Electrified production of ammonia as chemical product and energy storage

  • Elektrifizierte Produktion von Ammoniak als chemisches Produkt und Energiespeicher

Wang, Ganzhou; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor); Mitsos, Alexander (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series AVT.PT - Process Systems Engineering 22
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

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.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Prozesstechnik [416410]

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