Energy optimization of CO2 removal in a packed column aerator for RAS-facilities- development of mathematical computer models

Abstract

Recirculating aquaculture systems (RAS) are intensive fish production systems where the outlet water is reused. The use of RAS facilities results in reduced use of water and thus reduced energy consumption associated with heating new inlet water. However, a major drawback is the high energy requirements caused by the water treatment, which generally consists of solids removal, nitrifying biofilters, and removal of dissolved carbon dioxide. This increase both the operational costs and potential environmental impact by the use of fossil fuel as an energy source. Aerators are commonly used for the removal of CO2, and the packed column aerator has been the focus in this thesis. Energy consumption regarding aeration for CO2 removal constitutes a large proportion of the total energy consumption in RAS. The energy consumption related to aeration comes from the energy consumption of the pump and the fan/blower. Today, most facilities choose a gas-liquid ratio (G/L) between 5 and 7 for aeration as this has been shown to give the desired water quality, but the energy consumption for this configuration has not been investigated. It is desired to find an optimum operating point between water volume flow, G/L ratio and column packing height. The focus of this thesis was to develop a tool that can be used to optimize the energy consumption regarding the removal of CO2 in a packed column aerator. A total of four models were developed, where Model 1 and 2 were made in order to be able to develop the two energy optimization models, Model 3 and 4. Model 1 and 2 are made in Excel, where Model 1 gives information about the amount of CO2 that has to be removed and Model 2 gives the packing height and diameter of the column that is required to remove the desired amount of CO2. Model 3 is also made in Excel, and gives the combination of packing height and G/L ratio that gives the lowest energy consumption for a given water volume flow. Model 4 is made in MATLAB and gives the combination of packing height, G/L ratio and water volume flow that gives the lowest energy consumption. Model 1 and 2 can make production and facility planning easier and faster, while Model 3 and 4 may help reducing the energy consumption regarding CO2 removal and thus reduce the operational costs. Since the goal of this thesis was to develop models for energy optimization of CO2 removal, a proper validation of the models has not been done. However, simple energy considerations have been made to get an indication of any deviations regarding the calculated energy consumption in the models. Data from an experiment on a packed column aerator was used, and the results shows that the energy consumption calculated in the model differ with less than 2% from the expected energy consumption in the experiment. Energy data and water quality data from RAS-facilities is still required in order to validate the model, and also to test the optimization function. The energy calculations that are done only indicates that the models do not deviate significantly regarding energy consumption calculations. The models made in Excel are user friendly and made in a commonly used program. The MATLAB model consists of a script where the user input is directly in the code. For further work, this can be made with a live script where it is possible to hide the code, and only inputs and outputs with plots are visible.

Resirkulerende akvakultursystemer (RAS) er intensive oppdrettsanlegg for fisk med gjenbruk av vann. Bruken av RAS anlegg fører til redusert forbruk av vann og derfor også redusert energiforbruk knyttet til oppvarming av nytt innløpsvann. En stor ulempe er imidlertid det høye energibehovet grunnet vannbehandlingen, som generelt består av fjerning av faste stoffer, nitrifiserende biofilter, og fjerning av oppløst karbondioksid. Dette øker både driftskostnadene og potensielt miljøpåvirkninger dersom energikilden stammer fra fossilt brennstoff.

Luftere er ofte brukt for fjerning av CO2, og pakket kolonnelufter har vært fokuset i denne oppgaven. Energiforbruket knyttet til lufting for CO2-fjerning utgjør en stor andel av det totale energiforbruket i et RAS-anlegg. Energiforbruket knyttet til lufting kommer fra energiforbruket til pumpen og blåseren/viften. I dag velger de fleste anlegg et gass-væske forhold (G/L) mellom 5 og 7 ettersom dette har vist seg å fungere og gir ønsket vannkvalitet, men energiforbruket for denne løsningen er ikke undersøkt. Det er ønskelig å finne et optimalt driftspunkt mellom vannstrømning, G/L forhold og pakningshøyde på kolonnen. Formålet med denne oppgaven er å utvikle et verktøy som kan brukes til å optimalisere energiforbruket knyttet til CO2- fjerning i pakkede kolonneluftere. Totalt fire modeller er blitt utviklet, hvor Modell 1 og 2 ble lagd for å gjøre det mulig å utvikle energioptimaliseringsmodellene, Modell 3 og 4. Modell 1 og 2 er laget i Excel, hvor Modell 1 gir informasjon om mengde CO2 som må fjernes og Modell 2 gir pakningshøyden og diameteren på kolonnen som er nødvendig for å fjerne ønsket mengde CO2. Modell 3 er også laget i Excel og gir den kombinasjonen av pakningshøyde og G/L forhold som gir lavest energiforbruk ved en gitt volumstrøm av vann. Modell 4 er laget i MATLAB og gir den kombinasjonen av pakningshøyde, G/L forhold og volumstrøm av vann som gir lavest energiforbruk. Modell 1 og 2 kan gjøre planlegging av produksjon og anlegg enklere og raskere, mens Modell 3 og 4 kan bidra med å redusere energiforbruket knyttet til fjerning av CO2 og dermed også redusere driftskostnadene. Ettersom målet med denne oppgaven var å utvikle modeller for energioptimalisering av CO2-fjerning er det ikke blitt gjort en ordentlig validering av modellene. Det er imidlertid gjort enkle energibetraktninger for å få en indikasjon på eventuelle avvik knyttet til det beregnede energiforbruket i modellene. Data fra et forsøk som gikk på pakkede kolonneluftere ble brukt, og resultatene viser at beregningene på energiforbruk gjort i modellen har en differanse på under2 % fra forventet energiforbruk i forsøket. Data om energiforbruk og om vannkvalitetsparametere må likevel innhentes fra RAS-anlegg for å validere modellen og få testet optimaliseringsfunksjonen. Energiberegningene som er gjort gir bare en indikasjon på at modellen ikke avviker stort når det kommer til beregning av energiforbruk.

Modellene som er laget i Excel er brukervennlige og kan bli brukt og forstått av de fleste. MATLAB-modellen består av et script hvor brukeren må legge inn input-verdier direkte i koden. For videre arbeid kan dette overføres til et live script hvor det er mulig å skjule koden slik at bare inputs og outputs med plot er synlige.