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Decarbonization of Copper Production by Optimal Demand Response and Power-to-Hydrogen (Aachener Beiträge zur Technischen Thermodynamik) - Softcover
Inhaltsangabe
Um Treibhausgasemssionen (THG) zu vermeiden und den Klimawandel einzugrenzen, müssen emissionsarme Technologien eingesetzt werden, die erneuerbare Energien bereitstellen und fossile Energieträger ersetzen. Dieser Systemwechsel ist jedoch sehr materialintensiv und führt zu einer hohen Nachfrage nach kritischen Rohstoffen. Kupfer ist ein solcher Rohstoff, der für viele emissionsarme Technologien unerlässlich ist. Die Herstellung von Kupfer ist ein energieintensiver Prozess. Hieraus ergeben sich zwei Herausforderungen: der flexible Betrieb in einem fluktuierenden erneuerbaren Energysystem und die Vermeidung von prozessbedingten THG-Emissionen. Der flexible Betrieb stromintensiver Prozesse kann das Stromnetz unterstützen und wirtschaftliche Vorteile bieten. Demand Response (DR) beschreibt Betriebsanpassungen, die durch einen wirtschaftlichen Anreiz motiviert sind, z.B. durch fluktuierende Strompreise. Unsere erste Analyse zeigt ein großes DR-Potenzial in zwei stromintensiven Prozessschritten der Kupferproduktion. Um das DR-Potenzial des gesamten Prozesses zu betrachten und die Abhängigkeiten der vielen Prozessschritte abzubilden, formulieren wir ein detailliertes Betriebsplanungsmodell einer repräsentativen Kupferproduktion. Das entwickelte gemischt-ganzzahlige lineare Programm (MILP) ermöglicht die Minimierung der Stromkosten ohne Reduzierung der Produktionsmenge. Die ganzheitliche Planung der Produktion ermöglicht ein erhebliches DR-Potenzial das die Stromkosten um bis zu 14.2% reduziert und große Teile des Strombedarfs verschiebt. Die Vermeidung von prozessbedingten THG-Emissionen ist eine Herausforderung, weil fossile Energieträger in einigen Prozesssen nur schwer zu ersetzen sind. Diese Prozesse nutzen fossile Brennstoffe als Hochtemperatur-Prozesswärme und als chemisches Reduktionsmittel. Eine aussichtsreiche Alternative für diese Anwendungsfälle ist Wasserstoff (H2), wenn H2 aus erneuerbarem Strom mittels Wasserelektrolyse erzeugt wird (Power-to-H2). Der als Nebenprodukt anfallende Sauerstoff bietet weitere Vorteile, weil dieser in der Kupferproduktion verwendet werden kann. Zur optimalen Auslegung eines Power-to-H2 Systems formulieren wir ein MILP, das die annualisierten Gesamtkosten minimiert. Die resultierenden CO2-Vermeidungskosten liegen mit 201EUR/t CO2-eq über heutigen EU-Emissionszertifikatspreisen. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt jedoch großes Potenzial durch Weiterentwicklung der Wasserelektrolyse. Die Dekarbonisierung durch Power-to-H2 bietet weiteres DR-Potenzial. Unser Betriebsplanungsmodell der dekarbonisierten Produktion zeigt, dass DR stark dazu beiträgt niedrige CO2 Vermeidungskosten zu ermöglichen. Folglich ermittelt diese Arbeit das Potenzial einer dekarbonisierten Kupferproduktion, die ein kritisches Material für emissionsarme Technologien bereitstellt und das Stromnetz durch DR unterstützt.
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Paperback. Zustand: new. Paperback. To avoid greenhouse gas (GHG) emissions and mitigate climate change, low-carbon technologies must be used to provide renewable energy and replace fossil fuels. However, this system transition is very material-intensive and leads to high demand for critical materials. Copper is such a material that is essential for electrical applications and many low-carbon technologies. The production of copper itself is an energyintensive process. Thus, two challenges arise that are addressed in this thesis: the flexible process operation in a fluctuating renewable energy system and the avoidance of process-based GHG emissions.The flexible operation of electricity-intensive processes can support the power grid and provide economic benefits. Demand response (DR) describes operational adjustments based on an economic incentive, such as fluctuating electricity prices. Our initial analysis shows a large DR potential of two electricity-intensive process steps in copper production. To consider the DR potential of the entire production process and to capture the dependencies of the many process steps, we formulate a detailed scheduling model of a representative copper production process. The developed mixed-integer linear program (MILP) allows minimizing the electricity costs without reducing the production volume. This process-wide scheduling enables significant DR potential, reducing annual electricity costs by up to 14.2% and shifting large parts of the electricity demand.Avoiding process-based GHG emissions is challenging because fossil fuels are hard to substitute in some processes. These processes use fossil fuels as high-temperature process heat and as chemical reducing agents. A promising alternative for these use cases is hydrogen (H2), when H2 is produced from renewable electricity using water electrolysis (Power-to-H2). The oxygen produced as a by-product offers further benefits as it can be utilized in copper production. To optimally design a power-to-H2 system, we formulate a MILP that minimizes the total annualized cost. The resulting CO2 abatement costs are 201EUR/t CO2-eq, which exceeds the current prices of EU allowances. However, a sensitivity analysis shows great potential through further development of water electrolysis.Decarbonization through Power-to-H2 offers additional DR potential. Our scheduling model of the decarbonized copper production shows that DR strongly contributes to low CO2 abatement costs. Consequently, this work identifies the potential of decarbonized copper production that provides a critical material for low-carbon technologies and supports the power grid through DR. Shipping may be from multiple locations in the US or from the UK, depending on stock availability. Bestandsnummer des Verkäufers 9783958864580
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