Simulation of solid-oxide co-electrolysis in synthesis gas production

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2023-06-12

Department

Major/Subject

Sustainable Energy Conversion Processes

Mcode

ENG3069 

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)

Language

en

Pages

111

Series

Abstract

Chemical recycling of CO2 is recognised as a viable solution for reducing carbon emissions in transportation and chemical industry. These sectors are considered hard-to-abate due to their strong reliance on carbonaceous chemical species. For reaching carbon neutrality, these compounds need to be replaced with synthetic alternatives that use atmospheric CO2 as the initial carbon source. Industrial production of synthetic fuels and chemicals relies on using synthesis gas as an intermediate feedstock that is further refined to synthetic commodities via three main processes – methanation, methanol synthesis and Fischer-Tropsch synthesis. These processes have existed for a century, whereas the preparation of synthesis gas from CO2 and H2O is less established. Many open questions are related to the associated process design, meanwhile, solid-oxide co-electrolysis is expected to bring remarkable savings to this subject energetically, material-wise, and in system complexity. A process simulation tool was developed in this thesis for addressing the applicability of solid-oxide electrolysers in synthesis gas production within the realm of CO2 chemical upgrading. The former SOC-system simulator of Convion Ltd was extended to cover the whole conversion pathway from CO2 down to synthetic methane and methanol. The simulator development largely relied on thermodynamic modelling of the involved conversion processes, while also the thermodynamic library of the software was updated. In addition, a control logic was created for adjusting the solid-oxide electrolyser operation to meet demanded synthesis gas compositions such that carbon deposition is avoided. Evaluation of the credibility and applicability of the upgraded software was declared as the main research task of this thesis. The target was to show whether the given problem can be credibly addressed, and to recognize the possible defects and shortcomings. The extended simulator was concluded to describe the problem convincingly, although not all the relevant applications were covered. It was concluded, that the production of synthetic methane and methanol can be credibly simulated via the different conversion pathways involving solid-oxide electrolysis, allowing the software to be used for the respective process design and scenario analysis. In turn, thermal management of the methanation reactions was recognised as the only major defect in the developed software, and corrective actions were proposed.

Hiilipäästöjen vähentäminen liikenteessä ja kemianteollisuudessa osoittautuu erityisen vaikeaksi, sillä nämä alat ovat hyvin riippuvaisia hiilivetypohjaisista yhdisteistä niiden monien hyvien ominaisuuksien vuoksi. Hiilineutraaliuuden saavuttamiseksi nämä hiilipitoiset tuotteet tulisi valmistaa käyttäen ilmakehän hiilidioksidia alkuperäisenä hiilen lähteenä. Teollinen synteettisten polttoaineiden ja kemian tuotteiden valmistus käyttää raaka-aineenaan synteesikaasua, joka muunnetaan korkeamman jalostusasteen tuotteiksi kolmen keskeisen synteesin kautta – metanointi, metanolisynteesi sekä Fischer-Tropsch synteesi. Nämä prosessit ovat teknologisesti kypsiä, kun taas synteesikaasun valmistus vedestä ja hiilidioksidista on vielä varsin kehittymätöntä, ja prosessin toteutukseen liittyy monia avoimia kysymyksiä. Hiilidioksidin ja höyryn kiinteäoksidi-yhteiselektrolyysin uskotaan tuovan merkittäviä hyötyjä tähän kokonaisuuteen niin energeettisesti, raaka-aineiden kulutuksen, kuin prosessin monimutkaisuuden kannalta. Tässä diplomityössä kehitettiin prosessisimulaatiotyökalu, jolla voidaan arvioida kiinteäoksidielektrolyyserien soveltuvuutta osana hiilidioksidin hyötykäyttöä. Työkalu rakennettiin Convion Oy:n aiemman kiinteäoksidikennojärjestelmäsimulaattorin pohjalta, johon luotiin kyvykkyys simuloida konversiopolkua aina metaaniin ja metanoliin asti. Kehitys pohjautui pitkälti kemiallisten konversioiden termodynaamiseen mallintamiseen, mutta myös ohjelmiston termodynaaminen kirjasto rakennettiin uudelleen. Työssä luotiin myös säätölogiikka kiinteäoksidielektrolyysin ohjaamiseksi siten, että saadaan tuotettua kysytynlaisia synteesikaasukoostumuksia, kuitenkin niin, että haitallinen hiiltämisilmiö voidaan välttää. Ohjelmiston luotettavuuden ja soveltuvuuden kriittinen arviointi asetettiin diplomityön tutkimuskohteeksi. Tavoitteena oli osoittaa, voidaanko päivitetyllä ohjelmistolla uskottavasti kuvata annettua ongelmaa, sekä havaita mahdollisia vikoja ja puutteita. Simulaattorin todettiin kuvaavan annettua ongelmaa uskottavasti, joskaan kaikkia tärkeitä sovelluksia ei olla huomioitu. Ohjelmistolla voidaan simuloida uskottavasti synteettisen metaanin ja metanolin tuotantoa kiinteäoksidielektrolyysin kautta, ja simulaattoria voidaan käyttää työkaluna vastaavaan prosessisuunnitteluun ja skenaarioanalyysiin. Metanointireaktioiden lämmönhallinta osoittautui ainoaksi merkittäväksi kehityskohteeksi, ja korjaavat toimenpiteet tunnistettiin.

Description

Supervisor

Santasalo-Aarnio, Annukka

Thesis advisor

Åström, Kim

Keywords

solid-oxide co-electrolysis, equilibrium thermodynamics, CO2 utilisation, synthetic fuels and chemicals

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202306184070

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG