Development of thermodynamically integrated processes for the efficient utilization of energy carriers (hydrogen and ethanol)

Khatamijouybari, Alireza (2024). Development of thermodynamically integrated processes for the efficient utilization of energy carriers (hydrogen and ethanol). Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Several integrated systems incorporating clean energy technologies have been proposed as potential solutions for the challenges posed by long-term energy concerns. One promising approach involves using hydrogen-containing industrial by-products and carbon dioxide from industrial exhaust gases. These gases can be purified and converted into liquid hydrogen or liquid methanol, efficient energy carriers, through advanced liquefaction methods. This process not only helps address environmental pollution but also minimizes energy wastage. By employing hydrogen purification techniques or alternative processes to extract hydrogen from industrial by-products, clean energy carriers like liquid hydrogen and methanol can be produced, aligning with the global imperative of achieving net-zero emissions targets. This study introduces three innovative integrated structures for fuel-based energy storage.

The first method proposes an integrated structure to liquefy hydrogen using an ejectorcompression refrigeration cycle, cascade multi-component refrigerant cycle, and the Kalina power generation cycle. The excess heat generated during the hydrogen liquefaction process is effectively utilized by the Kalina power generation cycle. The refrigeration system is integrated with the main core configuration through composite and grand composite curves, optimizing refrigerant composition percentages and refrigeration cycle operating pressures to achieve the best possible match between cold and hot curves.

The study also presents two novel integrated processes for methanol production. The first design focuses on a process that produces low-pressure and high-pressure fuel gases, aromatic compounds, electricity, and hot water as side products, with liquid methanol as the main product. This process includes hydrogen purification, methanol production, Organic Rankine (ORC), absorption-compression cycles (ACRC), and solar collectors. The ORC efficiently utilizes waste heat from the methanol reactor to generate power, while the ACRC provides cooling for the hydrogen purification cycle.

The second design for methanol production outlines an environmentally friendly process utilizing hydrogen extracted from coke oven gas (COG) to react with carbon dioxide in a methanol reactor. The subsystems of this process include a CO2 capture unit for separating carbon dioxide from exhaust gases, a natural gas purification and liquefaction process to produce liquefied natural gas (LNG), hydrogen extraction from COG, and a methanol production cycle. Photovoltaic panels, customized to the geographical location, are employed to provide the required power.

In the proposed methods of liquid methanol production, economic analysis is conducted using the Annualized Cost of the System (ACS), and the process undergoes multi-objective optimization through the implementation of the NSGAII algorithm. The decision-making methods, including fuzzy, TOPSIS, and LINMAP, are utilized to evaluate the optimum rate of return and prime cost of the main product. Sensitivity, energy, and exergy analysis are performed using Aspen HYSYS software V.10 and MATLAB code to comprehensively assess the process performance from a thermodynamic standpoint.

Titre traduit

Développement de procédés thermodynamiquement intégrés pour l’utilisation efficace de vecteurs énergétiques (hydrogène et méthanol)

Résumé traduit

Plusieurs systèmes intégrés, incorporant des technologies énergétiques propres, ont été proposés comme solutions potentielles aux défis posés par l'énergie à long terme. Une approche prometteuse consiste à utiliser des sous-produits industriels contenant de l'hydrogène et du dioxyde de carbone issus des gaz d'échappement industriels. Ces gaz peuvent être purifiés et convertis en hydrogène liquide ou en méthanol liquide, agissant ainsi comme des vecteurs énergétiques efficaces grâce à des méthodes de liquéfaction avancées. Cette approche contribue non seulement à la lutte contre la pollution de l'environnement, mais elle permet également de minimiser le gaspillage d'énergie. Cela s'inscrit parfaitement dans l'impératif mondial visant à atteindre des objectifs d'émissions nettes nulles. Cette étude présente trois structures intégrées innovantes pour le stockage d'énergie à base de combustible.

La première méthode propose une structure intégrée visant à liquéfier l'hydrogène en utilisant un cycle de réfrigération à éjecteur-compression, un cycle de réfrigérant multi-composants en cascade, ainsi que le cycle de génération d'énergie de Kalina. Pendant le processus de liquéfaction de l'hydrogène, l'excès de chaleur généré est efficacement utilisé par le cycle de production d'électricité de Kalina. Le système de réfrigération est intégré à la configuration du noyau principal à travers des courbes composites et grandes composites. Cela optimise les pourcentages de composition du réfrigérant et les pressions de fonctionnement du cycle de réfrigération afin d'obtenir la meilleure correspondance possible entre les courbes froides et chaudes.

L'étude présente également deux nouveaux procédés intégrés pour la production de méthanol. La première conception se focalise sur un processus générant des gaz combustibles à basse et haute pression, des composés aromatiques, de l'électricité, ainsi que de l'eau chaude en tant que produits secondaires, avec le méthanol liquide comme produit principal. Ce processus englobe le cycle de purification de l'hydrogène, le cycle de production de méthanol, le cycle de Rankine organique (ORC), le cycle d'absorption-compression (ACRC) et l'utilisation de capteurs solaires. La chaleur résiduelle du réacteur de méthanol est efficacement récupérée par l'ORC pour générer de l'énergie, tandis que l'ACRC assure le refroidissement du cycle de purification de l'hydrogène.

La deuxième conception pour la production de méthanol décrit un processus respectueux de l'environnement, utilisant l'hydrogène extrait du gaz de four à coke (COG) pour réagir avec le dioxyde de carbone dans un réacteur à méthanol. Les sous-systèmes de ce procédé comprennent une unité de capture de CO2 pour séparer le dioxyde de carbone des gaz d'échappement, un procédé de purification et de liquéfaction du gaz naturel pour produire du gaz naturel liquéfié (GNL), l'extraction d'hydrogène à partir de COG et un cycle de production de méthanol. Des panneaux photovoltaïques, adaptés à la situation géographique, sont utilisés pour fournir la puissance requise.

Dans les méthodes proposées pour la production de méthanol liquide, l'analyse économique est menée en utilisant le coût annualisé du système (ACS), et le processus est soumis à une optimisation multi-objectifs grâce à l'implémentation de l'algorithme génétique avancé NSGAII. Les méthodes de prise de décision floue, TOPSIS et LINMAP sont employées pour évaluer le taux de rendement optimal et le coût de revient du produit principal. Des analyses de sensibilité, d'énergie et d'exergie sont réalisées à l'aide du logiciel Aspen HYSYS V.10 et du code MATLAB afin d'évaluer de manière exhaustive les performances du procédé d'un point de vue thermodynamique.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis by articles presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement of the requirements for the degree of doctorate in engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 225-243).
Mots-clés libres:	hydrogène liquide, synthèse de méthanol, analyse exergétique, analyse thermoéconomique, optimisation multi-objectifs
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ilinca, Adrian
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 juill. 2024 13:22
Dernière modification:	30 juill. 2024 13:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3479

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