Responsive CO2 capture: predictive multi-objective optimisation for managing intermittent flue gas and renewable energy supply

文献情報

出版日 2023-12-22
DOI 10.1039/D3RE00544E
インパクトファクター 4.239
著者

Oliver J. Fisher, Lei Xing, Xingjian Tian, Xin Yee Tai, Jin Xuan


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要旨

The drive for efficiency improvements in CO2 capture technologies continues to grow, with increasing importance given to the need for flexible operation to adapt to the strong fluctuations in the CO2-rich flue gas flow rate and CO2 concentration. Using renewable energy can improve the environmental benefit of CO2 capture technologies; however, renewable energy resources often suffer from the challenge of non-uniform power generation as a result of weather and seasonal variations. In this work, we aimed to dynamically self-optimise the CO2 capture process in a renewable energy system via enhanced weathering of calcite with fresh water in a packed bubble column (PBC) reactor, in which CO2 from flue gas produced by a power plant is converted into bicarbonate and stored in the ocean. Data-driven surrogate dynamic models of the PBC reactor are developed to predict the reactor CO2 capture rate (CR) and power consumption (PC) and are trained using the data generated by physics-based models. Two deep learning models are considered to capture the dynamics of the PBC reactor: a long short-term memory network (LSTM); and a two-stage multilayer perceptron network (MLP). Data-driven models based on LSTM were developed to predict wind energy (R2: 0.908) and inlet flue gas CO2 concentration (R2: 0.981) using publicly available datasets. A multi-objective NSGA-II genetic algorithm is then applied that utilised the inlet flue gas CO2 concentration and wind energy predictions to pre-emptively self-optimise the reactor process conditions (i.e., superficial liquid flow rate and superficial gas flow rate) to maximise the carbon capture rate and minimise non-renewable energy consumption. The results should that by using the dynamic modelling and predictive multi-objective optimisation framework proposed within this study, the PCB reactor CR increased by an average of 16.7% over a one-month operation, whilst simultaneously reducing the proportion of now-renewable energy consumed from an average of 92.9% to an average of 56.6%. Overall, this study demonstrates the effectiveness of a dynamic data-driven modelling and multi-objective optimisation approach to increase the operational flexibility of CO2 capture reactors to adapt to strong fluctuations in flue gas and intermittent renewable energy supply.

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掲載誌

Reaction Chemistry & Engineering

Reaction Chemistry & Engineering
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年間論文数: 284

Reaction Chemistry & Engineering is an interdisciplinary journal reporting cutting-edge research focused on enhancing the understanding and efficiency of reactions. Reaction engineering leverages the interface where fundamental molecular chemistry meets chemical engineering and technology. Challenges in chemistry can be overcome by the application of new technologies, while engineers may find improved solutions for process development from the latest developments in reaction chemistry. Reaction Chemistry & Engineering is a unique forum for researchers whose interests span the broad areas of chemical engineering and chemical sciences to come together in solving problems of importance to wider society. All papers should be written to be approachable by readers across the engineering and chemical sciences. Papers that consider multiple scales, from the laboratory up to and including plant scale, are particularly encouraged.

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