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Design, modeling, and optimization of flexible hydrogen-based power-to-X processes = Entwurf, Modellierung und Optimierung von flexible wasserstoffbasierten Power-to-X Prozessen
2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026. - Dissertation, KU Leuven, 2026
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Cotutelle Dissertation
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-05-08
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-05188
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1035906/files/1035906.pdf
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Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Power-to-X (frei) ; flexibility (frei) ; hydrogen (frei) ; modeling (frei) ; optimization (frei) ; process design (frei) ; scenario uncertainty (frei) ; scheduling (frei) ; storage (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Power-to-X (PtX) und Power- and Biomass-to-X (PBtX)-Prozesse sind vielversprechende Alternativen zu konventionellen Produktionsprozessen für Bulkchemikalien und Kraftstoffe, die im Allgemeinen auf fossilen Rohstoffen basieren. Diese Verfahren können erneuerbare Energiequellen und nachhaltige Rohstoffe wie Kohlendioxid und Restbiomasse zur Synthese von strombasierten Produkten nutzen. Dennoch müssen erhebliche Herausforderungen bewältigt werden, um ihre Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Diese Dissertation befasst sich mit einigen dieser Herausforderungen, indem sie die PtX- und PBtX-Prozesse untersucht, bei denen wichtige kohlenstoffbasierte Chemikalien und Kraftstoffe unter Verwendung von Wasserstoff aus Niedertemperatur-Wasserelektrolyse synthetisiert werden. Insbesondere werden nach einer Überprüfung der Eignung von PtX-Prozessen für die Prozessintegration und den flexiblen Betrieb verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung von Restbiomasse in PBtX-Prozessen sowie einige wichtige Trade-offs zwischen flexiblem Betrieb und Zwischenspeicherung untersucht, die allesamt entscheidende Aspekte für die Prozesseffizienz und -wirtschaftlichkeit sind.
In Bezug auf die Biomassenutzung in PBtX-Prozessen werden zwei Verarbeitungsoptionen, nämlich Verbrennung und Vergasung, untersucht. Mit relativ einfachen Modellen werden die thermodynamischen Vorteile der Biomassevergasung gegenüber der Verbrennung für alle betrachteten Produkte “X” aufgezeigt. Die wichtigsten Trends werden für einen detailliert modellierten Methanolproduktionsprozess bestätigt. Dennoch könnten diese relativ einfachen Modelle zu irreführenden Schlussfolgerungen bei anderen Prozessvergleichen führen, z. B. bei der Kerosinproduktion, wenn sie nicht ausreichend repräsentativ sind.
Bei der Untersuchung des Trade-offs zwischen flexiblem Betrieb und Zwischenspeicherung wird eine Fallstudie zu Power-to-Methanol (PtMeOH) hinsichtlich Designs und Be-trieb gleichzeitig optimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass ein flexibler Betrieb des gesamten Prozesses zu einer Methanolproduktionskostensenkung führt. Der Zwischenspeicherungsbedarf hängt von den wirtschaftlichen Annahmen ab, da sich die Investitionskosten eventuell nicht durch die Betriebskosteneinsparungen amortisieren.
Dieser Trade-off wird weiter untersucht, indem der PtMeOH-Prozess unter Unsicherheit bezüglich der Realisierung des Strompreisszenarios optimiert wird. Während ein flexibler Betrieb aller Prozessanlagen die Produktionskosten senkt, ergibt sich kein klares Muster hinsichtlich der Notwendigkeit einer Zwischenspeicherung. Dennoch sollten das Prozessdesign und der -betrieb gleichzeitig optimiert werden. Da diese Optimierungsprobleme oftmals numerisch schwer zu lösen sind, wird auch ein Ansatz zur Komplexitätsreduzierung untersucht, der auf Szenario-Clustering und der Freiheitsgradereduzierung basiert.
Diese Dissertation vertieft das Verständnis der wasserstoffbasierten PtX- und PBtX-Prozesse und hebt einige wichtige Effizienz- und Wirtschaftlichkeitsfaktoren hervor, um ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber fossilen Alternativen zu verbessern. Darüber hinaus werden einige Einschränkungen bei den betrachteten Methoden festgestellt, insbesondere in Bezug auf die Repräsentativität des Prozessmodells und die Konsistenz der Rechengeschwindigkeit, welche auf die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen hinweisen.Power-to-X (PtX) and Power- and Biomass-to-X (PBtX) processes are promising alternatives to conventional production processes of bulk chemicals and fuels, which generally rely on fossil feedstocks. These processes can utilize renewable energy sources and sustainable feedstocks such as carbon dioxide and residual biomass to synthesize electricity-based products. Nevertheless, substantial challenges must be addressed to improve their efficiency and economic viability.
This dissertation addresses some of these challenges by investigating PtX and PBtX processes that synthesize some key carbon-based chemicals and fuels using hydrogen produced via low-temperature water electrolysis. In particular, after reviewing the suitability of PtX processes for process integration and flexible operation, several ways of utilizing residual biomass in PBtX processes, as well as some key trade-offs between flexible operation and intermediate storage technologies, are investigated, all being crucial aspects for improving process efficiency and viability.
Concerning the utilization of biomass in PBtX processes, two key thermochemical processing options, i.e., combustion and gasification, are investigated and compared. With relatively simple models, the thermodynamic advantages of biomass gasification over combustion for all considered products “X” are shown. The key trends are then confirmed for a Power- and Biomass-to-Methanol process modeled in detail. Nevertheless, the use of these relatively simple models could lead to misleading conclusions for other process comparisons, e.g., of kerosene production pathways, if the models are not adequately representative.
When investigating the trade-off between flexible operation and intermediate storage, a Power-to-Methanol (PtMeOH) case study is optimized with respect to its design and scheduling, simultaneously. The optimization results show that enabling flexible operation of the entire process can reduce the methanol production cost. In contrast, the need for intermediate storage depends on the economic assumptions, as its investment cost may not be recovered through the savings in the operating costs.
This trade-off is further investigated by optimizing the PtMeOH process with intermediate storage under electricity price scenario uncertainty. While enabling flexible operation of all process units consistently lowers the production cost for given process designs, no clear pattern emerges concerning the need for intermediate storage: different process designs with and without storage can result in similar production costs when flexible operation of all process units is enabled and scheduling is optimized. Still, both process design and scheduling should be optimized simultaneously. As these optimization problems often suffer from numerical intractability, a complexity reduction approach based on feature-based scenario clustering and degrees of freedom reduction is investigated.
This dissertation advances the understanding of hydrogen-based PtX and PBtX processes and highlights some key efficiency and economic drivers to improve their competitiveness against fossil-based alternatives. Also, some limitations in the applied and developed methods, specifically related to process model representativeness and computational speed-up consistency, are identified, thus indicating the need for further investigation.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031492538
Interne Identnummern
RWTH-2026-05188
Datensatz-ID: 1035906
Beteiligte Länder
Germany, Belgium
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