Heat circulation and heating control of CO₂ direct air capture system
Paajanen, Antti (2022)
Diplomityö
Paajanen, Antti
2022
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022112266507
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022112266507
Tiivistelmä
There is an ever-rising need for methods of carbon capture, utilisation and storage (CCUS) technologies caused by constantly increasing CO₂ concentration in the atmosphere by reducing it to prevent climate change. Direct air capture (DAC) technology offers a possible solution by capturing and concentrating CO₂ from atmosphere for storage or post-processing, and offering a solution for creating negative emissions when used together with renewable energy sources.
Heating plays a significant role in the DAC temperature vacuum swing adsorption (TVSA) cycle. This thesis investigates a possible solution to reduce energy consumption by implementing a simple heat circulation procedure into the Soletair Power DAC system, at first, by focusing on the derivation of a discrete node-based modeling approach for heating dynamics. Based on the modeling a solution is suggested for adsorbent temperature estimation together with control laws with cascade structure supported by fuzzy gain scheduler. The results from the suggested approach are validated experimentally. The testing is carried out for multiple scenarios to obtain possible energy savings alongside improvements in heating itself. It was found that overall controlled circulation offered 17% energy saving in a scenario with a trade-off to longer heating time compared to the reference solution. In another testing scenario, the heating time was decreased by 20% with a cost to energy consumption in scenarios under investigation. Ilmakehän tasaisesti kasvavasta hiilidioksidipitoisuudesta johtuen hiilidioksidin talteenotto, varastointi ja hyödyntäminen ovat erittäin tärkeitä ilmastonmuutoksen vastatoimia. Hiilidioksidin talteenotto suoraan ilmakehästä tarjoaa mahdollisuuden tuottaa käyttökelpoista hiilidioksidia varastointiin ja jatkojalostukseen, tarjoten mahdollisuuden negatiivisiin päästöihin, kun prosessin energialähteenä käytetään uusiutuvia energialähteitä.
Lämmitys on yksi suuri tekijä hiilidioksidin kaappaukseen käytettävän temperature vacuum swing adsorption (TVSA) syklin energiankulutuksessa. Tässä työssä tutkitaan mahdollisuutta vähentää kulutusta soveltamalla yksinkertaista lämpöenergian kierrätystä Soletair Power:in kaappauslaitteistoon. Lämmityksen mallintamiseksi luodaan jaoteltu solmupohjainen dynaaminen malli, sekä johdetaan estimaattori adsorbentin lämpötilan estimointiin, että sopivat kaskadipohjaiset säätölait sulautetulla sumealla parametrien sääntökanta taulukoinnilla.
Tulokset validoitiin rakennetusta testiympäristöstä saatuja tuloksia vastaan. Testit ovat tehty eri skenaarioille, jotta energiansäästö ja lämmitysajan parantuminen voidaan tulkita. Lämmön kierrätyksellä on mahdollista saavuttaa 17% energiansäästö skenaariossa, jossa lämmitysaika pitenee verrattuna referenssitilanteeseen. Säätölakeja hyödyntämällä lämmitystä on mahdollista nopeuttaa 20%, mutta samalla energiankulutus kasvaa tutkituissa skenaarioissa.
Heating plays a significant role in the DAC temperature vacuum swing adsorption (TVSA) cycle. This thesis investigates a possible solution to reduce energy consumption by implementing a simple heat circulation procedure into the Soletair Power DAC system, at first, by focusing on the derivation of a discrete node-based modeling approach for heating dynamics. Based on the modeling a solution is suggested for adsorbent temperature estimation together with control laws with cascade structure supported by fuzzy gain scheduler. The results from the suggested approach are validated experimentally. The testing is carried out for multiple scenarios to obtain possible energy savings alongside improvements in heating itself. It was found that overall controlled circulation offered 17% energy saving in a scenario with a trade-off to longer heating time compared to the reference solution. In another testing scenario, the heating time was decreased by 20% with a cost to energy consumption in scenarios under investigation.
Lämmitys on yksi suuri tekijä hiilidioksidin kaappaukseen käytettävän temperature vacuum swing adsorption (TVSA) syklin energiankulutuksessa. Tässä työssä tutkitaan mahdollisuutta vähentää kulutusta soveltamalla yksinkertaista lämpöenergian kierrätystä Soletair Power:in kaappauslaitteistoon. Lämmityksen mallintamiseksi luodaan jaoteltu solmupohjainen dynaaminen malli, sekä johdetaan estimaattori adsorbentin lämpötilan estimointiin, että sopivat kaskadipohjaiset säätölait sulautetulla sumealla parametrien sääntökanta taulukoinnilla.
Tulokset validoitiin rakennetusta testiympäristöstä saatuja tuloksia vastaan. Testit ovat tehty eri skenaarioille, jotta energiansäästö ja lämmitysajan parantuminen voidaan tulkita. Lämmön kierrätyksellä on mahdollista saavuttaa 17% energiansäästö skenaariossa, jossa lämmitysaika pitenee verrattuna referenssitilanteeseen. Säätölakeja hyödyntämällä lämmitystä on mahdollista nopeuttaa 20%, mutta samalla energiankulutus kasvaa tutkituissa skenaarioissa.