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Electrified production of ammonia as chemical product and energy storage = Elektrifizierte Produktion von Ammoniak als chemisches Produkt und Energiespeicher
2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022
Deutsche und englische Zusammenfassung. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-01-21
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01772
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/841507/files/841507.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ammonia (frei) ; electrified production (frei) ; energy storage (frei) ; potential analysis (frei) ; process design (frei) ; renewable energy (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Wandel zu einer klimaneutralen Wirtschaft bewirkt, dass in der Industrie nach nachhaltigen Alternativen gesucht wird. Dies betrifft auch die Ammoniakindustrie und ihre seit hundert Jahren bestehenden Prozesse. Gleichzeitig wird die wachsende Durchdringung variabler erneuerbarer Energien im Zuge der Energiewende immer systemrelevanter und erfordert Flexibilitätslösungen auf der Übertragungsebene. Power-to-Ammoniak-Prozesse (PtA) bieten Möglichkeiten, die Herausforderungen der einzelnen Sektoren gemeinsam anzugehen. In dieser Dissertation werden zwei prozesstechnische Schlüsselkonzepte und deren Potenziale systematisch untersucht. Zunächst wird ein hocheffizientes Ammoniak-basiertes Konzept für die Energiespeicherung in großem Maßstab entwickelt. Es verwendet eine reversible Festoxid-Brennstoffzelle zur Energieumwandlung, gekoppelt mit externen Ammoniaksynthese- und -zersetzungsprozessen und einem Dampfkraftprozess. Ein Verflüssigungskreis wird genutzt, um Stickstoff und Sauerstoff im Wechselmodus zu recyceln und ermöglicht somit den periodischen Betrieb des Energiespeichers im geschlossenen Kreislauf. Durch Wärmeintegration und modellbasierte Optimierung weist das neue Energiespeicherkonzept einen elektrischen Wirkungsgrad von über 60% auf und erreicht ein ähnliches Kostenniveau wie bei Pumpspeicher- und Druckluftspeicher-Technologien. Anschließend wird ein Produktionsprozess für regenerativ erzeugten Ammoniak vorgeschlagen, der für die Durchführung von Demand-Side-Management (DSM) geeignet ist. Die vertikale Integration der Salpetersäureproduktion ermöglicht eine hocheffiziente Wärmeintegration zwischen der Dampfelektrolyse und dem Rest des Prozesses. Mithilfe eines modellbasierten dynamischen Optimierungsansatzes wird gezeigt, dass die Windkraftintegration mit einem Verhältnis von Spitzen- zu Grundlast von bis zu 2,3 wirtschaftlich sein kann. Das neue Verfahren reduziert den Primärenergieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Technologien um mehr als 13%. Schließlich wird das Potenzial der PtA-Prozesskonzepte im deutschen Energiesystemanalysiert. Die Beiträge der einzelnen Technologien werden durch einen konsistenten Systemoptimierungsansatz in einer Reihe von aufeinander aufbauenden Szenarien identifiziert. Im Vergleich zum Szenario ohne PtA-Technologie erweist sich der Einsatz des vorgeschlagenen Ammoniak-basierten Energiespeichersystems als wesentlich, um die Kürzung erneuerbarer Stromeinspeisung zu begrenzen und CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung vollständig zu vermeiden. Die Aufnahme der flexiblen erneuerbaren Ammoniakproduktion ins Netz trägt dazu bei, den Bedarf an Netzspeichern zu verringern. Durch aktive Nutzung von Strompreissignalen werden die Vermeidungskosten für erneuerbare Produktion um bis zur Hälfte auf unter 150€/t CO2 gesenkt. Die Einnahmen aus dem Angebot von DSM sind der Schlüssel für die heimische Ammoniakindustrie im Wettbewerb mit Produktion im Ausland, wo reichlich erneuerbare Ressourcen vorhanden sind. Neben dem chemischen Produkt wird auch der Wert des Imports von erneuerbarem Ammoniak für Energie-Endprodukte untersucht. Obwohl Ammoniak kein wirtschaftlicher Wasserstoffträger ist, könnte es für den Stromtransport über große Entfernungen attraktiver als Wasserstoff sein.The transition towards a climate-neutral economy pushes the one-hundred-year-old ammonia industry to search for sustainable alternatives that reduce the fossil fuel dependency. At the same time, the growing penetration of variable renewable resources amid the Energiewende, driven by strong cost reductions and policy support, is becoming more and more system-relevant and asks for flexibility solutions on the utility scale. Power-to-Ammonia (PtA) technologies provide means to tackle the challenges of the individual sectors jointly. In this dissertation, two enabling process concepts and their potentials are systematically investigated. At first, a highly efficient ammonia-based concept is developed for large-scale energystorage. It utilizes a reversible solid oxide fuel cell for power conversion, coupled with external ammonia synthesis and decomposition processes and a steam power cycle. A refrigeration cycle is utilized to recycle nitrogen and oxygen in alternating mode and hence enables the closed-loop operation of the energy storage. Through heat integration and first-principle model-based optimization, the new energy storage concept demonstrates an electrical round-trip efficiency above 60%. Its levelized cost of storage can be obtained at the same level to that of pumped hydro and compressed air energy storage. Next, a renewable ammonia production process that is suitable for conducting demand side management (DSM) is proposed. A vertical integration of nitric acid production facilitates efficient heat integration between steam electrolysis and the rest of the process. The economic performance of the production complex is investigated through a model-based dynamic optimization approach, considering scenarios with or without incorporation of intermittent wind power as well as deployment of battery storage. In all cases, the wind power integration proves to be economic with a peak-to-base load ratio of up to 2.3. The new process reduces primary energy consumption by more than 13% compared to conventional technologies.Finally, the potential of implementing the PtA process concepts in the German energysystem is analyzed. To identify contributions of individual technologies, a consistent system optimization approach is carried out in a series of scenarios that build upon each other. Compared to a scenario without any PtA technology, the deployment of the proposed ammonia-based energy storage system in the national grid proves essential to limit renewable electricity curtailment and to completely eliminate CO2 emissions in power generation. Adding flexible production of renewable ammonia to the grid helps reduce the need for grid storage. Through actively exploiting power price signals, the CO2 abatement cost for renewable production is lowered by up to a half to below 150€/t CO2. The revenue from offering DSM is also identified to be the key for the domestic ammonia industry in competition with renewable production abroad with abundant renewable resources. Beside chemical product, the value of importing renewable ammonia for energy end-products is investigated. While it is not an economic hydrogen-carrier, ammonia could be more attractive than hydrogen used for power delivery over long distances.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021284781
Interne Identnummern
RWTH-2022-01772
Datensatz-ID: 841507
Beteiligte Länder
Germany
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