Ολοκληρωμένος Σχεδιασμός Βιοδιυλιστηρίων

Abstract

Ο ανερχόμενος κλάδος των βιοδιυλιστηρίων και της κυκλικής οικονομίας φέρνει στην επιφάνεια νέες προκλήσεις και προβλήματα σχεδιασμού, τα οποία δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν επαρκώς με τα συμβατικά εργαλεία ανάλυσης και βελτιστοποίησης διεργασιών. Το παρόν έργο παρουσιάζει τρεις γενικευμένες μεθοδολογίες και υπολογιστικά εργαλεία σχεδιασμού που συνδυάζουν τεχνολογίες σύνθεσης και ενεργειακής ολοκλήρωσης για τη διερεύνηση συμπληρωματικών διεργασιών και την ενίσχυση των ενεργειακών αποδόσεων και της βιωσιμότητας ανερχόμενων εφαρμογών βιοδιυλιστηρίων, καθώς και την αναβάθμιση υφιστάμενων βιομηχανικών εγκαταστάσεων.

Οι προκλήσεις εμφανίζονται κατά την ανάλυση αλυσίδων αξίας προϊόντων (value chains), οι οποίες περιλαμβάνουν όλα τα υποψήφια χημικά, βιοχημικά και θερμοχημικά μονοπάτια αναβάθμισης υπολειμματικών ροών και τροφοδοσιών βιομάζας σε προϊόντα υψηλής αξίας, όπως διαλύτες, καύσιμα, υλικά, συμπληρώματα διατροφής, κ.ά. Το πρόβλημα καλεί τη διερεύνηση άπειρων επιλογών σύνθεσης υποψήφιων και ανταγωνιστικών μονοπατιών και τον εντοπισμό βέλτιστων βιοδιυλιστηριακών μονάδων που ολοκληρώνονται με τον αποδοτικότερο τρόπο τόσο μεταξύ τους όσο και με παρακείμενες, κατανεμημένες διεργασίες της υφιστάμενης βιομηχανίας. Τα προτεινόμενα εργαλεία ολοκλήρωσης αποτελούν ιδανική λύση για τον εντοπισμό βιώσιμων σεναρίων βιοδιυλιστηρίων και εφαρμογών κυκλικής οικονομίας σε πρόωρα στάδια σχεδιασμού, ενώ η γενικευμένη διατύπωση των μεθοδολογιών επιτρέπει την αντιμετώπιση κάθε υποπερίπτωσης σχεδιασμού της συμβατικής βιομηχανίας.

Οι μεθοδολογίες εντοπίζουν βαθμούς ελευθερίας ζωτικής σημασίας που σχετίζονται με συνδέσεις υποψήφιων και υφιστάμενων διεργασιών προετοιμάζοντας τις συνθήκες ανταλλαγής ροών χημικών και ενέργειας μεταξύ τους στα πλαίσια ανάπτυξης βιώσιμων εφαρμογών κυκλικής οικονομίας. Οι διεργασίες παρουσιάζουν διαφορετικές αποδόσεις όταν ολοκληρώνονται μέσω εναλλακτικών συνδυασμών, τους οποίους ο μηχανικός καλείται να αξιολογήσει συστημικά και να επιλέξει (τα πιο) βιώσιμα σενάρια χαρτοφυλακίων τροφοδοσιών, διεργασιών και προϊόντων υψηλής απόδοσης, εξοικονόμησης κόστους και κερδοφορίας, σε πρώιμα στάδια σχεδιασμού. Πραγματικές περιπτώσεις βιοδιυλιστηρίων παρουσιάζουν υψηλά κόστη ενέργειας, που συνήθως απειλούν τη βιωσιμότητα των εγχειρημάτων, ενισχύοντας τα κίνητρα για τον εντοπισμό ενεργειακά συμπληρωματικών διεργασιών και την κατάλληλη και αυστηρή εφαρμογή τεχνικών ολοκλήρωσης.

Οι υπάρχουσες τεχνικές ολοκλήρωσης βασίζονται σε γραφικές μεθόδους ανάλυσης, οι οποίες εφαρμόζονται ως ξεχωριστά στάδια μελέτης, καθένα από τα οποία αφορά διαφορετικά επίπεδα ολοκλήρωσης: το πρώτο, για την άμεση ολοκλήρωση θερμών-ψυχρών ρευμάτων εντός κάθε διεργασίας και το δεύτερο, για έμμεση ολοκλήρωση (μέσω ατμού) διεργασίας-με-διεργασία. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι γραφικές μέθοδοι προορίζονται αυστηρά για την ολοκλήρωση γνωστών και προεπιλεγμένων διεργασιών, αδυνατώντας να αντιμετωπίσουν περιπτώσεις υποψήφιων χημικών μονοπατιών. Στο παρόν έργο παρουσιάζονται συστήματα αναπαραστάσεων για την αντιμετώπιση της συνδυαστικής φύσης του προβλήματος σύνθεσης και ολοκλήρωσης διεργασιών, ενσωματώνοντας τις διεργασίες ως επιπλέον βαθμούς ελευθερίας του γενικότερου προβλήματος ολοκλήρωσης.

Η μεθοδολογία χρησιμοποιεί έναν γενικευμένο γράφο χαρτογράφησης όλων των επιλογών σύνθεσης μεταξύ υποψήφιων και δεδομένων (προαιρετικά) κατανεμημένων διεργασιών, οι οποίες μπορούν να ανταλλάσουν ροές χημικών μεταξύ τους με οποιονδήποτε τρόπο. Ο γράφος ενσωματώνει επιπλέον επιλογές για την αντιμετώπιση προβλημάτων εποχικής διαθεσιμότητας των ποικιλιών βιομάζας, αντιμετωπίζοντας τις ανταγωνιστικές τροφοδοσίες ως επιπλέον βαθμούς ελευθερίας του συνολικού προβλήματος. Επίσης, διαθέτει επιλογές αποθήκευσης τροφοδοσιών και προϊόντων με στόχο τον βέλτιστο χρονοπρογραμματισμό της λειτουργίας βιοδιυλιστηρίων πολλαπλών-διεργασιών και πολλαπλών-τροφοδοσιών. Ενώ ο γράφος αναλαμβάνει τη σύνθεση όλων των υποψήφιων χαρτοφυλακίων διεργασιών, τεχνικές ολοκλήρωσης αναλαμβάνουν την αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση των αποδόσεων των υποψηφίων.

Στο παρόν έργο παρουσιάζονται αναπαραστάσεις ενεργειακής ολοκλήρωσης – βασισμένες στις έννοιες των μοντέλων μεταφόρτωσης – οι οποίες επεκτείνουν τις δυνατότητες των συμβατικών εργαλείων ολοκλήρωσης και ενσωματώνουν τις ξεχωριστές διαδικασίες άμεσης και έμμεσης ολοκλήρωσης, ως ένα ενιαίο, συντομευμένο και γραμμικό μοντέλο ενεργειακής βελτιστοποίησης. Τα προτεινόμενα μοντέλα μεταφόρτωσης επιτρέπουν κάθε επιλογή ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ των υποψήφιων διεργασιών των βιοδιυλιστηρίων και των παρακείμενων υφιστάμενων βιομηχανιών. Η μεθοδολογία συνδυάζει και συγχρονίζει κατάλληλα τον γράφο με τα μοντέλα μεταφόρτωσης για τη συστημική αξιολόγηση όλων των συνδυασμών ανταγωνιστικών διεργασιών και το συνολικό πρόβλημα σύνθεσης και ολοκλήρωσης διατυπώνεται ως ένα γραμμικό μοντέλο βελτιστοποίησης.

Τα προτεινόμενα αναβαθμισμένα μοντέλα μεταφόρτωσης ενσωματώνουν επιπλέον δυνατότητες για την διαχείριση του φρέσκου ατμού (από το φούρνο τη μονάδας) και του παραγόμενου ατμού (από περίσσεια θερμότητα διεργασιών) επιτρέποντας την ταυτόχρονη μελέτη και βελτιστοποίηση των αποδόσεων συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση τουρμπίνων. Οι κλασσικές στρατηγικές εκτίμησης της συμπαραγωγής χρησιμοποιούν γραφικές ή υπολογιστές διαδικασίες πολλαπλών σταδίων, οι οποίες δεν ανταπεξέρχονται στις ειδικές ανάγκες σχεδιασμού των ανερχόμενων βιομηχανιών και σε ορισμένες περιπτώσεις παρουσιάζουν μειωμένη ακρίβεια. Τα ζητήματα αυτά αντιμετωπίζονται συνδυάζοντας κατάλληλα τις δυνατότητες των αναβαθμισμένων μοντέλων μεταφόρτωσης με νέες στρατηγικές που προτείνονται για την εκτίμηση της συμπαραγωγής ισχύος με χρήση τουρμπίνων και τη βελτιστοποίηση των επιπέδων ατμού της βιομηχανίας. Το αρχικό πρόβλημα σχεδιασμού βιοδιυλιστηρίων επεκτείνεται συνδυάζοντας όλους τους βαθμούς ελευθερίας που σχετίζονται με τη σύνθεση, την ολοκλήρωση και τη συμπαραγωγή για τον εντοπισμό συγκροτημάτων διεργασιών υψηλής ενεργειακής απόδοσης, εισάγοντας (και βελτιστοποιώντας) την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ως επιπλέον προϊόν των βιοδιυλιστηρίων.

Τέλος, το παρόν έργο αντιμετωπίζει προβλήματα σχεδιασμού και ενεργειακής βελτιστοποίησης συστημάτων απόσταξης. Η μεθοδολογία εστιάζει στη χρήση σχημάτων απόσταξης πολλαπλών-επιπέδων (στηλών), τα οποία μοιράζονται την τροφοδοσία και λειτουργούν σε διαφορετικές πιέσεις επιτρέποντας την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ συμπυκνωτήρων-αναβραστήρων και ρευμάτων της υπόλοιπης διεργασίας. Η συμβατική διαδικασία σχεδιασμού αποστάξεων και ολοκλήρωσής τους διεξάγεται αποκλειστικά με τη χρήση γραφικών εργαλείων, τα οποία είναι χρονοβόρα, δεν εγγυώνται την εύρεση βέλτιστων λύσεων και αντιμετωπίζουν ζητήματα μεροληψίας. Η μεθοδολογία εντοπίζει και συστηματοποιεί τις επιλογές σχεδιασμού των αποστάξεων μέσω ενός γενικευμένου γράφου λήψης αποφάσεων, που επιτρέπει την μαθηματική προτυποποίηση του προβλήματος σχεδιασμού. Ο γράφος συνδυάζεται κατάλληλα με κλασσικά μοντέλα ενεργειακής μεταφόρτωσης ενσωματώνοντας (στο πρόβλημα σχεδιασμού) τους επιπλέον βαθμούς ελευθερίας ολοκλήρωσης των συστημάτων απόσταξης τόσο μεταξύ τους όσο και με τα θερμά/ψυχρά ρεύματα της υπόλοιπης διεργασίας. Το συνολικό πρόβλημα κατασκευάζεται ως ένα συντομευμένο, γραμμικό και εύκολα προσαρμόσιμο μοντέλο βελτιστοποίησης για τον σχεδιασμό πλήρως ενεργειακά ολοκληρωμένων συστημάτων απόσταξης.

Τα τρία εργαλεία σχεδιασμού: (α) σύνθεσης και ενεργειακής ολοκλήρωσης διεργασιών, (β) εκτίμησης και βελτιστοποίησης της συμπαραγωγής και (γ) σχεδιασμού ολοκληρωμένων συστημάτων απόσταξης, εφαρμόζονται για την επίλυση προβλημάτων σχεδιασμού πραγματικών βιοδιυλιστηρίων αποδίδοντας καλύτερες (μη-προφανείς) λύσεις που δεν μπορούν να εντοπιστούν με τη χρήση των κλασσικών εργαλείων της βιβλιογραφίας.