Plank-Style Pressure Staging in a Transcritical CO2 Heat Pump for Integrated MEA-Based CO2 Capture and District Heating
Author
Mul, Michael
Term
4. term
Education
Publication year
2026
Submitted on
2026-06-01
Abstract
This master’s thesis examines an energy system where a transcritical CO₂ heat pump is integrated with MEA-based (monoethanolamine) CO₂ capture and district heating. A seawater heat pump model inspired by the Esbjerg plant was developed and linked to a wood-chip flue-gas MEA CO₂-capture model in the simulation software Aspen HYSYS V14. In the CO₂ capture unit, three pressure levels in the stripper column (where CO₂ is released from the MEA solution) were evaluated: 0.513, 0.750 and 1.013 bar. The thesis investigated several modifications to the CO₂ heat-pump cycle, optimized heat recovery from the gas cooler, and compared different pressure-layout concepts: a Plank-style multi-pressure configuration, a single-pressure layout, and a two-loop architecture. The results show that the position of heating and cooling duties along the transcritical CO₂ cooling curve is more important than pressure staging alone. The single-pressure expander configuration delivered the best performance for heating, while the Plank-style configuration achieved the highest cooling efficiency (highest COP). In the techno-economic analysis, the three stripper pressures were compared using selected Plank-style configurations. The net electrical demand decreased from 11.74 MW at 0.513 bar to 8.80 MW at 1.013 bar. Operation at atmospheric pressure (1.013 bar) was overall the most favorable, because the lower reboiler heat duty in the stripper outweighed the higher delivery temperature required from the heat pump.
Denne kandidatafhandling undersøger et energisystem, hvor en transkritisk CO₂-varmepumpe kombineres med CO₂-fangst baseret på MEA (monoethanolamin) og fjernvarme. Der blev opstillet en model af en havvandsvarmepumpe inspireret af Esbjerg-anlægget og koblet til en model af et røggas-baseret CO₂-fangstanlæg, som bruger træflis og MEA, i simuleringsprogrammet Aspen HYSYS V14. I CO₂-fangstanlægget blev tre trykniveauer i den såkaldte stripper-kolonne (hvor CO₂ frigøres fra MEA-væsken) undersøgt: 0,513, 0,750 og 1,013 bar. Afhandlingen testede flere ændringer af CO₂-varmepumpens kredsløb, optimerede udnyttelsen af overskudsvarme i gaskøleren og sammenlignede forskellige måder at opbygge tryktrin på: en Plank-inspireret løsning med flere tryk, en løsning med ét samlet trykniveau og en to-kreds-løsning. Resultaterne viser, at det er vigtigere, hvor langs den transkritiske CO₂-kølekurve man placerer varmeoptag og varmeafgivelse, end hvordan tryktrinnene alene er udformet. Arkitekturen med én ekspander og ét trykniveau gav den bedste ydelse til opvarmning, mens den Plank-inspirerede arkitektur opnåede den højeste køleeffektivitet (højest COP). I den teknisk-økonomiske analyse blev de tre stripper-tryk sammenlignet ved hjælp af udvalgte Plank-konfigurationer. Det samlede netto elforbrug faldt fra 11,74 MW ved 0,513 bar til 8,80 MW ved 1,013 bar. Driften ved atmosfærisk tryk (1,013 bar) var samlet set mest fordelagtig, fordi det lavere varmebehov i stripperens reboiler opvejede, at varmepumpen skulle levere varme ved en højere temperatur.
[This abstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]