSYS, and a dynamic reactor model was created in Python. These models were utilized to analyze the performance and operating conditions of the proposed reactor design during different loads of feed gas.

The proposed design involved dividing a shell and tube fixed-bed plug flow reactor into four sections, each containing 1000 tubes, where isolation and idling of sections occur during lower production rates. A boiling system on the shell side was also implemented, and PI controllers regulated this system. The proposed methanol reactor design offered flexibility by adjusting production levels within a broad power supply range, from 440 MW to 80 MW.

Stationary simulations demonstrated consistent operating conditions and control over temperature hot-spots when operating under changing loads. The dynamic model demonstrated the importance of precise temperature control of the cooling medium to accommodate variations in heat transfer due to changes in feed flow rates.

Overall, the new load-flexible reactor design showed promising potential to operate successfully across a wide range of loads. Therefore, producing e-methanol has promising potential and can be a fossil-free substitute in the transportation industry, contributing to the reduction of CO2 emissions.