Design and scheduling of low temperature CO2 electrolysis plants for flexibility applications.

The current drive towards defossilization is sending the chemical industry on a search for new processes and products, being one of the sectors with the highest number of fossil fuel based processes with a high impact on global warming. In this particular context, the electrochemical reduction of CO2 at low temperature emerges as a promising option. It holds the potential for synthesizing chemicals directly from CO2 and water in one direct step. Nevertheless, this technology is still in its early stages, characterized by a relatively low Technology Readiness Level (TRL), especially when compared to more advanced technologies like high-temperature electrolysis. Furthermore, the growing share of intermittent electricity necessitates new processes to be flexible. Thus, an analysis on the process level including the question of flexible production provides insights for assessing its economic potential. In this thesis, conducted in part at RWTH University of Aachen in SVT Department in the group of professor Mitsos, a simplified model of a CO2 electrolyser is implemented into a combined analysis and scheduling problem. The approach to this work can be divided into several steps. First, an analysis and identification of the relevant phenomena is carried out, defining the components required in the system and their characteristics. The problem is then formulated as a mathematical optimisation problem. This is followed by the implementation of the mathematical optimisation problem within a Python code, where the MAiNGO is exploited as optimiser. Finally, the economic potential derived from the results is analysed and compared with literature data and the status quo. The final results obtained indicate that, although the technology is at an early stage of maturity, it could offer interesting applications for flexibility purposes. In particular, its relevance becomes evident when considering the projected electricity market, which is expected to be characterised by high price volatility.

L'attuale obiettivo della defossilizzazione sta spingendo l'industria chimica verso la ricerca di nuovi processi e prodotti, poichè dato il largo numero di processi basati sui combustibili fossili l'impatto di tale settore sulle emissioni globali risulta rilevante. In questo particolare contesto, l'elettrolisi della CO2 emerge come una strada promettente. Ha il potenziale per sintetizzare sostanze chimiche direttamente da CO2 e acqua in un unico step. Tuttavia, è importante notare che questa tecnologia è ancora nelle sue fasi iniziali, caratterizzata da un Technology Readiness Level (TRL) relativamente basso, soprattutto se confrontata con tecnologie più avanzate come quelle ad alta temperatura. Inoltre, la crescente quota di elettricità intermittente richiede nuovi processi che siano flessibili. Pertanto, un'analisi a livello di processo, comprensiva della questione della produzione flessibile, potrebbe offrire spunti per valutare il suo potenziale economico. In questa tesi, svolta in parte presso l'Università RWTH di Aquisgrana nel Dipartimento SVT nel gruppo del professor Mitsos, un modello semplificato di un elettrolizzatore CO2 viene implementato in un problema di analisi e programmazione. L'approccio a questo lavoro può essere suddiviso in diverse fasi. In primo luogo, viene effettuata un'analisi e un'identificazione dei fenomeni rilevanti, definendo i componenti richiesti nel sistema e le loro caratteristiche. Il problema di ottimizzazione viene quindi formulato matematicamente, e poi implementato all'interno di un codice Python, dove MAiNGO viene sfruttato come ottimizzatore. Infine, il potenziale economico derivante dai risultati viene analizzato e confrontato con i dati della letteratura e con lo status quo. I risultati ottenuti indicano che la tecnologia, pur essendo in una fase iniziale di sviluppo, potrebbe essere interessante per applicazioni che prevedono condizioni operative flessibili. In particolare, la sua utilità può essere riconosciuta in un contesto in cui il mercato dell'elettricità è caratterizzato da un'elevata volatilità dei prezzi, come previsto dalle proiezioni future.