Development of an advanced surrogate modeling tool for the exploration and sustainability assessment of integrated biorefinery concepts

Abstract

Ein systematischer Ansatz zur Generierung von nachhaltigen Bioraffinerie-Konzepten, welche in der Lage sind mit den Erdölraffinerien zu konkurrieren, ist von großer Bedeutung für die Substitution von nicht erneuerbaren, fossilen Energieträgern durch alternative und erneuerbare Ressourcen. Das Ziel von Bioraffinerien ist die Herstellung einer breiten Produktpalette durch die optimale Verwertung der Biomasse, um die Profitabilität der Anlage zu maximieren. Lignozellulosehaltige Biomasse ist einer der vielversprechendsten Rohstoffe für die Erzeugung verschiedener Produkte innerhalb einer Bioraffinerie aufgrund des großen Vorkommens und der Vielseitigkeit. Jedoch bereitet die Verarbeitung von lignozellulosehaltiger Biomasse auch technische Schwierigkeiten, vor allem hinsichtlich des hohen Wasser- und Energiebedarfs. Daher ist die Entwicklung von integrativen Bioraffinerie-Konzepten, welche das Recycling und Wiederverwerten von Rohstoffen und die Reduktion des Energieverbrauches fördern, grundlegend um mit den Erdölraffinerien konkurrieren zu können. Das Zusammenstellen von profitablen und umweltfreundlichen Bioraffinerie-Konzepten erfordert die Verknüpfung von einzelnen Modellen, welche unterschiedliche Technologien zur Umwandlung von Biomasse zu verschiedensten Zwischen- und Endprodukten darstellen. Eine große Anzahl an unterschiedlichen Konzepten für Bioraffinerien muss evaluiert werden, um ein passendes Bioraffinerie-Design identifizieren zu können, welches den Randbedingungen entspricht. Die Implementierung von rigorosen Modellen würde jedoch zu einem enormen Rechenaufwand führen. Surrogat Modelle hingegen sind in der Lage rigorose Modelle zu ersetzen und den Rechenaufwand für die Generierung von Bioraffinerie Konzepten zu senken. Surrogat Modelle sind leicht auswertbare Approximationen der zugrundeliegenden rigorosen Modelle, welche die Lösung von komplexen Optimierungsaufgaben durch Reduktion der Komplexität und Beibehaltung an Genauigkeit und Verlässlichkeit der Modelle ermöglichen. Durch die Implementierung von Surrogat Modellen ist die systematische Generierung von Bioraffinerie-Konzepten und deren Nachhaltigkeitsbewertung hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit praktikabel. Das entwickelte Modellierungstool ermöglicht die Verwendung der Surrogat Modelle zur systematischen Generierung von wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Bioraffinerie Konzepten. Es stellt ausgearbeitete Routinen zur Verfügung um Surrogat Modelle zu Erstellen und diese in der Optimierungsumgebung zu Implementieren. Des Weiteren verfügt das Modellierungstool über eine Datenbank mit 21 Surrogat Modellen und einer Inventarliste, womit eine Massen und Wärmeintegration für jedes erstelle Konzept durchgeführt, sowie die Betriebskosten und Investitionsausgaben bestimmt werden können. Zusätzlich ermöglicht das Modellierungstool die Ermittlung des Treibhauspotenzials, des Eco-Indikators 99 und des kumulierten Energieaufwandes für die Durchführung von Lebenszyklusbewertungen der erstellten Bioraffinerie Konzepten. Somit ermöglicht das Modellierungstool die Erstellung von Surrogat Modellen und deren Implementierung zur systematischen Generierung von wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Bioraffinerie Konzepten.

A systematic framework to generate sustainable biorefinery concepts, which are able to compete with crude oil refineries, is of great significance for the substitution of non-renewable natural resources as fossil fuels, by alternative and renewable natural resources that are eco-friendly. The objective of biorefining is to produce multiple products by taking advantage of every value from the biomass feedstock in order to maximize the value derived from the feedstock and to minimize the waste. Lignocellulosic biomass in particular is a feedstock with great potential due to being the most abundant material on earth and its versatility. However the conversion of lignocellulosic biomass has also technical disadvantages like the high water and energy demand. Consequently the generation of integrative concepts, which endeavor recycling and reusing materials as well as reducing the energy consumption, is vital for being able to compete with crude oil refineries. Compiling profitable and environmental compatible biorefinery concepts requires linking individual models of technologies to convert biomass to various intermediates and products. Furthermore, the models have to be modified to reflect design changes and a large number of different designs for the biorefinery has to be evaluated. Using rigorous models to this end results in enormous computational cost. The development of accurate models, which can be implemented in a systematic multicriteria assessment and optimization framework, is a crucial point for the exploration of integrated biorefinery concepts. To this end surrogate models can be the key for the development of a reliable tool to identify sustainable process concepts using a systematic framework. Surrogate models are cheap-to-evaluate approximations of the underlying rigorous model, which enable solving complex optimization tasks by reducing the complexity of the models without compromising the accuracy and dependability. The surrogate modeling tool enables the implementation of surrogate models into an optimization based framework for the generation of integrated biorefinery concepts, by providing elaborated routines to create and use the surrogate models. Furthermore the tool includes a sophisticated database, containing 21 surrogate models and an inventory consisting of essential data to perform a mass and heat integration for compiled biorefinery concepts, as well as economic assessments including operating cost and capital cost. The surrogate modeling tool also provides the necessary method and data to determine the global warming potential, the cumulative energy demand and the Eco-indicator 99 as indicators for the performance of cradle-to-gate life cycle assessments of generated concepts. Thereby the surrogate modeling tool enables the generation of sustainable biorefinery concepts using an optimization based framework, which represents a great development towards the substitution of fossil fuels.