OPTIMAL OPERATION AND MANAGEMENT OF A FUELL CELL-DRIVEN MULTIGENERATION PROCESS FOR COMBINED PRODUCTION OF POWER, BLUE HYDROGEN, AND AMMONIA

OPTIMAL OPERATION AND MANAGEMENT OF A FUELL CELL-DRIVEN MULTIGENERATION PROCESS FOR COMBINED PRODUCTION OF POWER, BLUE HYDROGEN, AND AMMONIA. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
EE610-Thesis_Ahmed Alyouse(g201802400)-220525.pdf
Restricted to Repository staff only until 26 May 2023.

Download (4MB)

Arabic Abstract

نظرًا للزيادة السريعة في الطلب العالمي على الطاقة والعبء الثقيل على الوقود الأحفوري ، أدركت حكومات العالم وأصحاب المصلحة الدور المهم لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون للتخفيف من التغير المناخي وحل مشكلة الاحتباس الحراري. مؤخراً، ثبت أن الهيدروجين هو المفتاح لنجاح التخفيف من انبعاثات ثاني اكسيد الكربون. ولكن، نظرًا لكثافة الهيدروجين المنخفضة، عادةً يتم ضغطه عند درجات مرتفعة أو يتم تحويله إلى سائل من أجل النقل والتخزين. علاوة على ذلك، هناك العديد من الخيارات الواعدة لناقلات الهيدروجين ، لكن الأمونيا يعتبر ناقل ملفت للانتباه للعديد من الأنشطة البحثية الحديثة. في هذا البحث، يتم تقديم عملية جديدة للانتاج المشترك لكل من الطاقة والهيدروجين والأمونيا. في هذه العملية، يتم استرداد الهيدروجين بواسطة مفاعل الغشاء التحفيزي، ويتم التقاط ثاني أكسيد الكربون من خلال الغشاء في أثناء استخدام خلايا الوقود ذات درجات الحرارة العالية لتكامل الحرارة والكهرباء في عملية الانتاج. لذلك ، في هذه الأطروحة سيتم تقديم نموذج كيميائي مفصل وتبسيطه إلى MILP, LP, و برنامج عشوائي لتحديد الكميات الأمثل في عدة دراسات لإنتاج كل من الهيدروجين والأمونيا والكهرباء .في الدراسة الأولى، تم حل نموذج الـ MILP باستخدام GAMS وأظهرت النتائج أن مبيعات الأمونيا هي مصدر الدخل الاعلى مواتية مع الأسعار العالمية الحالية. علاوة على ذلك، فقد وجد أنه مع ارتفاع أسعار سوق الكهرباء، أصبحت مبيعات الهيدروجين أكثر فائدة من الناحية الاقتصادية من مبيعات الأمونيا بسبب استهلاك الكهرباء في عملية انتاج الأمونيا. وفي الدراسة الثانيه، تم استخدام GAMS لحل نموذج الـ LP وأظهرت النتائج ان استخدام الامونيا لنقل الهيدروجين محلياً الى محطات شحن السيارات الكهربائيه ذات الخلايا المتعدده نافع اقتصادياً للمحطات البعيدة من مصنع انتاج الهيدروجين, وكان الهيدروجين المضعوط الخيار الأمثل للتوزيع للمحطات القريبه من المصنع. ولكن للمحطات البعيدة من مصنع انتاج الهيدروجين وخط انابيب الأمونيا, أظهرت النتائج ان استخدام المحلل الكهربائي هو الخيار الأمثل. بالأضافة الى ذلك, تمت إعادة صياغة البرنامج الخطي الى برنامج عشوائي لمراعاة التقلبات في أسعار الكهرباء والغاز الطبيعي. وجد أنه من الأفضل أن ينتج المصنع أقصى كمية من الهيدروجين من خلال SMR-CMR بغض النظر عن تقلبات أسعار الغاز الطبيعي. أيضًا ، عند حساب تقلبات أسعار الكهرباء ، يُلاحظ أن النتائج التي تم الحصول عليها من البرنامج العشوائي توضح سلوكًا أقل خطورة تجاه مبيعات الكهرباء.

English Abstract

Due to the rapid increase in global energy demand and the heavy burden on fossil fuels, world governments and stakeholders have recognized the important role of reducing carbon dioxide (CO2) emission to mitigate climate change. Hydrogen is proven to be key for successful energy decarbonization. However, due to the low density of hydrogen, it is usually compressed at high pressure or liquified for displacement and storage. Moreover, there are several promising options for hydrogen carriers, but ammonia have been attractive to many recent research activities. In this work, a novel multigeneration process that produces power, hydrogen, and ammonia is presented. The hydrogen is recovered by catalytic membrane reactor, and all CO2 is captured through membrane while utilizing a high temperature solid oxide fuel cell for heat and electricity integration. Therefore, a detailed chemical model is presented and furtherly simplified into a mixed integer linear program (MILP), a linear program (LP), and a stochastic program to decide the optimal profile for hydrogen, ammonia, and electricity production for several case studies. In the first case study, the MILP model is used to solve the optimization problem and results show that NH3 sales are favorable with current global prices. Moreover, it was found that as electricity market prices increases, H2 sales became more economically beneficial than NH3 sales due to the electricity consumption of the NH3 production process. In the second case study, the LP is used to decide the optimal means for transporting H2 to hydrogen fueling stations. The results show that compressed H2 was preferred to be shipped to HFSs that are close to the plant’s location. Ammonia transports were economically feasible for HFSs that are far from the plant close by an ammonia terminal. H2 feed to fueling stations from electrolyzer were preferred for HFSs with low tariff prices at the location, also in certain cases where the fueling station were far from the plant/ammonia terminals. Furthermore, the LP is furtherly reformulated to a stochastic program to account for electricity and natural gas prices uncertainties. It was found that the plant is preferably to produce the maximum amount of H2 through SMR-CMR regardless of natural gas price fluctuations. Also, when accounting for electricity price fluctuations, it is observed that the results obtained from the stochastic program illustrate a less risky behavior toward electricity sales.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Chemical Engineering
Electrical
Department: College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor: Abido, M. A.
Committee Members: Al-Awami, Ali T. and Fouad, Wael A.
Depositing User: AHMED ALYOUSEF (g201802400)
Date Deposited: 29 May 2022 05:25
Last Modified: 29 May 2022 05:25
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142125