Systems integrations for the olistic design of second generation biorefineries

Abstract

The development of integrated biorefineries is a multidimensional problem, which combines the traditional process design problem with the synthesis problem of product portfolios and multiple processing paths at various technological readiness levels (TRLs). The complexity and the size of the combined problem do not allow the development of a single optimization model. However, this thesis presents an approach to systems decomposition for the design problem of second generation biorefineries. The framework combines various design scales and tools for modeling, integration, and synthesis. The main objective is to simultaneously reduce the cost and the environmental impact, while optimizing the use of the utilities. Challenges include (i) the management of the data acquired by various sources (literature or experimental) and at various accuracy levels due to different TRLs (pilot, laboratory, or theoretical stage), (ii) the systematic screening of processing paths while considering the technological attributes, (iii) the impact of alternative designs on the utility consumption (mass and energy), (iv) the endogenous symbiotic options when revamping existing installations, and (v) the integrated waste management. The approach makes use of surrogate-based optimization primarily to harmonize data coming from different sources, but also to assist in the systematic development of lower-grain models. Surrogates are employed to address deviations between the fine models and the experimental data by handling certain process and property parameters as degrees of freedom. Their use is illustrated by the synthesis of the value chain, where superstructures are developed as bipartite graphs of sinks and sources, organizing the processes as modular units that can be modified, replaced, and/or re-engineered. The synthesis problem is demonstrated in a network of twenty-one different processes, each accounted of separate surrogates. Next, the study continues with an optimization model that sets utility targets, simultaneously for mass and energy consumption, and to screen alternative technological options. The framework is applicable to both grassroots and retrofit designs. Lastly, the approach is extended for the integrated waste management and treatment. For this purpose, decision trees are proposed to classify the waste streams with criteria related to their physical state (liquids, solids and gases) and their qualitative characteristics. The optimization problem is formulated as a mixed-integer nonlinear programming problem. The objective function considers economic and environmental criteria, while the integration framework and the treatment technologies are considered as degrees of freedom.Results show that surrogates led to significant improvements, and, when assisted by the simulation models, their selections were verified on industrial scale. In the process synthesis problem, results coming from nominal screening were rejected due to the qualitative characteristics of the streams and the technological constraints. The simultaneous integration of utilities and process design options demonstrated significant cost savings by reducing the energy consumption and proposing more efficient recycling/recuse configurations. The results of the retrofit problem showed a marginal preference for bioethanol production (partly due to the maturity of technology) but with coproduction of specialties and the integration of new technologies. The integrated waste management yielded significant savings in using decentralized treatment and nonconventional solutions. Results demonstrate the immense importance of the integrated design, confirming that the industrial biorefinery cannot compete with the equivalent conventional units without sufficient integration.The research of this thesis has assisted in the industrial development of laboratory and pilot technologies, which were originally developed in France.

Η ανάπτυξη σύγχρονων βιοδιυλιστηρίων αποτελεί σύνθετο σχεδιαστικό πρόβλημα καθώς, εκτός από τη συμβατική ανάπτυξη και την ολοκλήρωση των επιλεγμένων διεργασιών, απαιτείται η ταυτόχρονη ανάπτυξη χαρτοφυλακίων προϊόντων με επιλογές ανάμεσα σε διεργασίες με διαφορετικά επίπεδα ωριμότητας. Η πολυπλοκότητα και το μέγεθος του συνδυαστικού προβλήματος καθιστούν ανέφικτη την ανάπτυξη ενός ενιαίου μοντέλου βελτιστοποίησης. Εν τούτοις, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει ένα συστημικό μεθοδολογικό πλαίσιο αποικοδόμησης που είναι κατάλληλο για το γενικευμένο πρόβλημα των βιοδιυλιστηρίων δεύτερης γενιάς. Η μεθοδολογία συνδυάζει εναλλακτικές σχεδιαστικές κλίμακες και εργαλεία προτυποποίησης που αφορούν στην αναπαράσταση και στη σύνθεση των επιμέρους βιο-διεργασιών. Η συστημική προσέγγιση στοχεύει στην ταυτόχρονη μείωση κόστους, στον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και στην καλύτερη διαχείριση βοηθητικών παροχών. Συστημικές προκλήσεις περιλαμβάνουν (i) τη διαχείριση δεδομένων που προέρχονται από διαφορετικές πηγές (βιβλιογραφία ή πειράματα), σε κάθε περίπτωση με διαφορετική ακρίβεια λόγω διαφορετικής πειραματικής προέλευσης και τεχνολογικής ωριμότητας (πιλοτική εγκατάσταση, εργαστήριο, θεωρητικό στάδιο), (ii) τη συστηματική σύγκριση εναλλακτικών επιλογών επεξεργασίας, λαμβάνοντας υπόψη τεχνολογικά χαρακτηριστικά, (iii) την επίδραση των σχεδιαστικών επιλογών στην κατανάλωση βοηθητικών παροχών (ενέργειας και μάζας), (iv) τις ενδογενείς συμβιωτικές επιλογές κατά την αναβάθμιση υφιστάμενων μονάδων με νέες τεχνολογίες και (v) την ολοκληρωμένη διαχείριση αποβλήτων.Η μελέτη των διεργασιών βασίζεται στη χρήση υπολογιστικών προτύπων υποκατάστασης (surrogate models) που εναρμονίζουν δεδομένα από διαφορετικές πηγές και συμβάλλουν στην διαμόρφωση υπολογιστικών εργαλείων γενικότερης χρήσης. Τα πρότυπα υποκατάστασης (surrogates) εξομαλύνουν αποκλίσεις σε υπολογισμούς, γενικεύουν τη χρήση πειραματικών δεδομένων και λειτουργούν με βαθμούς ελευθερίας που περιλαμβάνουν σχεδιαστικές και θερμοδυναμικές παραμέτρους (διεργασίες, ρεύματα). Η χρήση τους παρουσιάζεται στη σύνθεση διεργασιών με υπερδομές και στην ανάπτυξη δικτύων ολοκλήρωσης ανάμεσα σε ρεύματα-πηγές (sources) και ρεύματα-αποδέκτες (sinks). Τα προβλήματα σύνθεσης μελετήθηκαν για 21 εναλλακτικές διεργασίες, ο σχεδιασμός των οποίων μελετήθηκε τόσο μεμονωμένα όσο και στο πλαίσιο της ολοκλήρωσής τους με τις υπόλοιπες διεργασίες. Η μελέτη οδήγησε σε μαθηματικό πρότυπο για την ταυτόχρονη βελτιστοποίηση βοηθητικών παροχών στη βιομηχανική μονάδα (ενέργειας και μάζας) καθώς και στην περαιτέρω ολοκλήρωσή της με σχεδιαστικές επιλογές. Η προσέγγιση εφαρμόζεται τόσο στη διαμόρφωση νέων μονάδων (grassroots design) όσο και σε προβλήματα επανασχεδιασμού (retrofitting). Το μεθοδολογικό πλαίσιο περιλαμβάνει, τέλος, την ολοκληρωμένη διαχείριση και επεξεργασία των αποβλήτων. Για το σκοπό αυτό προτάθηκαν δέντρα αποφάσεων που συσχετίζουν ρεύματα αποβλήτων με κριτήρια που σχετίζονται με τη φυσική τους κατάσταση (υγρά, στερεά και αέρια) και με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των συστατικών τους. Η ανάλυση οδήγησε σε μαθηματικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που επιλύθηκε με τεχνικές μεικτού ακέραιου μη-γραμμικού προγραμματισμού. Η βελτιστοποίηση βασίζεται σε οικονομικούς και περιβαλλοντικούς όρους, ενώ οι βαθμοί ελευθερίας περιλαμβάνουν το πλαίσιο ολοκλήρωσης και τις τεχνολογίες επεξεργασίας.Τα πρότυπα υποκατάστασης κατέδειξαν σημαντικές βελτιώσεις και, υποβοηθούμενα από προσομοιώσεις, οδήγησαν σε επιλογές που πιστοποιήθηκαν σε βιομηχανική κλίμακα. Στη σύνθεση, λύσεις προερχόμενες από την ονομαστική διαλογή απορρίφθηκαν λόγω ποιοτικών χαρακτηριστικών των ρευμάτων και των τεχνολογικών περιορισμών. Η ταυτόχρονη ολοκλήρωση πολλαπλών βοηθητικών παροχών και των σχεδιαστικών επιλογών οδήγησε σε σημαντική μείωση κόστους, περιορίζοντας την κατανάλωση ενέργειας και προτείνοντας αποδοτικότερα πλαίσια ανακύκλωσης και αναγέννησης παροχών. Η προτεινόμενη λύση του προβλήματος επανασχεδιασμού διατηρεί οριακή προτίμηση στην παραγωγή βιοαιθανόλης (εν μέρει και λόγω της ωριμότητας της τεχνολογίας) αλλά με συμπαραγωγή εξειδικευμένων προϊόντων και την ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών. Η ολοκληρωμένη διαχείριση αποβλήτων αποφέρει σημαντική μείωση κόστους και προτρέπει σε αποκεντρωμένες μονάδες επεξεργασίας. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την τεράστια σημασία του ολοκληρωμένου σχεδιασμού, αποδεικνύοντας πως χωρίς ικανή ολοκλήρωση η βιομηχανική μονάδα αδυνατεί να ανταγωνιστεί με τις συμβατικές μονάδες παραγωγής προϊόντων αντίστοιχων με εκείνων του βιοδιυλιστηρίου.Η έρευνα της παρούσας διατριβής οδήγησε στην προώθηση σε βιομηχανική κλίμακα τεχνολογιών εργαστηρίων και πιλοτικών εγκαταστάσεων που αρχικά αναπτύχθηκαν στη Γαλλία.

La conception des bioraffineries est un problème multidimensionnel. En plus de la conception traditionnelle de procédé, il faut intégrer les particularités de production d’un éventail de produits conséquent utilisant des technologies de maturité différente. Devant l’ampleur et la complexité des défis à relever, il ne peut y avoir de méthode d’optimisation unique. Cette thèse vient présenter une approche systématique du développement industriel de bioraffineries multi-produits. Le cadre proposé est généralisable aux différentes échelles de conception et combine des outils de modélisation, d’intégration et de synthèse de procédés. Cette approche a pour objectif la réduction simultanée du coût et de l’impact environnementale en optimisant la gestion des utilités. Les défis confrontés sont (i) la gestion des données d’origine variée (littérature ou expérimentale) de précision inégale en raison des différents niveaux de maturité technologique (phase pilote, de laboratoire ou théorique), (ii) la recherche et l’analyse systématique des voies de traitement, tout en tenant compte des caractéristiques technologiques, (iii) l’impact des conceptions alternatives sur la consommation des utilités (masse et énergie), (iv) les options endogènes de symbiose industrielle lors du renouvellement (réorganisation, refonte)de la réingénierie des installations existantes, et (v) la gestion intégrée des déchets.Dans l’approche systématique proposée, la modélisation des procédés utilise des modèles de substitution pour harmoniser les données d’origine différente, mais aussi pour assister le développement systématique des simulations dont certaines informations d’ingénierie sont manquantes. Les modèles de substitution sont utilisés pour réduire les écarts entre les modèles détaillés et les données expérimentales en traitant certains paramètres opérationnels et thermodynamiques comme degrés de liberté. Pour la synthèse de la chaîne de valeur, l'approche utilise des superstructures sous forme de graphes bipartites mêlant sources et cibles et en organisant les procédés en unités modulaires capables d’être facilement modifiées ou remplacées. Cette synthèse est démontrée et validée pour un ensemble de 21 procédés différents, chacun représenté par son modèle de substitution. Ensuite, un modèle mathématique permet d’optimiser simultanément la consommation des utilités (énergétiques et massiques) mais également de trouver des alternatives technologiques à la configuration initialement prévue grâce aux modèles préétablis. Ce modèle est capable d’identifier et d’exploiter les synergies de diverses étapes d’un procédé, que ce soit sur la conception de nouvelles installations ou sur la rénovation d’installations existantes. Enfin, l’approche systématique proposée est adaptée pour la gestion intégrée des déchets. Des logigrammes sont développés pour la classification des effluents de déchets selon leurs phases (liquide, solide ou gaz), mais également sur les solutions de traitement adaptées. La méthode de synthèse emploie des superstructures. Elle est formulée comme un modèle d’optimisation non linéaire en nombres entiers mixtes. Ce modèle propose alors une hiérarchisation des solutions de traitement des déchets en fonction du procédé de la bioraffinerie et des performances optimales de celle-ci. Les résultats de la modélisation montrent que les modèles approximatifs de substitution sont fiables et ils peuvent également identifier les lacunes des modèles détaillés. Les résultats de la synthèse du procédé montrent que les solutions initialement envisagées ont été rejetées en raison des caractéristiques qualitatives des flux ainsi que des contraintes technologiques. L’intégration multi-utilités en fonction des options de conception du procédé révèle d’importantes économies potentielles en réduisant la consommation des secteurs les plus énergivores. La solution au problème de réingénierie suggère que la production de bioéthanol soit maintenue sur l’installation existante et que les investissements dans les nouvelles technologies doivent se focaliser sur la production de produits spécialisés à plus haute valeur ajoutée. La gestion intégrée des déchets peut réduire le coût de traitement des effluents grâce aux unités de traitement décentralisées et des solutions non conventionnelles. En conclusion, la conception intégrée est cruciale, car, à l’échelle industrielle, des bioraffineries ne peuvent pas concurrencer les unités conventionnelles équivalentes sans une intégration suffisante.La recherche de cette thèse a contribué au développement industriel des technologies de laboratoire et des technologies pilotes initialement développées en France.