Ενεργειακή και οικονομική ανάλυση της παραγωγής υδρογόνου από φυσικό αέριο με ταυτόχρονη δέσμευση του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα

Μανωλακάκη, Χριστίνα; Manolakaki, Christina

dc.contributor.author	Μανωλακάκη, Χριστίνα	el
dc.contributor.author	Manolakaki, Christina	en
dc.date.accessioned	2024-04-18T10:17:10Z
dc.date.available	2024-04-18T10:17:10Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59220
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26916
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Παραγωγή μπλε υδρογόνου	el
dc.subject	Απορρόφηση με αμίνες	el
dc.subject	Προσρόφηση με μεταβολή της πίεσης	el
dc.subject	Αναμόρφωση μεθανίου με ατμό	el
dc.subject	Οικονομική ανάλυση	el
dc.subject	Blue hydrogen production	en
dc.subject	Amine absorption	en
dc.subject	Pressure swing adsorption	en
dc.subject	Methane steam reforming	en
dc.subject	Economic analysis	en
dc.title	Ενεργειακή και οικονομική ανάλυση της παραγωγής υδρογόνου από φυσικό αέριο με ταυτόχρονη δέσμευση του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υπολογιστική προσομοίωση χημικής διεργασίας	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-02
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια, η χρήση ορυκτών καυσίμων ως η κύρια πηγή ενέργειας έχει προκαλέσει μεγάλη αύξηση των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα, που είναι η κύρια αιτία υπερθέρμανσης του πλανήτη. Το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής απασχολεί ολοένα και περισσότερο και συνεπώς η απαλλαγή από τις εκπομπές άνθρακα με τη χρήση εναλλακτικών καθαρών, βιώσιμων και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι απαραίτητη για τη μελλοντική ενεργειακή βιωσιμότητα και την παγκόσμια ασφάλεια. Το υδρογόνο έχει τη δυνατότητα να συμβάλει σημαντικά στη μείωση των εκπομπών στους τομείς της ενέργειας, των μεταφορών και της βιομηχανίας. Tο ποσό της ενέργειας που παράγεται κατά την καύση ανά μονάδα μάζας υδρογόνου είναι συγκριτικά μεγαλύτερο από αυτό που παράγεται από άλλα καύσιμα και επιπλέον παράγει μηδενικές εκπομπές άνθρακα στο σημείο τελικής χρήσης. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η διεργασία παραγωγής υδρογόνου από φυσικό αέριο με ταυτόχρονη δέσμευση του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα (παραγωγή μπλε υδρογόνου). Η προσομοίωση της διεργασίας πραγματοποιήθηκε με τη χρήση των υπολογιστικών εργαλείων Aspen Plus V11 και Aspen Adsorption V11. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις ευαισθησίας για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας της διεργασίας και έγινε προκαταρκτική οικονομική ανάλυση της μονάδας. Η μονάδα παραγωγής μπλε υδρογόνου χωρίζεται στις διεργασίες της αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό (SMR), της χημικής απορρόφησης/δέσμευσης του CO2 και της παραλαβής καθαρού υδρογόνου με την τεχνολογία της προσρόφησης με μεταβολή της πίεσης (PSA). Κατ’ αρχάς, στο πλαίσιο της μοντελοποίησης των διεργασιών, πραγματοποιήθηκε θερμοδυναμική μελέτη, ώστε να διασφαλιστεί η ορθή περιγραφή της ισορροπίας φάσεων κάθε συστήματος. Ακολούθησε η προσομοίωση της διεργασίας SMR στο Aspen Plus. Πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις ευαισθησίας ως προς τις συνθήκες λειτουργίας των αντιδραστήρων και βελτιστοποίηση της διεργασίας SMR με σκοπό τη μεγιστοποίηση της συνολικής παραγωγής υδρογόνου ελαχιστοποιώντας παράλληλα τις απαιτήσεις σε θερμά και ψυχρά φορτία. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της διεργασίας δέσμευσης CO2 στο Aspen Plus. Για τη διεργασία χημικής απορρόφησης πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις με δύο διαφορετικούς διαλύτες, υδατικό διάλυμα MEA και υδατικό διάλυμα μίγματος MEA-MDEA. Σκοπός σε κάθε περίπτωση ήταν η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα κατά 90% από το ρεύμα τροφοδοσίας στη στήλη απορρόφησης. Έπειτα, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της διεργασία PSA στο Aspen Adsorption V11 με το μοντέλο gCSS σε δυναμική λειτουργία. Αρχικά, η διεργασία προσομοιώθηκε σε εργαστηριακή κλίμακα και πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση με σκοπό την εύρεση των βέλτιστων τιμών καθαρότητας και ανάκτησης του τελικού προϊόντος. Στη συνέχεια, με βάση τις βέλτιστες λειτουργικές παραμέτρους πραγματοποιήθηκε κλιμάκωση μεγέθους και η διεργασία προσομοιώθηκε σε βιομηχανική κλίμακα προκειμένου να γίνει σύνδεση της διεργασίας PSA με την προηγούμενη διεργασία της δέσμευσης CO2. Συνολικά, με τροφοδοσία στη διεργασία SMR 408.1 χιλ. τόνους Φ.Α./χρόνο, από τη διεργασία PSA παράγονται 48.4 χιλ. τόνοι Η2/χρόνο καθαρότητας 99.92% κ. mole και δεσμεύονται 817.9 χιλ. τόνοι CO2/χρόνο. Στο τελευταίο στάδιο της εργασίας, πραγματοποιήθηκε προκαταρκτική οικονομική ανάλυση της συνολικής διεργασίας παραγωγής μπλε υδρογόνου. Το κόστος του παραγόμενου υδρογόνου στην περίπτωση απορρόφησης CO2 με ΜΕΑ είναι 7.84 €/kg, ενώ για την περίπτωση διαλύτη MEA-ΜDEA ισούται με 7.79 €/kg. Το υπολογιζόμενο κόστος αυτό είναι ενδεικτικό λόγω της ανασφάλειας αυτή τη στιγμή στο κόστος της ενέργειας, δηλαδή στις τιμές προμήθειας φυσικού αερίου και ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, στη μονάδα που μελετήθηκε δεν παράγεται η μέγιστη δυνατή ποσότητα υδρογόνου με βάση τη διαθέσιμη τροφοδοσία από τη μονάδα απορρόφησης CO2. Τέλος, βάσει της πολιτικής της Ευρωπαϊκής Ένωσης για το κλίμα προβλέπεται ότι στα επόμενα χρόνια θα υπάρξει σημαντική αύξηση στο φόρο εκπομπών άνθρακα, ενώ η τιμή του φυσικού αερίου πρόκειται να σταθεροποιηθεί ή και να μειωθεί. Ως εκ τούτου, στα επόμενα χρόνια η βιωσιμότητα της διεργασίας αναμένεται να ευνοηθεί ως αποτέλεσμα πολιτικών επιλογών.	el
heal.abstract	In recent years, the use of fossil fuels as our principal source of energy has caused a massive increase in the levels of carbon dioxide and other Greenhouse Gases (GHGs) in the atmosphere, which is the main cause of global warming. The phenomenon of climate change seems to concern more and more and thus, decarbonization of the energy supply by utilizing alternative clean, sustainable and renewable energy sources is essential for future energy sustainability and global security. Hydrogen has the potential to make a significant contribution to emissions reduction in the power generation, transportation, and industrial sectors. Τhe amount of energy produced per unit mass during hydrogen combustion is comparatively higher than the one generated by other fuels and in addition it produces zero carbon emissions at the end-use point. The aim of this thesis was the study and economic analysis of hydrogen production process from natural gas with the simultaneous capture of the produced carbon dioxide (blue hydrogen production). The process simulation was carried out using the computational packages Aspen Plus V11 and Aspen Adsorption V11. In addition, sensitivity analysis was performed to determine the optimal process operating conditions and finally a preliminary economic evaluation of the unit was carried out. The blue hydrogen production plant is divided into steam methane reforming (SMR), CO2 chemisorption and pressure swing adsorption (PSA) processes. Initially, for the modelling of the chemical processes, a thermodynamic study was carried out, to ensure the correct description of the phase equilibria of each system. Afterwards, the SMR process was simulated in Aspen Plus. Sensitivity analysis of reactors’ operating conditions and optimization of the SMR process were performed to maximize total hydrogen production while minimizing hot and cold duties. Then, the CO2 capture process was simulated in Aspen Plus. For the chemisorption process, simulations were performed with two different solvents, MEA aqueous solution and MEA-MDEA mixture. The objective in each case was to capture 90% of the carbon dioxide from the feed stream in the absorption column. In addition, the PSA process was simulated in Aspen Adsorption V11 using the gCSS mode in dynamic run. Firstly, the process was simulated on a laboratory scale and optimization was performed to find the optimal values of purity and recovery of the final product. Then, based on the optimal operating parameters, a scale-up was carried out and the process was simulated on an industrial scale in order to connect the PSA unit to the previous CO2 capture process. In total, by feeding 408.1 thousand tons of NG/year into the SMR process, the PSA process produces 48.4 thousand tons of H2/year of 99.92% mole purity, and 817.9 thousand tons of CO2/year are captured. The last part of this work consists of a preliminary economic analysis of the overall blue hydrogen production process. The blue hydrogen production cost in case of CO2 absorption with MEA was 7.84 €/kg, while in case of MEA-MDEA solvent was found equal to 7.79 €/kg. The calculated production cost is indicative due to the current uncertainty in the cost of energy (NG and electrical energy). In addition, the plant studied does not produce the maximum possible amount of hydrogen based on the available feed from the CO2 absorption unit. Finally, due to the European Union's climate policy, it is predicted that in the coming years there will be an increase in the emission tax, while the price of natural gas is set to stabilize or decrease. Therefore, it is expected that the sustainability of the process in the coming years will be favored as a result of political choices.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Λούλη, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	156 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false