<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Energy Res.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Energy Research</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Energy Res.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-598X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">720489</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2021.720489</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Energy Research</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Power-to-Syngas: A Parareal Optimal Control Approach</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Maggi et&#x20;al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Power-to-Syngas: A Parareal OC Approach</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Maggi</surname>
<given-names>Andrea</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>&#x2020;</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/857333/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Garmatter</surname>
<given-names>Dominik</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>&#x2020;</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1381630/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Sager</surname>
<given-names>Sebastian</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/768860/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Stoll</surname>
<given-names>Martin</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/611597/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Sundmacher</surname>
<given-names>Kai</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1010777/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<label>
<sup>1</sup>
</label>Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, <addr-line>Magdeburg</addr-line>, <country>Germany</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<label>
<sup>2</sup>
</label>Chemnitz University of Technology, <addr-line>Chemnitz</addr-line>, <country>Germany</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<label>
<sup>3</sup>
</label>Otto von Guericke University Magdeburg, <addr-line>Magdeburg</addr-line>, <country>Germany</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1083581/overview">Grazia Leonzio</ext-link>, Imperial College London, United&#x20;Kingdom</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/152338/overview">Mariano Mart&#xed;n</ext-link>, University of Salamanca, Spain</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1368282/overview">Borja Hern&#xe1;ndez</ext-link>, University of Salamanca, Spain</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Andrea Maggi, <email>maggi@mpi-magdeburg.mpg.de</email>; Dominik Garmatter, <email>dominik.garmatter@mathematik.tu-chemnitz.de</email>
</corresp>
<fn fn-type="equal" id="fn1">
<label>
<sup>&#x2020;</sup>
</label>
<p>These authors have contributed equally to this work and share first authorship</p>
</fn>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Carbon Capture, Storage, and Utilization, a section of the journal Frontiers in Energy Research</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>16</day>
<month>09</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>720489</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>04</day>
<month>06</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>16</day>
<month>07</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 Maggi, Garmatter, Sager, Stoll and Sundmacher.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Maggi, Garmatter, Sager, Stoll and Sundmacher</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>A chemical plant layout for the production of syngas from renewable power, H<sub>2</sub>O and biogas, is presented to ensure a steady productivity of syngas with a constant H<sub>2</sub>-to-CO ratio under time-dependent electricity provision. An electrolyzer supplies H<sub>2</sub> to the reverse water-gas shift reactor. The system compensates for a drop in electricity supply by gradually operating a tri-reforming reactor, fed with pure O<sub>2</sub> directly from the electrolyzer or from an intermediate generic buffering device. After the introduction of modeling assumptions and governing equations, suitable reactor parameters are identified. Finally, two optimal control problems are investigated, where computationally expensive model evaluations are lifted <italic>via</italic> <monospace>parareal</monospace> and necessary objective derivatives are calculated <italic>via</italic> the continuous adjoint method. For the first time, modeling, simulation, and optimal control are applied to a combination of the reverse water-gas shift and tri-reforming reactor, exploring a promising pathway in the conversion of renewable power into chemicals.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>syngas</kwd>
<kwd>reforming</kwd>
<kwd>reverse water-gas shift</kwd>
<kwd>renewable hydrogen</kwd>
<kwd>dynamic optimal control</kwd>
<kwd>adjoint method</kwd>
<kwd>parallel in time</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Bundesministerium f&#xfc;r Bildung, Wissenschaft und Forschung<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100013699</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>In the context of energy transition towards carbon-free drivers for the chemical and fuel industry, electricity from renewable sources plays a primary role. Availability constraints are associated with the use of renewable electrical power. <xref ref-type="bibr" rid="B15">Engeland et&#x20;al. (2017)</xref> introduced the notion of <italic>climate related energy</italic> (CRE), which encompasses wind-, solar-power and, partly, hydro-power. Typically, its intermittent provision on the daily and hourly time-scale is attributable to the temporal trends of the related natural source and other factors, such as wind velocity, solar radiation, and atmospheric precipitation. The intermittent nature of the supply as well as the consumer demand contribute to price volatility. As reported by <xref ref-type="bibr" rid="B27">Schill (2014)</xref>, positive residual power loads in the grid occur whenever demand exceeds the generation of&#x20;CRE.</p>
<p>Currently, by means of relatively flexible operations and proper forecasts, state-of-the-art power plants can adjust their outputs to meet market demands and manage fluctuations in the provision of renewable power. Reservoir-type hydro-power, i.e.,&#x20;conversion of surplus electricity into potential energy by pumping water into elevated basins, can also contribute to this strategy. Nevertheless, the number of such reservoirs is limited due to morphological constraints. Moreover, as reported in <xref ref-type="bibr" rid="B28">Sinn (2017)</xref>, seasonal fluctuations are expected to require most of the storage capacity if the share of renewable electricity was to become predominant.</p>
<p>In this framework, Power-to-X processes are relevant contributors to the energy transition: they are conceived to take advantage of unsteady power inputs, thus transformed into valuable chemicals and energy vectors. In particular, as highlighted in a review article by <xref ref-type="bibr" rid="B35">Wulf et&#x20;al. (2020)</xref>, the role of H<sub>2</sub> is of cardinal importance in the conversion of electricity. As a matter of fact, projects and industrial applications related to water electrolysis (EL) of increasing capacities are expected in the near future. This contribution shall focus on Power-to-Syngas towards Fischer-Tropsch, for which a molar ratio H<sub>2</sub>/CO of 2 must be ensured. H<sub>2</sub> and CO<sub>2</sub> can be converted to syngas <italic>via</italic> the reverse water-gas shift reaction in a non-adiabatic fixed-bed reactor (RWGS), possibly supported by a number of candidate catalysts, as thoroughly reviewed by <xref ref-type="bibr" rid="B11">Daza and Kuhn (2016)</xref>. Its mild endothermicity allows for a moderate thermal input to sustain the generation of CO from&#x20;CO<sub>2</sub>.</p>
<p>As the inherent complexity of a tri-phase Fischer-Tropsch synthesis reactor benefits from a steady syngas supply, short-term, e.g., hourly, intermittency could be levelized <italic>via</italic> H<sub>2</sub> buffering, although resulting in higher investment and operating costs in terms of EL volumes and electricity supply. As an example, if the power load required to attain the nominal flowrate of syngas is 50&#xa0;MW, 10 wind turbines of 5&#xa0;MW each would fulfill the duty. Nevertheless, a seasonal shortage of renewable power would require the installation of X additional turbines and a dedicated buffering system for the storage of H<sub>2</sub>. Furthermore, <xref ref-type="bibr" rid="B20">Kaiser et&#x20;al. (2013)</xref> report on the high energy intensity required for H<sub>2</sub> liquefaction, amounting up to 30<italic>%</italic> of its lower heating value, and on its low density, both in gaseous and liquefied state. Moreover, buffering may not guarantee sufficient productivity levels over long term, e.g., seasonal, shortage of renewable power supply. Besides H<sub>2</sub>, EL generates O<sub>2</sub> which could be used to sustain the endothermicity of RWGS. Assuming that the thermal duty of RWGS equals its standard enthalpy of reaction (35.3&#xa0;kJ<inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> at 950&#xa0;K), resulting in a conversion of 42.7<italic>%</italic> of an equimolar feed mixture in isothermal operations and for the lower heating value (LHV) of CH<sub>4</sub> (800&#xa0;kJ&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>), 0.0882&#xa0;<inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> per mole of CO produced are required for heat generation. EL generates 1.5&#xa0;<inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> if a syngas ratio H<sub>2</sub>/CO of 2 is to be attained. Consequently, 94.1<italic>%</italic> of the O<sub>2</sub> produced within the plant does not contribute to the generation of syngas. In conclusion, the large majority of O<sub>2</sub> is not utilized within the process: even if the stabilization of syngas were attained <italic>via</italic> H<sub>2</sub> storage strategies, it would be reasonable to consider O<sub>2</sub> as a valuable by-product to be stored within suitable buffering devices in the&#x20;plant.</p>
<p>Another route to syngas is tri-reforming of methane (TRI), traditionally meant to convert combustion off-gases and natural gas within a catalytic, adiabatic reactor fed with oxygen or air, as in <xref ref-type="bibr" rid="B29">Song and Pan (2004)</xref>. The oxidation of CH<sub>4</sub> contributes to lower the levels of carbon deposition and to allow for a tunable outlet composition (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Vita et&#x20;al. (2018)</xref>). Biogas from anaerobic digestion and CO<sub>2</sub> can partially or completely substitute the traditional feedstock. The use of O<sub>2</sub> results in high adiabatic temperature peaks although, if compared with air, it requires smaller process volumes and separation&#x20;costs.</p>
<p>Considering the aforementioned possible downsides of H<sub>2</sub> buffering and the possibility to use a TRI reactor, this contribution proposes the combined implementation of a RWGS and a TRI reactor as an alternative to a H<sub>2</sub> buffering strategy. Here, O<sub>2</sub> is provided either directly from the EL or indirectly, as suitable storage devices are assumed after the splitting of water. If the stored O<sub>2</sub> were not sufficient to feed TRI on a seasonal basis, it could be used to enrich air, then fed to the reactor. In order to ensure a steady syngas supply at the specified H<sub>2</sub>/CO molar ratio of 2 under variable electricity provision, the continuous switching between RWGS and TRI operations should be enforced <italic>via</italic> appropriate control strategies.</p>
<p>After the introduction of modeling assumptions and reactor models, design parameters and operating conditions for the reactors are identified. Afterwards, the overall optimal control strategy is outlined where the final goal is to meet syngas specifications under a time-varying electricity supply. From the mathematical side, <monospace>parareal</monospace> shall be employed to speed up expensive model evaluations during the solution of the optimization problems. <monospace>parareal</monospace>, <italic>see</italic>, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B21">Lions et&#x20;al. (2001)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Baffico et&#x20;al. (2002)</xref>, aims at decomposing the global time domain into several smaller domains and, given initial values on these subdomains, the global problem splits up into local subproblems that, in each iteration, can be solved in parallel. The initial values are generated using a cheap but possibly inaccurate coarse time integrator and the subproblems are then solved in parallel using an expensive but accurate fine time integrator. Initial values for the next iteration are generated in a correction step utilizing the information from the fine integrator. The derivatives of the objective function that are necessary for the optimization are calculated <italic>via</italic> the continuous adjoint method, <italic>see</italic>, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B8">Cao et&#x20;al. (2002</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B9">2003)</xref>, since the discrete adjoint method is not available due to the usage of <monospace>parareal</monospace> as a forward integrator.</p>
<p>In a numerical investigation, two optimal control problems are considered: at first, an academic problem shall verify the approach of combining <monospace>parareal</monospace> with the continuous adjoint method. The second optimal control problem then targets the scenario previously described: a desired syngas ratio and flowrate shall be attained over a time horizon while a power fluctuation results in a varying temporal provision of H<sub>2</sub> from EL to the plant. Both problems will be solved once with <monospace>parareal</monospace> for the forward integration and once using the fine integrator previously used inside <monospace>parareal</monospace>. A time comparison as well as a comparison of the obtained optimal solutions is then of interest.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Plant Layout</title>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref> represents the plant layout. EL converts H<sub>2</sub>O into H<sub>2</sub> and O<sub>2</sub>. H<sub>2</sub> can either contribute with CO<sub>2</sub> to feed the RWGS reactor, or be directly supplied to the product stream to adjust the H<sub>2</sub>/CO molar ratio in the plant outlet. Conversely, O<sub>2</sub> is either supplied to TRI to sustain the endothermicity of reforming reactions, or suitably buffered for later use. Purification strategies prior to Fischer Tropsch are not investigated in this article.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Overall Plant layout: the RWGS and TRI reactors produce raw syngas, where H<sub>2</sub> and O<sub>2</sub> are supplied <italic>via</italic> EL. H<sub>2</sub> may be fed to RWGS and/or bypass the reactor to the syngas product stream whereas excess O<sub>2</sub> may be stored in a buffering device. CO<sub>2</sub> could be obtained from biogas using a suitable separation strategy.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-09-720489-g001.tif"/>
</fig>
<p>In this framework, the most rational source of CO<sub>2</sub> is biogas, part of which could be split into CH<sub>4</sub> and CO<sub>2</sub> <italic>via</italic> a suitable state-of-the-art separation strategy as reviewed by <xref ref-type="bibr" rid="B22">Maggi et&#x20;al. (2020)</xref>, e.g., membranes or PSA. The resulting CH<sub>4</sub> stream would then be used to sustain the heat demand of RWGS. Surplus CH<sub>4</sub> could be injected into the natural gas&#x20;grid.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Mathematical Model</title>
<p>Key modeling assumptions and main governing equations for the reactors are reported in this section. For the sake of clarity, important symbols are introduced within the text, whereas a broader list of symbols is reported in <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>List of symbols.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Symbol</th>
<th align="center">Description</th>
<th align="center">Unit (SI)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3b1;</italic>
<sub>
<italic>eff</italic>
</sub>, <italic>&#x3b1;</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">effective, wall heat transfer coefficient</td>
<td align="left">[W&#x2009;m<sup>&#x2212;2</sup>&#x2009;K<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3c7;</italic>
</td>
<td align="left">conversion</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3f5;</italic>
</td>
<td align="left">void fraction in packed-bed reactors</td>
<td align="left">[<inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2009;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3b7;</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">effectiveness factor for reaction <italic>k</italic>
</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>mix</italic>
</sub>, <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>bed</italic>
</sub>, <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>cat</italic>
</sub>, &#x39b;<sub>
<italic>r</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">gas mixture, bed, catalyst, effective radial heat conductivity</td>
<td align="left">[W&#x2009;m<sup>&#x2212;1</sup>&#x2009;K<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3bd;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>,<italic>k</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">stoichiometric coefficient of component <italic>&#x3b1;</italic> in reaction <italic>k</italic>
</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>mix</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">average viscosity in bulk phase</td>
<td align="left">[Pa&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3c1;</italic>
<sub>
<italic>cat</italic>
</sub>, <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>
<italic>gas</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">catalyst, gas density</td>
<td align="left">[kg<sub>cat</sub>
<inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2009;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">(overall) molar generation rate for single component <italic>&#x3b1;</italic>
</td>
<td align="left">[mol<inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2009;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2009;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">temperature at reactor section, feed, skin (RWGS)</td>
<td align="left">[K]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x3a6;<sub>
<italic>D</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">design variable</td>
<td align="left">[m] or [-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>
</td>
<td align="left">pre-exponential factor</td>
<td align="left">various</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>
<sub>
<italic>cross</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">cross sectional area</td>
<td align="left">[m<sup>2</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">molar specific heat at constant pressure (bulk and catalyst)</td>
<td align="left">[J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>&#x2009;K<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>c</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">gas concentration in bulk phase</td>
<td align="left">[mol<sub>gas</sub>
<inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m14">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2009;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>d</italic>
<sub>
<italic>p</italic>
</sub>, <italic>d</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">pore, reactor diameter</td>
<td align="left">[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>E</italic>
</td>
<td align="left">activation energy</td>
<td align="left">[J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>f</italic>
</td>
<td align="left">ordinary-differential equations</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>f</italic>
<sub>S</sub>
</td>
<td align="left">steady-state form of the reactor modeling equations</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>g</italic>
</td>
<td align="left">algebraic equations</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m15">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">molar enthalpy of reaction k</td>
<td align="left">[J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>k</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">kinetic constant of reaction <italic>i</italic>
</td>
<td align="left">various</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>K</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">adsorption constant of species <italic>i</italic>
</td>
<td align="left">various</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>Keq</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">equilibrium constant of reaction <italic>i</italic>
</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>l</italic>
</td>
<td align="left">axial coordinate; algebraic states</td>
<td align="left">[m];[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>L</italic>
</td>
<td align="left">reactor length</td>
<td align="left">[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">lb, ub</td>
<td align="left">lower, upper bound</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m16">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">component molar flowrate, at reactor feed</td>
<td align="left">[mol&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>N</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>, <italic>N</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">number of discretization points in space and time</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>N</italic>
<sub>
<italic>tubes</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">number of tubes</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>p</italic>, <italic>p</italic>
<sub>0</sub>, <italic>p</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">pressure, feed pressure, partial pressure</td>
<td align="left">[Pa]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>R</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">molar reaction rate</td>
<td align="left">[mol&#x2009;<inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m17">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>R</italic>
<sub>
<italic>gas</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">universal gas constant</td>
<td align="left">[J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>&#x2009;K<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>t</italic>
</td>
<td align="left">time - temporal coordinate</td>
<td align="left">[s]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>T</italic>
</td>
<td align="left">final time</td>
<td align="left">[s]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>U</italic>
</td>
<td align="left">overall heat transfer coefficient</td>
<td align="left">[W&#x2009;m<sup>&#x2212;2</sup>&#x2009;K<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>v</italic>
</td>
<td align="left">interstitial (axial) velocity</td>
<td align="left">[m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>W</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">molecular weight</td>
<td align="left">[mol&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m18">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">molar fraction at the current reactor section, feed</td>
<td align="left">[-]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">amb</td>
<td align="left">ambient conditions</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">DEN</td>
<td align="left">denominator in the rates of reaction</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">EL</td>
<td align="left">electrolyzer</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">FT</td>
<td align="left">Fischer-Tropsch</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">OBJ</td>
<td align="left">objective function (optimization)</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">RWGS</td>
<td align="left">reverse water-gas shift reactor</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">TRI</td>
<td align="left">tri-reforming reactor</td>
<td align="left"/>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Modeling Assumptions</title>
<p>Prior to the description of the mathematical models, assumptions are here concisely reported. Various assumptions will be elaborated on after the following list. <list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; Perfect purity and total conversion are associated with EL, for which dynamics are neglected. Therefore, EL is treated as a node, splitting its feed stream into two outlets according to the stoichiometry of water splitting: H<sub>2</sub>O &#x2192; H<sub>2</sub> &#x2b;&#x20;0.5O<sub>2</sub>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; H<sub>2</sub> can be integrated directly from EL into the product stream.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; The difference between O<sub>2</sub> from EL and O<sub>2</sub> to TRI approximates the accumulation of O<sub>2</sub> in the buffering system, which is not directly modeled.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Biogas is a binary mixture of CH<sub>4</sub> and CO<sub>2</sub> for example provided by anaerobic digestion.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Feed composition, temperature and pressure at the each reactor feed are fixed, whereas their flowrates can&#x20;vary.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; RWGS is fed with an equimolar mixture of CO<sub>2</sub> and H<sub>2</sub>. The desired feed composition of TRI shall be identified <italic>via</italic> optimization in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section&#x20;4</xref>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; The shell-side temperature at RWGS, denoted as <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m19">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, is assumed to be constant along the reactor axis and equal to 1073&#xa0;K, which is assumed to coincide with the outer skin temperature.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; The electricity demand at EL largely surpasses other contributions, which are therefore neglected in the optimal control application.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>The outlets from an electrolyzer will contain traces of unconverted water, which should be removed. In case EL runs at high temperatures, O<sub>2</sub> has to be cooled prior to compression and storage. Consequently, flash condensation constitutes a reasonable option. In addition, H<sub>2</sub>O can be removed in steam-selective polymeric membrane separators.</p>
<p>Biogas may contain traces of ammonia and hydrogen sulfide which should be removed before any catalytic operation. These process steps are required. Nevertheless, considering that purification operations would constitute a decoupled optimization problem from the syngas stabilization, i.e.,&#x20;to minimize the concentration of catalyst poisons at their outlets, and considering that the time-scale related to the effects of catalyst deactivation due to poisoning differs from the one related to short-term power fluctuation here investigated, purified biogas is considered in the control volume of the process system analyzed in this study. Furthermore, biogas could vary in its CH<sub>4</sub> concentration, as it may be provided by different biomass feedstock over time, or collected within the plant from different geographical areas in the region. For this reason and for the parametrization of TRI, a lower and upper bound is considered in order to design the plant for the most suitable biogas composition. In case this composition were not perfectly aligned with the actual feed gas, the ratio could be easily adjusted <italic>via</italic> membrane modules, already implemented to generate a stream of CO<sub>2</sub> intended for RWGS. As a lower bound for the methane concentration in the binary mixture of CO<sub>2</sub> and CH<sub>4</sub> fed to TRI, 55<italic>%</italic> is selected, whereas 75<italic>%</italic> is the upper bound, a rather high but possible value, as reported in <xref ref-type="bibr" rid="B14">EBA (2021)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B19">IEA (2021)</xref>.</p>
<p>The choice of a stoichiometric feed composition at RWGS results from the aim of minimizing the thermal effect that a surplus of H<sub>2</sub> or CO<sub>2</sub> would introduce, as larger gas volumes would be required at the reactor, thus demanding higher heat duty and reactor volume. On the other hand, feeding a molar excess of H<sub>2</sub> would prove reasonable to contain carbon deposition unless the catalyst shows little or no tendency in this direction, which is the case for the rhodium-supported catalyst proposed in this contribution.</p>
<p>The shell-side temperature of RWGS is consistent with the upper threshold of the validation range for the implemented kinetics (873&#x2013;1073&#xa0;K). An estimation of the electricity demand for gas compression will be provided with the discussion of results in the following section.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Modeling of Reactors</title>
<p>This section reports the main governing equations of the reactors as well as further reactor-specific assumptions. Extensive details regarding the modeling of kinetics and heat transfer can be found in the supplementary material &#x2013; <italic>see</italic> <xref ref-type="sec" rid="s7">Section&#x20;7</xref>.</p>
<p>Introducing the set of chemical components <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m20">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the reactors are described by dynamic, mono-dimensional, pseudo-homogeneous material and energy balances. The material balance for component <italic>&#x3b1;</italic> in molar formulation reads:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m21">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where the molar fraction <italic>x</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> is differentiated in time and space. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> has to be fulfilled for all (<italic>t</italic>, <italic>l</italic>) &#x2208; (0, <italic>T</italic>] &#xd7; (0, <italic>L</italic>), where <italic>L</italic>&#x20;&#x3e; 0 specifies the length of the reactor (<italic>l</italic> is the axial coordinate), <italic>T</italic>&#x20;&#x3e; 0 is the final time (<italic>t</italic> is the temporal coordinate).</p>
<p>In the energy balance, the temperature <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m22">
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is differentiated as:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m23">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>defined for all (<italic>t</italic>, <italic>l</italic>) &#x2208; (0, <italic>T</italic>] &#xd7; (0, <italic>L</italic>), where axial dispersion is neglected. <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref> introduces a summation term defined for the relevant kinetics <italic>k</italic>&#x20;&#x2208; <italic>K</italic>&#x2254; {reverse water-gas shift (RWGS), water-gas shift (WGS), steam-reforming of methane (SR), reverse methantion (RMETH) and catalytic oxidation of methane (OX)}. The term <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>, concurring to <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">(1)</xref>, is the overall molar generation rate for the single component <italic>&#x3b1;</italic>, which reads:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m24">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>State-of-the-art kinetics reported by <xref ref-type="bibr" rid="B36">Xu and Froment (1989)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B12">De Groote and Froment (1997)</xref> are implemented for TRI. Combustion kinetics within TRI were adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B31">Trimm and Lam (1980)</xref> by <xref ref-type="bibr" rid="B13">De Smet et&#x20;al. (2001)</xref> for supported Ni catalysts. Effectiveness factors for this heterogeneous model are constant and were retrieved from <xref ref-type="bibr" rid="B12">De Groote and Froment (1997)</xref>. Reversible kinetics of RWGS were taken from <xref ref-type="bibr" rid="B26">Richardson and Paripatyadar (1990)</xref>, thus based on a Rh/<italic>&#x3b3;</italic> &#x2212;Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> catalyst. The effectiveness factor of 0.3 observed by the authors is also incorporated in the calculations for this contribution. For adiabatic operations, i.e.,&#x20;inside the TRI reactor, the overall heat transfer coefficient <italic>U</italic> is 0, whilst it is <italic>U</italic>&#x20;&#x2260; 0 for the RWGS mildly-endothermic, multitubular reactor.</p>
<p>The axial mole-averaged interstitial velocity <italic>v</italic> is defined by a total mass balance in quasi-steady state assumption. Mole and mass-averaged velocities coincide if dispersion is neglected. Thus, the molar-based axial velocity defined between the reactor feed (superscript <sup>0</sup>) and the generic reactor section reads<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m25">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>The momentum balance, typically dominated by friction, reduces to the Ergun equation<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m26">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>150</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1.75</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>The time-dependency of momentum is neglected. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equations 1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> are completed by Dirichlet-type boundary conditions at each reactor inlet, respectively<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <italic>x</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>,0</sub>, <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m28">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>p</italic>
<sub>0</sub> are the molar fraction of component <italic>&#x3b1;</italic>, temperature and pressure at the reactor feed, pre-specified and constant over&#x20;time.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Semidiscretized Plant Model</title>
<p>After discretizing the reactors by equally-spaced finite volumes in the spatial direction and approximating the advection contributions with the upwind scheme, the resulting system of modeling equations is a semi-explicit differential-algebraic equation (DAE) system of index&#x20;1&#x20;on&#x20;the time horizon <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m29">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, it can be written in the form<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m30">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo>&#x2003;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an abbreviation for <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m32">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> and suitable initial values for <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref> will be discussed in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>. Here:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m33">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> collects all <italic>differential variables</italic>, i.e.,&#x20;all variables that are differentiated with respect to time. These are the mole fractions coming out of the discretizations inside the RWGS and TRI reactor.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m34">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> collects all <italic>algebraic variables.</italic> These are the pressure values inside the reactors as well as the outlet molar flowrates from the reactors and the H<sub>2</sub>-integration into the plant outlet stream.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m35">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is a function, collecting all differential equations.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m36">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is a function, collecting all algebraic equations.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Reactor Design</title>
<p>Prior to optimal control, reactor designs for TRI and RWGS are identified separately, ensuring that the desired productivity of 270 ton<sub>CO</sub>/day and a syngas ratio of H<sub>2</sub>/CO &#x3d; 2, suitable for Fischer-Tropsch synthesis, are attained in each&#x20;case.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Design of TRI</title>
<p>A preliminary optimization problem is set to identify suitable values of the design parameters that maximize the selectivity towards syngas, that is<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m37">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>Here, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equations 1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref> are implemented in their steady-state formulation such that time derivatives vanish. The resulting modeling equations serve as equality constraints in a nonlinear programming (NLP) problem, that is<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m38">
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>s.t.</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where the vector <bold>&#x3a6;</bold>
<sub>
<bold>D</bold>
</sub> collects the optimization variables: tube length <italic>L</italic>, tube diameter <italic>d</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub>, feed molar flowrates <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m39">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m40">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>), temperature <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m41">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and pressure <italic>p</italic>
<sub>0</sub>, and the vector <bold>z</bold>
<sub>S,<italic>r</italic>
</sub> which includes all reactor states. The function <bold>
<italic>f</italic>
</bold>
<sub>S,<italic>r</italic>
</sub> incorporates the conservation laws (1), (2), and (5), where the subscript S indicates the steady-state formulation. Additional constraints bound the syngas composition as <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m42">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1.95</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>, while the productivity of carbon monoxide is fixed. Problem parameters, constraints and bounds are defined in Matlab v2018b, combined with CasADi v3.5.3, a symbolic framework for algorithmic differentiation and numeric optimization developed by <xref ref-type="bibr" rid="B2">Andersson et&#x20;al. (2019)</xref>. The nonlinear program is solved by IPOPT v3.12.3, running with the linear solver mumps, <italic>see</italic>, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B34">W&#xe4;chter and Biegler (2006)</xref>. The solver IPOPT identifies local optima. Therefore, in order to identify a global solution, optimization variables are randomized within bounds. Preliminary simulations in steady-state based on the randomized guesses are then ran in order to provide IPOPT with reasonable initial guesses. Optimal solutions are then compared and the design set ensuring the best objective is selected. The reactor is discretized with 150&#x20;equally-spaced points. Optimization variables, bounds and optimal values are reported in <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>List of relevant optimization variables for design problems, bounds, and results for TRI.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Variable</th>
<th align="center">lb</th>
<th align="center">ub</th>
<th align="center">value at optimum</th>
<th align="center">unit (SI)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m43">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">10</td>
<td align="center">70</td>
<td align="char" char=".">38.6</td>
<td align="left">[mol s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m44">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">10</td>
<td align="center">120</td>
<td align="char" char=".">102.7</td>
<td align="left">[mol s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m45">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">30</td>
<td align="center">150</td>
<td align="char" char=".">115.8</td>
<td align="left">[mol s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m46">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">5</td>
<td align="center">60</td>
<td align="char" char=".">51.9</td>
<td align="left">[mol s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>d</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub>
</td>
<td align="center">0.104</td>
<td align="center">1.6</td>
<td align="char" char=".">1.6</td>
<td align="left">[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>L</italic>
</td>
<td align="center">0.1</td>
<td align="center">1.1</td>
<td align="char" char=".">1.1</td>
<td align="left">[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>T</italic>
<sub>0</sub>
</td>
<td align="center">700</td>
<td align="center">1,050</td>
<td align="char" char=".">1,050</td>
<td align="left">[K]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>p</italic>
<sub>0</sub>
</td>
<td align="center">25 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="center">40 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="char" char=".">25 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="left">[Pa]</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The selected bounds for the feed pressure to TRI are in line with the findings on the role of coke formation in catalytic partial oxidation of methane by <xref ref-type="bibr" rid="B12">De Groote and Froment (1997)</xref> and with the prevailing literature on partial oxidation and tri-reforming. Above 25&#x20;bar and for elevated inlet temperatures, coke deposition is neglected.</p>
<p>Moreover, the selected lower bound for the feed pressure at TRI, which coincides with its optimal value reported in <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>, is consistent with the requirement of a typical Fischer-Tropsch synthesis reactor, i.e.,&#x20;no pressurization is required before this downstream syngas application.</p>
<p>At the best local optimum, the molar selectivity towards H<sub>2</sub> and CO is 2.28. The feed ratio between CH<sub>4</sub> and the sum of CO<sub>2</sub> and CH<sub>4</sub> is 0.75, which corresponds to the upper bound defined for the CH<sub>4</sub> molar content in this binary mixture (<italic>see</italic> <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref> for modeling assumptions).</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Design of RWGS</title>
<p>The set of relevant design parameters and operating conditions is reported in <xref ref-type="table" rid="T3">Table&#x20;3</xref>.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>List of design parameters and nominal operating conditions for RWGS.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Variable</th>
<th align="left">value</th>
<th align="left">unit (SI)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m51">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.495</td>
<td align="left">[mol s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m52">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.495</td>
<td align="left">[mol s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>d</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">0.11</td>
<td align="left">[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>L</italic>
</td>
<td align="left">1.5</td>
<td align="left">[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>N</italic>
<sub>
<italic>tubes</italic>
</sub>
</td>
<td align="left">500</td>
<td align="left">[&#x2212;]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>T</italic>
<sub>0</sub>
</td>
<td align="left">950</td>
<td align="left">[K]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>p</italic>
<sub>0</sub>
</td>
<td align="left">2 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="left">[Pa]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m53">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1,073</td>
<td align="left">[K]</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Accounting for its drop along the axial coordinate, pressure is slightly above atmospheric, in agreement with the range of validation for the kinetic model by <xref ref-type="bibr" rid="B26">Richardson and Paripatyadar (1990)</xref>. At the prevailing temperature, pressure and feed composition, the selected feed and shell-side temperature are high enough to prevent from a thermodynamically relevant contribution of the methanation reaction, therefore neglected. The number of discretization points for RWGS simulations and optimal control is&#x20;150.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3&#x20;Steady-State Results</title>
<sec id="s4-3-1">
<title>4.3.1 TRI Reactor</title>
<p>Reactor profiles reflect the typical adiabatic operation: non-zero gradients are reported at the beginning, flattening out to zero once the energy input from the catalyzed combustion of CH<sub>4</sub> is exhausted by the endothermic reactions. The selected NLP formulation and objective determine a solution for the reactor length at its upper bound, although the gradients flatten out before its first half. Consequently, the reactor length is reduced by 90<italic>%</italic> of the upper bound, whereas the value of the remaining optimization variables is set to their optimum. Steady-state simulation profiles are reported in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>: reforming contributions exploit the heat from catalyzed combustion within the very first reactor section. After the adiabatic peak, temperature decreases and stabilizes around 1200&#xa0;K. The short reactor length determines a negligible pressure drop, in agreement with <xref ref-type="bibr" rid="B10">Chein et&#x20;al. (2017)</xref>, and the velocity reflects the temperature profile. Position and magnitude of the high-temperature peak at the very inlet of the reactor is consistent with scenarios presented by <xref ref-type="bibr" rid="B10">Chein et&#x20;al. (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B3">Arab Aboosadi et&#x20;al. (2011)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B25">Rezaei and Catalan (2020)</xref>. For the reason that the maximum adiabatic temperature undermines the thermal stability of materials, recommendable studies concerning side-feeding strategies of O<sub>2</sub> by means of membrane and sequential injection points have been proposed by <xref ref-type="bibr" rid="B1">Alipour-Dehkordi and Khademi (2020)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B25">Rezaei and Catalan (2020)</xref>, although disregarded from the current contribution for sake of mathematical simplicity in the optimal control application. Furthermore, the small ratio between the resulting reactor length and diameter could lead to important radial gradients and an uneven gas distribution, possibly resolved by partitioning the feed stream into a bundle, as proposed by <xref ref-type="bibr" rid="B1">Alipour-Dehkordi and Khademi (2020)</xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>TRI temperature <bold>(A)</bold>, composition <bold>(B)</bold>, pressure <bold>(C)</bold>, and velocity profile <bold>(D)</bold> at steady-state and at nominal flowrate.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-09-720489-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-3-2">
<title>4.3.2 RWGS Reactor</title>
<p>Reactor profiles are shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>. The temperature profile drops to a minimum within the first quarter of reactor length, where the mass action is at its maximum. Gradually, it shifts towards the shell-side temperature. Temperature and velocity are directly proportional, whereas the pressure drops almost linearly along the reactor length. Simulation results indicate a conversion of&#x20;44.7<italic>%</italic>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>RWGS temperature <bold>(A)</bold>, composition <bold>(B)</bold>, pressure <bold>(C)</bold> and velocity profile <bold>(D)</bold> at steady-state and at nominal flowrate. For the sake of clarity, <bold>(A)</bold> reports the shell-temperature of the heating&#x20;fluid.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-09-720489-g003.tif"/>
</fig>
<p>Assuming that EL operates at 1073&#xa0;K, the ideal electrical power demand, which equals the Gibbs free energy of reaction, is 188&#xa0;kJ<inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m54">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>mol</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, the nominal flowrate of H<sub>2</sub> to RWGS (247.5&#xa0;mol<sub>H<sub>2</sub>
</sub>s<sup>&#x2212;1</sup>) is ensured if EL is supplied with 46.53&#xa0;MW. <xref ref-type="bibr" rid="B24">Posdziech et&#x20;al. (2019)</xref> identified an EL efficiency of 82<italic>%</italic>, based on the lower heating-value of H<sub>2</sub> (<inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m55">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>), corresponding to 240&#xa0;kJ<inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m56">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>mol</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, which outlines a power demand of 72.4&#xa0;MW. For the given operation, a syngas ratio H<sub>2</sub>/CO of 2 is attained if an integration of 85&#xa0;mol<sub>H<sub>2</sub>
</sub>s<sup>&#x2212;1</sup> is accounted for, which corresponds to a total power demand at EL of 62.5&#xa0;MW, based on the Gibbs free energy, and 97.3&#xa0;MW, based on the <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m57">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> efficiency. CH<sub>4</sub> is a candidate fuel to sustain the heat demand of RWGS, possibly provided from biogas. Given that its lower heating value (<inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m58">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>) is 800&#xa0;kJmol<sup>&#x2212;1</sup>, an estimate of the required flowrate is provided by the following calculation, accounting for the reactor discretization (<italic>N</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> points in axial coordinate and axial discretization segments of length &#x394;<italic>z</italic>):<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m59">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>resulting in 5.8&#xa0;mol s<sup>&#x2212;1</sup> of CH<sub>4</sub>, 5<italic>%</italic> of the molar flowrate required for nominal operations of TRI towards the maximum selectivity to syngas (<italic>see</italic> <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>). If biogas has a molar concentration of 60<italic>%</italic> in CH<sub>4</sub>, 9.7&#xa0;mol&#xa0;s<sup>&#x2212;1</sup> must be separated. Consequently, nominal RWGS operations require considerably less CH<sub>4</sub> than TRI, the latter virtually demanding no electricity other than compression duties.</p>
</sec>
<sec id="s4-3-3">
<title>4.3.3 Oxygen Utilization</title>
<p>Given that the stoichiometric combustion of 5.8&#xa0;<inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m60">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> requires 11.6&#xa0;<inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m61">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup>, nominal RWGS operations generate an excess of 155&#xa0;<inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m62">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> which can be buffered to allow&#x20;for&#x20;the operation of TRI in lack of renewable electricity. Assuming that RWGS (TRI is off) and TRI (RWGS is off) are&#x20;respectively operated for 50<italic>%</italic> of a given time-horizon, the ratio of O<sub>2</sub> generated (not intended for combustion) to O<sub>2</sub> fed to TRI (<xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>) is 155/52 &#x3d; 2.98 : 1.98 moles of surplus per mole of oxygen fed to TRI. The stored surplus is possibly further decreased to sustain thermal utility generation within the plant or sold at market&#x20;value.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Optimal Control for the Plant Model</title>
<p>In this section, two different optimal control problems (OCPs) related to the plant model <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref> are considered. The control vector <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m63">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> contains the inlet flowrates to the RWGS and TRI reactors, where the feed composition is fixed as assumed in <xref ref-type="sec" rid="s5-3-1">Section 3.1</xref>. The inlet molar flowrate to EL, denoted as EL<sub>in</sub>, is not treated as a control variable but is pre-defined in the model. Thus, one obtains the H<sub>2</sub>-integration to the product stream as<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m64">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where the composition of <italic>u</italic>
<sup>RWGS</sup>, the total inlet flowrate to RWGS, is an equimolar mixture of CO<sub>2</sub> and H<sub>2</sub> as described in <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref>. Finally, although the buffer device is not modeled as mentioned in <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref>, assuming that O<sub>2</sub> is exclusively intended for the feed to TRI, the accumulation of O<sub>2</sub> inside the buffer can be calculated as<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m65">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">ff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where O<sub>2,TRI,in</sub> is the mole fraction of O<sub>2</sub> in the TRI inlet stream and <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m66">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the oxygen required to burn the required amount of methane calculated in&#x20;<xref ref-type="disp-formula" rid="e10">(10)</xref>.</p>
<p>In the first OCP, the control <italic>u</italic> and the EL inlet flowrate EL<sub>in</sub> are constant in time in order to clearly describe the approach. In the second OCP these quantities are then time-dependent functions. As a result, they have to discretized in time such that the amount of control variables scales with the amount of time steps and the problem as a whole becomes more challenging from the optimization point of&#x20;view.</p>
<p>With the introduced time-constant controls the DAE <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref> becomes<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m67">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo>&#x2003;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>Introducing the combined state <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m68">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and the matrix <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m69">
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m70">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the identity matrix, the system can be rewritten as<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m71">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where the nonlinear function <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> encodes <italic>f</italic> and <italic>g</italic> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">(13)</xref>. Based on this formulation, the abstract <italic>solution operator</italic> <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m73">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x21a6;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> maps a control <italic>u</italic> to the state solution <italic>w</italic>(<italic>t</italic>) of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref>. Using this notation, a general OCP in reduced form inlcuding box constraints on the control is proposed as<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m74">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>where</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math> <label>(OCP)</label>
</disp-formula>In this reduced form of the OCP, the state <italic>w</italic> is not an optimization variable and thus only implicitly known to the optimizer through the solution operator <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m75">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. As a result, whenever the objective is to be evaluated, the solution operator has to be evaluated for the current value of the control, meaning that <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref> has to be solved. Before the numerical solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref> is tackled and two specific OCPs are introduced, it is clear that any optimizer applied to <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">(OCP)</xref> will require <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m76">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>, the gradient of the objective function with respect to the control. Thus, the continuous adjoint method from <xref ref-type="bibr" rid="B9">Cao et&#x20;al. (2003)</xref> for its calculation is briefly reviewed.</p>
<p>Introducing a yet unspecified variable <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m77">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, the augmented objective function is formed as<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where here and in the following the dependency of <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m79">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and associated quantities on time is often suppressed. Since <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m80">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> due to the reduced approach, the sensitivity of &#x393; with respect to <italic>u</italic> is<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m81">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where the subscripts indicate partial derivatives and the integrals are to be taken component-wise. Integration by parts for the term <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m82">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> together with the fact that <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m83">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and further letting the <italic>adjoint state</italic> <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m84">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> satisfy the <italic>adjoint equation</italic>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m85">
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>the final sensitivity reads<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m86">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>Thus, the computation of the gradient inside an optimizer requires<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; the solution of the forward problem&#x20;<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; the solution of the adjoint problem&#x20;<xref ref-type="disp-formula" rid="e17">(17)</xref>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; the evaluation of the gradient&#x20;<xref ref-type="disp-formula" rid="e18">(18)</xref>.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Regarding the adjoint <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>, which is a linear DAE, it is sufficient to choose initial values such that <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m87">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, which is easily obtained according to (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Cao et&#x20;al., 2003</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq. (9)</xref>). Thus, the last term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">(18)</xref> becomes <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m88">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and one has to calculate <italic>w</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub>(0), the sensitivity of the initial state with respect to the control. The initialization of the system will be covered separately for each OCP after the numerical solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">(17)</xref> is discussed in the following section.</p>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Numerical Time Integration</title>
<p>Standard Runge-Kutta methods (RKMs) can be adapted to DAEs according to <xref ref-type="bibr" rid="B18">Hairer and Wanner (1996)</xref>, but the matrix of the tableau has to be invertible such that implicit methods have to be chosen. Thus, a simple implicit Euler scheme is sufficient for the adjoint <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref> as it is a linear DAE. Regarding <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref>, the forward simulation is computationally more demanding, such that <monospace>parareal</monospace> is briefly reviewed here, <italic>see</italic>, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B21">Lions et&#x20;al. (2001)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Baffico et&#x20;al. (2002)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Garmatter et&#x20;al. (2021)</xref>, in order to speed up the solution time of the overall&#x20;OCP.</p>
<p>The main idea of <monospace>parareal</monospace> is to decompose the global time domain [0, <italic>T</italic>] into <italic>N</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> smaller subdomains. Given initial values on each of these subdomains, the global time-dependent problem in each iteration of the method splits up into <italic>N</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> many local problems on these subdomains, which can then be solved in parallel. The initial values can be generated using a <italic>coarse integrator</italic>, which should be <italic>cheap</italic> but can be inaccurate, and the subproblems are then solved in parallel using a <italic>fine integrator</italic>, which has to be <italic>accurate</italic> and is thus more expensive. Afterwards, the next iterate of <monospace>parareal</monospace> is generated <italic>via</italic> a correction step, where the fine solutions of the subproblems are used to correct the coarse sequential integrator.</p>
<p>Introducing the general time grid <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m89">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x003D;:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> with variable step sizes <italic>h</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub>&#x2254;<italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>&#x2b;1</sub> &#x2212; <italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub>, <italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 0, &#x2026;<italic>N</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> &#x2212; 1, <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m90">
<mml:mi mathvariant="fraktur">G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the coarse integrator, that integrates on the subdomain [<italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub>, <italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>&#x2b;1</sub>] with step-size <italic>h</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub> and provides an inaccurate approximation to <italic>w</italic>(<italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>&#x2b;1</sub>), the solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref>, using the initial values <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m91">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, <italic>k</italic> indicates the iteration number of <monospace>parareal</monospace>. The fine integrator has to be more accurate and can thus be more expensive. This can be achieved by using a higher order integration method or by operating on a refinement of the time grid or a combination of both. In this article, the fine integrator will always be a higher order method and it can additionally operate on a refinement of the time grid such that <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m92">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the fine integrator, that integrates on [<italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub>, <italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>&#x2b;1</sub>] using <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m93">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> time steps and provides a more accurate approximation to <italic>w</italic>(<italic>t</italic>
<sub>
<italic>n</italic>&#x2b;1</sub>) using the initial values <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m94">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, for <italic>R</italic>
<sub>ref</sub> &#x3d; 1 both integrators use the same grid and for <italic>R</italic>
<sub>ref</sub> &#x2265; 2 the fine solver <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m95">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> uses a refined grid. With this notation at hand, <monospace>parareal</monospace> is described in <xref ref-type="other" rid="alg1">Algorithm&#x20;1</xref>.</p>
<table-wrap id="alg1" position="float">
<table>
<tr>
<td>
<inline-graphic xlink:href="fenrg-09-720489-fx1.tif"/>
</td>
</tr>
</table>
</table-wrap>
<p>
<xref ref-type="other" rid="alg1">Algorithm&#x20;1</xref> is terminated either after a fixed amount of <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m103">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> iterations or as soon as the relative change in the iterate <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m104">
<mml:mfenced open="&#x2016;" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="&#x2016;" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> is below some tolerance <italic>&#x25b;</italic>
<sub>tol</sub> &#x3e; 0. Note that in line 10, the values of the coarse integrator <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m105">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="fraktur">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have been calculated in the previous iteration already and thus can be reused. Regarding the integrators, <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m106">
<mml:mi mathvariant="fraktur">G</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> should be fast but at the same time an implicit RKM such that the implicit Euler method is chosen and for <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m107">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> a higher order method is required such that the Lobatto IIIC method is chosen.</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 First OCP</title>
<p>A first optimal control problem based on a tracking-type objective function with an added regularization term is considered. That is, for a given <italic>desired state</italic> <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m108">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, the optimal control problem reads<disp-formula id="eP1">
<mml:math id="m109">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2016;" close="||">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="" close=")">
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2016;" close="||">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(OCP1)</label>
</disp-formula>This resembles the scenario: given a desired state <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>(<italic>t</italic>) and an initial control <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m110">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, problem <xref ref-type="disp-formula" rid="eP1">(OCP1)</xref> wants to find an optimal control <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m111">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> for which the corresponding state <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m112">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> best fits the desired state <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>(<italic>t</italic>). As the desired state will be calculated based on a chosen desired control <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m113">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, this problem becomes a parameter-identification problem and serves the purpose of validating the mathematical approach rather than resembling an actual application.</p>
<p>Regarding the initialization of the DAE system <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref>, the initial values <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m114">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> are constructed as follows: an intermediate vector <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m115">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is formed that consists of fixed values for the mole fractions, the temperature and the pressure at each discretization point inside the reactors. Furthermore, the control <italic>u</italic> affects the algebraic variables of <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m116">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to the reactor outlet flowrates and the H<sub>2</sub>-integration. Next, <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m117">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> serves as the initial value for a Newton method that solves <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. The solution of this nonlinear problem then is <italic>w</italic>(0, <italic>u</italic>), the actual initial values for the DAE <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref> such that these initial values are always consistent. Furthermore, <italic>w</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub>(0) has only nonzero values in the algebraic part, such that <italic>Mw</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub>(0) &#x3d; 0 and the last term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">(18)</xref> vanishes.</p>
<sec id="s5-2-1">
<title>5.2.1 Numerical Results</title>
<p>Regarding the physical discretization and various model parameters, the same values as in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> are chosen in this section and in the later <xref ref-type="sec" rid="s5-3-1">Section 5.3.1</xref>. Furthermore, Matlab v2021a was invoked to obtain these results.</p>
<p>For the solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="eP1">(OCP1)</xref>, Matlab&#x2019;s fmincon routine with its SQP solver is called, where the objective gradient is calculated <italic>via</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">(18)</xref>, the adjoint state is calculated <italic>via</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">(17)</xref>, and this adjoint equation is solved <italic>via</italic> the implicit-Euler method. The necessary derivatives of <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are calculated <italic>via</italic> ADiMat, <italic>see</italic> <xref ref-type="bibr" rid="B6">Bischof et&#x20;al. (2002)</xref>. The integrals in <xref ref-type="disp-formula" rid="eP1">(OCP1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">(18)</xref> are approximated <italic>via</italic> the trapezoidal rule. Regarding fmincon, default options and thus default termination criteria are&#x20;used.</p>
<p>In this academic example, it is <italic>T</italic>&#x20;&#x3d; 1&#x20;s and the time horizon [0, 1] is discretized with <italic>N</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> &#x3d; 100 equidistant points resulting in <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m120">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>. For the evaluation of <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m121">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> during the optimization, either the fine integrator <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m122">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> or <monospace>parareal</monospace> introduced in <xref ref-type="sec" rid="s5-1">Section 5.1</xref> are chosen where <monospace>parareal</monospace> is invoked with <italic>K</italic>
<sub>max</sub> &#x3d; 10 and <italic>&#x25b;</italic>
<sub>tol</sub> &#x3d; 10<sup>&#x2212;6</sup>. Furthermore, <italic>via</italic> <italic>R</italic>
<sub>ref</sub>&#x20;&#x3d; 2, the fine integrator always operates on a refined grid. The computations were carried out on a machine with 60 Intel(R) Xeon(R) CPU E7-4880 v2 @ 2.50&#xa0;GHz cores, where 50 cores where used for the parallel&#x20;step.</p>
<p>The experiment consists of solving <xref ref-type="disp-formula" rid="eP1">(OCP1)</xref> once using the fine integrator <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m123">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> for the evaluations of <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m124">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and once using <monospace>parareal</monospace> and the achieved speed-up is then of interest. To keep the comparison fair, Matlab is in any case only allowed to use one computational thread inside the RKMs. As discussed in <xref ref-type="bibr" rid="B16">Garmatter et&#x20;al. (2021)</xref>, the obtainable speedup using <monospace>parareal</monospace> is reduced when using an expensive coarse integrator. To partly lift this downside, the scenario of a cheaper coarse solver is mimicked by selecting 10<sup>&#x2212;4</sup> as the tolerance for the Newton-solver inside <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m125">
<mml:mi mathvariant="fraktur">G</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> where the tolerance inside <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m126">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is 10<sup>&#x2212;8</sup>.</p>
<p>The remaining experiment setup is (numbers associated to the control <italic>u</italic> always have the unit of measurement mol.s<sup>&#x2212;1</sup>)<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m127">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m128">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and EL<sub>in</sub> &#x3d; 30&#xa0;mol.s<sup>&#x2212;1</sup> is obtained <italic>via</italic> the coarse solver <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m129">
<mml:mi mathvariant="fraktur">G</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> to prevent inverse crime;</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m130">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> simulating a generically active plant;</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m131">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m132">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>60</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>&#x3b2;</italic> &#x3d; 10<sup>&#x2212;6</sup>. Here, the upper bound for the RWGS corresponds to two times the inlet flowrate to EL to prevent negative H<sub>2</sub>-integration values due to&#x20;<xref ref-type="disp-formula" rid="e11">(11)</xref>.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Regarding the solution quality, the solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="eP1">(OCP1)</xref> using <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m133">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> inside the SQP solver of fmincon was<disp-formula id="equ6">
<mml:math id="m134">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">fi</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>30.0003</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0.9952</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="||" close="||">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">fi</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>1.6023</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">fi</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3.1551</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>and the solution using <monospace>parareal</monospace> was<disp-formula id="equ7">
<mml:math id="m135">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>30.0003</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0.9946</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>1.8025</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3.5367</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>Regarding the solution time, the optimization using the fine integrator required 8186&#xa0;s and the optimization using <monospace>parareal</monospace> required 3181&#xa0;s resulting in a speed-up of 2.57. Here, <monospace>parareal</monospace> required on average only one iteration, where it was already discussed in <xref ref-type="bibr" rid="B16">Garmatter et&#x20;al. (2021)</xref> that this quick convergence stems from the used implicit RKM as a coarse solver. The downside of this approach is that <monospace>parareal</monospace> on average did spend 70.70&#x20;s per iteration in the coarse solver and only 8.73&#x20;s in the fine solver. Thus, the obtained speed-up could be improved by using <italic>N</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> &#x3d; 100 cores (effectively halving the time spent in the fine solver) but it is clear that the coarse solver does indeed limit the maximum obtainable speed-up. Thus, the use of an implicit explicit (IMEX) numerical scheme, see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B7">Boscarino (2007)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Steiner et&#x20;al. (2014)</xref> for IMEX methods for DAEs, could be investigated to leverage this downside.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5-3">
<title>5.3 Second OCP</title>
<p>As mentioned in the beginning of <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> the control <italic>u</italic> and the EL inlet flowrate EL<sub>in</sub> are now time-dependent. Thus, EL<sub>in</sub> is a function of time predefined in the model and a time-dependent control has to be introduced. Remembering the time-grid <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m136">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, the control function is defined to be piecewise constant in time, that is<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m137">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x21a6;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>else</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where the coefficients <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m138">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> contain the control values on the time interval (<italic>t</italic>
<sub>
<italic>i</italic>&#x2212;1</sub>, <italic>t</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>]. Together with the control at the initial time point <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m139">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and abusing Matlab notation, these coefficients can be collected as<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m140">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;with&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>such that the overall control dimension <italic>p</italic> scales with the number of time steps. The OCP presented in the following shall now capture the scenario described in the Introduction: due to external influences (intermittency of electricity), the inlet flowrate to EL is changing according to a piecewise linear profile and the aim of the OCP then is to stabilize the plant to still yield a desired syngas ratio <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m141">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and flowrate <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m142">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in the product stream of the plant. Letting <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m143">
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x21a6;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close="">
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m144">
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x21a6;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close="">
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be functions that compute the syngas ratio and flowrate at the outlet at time <italic>t</italic>, based on the value of the control <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) and thus the state <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m145">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the optimal control problem reads<disp-formula id="eP2">
<mml:math id="m146">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(OCP2)</label>
</disp-formula>Here, <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m147">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m148">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> are scaling constants that ensure that both contributions to the objective function are equally weighted. Furthermore, the dynamic EL inlet flowrate profile is again hard-coded in the model such that it does not appear as a constraint in <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref>. Together with the dynamic inflow to the RWGS unit (the first control component), the H<sub>2</sub>-integration to the syngas outlet stream at each time point can then be determined according to&#x20;<xref ref-type="disp-formula" rid="e11">(11)</xref>.</p>
<p>The initialization of the system <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">(14)</xref> for <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref> is similar to the initialization described in <xref ref-type="sec" rid="s5-2">Section 5.2</xref>. The only difference being that the entries of <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m149">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to the mole fractions, the temperature and the pressure inside the reactors come from a steady-state-simulation that reflects the desired syngas ration and flowrate but uses a constant-in-time EL inflow profile. The control values <italic>u</italic>
<sub>0</sub> then again affect the algebraic variables corresponding to the reactor outlet flowrates and the H<sub>2</sub>-integration and the resulting <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m150">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> serves as the initial guess for the Newton method resulting in the consistent initial values.</p>
<p>From a theoretical perspective, it is clear that the formulation in <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref> differs from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">(OCP)</xref> due to the time-dependency of the control. Nonetheless, the continuous adjoint method can be applied to calculate the objective gradient, where the necessary details can be found in (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Gerdts, 2012</xref>, Section&#x20;5.3.3).</p>
<sec id="s5-3-1">
<title>5.3.1 Numerical Results</title>
<p>A time horizon of 1&#xa0;h (resulting in <italic>T</italic>&#x20;&#x3d; 3600&#xa0;s) is chosen to reflect the realistic scenario proposed in <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref>. As a result, the number of equidistant time-steps in the time-grid is increased to <italic>N</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> &#x3d;&#x20;200.</p>
<p>Regarding the experiment setup, a steady-state simulation is performed where the control values and the EL inflow are both constant in time for the values of <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m151">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>465</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and EL &#x3d; 313&#xa0;mol.s<sup>&#x2212;1</sup> (numbers associated to the control <italic>u</italic> again have the unit of measurement mol.s<sup>&#x2212;1</sup>). This results in a desired syngas ratio SR<sub>
<italic>d</italic>
</sub> &#x3d; 1.9998 and desired syngas flowrate SF<sub>
<italic>d</italic>
</sub> &#x3d; 111.44&#xa0;mol&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>. As mentioned in the previous section, this steady-state simulation is involved in computing the initial values for the DAE system during the optimization. Finally, the EL inflow is now dynamic and the hard-coded flow profile can be seen in the top left of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Prescribed dynamic inflow to the EL unit of the plant <bold>(A)</bold>. RWGS and TRI inflow as well as H<sub>2</sub>-integration and the accumulation of O<sub>2</sub> in the buffering device at optimality <bold>(B)</bold>. Obtained and desired syngas ratio <bold>(C)</bold>, as well as obtained and desired syngas flowrate <bold>(D)</bold> for the optimal solution using <monospace>parareal</monospace>. <bold>(A)</bold> further contains the cumulative power demands within the control volume based on the calculations reported in <xref ref-type="sec" rid="s5-3-2">Section 5.3.2</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-09-720489-g004.tif"/>
</fig>
<p>The solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref> is carried out as described in <xref ref-type="sec" rid="s5-2-1">Section 5.2.1</xref> and the comparison between the solution using <monospace>parareal</monospace> and the solution <italic>via</italic> the fine integrator <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m152">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is again of interest. The only difference in the solution setup is that fmincon is now also allowed to terminate as soon as the objective function value is below 10<sup>&#x2212;3</sup>. With sight on the scale of the desired values SF<sub>
<italic>d</italic>
</sub> and SR<sub>
<italic>d</italic>
</sub> inside the objective function <italic>J</italic>
<sub>2</sub>, this is justified as more precision is not required from an application point of&#x20;view.</p>
<p>It is the aim of the optimization to adjust the plant activity to still produce the desired syngas ratio and flowrate under this changing inflow to the EL. Finally, the upper and lower bounds <italic>u</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>u</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub>(<italic>t</italic>) at each time step coincide with the values from <xref ref-type="sec" rid="s5-2-1">Section 5.2.1</xref> with the only difference being that the first value of <italic>u</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub>(<italic>t</italic>) (the upper bound to the total RWGS inflow) now is two times the value of the EL-profile from the top left of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref> to again prevent negative H<sub>2</sub>-integration values. Based on the control values used in the steady state simulation, the initial values for the optimization are constant in time as <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m153">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>465</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The solutions to <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref> are investigated in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>. Here, only the results obtained using <monospace>parareal</monospace> are depicted. This is justified, as the results obtained using the fine integrator <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m154">
<mml:mi mathvariant="fraktur">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> are qualitatively the same as<disp-formula id="equ8">
<mml:math id="m155">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">fi</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">fi</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>2.1183</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">fi</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">fi</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3.8393</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>Regarding the solution time, the optimization using the fine integrator required 6.56&#xa0;h and the optimization using <monospace>parareal</monospace> required 3.85&#xa0;h resulting in a speed-up of 1.70. Due to the time-dependent dynamics, <monospace>parareal</monospace> now requires on average two iterations although the iteration error in line 12 of <xref ref-type="other" rid="alg1">Algorithm 1</xref> after the first iteration is on average 2.4956 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;6</sup> and thus very close to <italic>&#x25b;</italic>
<sub>tol</sub> &#x3d; 10<sup>&#x2212;6</sup>. The average times spent in the coarse and fine solver per iteration were 233.46&#x20;s and 31.16&#x20;s. These results are in line with the results from the previous experiment: the coarse/fine time per <monospace>parareal</monospace> iteration stems from the increased amount of time steps as well as the second average <monospace>parareal</monospace> iteration and the overall increased solution time comes from fmincon requiring more iterations due to <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref> being fully time-dependent including the EL profile depicted in the top left of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>. Finally, do note that fmincon was terminated here as soon as the objective function value was lower than 10<sup>&#x2212;3</sup> (further note that at termination the first-order optimality was around 1 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;3</sup> in both cases). As already mentioned <xref ref-type="disp-formula" rid="eP2">(OCP2)</xref> targets a desired syngas flowrate and ratio, such that, due to the scale of the problem, more accuracy for this objective function is not required from an application point of&#x20;view.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Flowrates <bold>(A</bold>&#x2013;<bold>C)</bold> and compositions <bold>(D</bold>&#x2013;<bold>F)</bold> of the various species at the RWGS reactor outlet <bold>(A</bold>,<bold>D)</bold>, the TRI reactor outlet <bold>(B</bold>,<bold>E)</bold>, and at the combined plant outlet <bold>(C</bold>,<bold>F)</bold> at optimality for the optimal solution obtained using <monospace>parareal</monospace>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-09-720489-g005.tif"/>
</fig>
<p>Regarding the solution quality, it can be seen in the bottom row of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref> that the aim of the optimization was achieved: the desired syngas ratio and flowrate are matched very well under the prescribed change to the inlet flowrate to EL. In the top right of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref> it can be seen how this was achieved: the inflow to the RWGS unit (blue) is adjusted in accordance to the inflow to EL (top left of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>) and TRI (red) is then activated to still produce the desired amount of syngas. The H<sub>2</sub>-integration (yellow) is then a result of <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">(11)</xref>. Finally, the accumulation rate of O<sub>2</sub> in the buffering device (purple) at each time point can be calculated <italic>via</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">(12)</xref>, where O<sub>2,TRI,in</sub> &#x3d; 0.168 and this value is a result from <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>.</p>
<p>A more detailed investigation of the optimal state is provided in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>. Here, the flowrates (top row) and flow compositions (bottom row) of the species at the RWGS reactor outlet (left column), the TRI reactor outlet (middle column), and at the combined plant outlet (right column) are depicted. Regarding the reactors, it is observed that the outlet compositions are essentially constant in time, consistent with the fact that equilibrium conditions are essentially met for the given operations. The changes in the outlet flowrates of the reactors are in agreement with the temporal profiles of the controls (the inlet flows to the reactors) depicted in the top right of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>. Finally, it can be observed that an almost complete conversion of CH<sub>4</sub> was achieved and O<sub>2</sub> has entirely been depleted. The flowrate of H<sub>2</sub> and CO is kept constant in time, which was one aim of the optimization. Furthermore, if the content of steam in the raw syngas is constant over time, CO<sub>2</sub> drops at the minimum power input, suggesting that following purification units must handle variable loads of CO<sub>2</sub> over time before feeding the Fischer-Tropsch reactor.</p>
</sec>
<sec id="s5-3-2">
<title>5.3.2 Estimation of the Power Demand for Gas Compression</title>
<p>In <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref> it was assumed that the power demand at EL is the only relevant contribution within the plant. In order to verify this statement, it is assumed that:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; raw substances are fed to the control volume at ambient pressure;</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Fischer-Tropsch (FT) synthesis occurs in a reactor operated at 25&#x20;bar;</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; the compression work is based on an isothermal transformation at 100&#xb0;C.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>The work demand related to the reactors to attain the pressure level required at the FT reactor, starting from ambient pressure (amb), is estimated as<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m156">
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>373</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>where it is assumed that process gas flowrates are compressed before TRI, after RWGS and after EL, respectively, <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m157">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m158">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and H<sub>2,int</sub>. Similarly, the utility demand for the storage of a molar flowrate O<sub>2,buff</sub> oxygen at 300 [bar] is estimated as<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m159">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">ff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>300</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">ff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>373</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>300</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>The total power demand of the plant is reported in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4A</xref>. As it can be seen, the power demand is largely dominated by the electrolyzer, which justifies the assumption made in <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref> related to power consumption in the context of optimal control calculations.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s6">
<title>6 Conclusion</title>
<p>A layout for a chemical plant that aims at a syngas production at constant flowrate and a H<sub>2</sub>-to-CO-ratio of 2 suitable for Fischer-Tropsch synthesis from renewable power, H<sub>2</sub>O and biogas was presented. The plant included a reverse water-gas shift (RWGS) reactor, which was to be used unless power shortage prevented the operation of the electrolyzer and thus the H<sub>2</sub> supply for the RWGS unit. A tri-reforming reactor was thus included into the plant to still provide the desired syngas flowrate and ratio at the product stream. An optimal control problem set to ensure a desired syngas ratio and flowrate at the plant outlet over a prescribed time horizon, given a variable power provision to the electrolyzer, was presented. From the mathematical side, <monospace>parareal</monospace> was utilized to speed up the expensive forward time integrations during the optimization and the continuous adjoint method was employed to compute the derivatives of the objective function. In a numerical investigation this novel approach was compared to the scenario where a traditional Runge-Kutta-Method was used for the time integration. It could be seen that both methods yielded qualitatively the same optimal solution, while the novel approach was significantly faster due to <monospace>parareal</monospace>. Furthermore, the objective of the optimal control problem was achieved: the desired syngas flowrate and ratio were matched over time under a prescribed piecewise linear inflow profile to the electrolyzer.</p>
<p>From an engineering perspective, the numerical results allowed to identify appropriate feeding strategies at the reactors responding to a fluctuation in power supply and to monitor the temporal composition in the outlet stream and the accumulation of oxygen in the buffering device.</p>
<p>Future research paths should set the proposed layout in the framework of a thorough cost-based technological comparison with alternative buffering strategies for renewable power to syngas (buffering of H<sub>2</sub>). Besides, appropriate O<sub>2</sub>-dosing strategies to decrease the temperature levels at tri-reforming should be accounted for, as well as a suitable strategy for the buffering of oxygen. The inclusion of heat exchangers and compressors would surely set feasibility bounds to the flexibility of the plant, an important aspect to be addressed. From a process-control perspective, it would be desirable to relax the condition of fixed temperature, pressure and composition at the reactors inlets throughout the control horizon. Furthermore, a mathematical investigation regarding the coarse solver inside <monospace>parareal</monospace> should be accounted for. Here, a faster solver could&#x20;provide even more speed-up for the overall approach. As a result, a more in-depth analysis of the engineering model or even a real-time application could then become possible.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>7 Supplementary Material</title>
<p>In this section, modeling details and parametrization is reported.</p>
<sec id="s7-1">
<title>7.1 Reaction Rates for Tri-reforming of Methane</title>
<p>The parameters are selected from <xref ref-type="bibr" rid="B36">Xu and Froment (1989)</xref> and&#x20;reported in <xref ref-type="table" rid="T4">Table&#x20;4</xref>. The governing kinetic expressions are<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m160">
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m161">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="/" close="">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m162">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="/" close="">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m163">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="/" close="">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m164">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mspace width="50.00008pt"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>,</p>
</list-item>
</list>
</p>
<table-wrap id="T4" position="float">
<label>TABLE 4</label>
<caption>
<p>List of parameters for TRI kinetics: pre-exponential and activation energies.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">
<italic>A</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>)/<italic>A</italic>(<italic>K</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>)</th>
<th align="center">Value</th>
<th align="center">unit (SI)</th>
<th align="center">
<italic>E</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>)/<italic>E</italic>(<italic>K</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>)</th>
<th align="center">Value</th>
<th align="center">unit (SI)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>SR</italic>
</sub>)</td>
<td align="left">1.17 &#x22c5; 10<sup>12</sup>
</td>
<td align="left">[kmol&#x2009;bar<sup>0.5</sup>
<inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2009;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<italic>E</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>SR</italic>
</sub>)</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">2.40 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="left">[J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>WGS</italic>
</sub>)</td>
<td align="left">5.43 &#x22c5; 10<sup>2</sup>
</td>
<td align="left">[kmol&#x2009;bar<sup>&#x2212;1</sup>&#x2009;<inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<italic>E</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>WGS</italic>
</sub>)</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">6.71 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>RMETH</italic>
</sub>)</td>
<td align="left">2.83 &#x22c5; 10<sup>11</sup>
</td>
<td align="left">[kmol&#x2009;bar<sup>0.5</sup>&#x2009;<inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<italic>E</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>RMETH</italic>
</sub>)</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">2.44 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>a</italic>,<italic>COMB</italic>
</sub>)</td>
<td align="left">8.11 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="left">[kmol&#x2009;bar<sup>&#x2212;2</sup>&#x2009;<inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<italic>E</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>a</italic>,<italic>COMB</italic>
</sub>)</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">8.60 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>b</italic>,<italic>COMB</italic>
</sub>)</td>
<td align="left">6.82 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="left">[kmol&#x2009;bar<sup>&#x2212;2</sup>&#x2009;<inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<italic>E</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>b</italic>,<italic>COMB</italic>
</sub>)</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">8.60 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m170">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">6.65 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;4</sup>
</td>
<td align="left">[bar<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m171">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">&#x2212; 3.83 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m172">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1.75 &#x22c5; 10<sup>5</sup>
</td>
<td align="left">[&#x2212;]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m173">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">8.87 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>A</italic>(<italic>K</italic>
<sub>CO</sub>)</td>
<td align="left">8.23 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;5</sup>
</td>
<td align="left">[bar<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<italic>E</italic>(<italic>K</italic>
<sub>CO</sub>)</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">&#x2212; 7.07 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m174">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">6.12 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;9</sup>
</td>
<td align="left">[bar<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m175">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">&#x2212; 8.29 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m176">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1.26 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;1</sup>
</td>
<td align="left">[bar<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m177">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">&#x2212; 2.73 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m178">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">7.87 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;7</sup>
</td>
<td align="left">[bar<sup>&#x2212;1</sup>]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m179">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char="&#x22c5;">&#x2212; 9.28 &#x22c5; 10<sup>4</sup>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>where the kinetics parameters <italic>k</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub> related to reaction and adsorption result from the following Arrhenius-like relations<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m180">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>Values of coefficients <italic>A</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub>) and <italic>E</italic>(<italic>k</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub>) are listed in <xref ref-type="table" rid="T4">Table&#x20;4</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s7-2">
<title>7.2 Reaction Rates for RWGS</title>
<p>RWGS kinetics are adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B26">Richardson and Paripatyadar (1990)</xref>.<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m181">
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m182">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="/" close="">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>Where kinetics parameters <italic>k</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub> related to reaction and adsorption, result from Arrhenius-like relations<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m183">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>350</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>81030</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5771</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>9262</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.494</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6025</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>Effectiveness factor is set to 0.3, as reported in <xref ref-type="bibr" rid="B26">Richardson and Paripatyadar (1990)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s7-3">
<title>7.3 Overall Heat Transfer Coefficient RWGS</title>
<p>The overall heat transfer coefficient reads<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m184">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>The shell-side heat transfer coefficient is not accounted for.&#x20;Instead, a constant skin temperature is assumed along&#x20;the pipe. The definition of <italic>&#x3b1;</italic>
<sub>
<italic>eff</italic>
</sub> for non-adiabatic packed-bed reactors is provided by <xref ref-type="bibr" rid="B23">Martin and Nilles (1993)</xref>.<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m185">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>Here, <italic>&#x3b1;</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub> and &#x39b;<sub>
<italic>r</italic>
</sub> are retrieved from <xref ref-type="bibr" rid="B5">Bauer and Schl&#xfc;nder (1976)</xref> and discussed by <xref ref-type="bibr" rid="B32">Tsotsas (2010)</xref> as well as <xref ref-type="bibr" rid="B23">Martin and Nilles (1993)</xref>.<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m186">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1.3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.19</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.75</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m187">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>Embedded in the definition of <italic>&#x3b1;</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub>, the heat conductivity across the packed-bed <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>bed</italic>
</sub> is defined in <xref ref-type="bibr" rid="B32">Tsotsas (2010)</xref> by the following steps:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>bed</italic>
</sub> &#x3d; <italic>k</italic>
<sub>
<italic>bed</italic>
</sub>
<italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>mix</italic>
</sub>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m188">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <italic>&#x3d5;</italic> &#x3d; 0.0077 [&#x2212;] spheres,</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m189">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close="">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m190">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>SB</italic>
</sub> &#x3d; 5.67 &#x22c5; 10<sup>&#x2212;8</sup> [Wm<sup>&#x2212;2</sup>K<sup>&#x2212;4</sup>], <italic>&#x3f5;</italic>
<sub>
<italic>E</italic>
</sub> &#x3d; 0.4 [&#x2212;], <italic>k</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> &#x3d; 1 [&#x2212;],</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m191">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.25</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s8">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusions of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Author Contributions</title>
<p>AM contributed <xref ref-type="sec" rid="s2">Sections 2</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s3">3</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s4">4</xref>, and <xref ref-type="sec" rid="s7">7</xref>: he provided the plant layout, the governing equations as well as the corresponding&#x20;kinetics and the optimal parameters for the different reactors. DG contributed <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>: he implemented the optimal control approach as well as <monospace>parareal</monospace>, developed the combination of the continuous&#x20;adjoint method and <monospace>parareal</monospace> and provided the&#x20;main numerical results. AM is supervised by KS, DG is mentored by MS. SS aided in the optimal control approach.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Funding</title>
<p>DG, SS, and MS acknowledge the financial support by the Federal Ministry of Education and Research of Germany with in the project P2Chem (support code 05M18OCB).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s11">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s12">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ack>
<p>DG acknowleges the vital discussions regarding the continuous adjoint method provided by Prof. Matthias Gerdts.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alipour-Dehkordi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khademi</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>O2, H2O or CO2&#x20;Side-Feeding Policy in Methane Tri-reforming Reactor: The Role of Influencing Parameters</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Hydrogen Energ.</source> <volume>45</volume>, <fpage>15239</fpage>&#x2013;<lpage>15253</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhydene.2020.03.239</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Andersson</surname>
<given-names>J.&#x20;A. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gillis</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horn</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rawlings</surname>
<given-names>J.&#x20;B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Diehl</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>CasADi: A Software Framework for Nonlinear Optimization and Optimal Control</article-title>. <source>Math. Prog. Comp.</source> <volume>11</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>36</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12532-018-0139-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arab Aboosadi</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jahanmiri</surname>
<given-names>A. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rahimpour</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Optimization of Tri-reformer Reactor to Produce Synthesis Gas for Methanol Production Using Differential Evolution (DE) Method</article-title>. <source>Appl. Energ.</source> <volume>88</volume>, <fpage>2691</fpage>&#x2013;<lpage>2701</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apenergy.2011.02.017</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Baffico</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bernard</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maday</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Turinici</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Z&#xe9;rah</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Parallel-in-time Molecular-Dynamics Simulations</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>66</volume>, <fpage>057701</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.66.057701</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bauer</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schl&#xfc;nder</surname>
<given-names>E. U.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1976</year>). <article-title>Effektive radiale W&#xe4;rmeleitf&#xe4;higkeit gasdurchstr&#xf6;mter Sch&#xfc;ttungen aus Partikeln unterschiedlicher Form</article-title>. <source>Chem. Ingenieur Technik</source> <volume>48</volume>, <fpage>227</fpage>&#x2013;<lpage>228</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cite.330480309</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bischof</surname>
<given-names>C. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>B&#xfc;cker</surname>
<given-names>H. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lang</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rasch</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vehreschild</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). &#x201c;<article-title>Combining Source Transformation and Operator Overloading Techniques to Compute Derivatives for MATLAB Programs</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the Second IEEE International Workshop on Source Code Analysis and Manipulation (SCAM 2002)</conf-name>, <conf-loc>Montreal, QC, Canada</conf-loc>, <conf-date>October 1, 2002</conf-date> (<publisher-name>IEEE Computer Society</publisher-name>), <fpage>65</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/SCAM.2002.1134106</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boscarino</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Error Analysis of IMEX Runge-Kutta Methods Derived from Differential-Algebraic Systems</article-title>. <source>SIAM J.&#x20;Numer. Anal.</source> <volume>45</volume>, <fpage>1600</fpage>&#x2013;<lpage>1621</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/060656929</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petzold</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Adjoint Sensitivity Analysis for Differential-Algebraic Equations: Algorithms and Software</article-title>. <source>J.&#x20;Comput. Appl. Math.</source> <volume>149</volume>, <fpage>171</fpage>&#x2013;<lpage>191</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0377-0427(02)00528-9</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petzold</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Serban</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Adjoint Sensitivity Analysis for Differential-Algebraic Equations: The Adjoint DAE System and its Numerical Solution</article-title>. <source>SIAM J.&#x20;Sci. Comput.</source> <volume>24</volume>, <fpage>1076</fpage>&#x2013;<lpage>1089</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/s1064827501380630</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chein</surname>
<given-names>R.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>C.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>C.-T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Parametric Study on Catalytic Tri-reforming of Methane for Syngas Production</article-title>. <source>Energy</source> <volume>118</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>17</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.energy.2016.11.147</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Daza</surname>
<given-names>Y. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuhn</surname>
<given-names>J.&#x20;N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>CO2conversion by Reverse Water Gas Shift Catalysis: Comparison of Catalysts, Mechanisms and Their Consequences for CO2conversion to Liquid Fuels</article-title>. <source>RSC Adv.</source> <volume>6</volume>, <fpage>49675</fpage>&#x2013;<lpage>49691</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c6ra05414e</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>De Groote</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Froment</surname>
<given-names>G. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1997</year>). <article-title>The Role of Coke Formation in Catalytic Partial Oxidation for Synthesis Gas Production</article-title>. <source>Catal. Today</source> <volume>37</volume>, <fpage>309</fpage>&#x2013;<lpage>329</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0920-5861(97)00013-8</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>De Smet</surname>
<given-names>C. R. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>De Croon</surname>
<given-names>M. H. J.&#x20;M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Berger</surname>
<given-names>R. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marin</surname>
<given-names>G. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schouten</surname>
<given-names>J.&#x20;C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Design of Adiabatic Fixed-Bed Reactors for the Partial Oxidation of Methane to Synthesis Gas. Application to Production of Methanol and Hydrogen-For-Fuel-Cells</article-title>. <source>Chem. Eng. Sci.</source> <volume>56</volume>, <fpage>4849</fpage>&#x2013;<lpage>4861</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0009-2509(01)00130-0</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="web">
<collab>EBA</collab> (<year>2021</year>). <article-title>About Biogas and Biomethane</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.europeanbiogas.eu/about-biogas-and-biomethane">https://www.europeanbiogas.eu/about-biogas-and-biomethane</ext-link> (Accessed June 30, 2021)</comment>. </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Engeland</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Borga</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Creutin</surname>
<given-names>J.-D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fran&#xe7;ois</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ramos</surname>
<given-names>M.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vidal</surname>
<given-names>J.-P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Space-time Variability of Climate Variables and Intermittent Renewable Electricity Production - A Review</article-title>. <source>Renew. Sust. Energ. Rev.</source> <volume>79</volume>, <fpage>600</fpage>&#x2013;<lpage>617</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.rser.2017.05.046</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Garmatter</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maggi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wenzel</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Monem</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hahn</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stoll</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). &#x201c;<article-title>Power-to-chemicals: A Superstructure Problem for Sustainable Syngas Production</article-title>,&#x201d; in <source>Mathematical Modeling, Simulation and Optimization for Power Engineering and Management</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>G&#xf6;ttlich</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Herty</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Milde</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>), <fpage>145</fpage>&#x2013;<lpage>168</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-030-62732-4_7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gerdts</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <source>Optimal Control of ODEs and DAEs</source>. <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>De Gruyter</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/9783110249996</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hairer</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wanner</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <source>Solving Ordinary Differential Equations II</source>. <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-642-05221-7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="web">
<collab>IEA</collab> (<year>2021</year>). <article-title>Report Extract: an Introduction to Biogas and Biomethane</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.iea.org/reports/outlook-for-biogas-and-biomethane-prospects-for-organic-growth/an-introduction-to-biogas-and-biomethane">https://www.iea.org/reports/outlook-for-biogas-and-biomethane-prospects-for-organic-growth/an-introduction-to-biogas-and-biomethane</ext-link> (Accessed June 30, 2021)</comment>. </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kaiser</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Unde</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kern</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jess</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Production of Liquid Hydrocarbons with CO2as Carbon Source Based on Reverse Water-Gas Shift and Fischer-Tropsch Synthesis</article-title>. <source>Chem. Ingenieur Technik</source> <volume>85</volume>, <fpage>489</fpage>&#x2013;<lpage>499</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cite.201200179</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lions</surname>
<given-names>J.-L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maday</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Turinici</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>R&#xe9;solution d&#x27;EDP par un sch&#xe9;ma en temps "parar&#xe9;el &#xbb;</article-title>. <source>Comptes Rendus de l&#x27;Acad&#xe9;mie des Sci. - Ser. - Math.</source> <volume>332</volume>, <fpage>661</fpage>&#x2013;<lpage>668</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0764-4442(00)01793-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Maggi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wenzel</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sundmacher</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Mixed-integer Linear Programming (MILP) Approach for the Synthesis of Efficient Power-To-Syngas Processes</article-title>. <source>Front. Energ. Res.</source> <volume>8</volume>, <fpage>161</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2020.00161</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Martin</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nilles</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>Radiale W&#xe4;rmeleitung in Durchstr&#xf6;mten Sch&#xfc;ttungsrohren</article-title>. <source>Chem. Ingenieur Technik</source> <volume>65</volume>, <fpage>1468</fpage>&#x2013;<lpage>1477</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cite.330651206</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Posdziech</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwarze</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brabandt</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Efficient Hydrogen Production for Industry and Electricity Storage via High-Temperature Electrolysis</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Hydrogen Energ.</source> <volume>44</volume>, <fpage>19089</fpage>&#x2013;<lpage>19101</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhydene.2018.05.169</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rezaei</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Catalan</surname>
<given-names>L. J.&#x20;J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Evaluation of CO2 Utilization for Methanol Production via Tri-reforming of Methane</article-title>. <source>J.&#x20;CO2 Utilization</source> <volume>42</volume>, <fpage>101272</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcou.2020.101272</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Richardson</surname>
<given-names>J.&#x20;T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Paripatyadar</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Carbon Dioxide Reforming of Methane with Supported Rhodium</article-title>. <source>Appl. Catal.</source> <volume>61</volume>, <fpage>293</fpage>&#x2013;<lpage>309</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0166-9834(00)82152-1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schill</surname>
<given-names>W.-P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Residual Load, Renewable Surplus Generation and Storage Requirements in Germany</article-title>. <source>Energy Policy</source> <volume>73</volume>, <fpage>65</fpage>&#x2013;<lpage>79</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enpol.2014.05.032</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sinn</surname>
<given-names>H.-W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Buffering Volatility: A Study on the Limits of Germany&#x27;s Energy Revolution</article-title>. <source>Eur. Econ. Rev.</source> <volume>99</volume>, <fpage>130</fpage>&#x2013;<lpage>150</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.euroecorev.2017.05.007</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Tri-reforming of Methane: A Novel Concept for Catalytic Production of Industrially Useful Synthesis Gas with Desired H2/CO Ratios</article-title>. <source>Catal. Today</source> <volume>98</volume>, <fpage>463</fpage>&#x2013;<lpage>484</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cattod.2004.09.054</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Steiner</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruprecht</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Speck</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krause</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). &#x201c;<article-title>Convergence of Parareal for the Navier-Stokes Equations Depending on the Reynolds Number</article-title>,&#x201d; in <source>Numerical Mathematics and Advanced Applications - ENUMATH 2013. Lecture Notes in Computational Science and Engineering</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Abdulle</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deparis</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kressner</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nobile</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Picasso</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>) <volume>103</volume>, <fpage>195</fpage>&#x2013;<lpage>202</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-10705-9_19</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Trimm</surname>
<given-names>D. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lam</surname>
<given-names>C.-W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1980</year>). <article-title>The Combustion of Methane on Platinum-Alumina Fibre Catalysts-I</article-title>. <source>Chem. Eng. Sci.</source> <volume>35</volume>, <fpage>1405</fpage>&#x2013;<lpage>1413</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0009-2509(80)85134-7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsotsas</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). &#x201c;<article-title>M7 Heat and Mass Transfer in Packed Beds with Fluid Flow</article-title>,&#x201d; in <source>VDI Heat Atlas</source>. Editor <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen</surname>
</name>
</person-group> (<publisher-loc>Berlin, Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Berlin Heidelberg</publisher-name>), <fpage>1327</fpage>&#x2013;<lpage>1342</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-540-77877-6_100</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vita</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Italiano</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Previtali</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fabiano</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Palella</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Freni</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Methanol Synthesis from Biogas: A Thermodynamic Analysis</article-title>. <source>Renew. Energ.</source> <volume>118</volume>, <fpage>673</fpage>&#x2013;<lpage>684</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.renene.2017.11.029</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>W&#xe4;chter</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Biegler</surname>
<given-names>L. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>On the Implementation of an interior-point Filter Line-Search Algorithm for Large-Scale Nonlinear Programming</article-title>. <source>Math. Program</source> <volume>106</volume>, <fpage>25</fpage>&#x2013;<lpage>57</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10107-004-0559-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wulf</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zapp</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schreiber</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Review of Power-To-X Demonstration Projects in Europe</article-title>. <source>Front. Energ. Res.</source> <volume>8</volume>, <fpage>191</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2020.00191</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Froment</surname>
<given-names>G. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1989</year>). <article-title>Methane Steam Reforming, Methanation and Water-Gas Shift: I. Intrinsic Kinetics</article-title>. <source>Aiche J.</source> <volume>35</volume>, <fpage>88</fpage>&#x2013;<lpage>96</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/aic.690350109</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>