Optimal integration and modelling of power-to-liquid industrial process

• Autores: José Sánchez Luján
• Directores de la Tesis: José Javier López Cascales (dir. tes.), Ángel Molina García (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Cartagena ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Integración óptima y modelado de un proceso industrial power-to-liquid
• Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio J. Fernández Romero (presid.), María José Salar García (secret.), Bernardo Antonio Frontana Uribe (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética por la Universidad Politécnica de Cartagena
• Materias:
  • Química
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Repositorio Digital de la UPCT
• Resumen
  • español

    En esta tesis presentamos el desarrollo y la evaluación de un proceso integrado para la producción sostenible de gas de síntesis (syngas) y crudo sintético (syncrude), a partir de tecnologías modulares avanzadas alimentadas por fuentes de energía renovable. La arquitectura del sistema propuesto incluye un co-electrolizador de óxidos sólidos (SOEC), una unidad de síntesis Fischer-Tropsch (FT), un reactor de oxidación parcial catalítica (CPOX) y un sistema dual de purificación de gases mediante adsorción (PSA), donde el proceso aprovecha el CO₂ capturado y los gases derivados del propio proceso, alineándose con los principios de economía circular y los objetivos climáticos a largo plazo.

    El acoplamiento con la unidad de Oxidación Parcial Catalítica (CPOX) y la implementación de estrategias de integración térmica, mejoran significativamente la recuperación de energía, especialmente desde corrientes de proceso a alta temperatura. Bajo estas condiciones, el sistema alcanza una eficiencia eléctrica de hasta un 84% y una eficiencia de conversión de electricidad a líquidos (power-to-liquid) del 49%, además de permitir la exportación de calor como vapor de presión media para servicios auxiliares de planta.

    Más allá del modelado a nivel de sistema también estudiamos la integración potencial de membranas conductoras iónicas electrónicas (MIEC) para la separación de oxígeno del gas residual anódico del SOEC. Esta innovación podría mejorar la autonomía del proceso y reducir aún más el consumo energético. La tesis también compara la ruta de co-electrólisis mediante un electrolizador de óxidos sólido (coSOEC) con la electrólisis mediante un electrolizador de membrana protónica (PEMWE) acoplada a un reactor de desplazamiento inverso Agua-Gas RWGS, analizando sus ventajas y limitaciones en términos de eficiencia, costos, madurez tecnológica y utilización de CO₂.

    En conjunto, esta tesis contribuye al avance de las tecnologías power-to-liquid al proponer una plataforma eficiente y basada en energías renovables para la producción del syngas y crudo sintético, al tiempo que profundiza en las tecnologías catalíticas clave para sistemas termodinámicos y electroquímicos de conversión energética.

  • English

    This thesis presents the development and evaluation of an integrated process for the sustainable production of synthesis gas (syngas) and synthetic crude (syncrude), utilizing advanced modular technologies powered by renewable energy sources. The proposed system architecture includes a solid oxide co-electrolyzer (SOEC), a Fischer-Tropsch (FT) synthesis unit, a catalytic partial oxidation (CPOX) reactor, and a dual pressure swing adsorption (PSA) system. The process leverages captured CO2, and process-derived gases, aligning with circular economy principles and long-term climate goals. Coupling with the Catalytic Partial Oxidation (CPOX) unit and implementing heat integration strategies further enhances energy recovery, particularly from high-temperature process streams. Under these operating conditions, the system achieves an electrical efficiency of up to 84% and a power-to-liquid conversion efficiency of 49%, while also enabling the export of excess process heat as medium-pressure steam for auxiliary plant operations. In addition to system-level modeling, this work explores the potential of integrating mixed ionic¿electronic conducting (MIEC) membranes for oxygen separation from the SOEC anodic off-gas. This innovation could enhance process autonomy and reduce overall energy consumption. The thesis also compares solid oxide co-electrolysis (CoSOEC) with proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) combined with a reverse water-gas shift (RWGS) reactor, highlighting trade-offs in efficiency, cost, and technology maturity. This thesis contributes to the advancement of power-to-liquid technologies by proposing an efficient, renewable-driven platform for syngas and syncrude production, while also providing deeper insight into the catalytic technologies critical to thermodynamic and electrochemical energy systems.