수소는 지구상의 생명체가 살 수 없게 만들기 직전인 기후 변화라는 인류 역사상 가장 큰 문제에 대한 해결책으로 간주됩니다. 재생 에너지의 확대된 점유율과 에너지 믹스에서 재생 에너지의 점유율 증가는 이 엄청난 규모의 재난을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 재생 가능 에너지는 또한 에너지의 저장 및 수송이 제안된 ...
수소는 지구상의 생명체가 살 수 없게 만들기 직전인 기후 변화라는 인류 역사상 가장 큰 문제에 대한 해결책으로 간주됩니다. 재생 에너지의 확대된 점유율과 에너지 믹스에서 재생 에너지의 점유율 증가는 이 엄청난 규모의 재난을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 재생 가능 에너지는 또한 에너지의 저장 및 수송이 제안된 간헐성 및 공급 보안의 형태로 결점이 있습니다. 이러한 시나리오에서 수소는 알려진 모든 연료 중 가장 높은 중량 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 잠재적 에너지 운반체로 등장합니다. 저장 및 운송을 위해 수소는 압축, 액화 또는 암모니아, 메탄올, 메틸시클로헥산 등과 같은 다른 화학 물질로 전환되어야 합니다. 이러한 각 경로에는 장단점이 있습니다. 하지만 액화는 에너지 집약적임에도 불구하고 전력에서 수소 전력으로의 완전한 전환이 끝날 때 LHV의 효율성 및 에너지 함량 점유율에 대해 경쟁력이 있습니다. 이 연구 작업은 새롭고 단순한 독립형 및 통합 설계 구성을 설계하고 최적화하여 액화 공정의 에너지 소비를 줄이기 위한 노력입니다. 따라서 액체 수소에 대한 강력한 사례를 만들고 경쟁력을 높입니다. 수소의 경우 액화 문제는 주로 두 가지 요인에 의해 방해를 받습니다. 첫 번째는 수소의 매우 낮은 액화 온도(–253°C)이고 두 번째는 스핀 이성질체(o-H2 및 p-H2)의 발열 상호 전환입니다. . 따라서 처음에는 극저온 열교환기의 성능, 원자로 구성 및 작동 모드, 액화 공정의 에너지 효율에 대한 가능한 영향에 대한 잠재적인 영향과 함께 이 중요한 전환 반응의 매개변수 분석을 연구했습니다. 반응을 시뮬레이션하기 위한 대체 접근 방식도 제안됩니다. 결과는 프로세스 설계에 대한 현재 접근 방식을 변경할 필요가 있음을 보여줍니다. 따라서 새로운 공정 설계 구성이 크게 필요합니다. 전반적으로 4가지 프로세스 디자인은 주요 목표 중 하나였던 상업 또는 기타 문학 작품에 비해 구성이 새롭고 단순하며 혁신적입니다. 현실적인 통합 옵션의 관점에서 가장 가능성이 높고 운영의 용이성을 보여주는 LNG와 LA가 선택을 정당화하는 것으로 고려되었습니다. Aspen HYSYS의 옵티마이저에서 외부의 엄격한 옵티마이저에 이르기까지 다양한 최적화 접근 방식이 고려됩니다. 프로세스 지식 기반 접근 방식은 결정 변수의 변경 효과가 몇 초 안에 표시되므로 반복되는 것을 피할 수 있기 때문에 가장 매력적이고 신뢰할 수 있습니다. 결과적으로 모든 공정의 SEC는 상용 공정에 비해 50% 이상 매우 낮습니다. 2단계 공정은 6.45 kWh/kgLH2 의 에너지를 소비하며, 이는 제안된 공정의 기본 설계 및 공개된 기본 사례에서 소비되는 에너지보다 각각 36.5% 및 16.1% 낮습니다. 또한 제안된 공정의 엑서지 효율은 47.2% 이다. HFO 강화 MR 기반 구성에서 예냉 주기의 SEC는 전체 공정에서 10.15 kWh/kgLH2 에서 5.90 kWh/kgLH2 로 41.8% 감소합니다. 제안된 경우의 엑서지 효율은 43.7% 증가합니다. RLNG 통합 공정 결과에 따르면 전체 냉매 양이 약 50% 감소하여 특정 에너지 소비가 약 40% 감소한 것으로 나타났습니다. 즉, 7.64 kWh/kgLH2 로 감소했습니다. 제안된 공정의 엑서지 효율은 42.25% 로 상업용 플랜트 (21%) 에 대해 보고된 것보다 훨씬 높습니다. 반면 LAES 방전 사이클 통합 공정의 공정 지식 기반 최적화는 액화 공정에서 56.4% (5.92 kWh/kgLH2) 적은 에너지를 소비했습니다. 43.74% 의 높은 엑서지 효율을 달성하여 우수한 통합 및 최적화를 나타냅니다. 액화수소의 대량 저장 및 운송의 관점에서 볼 때, 설계의 단순성과 낮은 에너지 소비는 공정의 상업화를 고려하기에 설득력 있는 사례를 만듭니다. 이 연구는 공정 엔지니어가 H2 저장 및 장거리 운송의 경쟁력을 향상시켜 지속 가능한 녹색 경제를 달성하는 데 도움이 될 것입니다. 이 연구에서 제시된 개념과 채택된 접근 방식은 수소 에너지 네트워크 및 수소 경제 관점에서 광범위한 결과와 이점을 가질 것으로 예상됩니다. 통합 프로세스는 LNG, LA 및 수소 액화의 가치 사슬 역학을 변화시켜 수소 경제로의 전환을 촉진할 것으로 예상됩니다.
수소는 지구상의 생명체가 살 수 없게 만들기 직전인 기후 변화라는 인류 역사상 가장 큰 문제에 대한 해결책으로 간주됩니다. 재생 에너지의 확대된 점유율과 에너지 믹스에서 재생 에너지의 점유율 증가는 이 엄청난 규모의 재난을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 재생 가능 에너지는 또한 에너지의 저장 및 수송이 제안된 간헐성 및 공급 보안의 형태로 결점이 있습니다. 이러한 시나리오에서 수소는 알려진 모든 연료 중 가장 높은 중량 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 잠재적 에너지 운반체로 등장합니다. 저장 및 운송을 위해 수소는 압축, 액화 또는 암모니아, 메탄올, 메틸시클로헥산 등과 같은 다른 화학 물질로 전환되어야 합니다. 이러한 각 경로에는 장단점이 있습니다. 하지만 액화는 에너지 집약적임에도 불구하고 전력에서 수소 전력으로의 완전한 전환이 끝날 때 LHV의 효율성 및 에너지 함량 점유율에 대해 경쟁력이 있습니다. 이 연구 작업은 새롭고 단순한 독립형 및 통합 설계 구성을 설계하고 최적화하여 액화 공정의 에너지 소비를 줄이기 위한 노력입니다. 따라서 액체 수소에 대한 강력한 사례를 만들고 경쟁력을 높입니다. 수소의 경우 액화 문제는 주로 두 가지 요인에 의해 방해를 받습니다. 첫 번째는 수소의 매우 낮은 액화 온도(–253°C)이고 두 번째는 스핀 이성질체(o-H2 및 p-H2)의 발열 상호 전환입니다. . 따라서 처음에는 극저온 열교환기의 성능, 원자로 구성 및 작동 모드, 액화 공정의 에너지 효율에 대한 가능한 영향에 대한 잠재적인 영향과 함께 이 중요한 전환 반응의 매개변수 분석을 연구했습니다. 반응을 시뮬레이션하기 위한 대체 접근 방식도 제안됩니다. 결과는 프로세스 설계에 대한 현재 접근 방식을 변경할 필요가 있음을 보여줍니다. 따라서 새로운 공정 설계 구성이 크게 필요합니다. 전반적으로 4가지 프로세스 디자인은 주요 목표 중 하나였던 상업 또는 기타 문학 작품에 비해 구성이 새롭고 단순하며 혁신적입니다. 현실적인 통합 옵션의 관점에서 가장 가능성이 높고 운영의 용이성을 보여주는 LNG와 LA가 선택을 정당화하는 것으로 고려되었습니다. Aspen HYSYS의 옵티마이저에서 외부의 엄격한 옵티마이저에 이르기까지 다양한 최적화 접근 방식이 고려됩니다. 프로세스 지식 기반 접근 방식은 결정 변수의 변경 효과가 몇 초 안에 표시되므로 반복되는 것을 피할 수 있기 때문에 가장 매력적이고 신뢰할 수 있습니다. 결과적으로 모든 공정의 SEC는 상용 공정에 비해 50% 이상 매우 낮습니다. 2단계 공정은 6.45 kWh/kgLH2 의 에너지를 소비하며, 이는 제안된 공정의 기본 설계 및 공개된 기본 사례에서 소비되는 에너지보다 각각 36.5% 및 16.1% 낮습니다. 또한 제안된 공정의 엑서지 효율은 47.2% 이다. HFO 강화 MR 기반 구성에서 예냉 주기의 SEC는 전체 공정에서 10.15 kWh/kgLH2 에서 5.90 kWh/kgLH2 로 41.8% 감소합니다. 제안된 경우의 엑서지 효율은 43.7% 증가합니다. RLNG 통합 공정 결과에 따르면 전체 냉매 양이 약 50% 감소하여 특정 에너지 소비가 약 40% 감소한 것으로 나타났습니다. 즉, 7.64 kWh/kgLH2 로 감소했습니다. 제안된 공정의 엑서지 효율은 42.25% 로 상업용 플랜트 (21%) 에 대해 보고된 것보다 훨씬 높습니다. 반면 LAES 방전 사이클 통합 공정의 공정 지식 기반 최적화는 액화 공정에서 56.4% (5.92 kWh/kgLH2) 적은 에너지를 소비했습니다. 43.74% 의 높은 엑서지 효율을 달성하여 우수한 통합 및 최적화를 나타냅니다. 액화수소의 대량 저장 및 운송의 관점에서 볼 때, 설계의 단순성과 낮은 에너지 소비는 공정의 상업화를 고려하기에 설득력 있는 사례를 만듭니다. 이 연구는 공정 엔지니어가 H2 저장 및 장거리 운송의 경쟁력을 향상시켜 지속 가능한 녹색 경제를 달성하는 데 도움이 될 것입니다. 이 연구에서 제시된 개념과 채택된 접근 방식은 수소 에너지 네트워크 및 수소 경제 관점에서 광범위한 결과와 이점을 가질 것으로 예상됩니다. 통합 프로세스는 LNG, LA 및 수소 액화의 가치 사슬 역학을 변화시켜 수소 경제로의 전환을 촉진할 것으로 예상됩니다.
Hydrogen is considered a solution to the biggest humanitarian challenge of all times, climate change, which is on the verge of making life on earth inhabitable. Enhanced share of renewable energy and its increased share in the energy mix can likely help overcome this calamity of epic proportions. Ho...
Hydrogen is considered a solution to the biggest humanitarian challenge of all times, climate change, which is on the verge of making life on earth inhabitable. Enhanced share of renewable energy and its increased share in the energy mix can likely help overcome this calamity of epic proportions. However, renewables also have shortcomings in the form of intermittency and security of supply for which storage and transport of energy have been proposed. In such a scenario, hydrogen emerges as a potential energy carrier since it possesses the highest gravimetric energy density of all known fuels. For storage and transportation, hydrogen has to be either compressed, liquefied, or converted to other chemicals such as ammonia, methanol, methylcyclohexane, etc. Each of these routes has its pros and cons but liquefaction, although highly energy intensive, is likely to be the winner considering its efficiency and energy content share of LHV at the end of the complete round trip from power-to-hydrogen-power. This research work is an effort to reduce the energy consumption of the liquefaction process by designing and optimizing new, simple standalone, and integrated design configurations. Thus by making a strong case for liquid hydrogen and enhancing its competitiveness. The challenge of liquefaction in the case of hydrogen is hindered by mainly two things, first is the very low liquefaction temperature of hydrogen (–253 °C), and secondly the exothermic interconversion of its spin isomers (o-H2 and p-H2). Therefore, at first, a parametric analysis of this vital conversion reaction was studied with potential impact on the performance of cryogenic heat exchangers, reactors configuration and mode of operation, and probable impact on the energy efficiency of the liquefaction process. An alternate approach to simulate the reaction is also proposed. The results show that the current approaches to process design need to be changed. Hence, there is a great need for new process design configurations. Overall, the four process designs are new, simple, and innovative in configuration compared to commercial or other literary works which was one of the prime objective. From the realistic integration options point of view, LNG and LA have been considered which show the most promise and the ease of their operation justifies their selection. Different optimization approaches are considered, from Aspen HYSYS’s optimizer to external rigorous optimizers. The process knowledge-based approach is the most appealing and trustworthy since the effect of any change of any of the decision variables is visible within seconds and therefore avoided to be repeated. Resultantly, the SEC of all the processes is very low, at least 50% compared to the commercial processes. The two-stage process consumes energy of 6.45 kWh/kgLH2, which is 36.5% and 16.1% lower than that consumed by the base design of the proposed process and a published base case, respectively. Additionally, the exergy efficiency of the proposed process is 47.2%. In the HFO enhanced MR-based configuration, the SEC of precooling cycle reduces by 41.8%, from 10.15 kWh/kgLH2 to 5.90 kWh/kgLH2, for the overall process. The exergy efficiency of the proposed case increases by 43.7%. The RLNG integrated process results indicated that the overall refrigerant quantity was reduced by approximately 50%, which lead to a reduction of approximately 40% in the specific energy consumption, i.e., it was reduced to 7.64 kWh/kgLH2. The exergy efficiency of the proposed process was 42.25%, which is significantly higher than that reported for commercial plants (21%). Whereas, the process-knowledge-inspired optimization of the LAES discharge cycle integrated process consumed 56.4% (5.92 kWh/kgLH2) less energy in the liquefaction process. The high exergy efficiency of 43.74% was attained, indicating excellent integration and optimization. From the perspective of bulk storage and transportation of liquid hydrogen, the simplicity of design and low energy consumption build a convincing case for considering the commercialization of the process. This study will help process engineers achieve a sustainable green economy by improving the competitiveness of H2 storage and transportation over long distances. The concept presented and the approach adopted in this study are expected to have far-reaching outcomes and benefit from the hydrogen energy network and hydrogen economy perspectives. The integrated processes are expected to change the value chain dynamics of LNG, LA and hydrogen liquefaction, promoting a shift toward a hydrogen economy.
Hydrogen is considered a solution to the biggest humanitarian challenge of all times, climate change, which is on the verge of making life on earth inhabitable. Enhanced share of renewable energy and its increased share in the energy mix can likely help overcome this calamity of epic proportions. However, renewables also have shortcomings in the form of intermittency and security of supply for which storage and transport of energy have been proposed. In such a scenario, hydrogen emerges as a potential energy carrier since it possesses the highest gravimetric energy density of all known fuels. For storage and transportation, hydrogen has to be either compressed, liquefied, or converted to other chemicals such as ammonia, methanol, methylcyclohexane, etc. Each of these routes has its pros and cons but liquefaction, although highly energy intensive, is likely to be the winner considering its efficiency and energy content share of LHV at the end of the complete round trip from power-to-hydrogen-power. This research work is an effort to reduce the energy consumption of the liquefaction process by designing and optimizing new, simple standalone, and integrated design configurations. Thus by making a strong case for liquid hydrogen and enhancing its competitiveness. The challenge of liquefaction in the case of hydrogen is hindered by mainly two things, first is the very low liquefaction temperature of hydrogen (–253 °C), and secondly the exothermic interconversion of its spin isomers (o-H2 and p-H2). Therefore, at first, a parametric analysis of this vital conversion reaction was studied with potential impact on the performance of cryogenic heat exchangers, reactors configuration and mode of operation, and probable impact on the energy efficiency of the liquefaction process. An alternate approach to simulate the reaction is also proposed. The results show that the current approaches to process design need to be changed. Hence, there is a great need for new process design configurations. Overall, the four process designs are new, simple, and innovative in configuration compared to commercial or other literary works which was one of the prime objective. From the realistic integration options point of view, LNG and LA have been considered which show the most promise and the ease of their operation justifies their selection. Different optimization approaches are considered, from Aspen HYSYS’s optimizer to external rigorous optimizers. The process knowledge-based approach is the most appealing and trustworthy since the effect of any change of any of the decision variables is visible within seconds and therefore avoided to be repeated. Resultantly, the SEC of all the processes is very low, at least 50% compared to the commercial processes. The two-stage process consumes energy of 6.45 kWh/kgLH2, which is 36.5% and 16.1% lower than that consumed by the base design of the proposed process and a published base case, respectively. Additionally, the exergy efficiency of the proposed process is 47.2%. In the HFO enhanced MR-based configuration, the SEC of precooling cycle reduces by 41.8%, from 10.15 kWh/kgLH2 to 5.90 kWh/kgLH2, for the overall process. The exergy efficiency of the proposed case increases by 43.7%. The RLNG integrated process results indicated that the overall refrigerant quantity was reduced by approximately 50%, which lead to a reduction of approximately 40% in the specific energy consumption, i.e., it was reduced to 7.64 kWh/kgLH2. The exergy efficiency of the proposed process was 42.25%, which is significantly higher than that reported for commercial plants (21%). Whereas, the process-knowledge-inspired optimization of the LAES discharge cycle integrated process consumed 56.4% (5.92 kWh/kgLH2) less energy in the liquefaction process. The high exergy efficiency of 43.74% was attained, indicating excellent integration and optimization. From the perspective of bulk storage and transportation of liquid hydrogen, the simplicity of design and low energy consumption build a convincing case for considering the commercialization of the process. This study will help process engineers achieve a sustainable green economy by improving the competitiveness of H2 storage and transportation over long distances. The concept presented and the approach adopted in this study are expected to have far-reaching outcomes and benefit from the hydrogen energy network and hydrogen economy perspectives. The integrated processes are expected to change the value chain dynamics of LNG, LA and hydrogen liquefaction, promoting a shift toward a hydrogen economy.
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