Multi-objective heat exchanger network synthesis: simultaneous optimization of heat integration and process design

Abstract

Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Die Verringerung der Emissionen, insbesondere im Industriesektor, ist von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wird die Wärmeintegration in industriellen Prozessen durch die Erweiterung der Heat Exchanger Network Synthesis (HENS) neu gedacht. Dies ermöglicht die gleichzeitige Optimierung der Kernprozesse, des Wärmetauschernetzes und der Versorgungseinrichtungen. Mit der erweiterten HENS-Formulierung, die gemischt-ganzzahlige Programmierung verwendet, ist es erstmals möglich, ein integriertes Prozessdesign zu optimieren. Der multikriterielle Ansatz ermöglicht darüber hinaus eine Abkehr von rein monetären Aspekten bei der Planung industrieller Energiesysteme hin zu einem ganzheitlichen Ansatz, der das Potenzial zur gleichzeitigen Verbesserung von Kosten, Effizienz und Emissionen bietet. Die HENS-Erweiterung übertraf Fallstudien aus der Literatur in Bezug auf die jährlichen Gesamtkosten. Das Potenzial der Erweiterung wurde außerdem durch die Optimierung einer neuartigen 1 MW Power-to-Liquid (PtL)-Anlage demonstriert. Die Ergebnisse zeigten, dass der integrierte Prozessdesignansatz im Vergleich zu traditionellen Designansätzen günstigere Brennstoffproduktionskosten und höhere PtL-Wirkungsgrade liefert. Die multikriterielle Optimierung ermöglicht eine unverzichtbare Entscheidungsgrundlage für zukunftsorientierte industrielle Energiesysteme.

Climate change is one of the most significant challenges of our time. Reducing emissions, especially in the industrial sector, is essential. In this work, heat integration in industrial processes is rethought by extending the Heat Exchanger Network Synthesis (HENS). This makes it possible to simultaneously optimize the core processes, the heat exchanger network and the utilities. With the extended HENS formulation, using mixed integer programming, optimizing an integrated process design is possible for the first time. The multi-criteria approach furthermore enables to shift away from purely monetary aspects in planning industrial energy systems towards a holistic approach, which offers the potential to simultaneously improve costs, efficiency and emissions. The HENS extension outperformed case studies from the literature in terms of total annual costs. The potential of the extension was further demonstrated by optimizing a novel 1 MW power-to-liquid (PtL) plant. The results showed that the integrated process design approach is superior in fuel production costs and PtL-efficiency compared to traditional design approaches. The multi-criteria optimization enables an indispensable decision-making basis for future-oriented industrial energy systems.