Production of substitute natural gas and methanol for energy storage
Authors: Κουτσούμπα Ευθυμία-Ιωάννα 
Published: September 2021

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής με τίτλο “Παραγωγή Υποκατάστατου Φυσικού Αερίου και Μεθανόλης για αποθήκευση ενέργειας” είναι ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση των διεργασιών παραγωγής καυσίμων, με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ).Η παρούσα διατριβή είναι χωρισμένη σε 6 κεφάλαια. Το κεφάλαιο 1 παρουσιάζει το κίνητρο για την εκπόνηση της διατριβής και τη δομή της. Η ενεργειακή στρατηγική της Ευρωπαικής Ένωσης με ορίζοντα το 2030 και το 2050, θέτει συγκεκριμένους στόχους για τη μετάβαση σε ένα ενεργειακό σύστημα χαμηλών εκπομπών, με στόχο την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης, της συμμετοχής των ΑΠΕ και της χρήσης ανανεώσιμων καυσίμων στον τομέα μεταφορών. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στα μελλοντικά σενάρια, όπου οι ΑΠΕ θα συμμετέχουν τουλάχιστον κατά 27% στο ενεργειακό μείγμα κάθε κράτους μέλους και το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ θα χρησιμοποιείται ως αποθήκευση ενέργειας για την παραγωγή καυσίμων. Το Υποκατάστατο Φυσικού Αερίου και η μεθανόλη μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατα των αντίστοιχων συμβατικών καυσίμων για χρήση στον τομέα ενέργειας και μεταφορών. Η τεχνολογία μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε καύσιμα, “Power to Fuel”, επιτρέπει την ηλεκτροχημική μετατροπή του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο, μέσω της χρήσης πλεονασματικής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ. Το υδρογόνο αναμειγνύεται στη συνέχεια με διοξείδιο του άνθρακα, που διαφορετικά θα εκπεμπόταν στην ατμόσφαιρα, και μετατρέπεται καταλυτικά σε Υποκατάστατο Φυσικού Αερίου και Μεθανόλης. Η εφαρμογή της τεχνολογίας εξετάζεται για την ενσωμάτωσή της σε χώρους υγειονομικής ταφής (ΧΥΤΑ), και σε εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω καύσης βιομάζας και λιγνίτη. Επιπρόσθετα, μελετάται ο συνδυασμός της ηλεκτρόλυσης με αεριοποίηση στερεών καυσίμων. Μέσω του συνδυασμού αυτού, προσφέρεται η δυνατότητα αντικατάστασης της μονάδας παραγωγής οξυγόνου, η μείωση ή η πλήρης αντικατάσταση του καταλυτικού συστήματος της αντίδρασης μετατόπισης και της δέσμευσης όξινων αερίων που χρησιμοποιούνται στη συμβατική αεριοποίηση για την παραγωγή καυσίμων. Συνεπώς, επιτυγχάνεται η άμεση χρήση διοξειδίου του άνθρακα μέσα στη διεργασία, που διαφορετικά θα εκπεμπόταν στην ατμόσφαιρα, και η μετατροπή του σε καύσιμο, συγχρόνως με την αποθήκευση ενέργειας. Ο συνδυασμός της τεχνολογίας μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε καύσιμα με αεριοποίηση βιομάζας μελετάται για την παραγωγή ανανεώσιμων καυσίμων, ενώ με αεριοποίηση λιγνίτη για τη μείωση των εισαγόμενων καυσίμων συγχρόνως με την αποθήκευση ενέργειας.Το Κεφάλαιο 2 επικεντρώνεται στην παραγωγή Υποκατάστατου Φυσικού Αερίου και μεθανόλης και στη διερεύνηση, μέσω κινητικών μοντέλων και μοντέλων ισορροπίας στο λογισμικό AspenPlusΤΜ ,στον ορισμό των βέλτιστων παραμέτρων για τη μέγιστη μετατροπή τους σε αδιαβατικούς και ισοθερμικούς αντιδραστήρες.Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζεται η ενσωμάτωση της τεχνολογίας μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε καύσιμα σε χώρους υγειονομικής ταφής (ΧΥΤΑ), και σε εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω καύσης βιομάζας και λιγνίτη. Αρχικά, παρουσιάζεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στις τεχνολογίες ηλεκτρόλυσης και δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα. Επίσης παρουσιάζεται η μοντελοποίηση της διεργασίας δέσμευσης CO2 , πριν και μετά από καύση στο λογισμικό AspenPlusΤΜ, καθώς και η ενεργειακή βελτιστοποίηση της διεργασίας. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τα βελτιστοποιημένα μοντέλα ισορροπίας της καταλυτικής σύνθεσης Υποκατάστατου Φυσικού Αερίου και μεθανόλης, καθώς και το μοντέλο για τη διεργασία διαχωρισμού νερού και μεθανόλης σε αποστακτικές κολώνες στο λογισμικό AspenPlusΤΜ. Η απόδοση της τεχνολογίας ορισμένη ως προς την εισερχόμενη ηλεκτρική ενέργεια και τη θερμική ενέργεια του παραγόμενου καυσίμου διακυμαίνεται μεταξύ 51,59% και 52,25% για τα σενάρια παραγωγής Υποκατάστατου Φυσικού Αερίου, ενώ αντίστοιχα για τη μεθανόλη διακυμαίνεται μεταξύ 53,26% και 54,17%. Η ολοκληρωμένη μελέτη αξιοποίησης θερμικής ενέργειας για την παραγωγή Υποκατάστατου Φυσικού Αερίου καταλήγει σε 78,72% στην περίπτωση των ΧΥΤΑ, λόγω της αξιοποίησης των θερμών καυσαερίων από τις μηχανές καύσης, ενώ για τα εργοστάσια βιομάζας και λιγνίτη, η ολική απόδοση μετατροπής ενέργειας είναι ίση με 52,55% και 52,66% αντίστοιχα. Για την παραγωγή μεθανόλης, η ολική απόδοση μετατροπής ενέργειας στα ΧΥΤΑ είναι ίση με 71,89%, ενώ για τα εργοστάσια βιομάζας και λιγνίτη 52,28%.Στο Κεφάλαιο 4, μελετάται η αεριοποίηση με ατμό, με οξυγόνο και με μείγμα ατμού-οξυγόνου σε δύο κλίμακες μεγέθους σε συνδυασμό με την τεχνολογία μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε Υποκατάστατο Φυσικού Αερίου και μεθανόλης . Ο σκοπός της μελέτης είναι ο ορισμός των βέλτιστων παραμέτρων και αποδόσεων της διεργασίας και η μείωση των εκπομπών CO2, κατά την παραγωγή των καυσίμων. Η μοντελοποίηση της αεριοποίησης πραγματοποιείται στο λογισμικό AspenPlusΤΜ με την ενσωμάτωση παραμέτρων από πειράματα αεριοποίησης ηλίανθου σε μια ατμοσφαιρική κλίνη ανακυκλοφορίας. Στη συνέχεια, μελετώνται οι απαιτούμενες τεχνολογίες καθαρισμού και ελέγχου της σύνθεσης του συνθετικού αερίου από αεριοποίηση και επικεντρώνονται στη χρήση ενεργού άνθρακα, στη χρήση καταλυτικού συστήματος της αντίδρασης μετατόπισης, στις τεχνολογίες διαχωρισμού και αναμόρφωσης πισσών και στην τεχνολογία διαχωρισμού όξινων αερίων. Παρουσιάζονται επίσης τα αποτελέσματα των πειραμάτων με ενεργό άνθρακα για τη δέσμευση τολουολίου, ναφθαλενίου, υδρόθειου, καρβονυλοσουλφιδίου και διθειάνθρακα. Η τεχνολογία διαχωρισμού όξινων αερίων μελετάται με τη χρήση χημικών διαλύτων, Μεθυλοδιαιθανολαμίνης και ανθρακικού καλίου, μέσω μοντέλων στο λογισμικό AspenPlusΤΜ. Οι απαιτήσεις απόδοσης της τεχνολογίας διαχωρισμού όξινων αερίων και του καταλυτικού συστήματος της αντίδρασης μετατόπισης ορίζονται, σύμφωνα με τις απαιτήσεις της ακόλουθης καταλυτικής σύνθεσης για τα δύο καύσιμα. Η απόδοση της συνδυασμένης τεχνολογίας μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας και αεριοποίησης προς παραγωγή συνθετικού φυσικού αερίου διακυμαίνεται μεταξύ 57,67% και 63,43% για τα βέλτιστα μελετώμενα σενάρια (χαμηλή πίεση λειτουργίας, αεριοποίηση με οξυγόνο και ατμό και μέγεθος εγκατάστασης ηλεκτρολυτών ίσο με τις ανάγκες οξυγόνου και με υπερμέγεθες σύστημα ηλεκτρολυτών). Η αντίστοιχη ολική απόδοση μετά την αξιοποίηση θερμικής ενέργειας για την παραγωγή Υποκατάστατου Φυσικού Αερίου είναι ίση με 72,83% και 73,51% με ταυτόχρονη παραγωγή ατμού. Η απόδοση της συνδυασμένης τεχνολογίας μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας και αεριοποίησης προς παραγωγή μεθανόλης είναι ίση με 53,20% και 53,70% για τα βέλτιστα σενάρια (υψηλή πίεση λειτουργίας, αεριοποίηση με οξυγόνο και ατμό και μέγεθος εγκατάστασης ηλεκτρολυτών ίσο με τις ανάγκες οξυγόνου και με υπερμέγεθες σύστημα ηλεκτρολυτών), ενώ οι αντίστοιχες ολικές αποδόσεις είναι ίσες με 59,19% και 58,71%, μετά τη χρήση των απορριπτόμενων αερίων από τη διεργασία.Η ανάλυση ευαισθησίας των παραμέτρων των μελετούμενων διεργασιών και η επιρροή τους στον τελικό βαθμό απόδοσης για την τεχνολογία μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε καύσιμα και τη συνδυασμένη τεχνολογία αεριοποίησης και μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε καύσιμα, παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 5. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια τεχνο-οικονομική ανάλυση για τις δύο τεχνολογίες και τα δύο καύσιμα. Η παραγωγή μεθανόλης, μέσω της τεχνολογίας μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας είναι πλεονεκτική σε σχέση με όλα τα άλλα σενάρια, λόγω του μικρότερου κόστους επένδυσης. Για την περίπτωση του λιγνίτη, η επένδυση στη συνδυασμένη τεχνολογία, προς παραγωγή μεθανόλης με αεριοποίηση, σε μεγέθη της τάξης των 100 ΜWth είναι βιώσιμη υπό ορισμένες συνθήκες. Σε όλες τις περιπτώσεις παραγωγής Υποκατάστατου Φυσικού Αερίου, χρειάζονται μεγάλες επιδοτήσεις για να καταστούν βιώσιμες. Μεταξύ των τεχνολογιών που μελετήθηκαν, η τεχνολογία μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε Υποκατάστατο Φυσικού Αερίου είναι πλεονεκτική, εάν η αγορά ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιείται με τιμές κάτω των 20 EUR/MWh. Συμπερασματικά, η παραγωγή μεθανόλης είναι πιο συμφέρουσα από την παραγωγή φυσικού αερίου, από τεχνοοικονομική άποψη. Η οριακή τιμή ή προνομιακή τιμή (υπερτίμηση) των ανανεώσιμων καυσίμων, που κάνουν την επένδυση στις τεχνολογίες αυτές βιώσιμη, παρουσιάζεται και συγκρίνεται με το κόστος διοξειδίου του άνθρακα.Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διδακτορικής διατριβής και προτείνονται θέματα για μελλοντική εργασία.