Dynamics and Control of a Load Flexible Green Ammonia Plant

Abstract

Termen 'grønn ammoniakk' (green ammonia, på engelsk) vinner popularitet ettersom bekymringene for klimaendringer øker. For øyeblikket bidrar produksjonen av ammoniakk med 1.8% av de globale karbonutslippene. Den primære ammoniakkproduksjonsmetoden er Haber-Bosch-prosessen, som innebærer reaksjonen av hydrogen og nitrogen under høyt trykk og temperaturer. Størstedelen av hydrogenet som brukes i denne prosessen, kjent som 'grått hydrogen', kommer fra karbonintensiv dampreformeringen av naturgass. Et lovende alternativ for å redusere karbondioksidutslipp er å erstatte grått hydrogen med 'grønt hydrogen', det vil si hydrogen produsert fra elektrolyse av vann ved hjelp av fornybar energi, og dermed produsere det som kalles 'grønn ammoniakk'. Grønn ammoniakk har et bredt spekter av bruksområder, fra tradisjonelle bruksområder som gjødsel til mer innovative og klimadrevne bruksområder som lavkarbonbrensel og energilagring.

En betydelig utfordring knyttet til produksjon av grønn ammoniakk er at fornybare energikilder er vaiable av natur. Som et resultat fokuserer pågående forskning på å designe og drive fleksible grønne ammoniakkfabrikker som er i stand til å operere gjennom ulike belastningsendringer for å tilpasse seg tilgjengeligheten av hydrogen. Forskjellige lisensgivere, som Topsøe A/S og Casale SA, har foreslått løsninger for å opprette en grønn ammoniakkfabrikk som er i stand til å opprettholde en belastning på 10/20% av den designete belastningen.

I denne avhandlingen er det gjennomført en dynamisk simulering av en grønn ammoniakksyntesefabrikk for å undersøke virkningen av en belastningsendring på systemet. Etter fullføring av dynamiske simuleringer, er en reguleringsstruktur evaluert og implementert for å opprettholde driftsbetingelsene innenfor ønskede områder. Studien analyserer resultatene av en belastningsendring med ulike reguleringsstruktur . Det konkluderes med at, begrenset av de iboende begrensningene som stilles av representasjonen av virkeligheten med en simulering, kan en last-fleksible ammoniakkfabrikk drives effektivt, spesielt ved gradvise belastningsendringer.

The term 'green ammonia' is gaining in popularity as climate change concerns intensify. Currently, the production of ammonia contributes 1.8% to the global carbon emissions. The primary ammonia production method is the Haber Bosch process, which involves the reaction of hydrogen and nitrogen at high pressure and temperatures. The vast majority of the hydrogen utilized in this process, known as 'grey hydrogen', is derived from the carbon-intensive steam reforming of natural gas. A promising solution to decrease carbon dioxide emissions is to substitute grey hydrogen with 'green hydrogen', i.e., hydrogen derived from water electrolysis employing renewable energy, synthesizing what is referred to as 'green ammonia'. Green ammonia presents a wide range of applications, from traditional ones as fertilizers to more innovative and climate-driven ones, such as low-carbon fuel and energy storage.

A significant challenge associated with green ammonia production lies in the fluctuating nature of renewable energy sources. Consequently, ongoing research focuses on designing and operating flexible green ammonia plants capable of operating through different load changes to accommodate for hydrogen availability. Various licensors, such as Topsøe A/S and Casale SA, have suggested the feasibility of a green ammonia plant capable of sustaining load reduction down to 10/20% of the designed one.

In this thesis, a dynamic simulation of a green ammonia synthesis plant is conducted to investigate the impact of a load change on the system. Following the completion of the dynamic simulation, a control structure is evaluated and implemented to maintain the operating conditions within the desired ranges. The study analyses the results of a load change with different control structures. It is concluded that, confined to the intrinsic limitations posed by representing reality with a simulation, a flexible ammonia plant can be operated effectively, particularly in the case of gradual load changes.