OPTIMIZATION BASED ON THE ADJOINT METHOD FOR NATURAL GAS STORAGE SYSTEMS

Worldwide, the energy market is going through a phase of intense research and development efforts. In several countries, the energy matrices are undergoing progressive changes, so as to adapt to more stringent environmental laws and to the global economy instabilities. In this scenario, the Natural Gas appears as a source of energy of growing relevance, owing to both its direct uses and to the possibilities it offers regarding the process of gas reform, for hydrogen production and carbon capture. The growth of its share of the energy market prompts the need to optimize the chain of production, processing and storage of Natural Gas. For optimal solutions should allow significant  savings in the implementation and operational costs of the Natural Gas industry.

Amongst the most relevant approaches to optimization, the adjoint method stands out for it allows an exceptional reduction in the computational costs of sensitivity derivatives. It makes for a more efficient analysis of design alternatives, without compromising the results accuracy. The method is also attractive for its high fidelity to the flow physics, and for the great diversity of its applications. This project aims to use the adjoint method to optimize Natural Gas Adsorption Systems for storage. The study focuses on gas flow through porous media that adequately represent those systems. Moreover, it is not limited to the search for optimal geometries for the adsorption beds in reservoirs. As it shall also consider the optimization of the filling and emptying operations of such reservoirs.

Escopo em português

OTIMIZAÇÃO BASEADA NO MÉTODO ADJUNTO PARA SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE GÁS NATURAL

O mercado mundial de energia atravessa um momento em que se empreendem grandes esforços de pesquisa e desenvolvimento. Matrizes energéticas de vários países sofrem modificações progressivas, com vistas a adequarem-se a legislações ambientais mais rígidas e às instabilidades da economia mundial. Nesse cenário, o Gás Natural desponta como uma fonte de energia de importância crescente, tanto por suas aplicações diretas, como pelas possibilidades que oferecem os processos de reforma, para produção de hidrogênio e captura de carbono. O crescimento de sua participação no mercado energético enseja a otimização de toda a cadeia de produção, processamento e armazenamento de Gás Natural. Na medida em que as soluções ótimas devem permitir reduções significativas nos custos de implantação e operação no parque de equipamentos a ele vinculados.

Dentre as abordagens mais relevantes em otimização, o método adjunto destaca-se por permitir excepcional redução do custo computacional no cálculo de derivadas de sensibilidade, tornando mais eficiente a análise de alternativas, sem prejudicar a precisão dos resultados. Adicionalmente, há os atrativos da alta fidelidade à física do escoamento e da enorme gama de aplicações do método. Este trabalho visa empregar o método adjunto na otimização da tecnologia de armazenamento de Gás Natural por Adsorção (GNA). O estudo foca escoamentos em matrizes porosas, que representam adequadamente o problema. Além disso, seus objetivos não se limitam à busca de configurações geométricas ótimas para os leitos de adsorção em grandes reservatórios. Mas também pretende-se considerar a otimização das operações de enchimento e esvaziamento desses reservatórios.

TEAM

E V Volpe (POLI-USP)
Project Coordinator

Julio R Meneghini (POLI-USP)
Emílio C N Silva (POLI-USP)
Bruno S Carmo (POLI-USP)
Rafael S Gioria (POLI-USP)
X Mao (Durham University)