Ammonia as stationary hydrogen storage: review and application

Hydrogen is expected to be a crucial energy vector in future decarbonized scenarios; however, storing large quantities of hydrogen could be complex and expensive. Among the storage alternatives, ammonia is a promising option. This thesis aims at comparing the use of ammonia to compressed gaseous hydrogen for stationary storage systems. The case study looks at a constant hydrogen demand of 3.7 t/h, and the plant consists of a 1.2 GW offshore wind farm, a 600 MW electrolysis plant. The ammonia-based configuration is modeled, including the ammonia production unit, an ammonia storage system, the ammonia cracking unit, and a hydrogen buffer storage. Particular attention is given to the control logic of the plant, which is based on the hydrogen content in the hydrogen buffer storage. The cracking plant, for which data are very limited in literature, is studied in detail, and its resulting cost is roughly split in equal parts between the PSA, the compressors, and the combination of reactor and heat exchangers. The employed sizing procedure takes as input the year-long hourly wind data. It is observed that the hydrogen-based configuration (used as references) is strongly influenced by the chosen year. The ammonia-based configuration has most of its cost in the ammonia production and cracking, which are fixed. The ammonia-based configuration is economically advantageous only for years in which the wind source has long periods in which it is not sufficient for the hydrogen demand. Then, an economic analysis of the entire lifetime is done with a differential approach between ammonia-based and reference configurations. The analysis shows that, for a non-delivered hydrogen penalty price of 10 €/kg, it is convenient to use a smaller hydrogen storage and avoid meeting the demand for some hours per year. Instead, the best ammonia configuration has the largest hydrogen buffer and ammonia storage units. The resulting specific storage cost is 1.34 €/kg and 1.78 €/kg, respectively. To boost the competitiveness of the ammonia-based configuration, the possibility of selling the surplus of ammonia is investigated. It is observed that, by exploiting the already installed Haber-Bosch plant, this option is beneficial for a range of ammonia prices compatible with the last 3 years in Europe (600-1800 €/t), making the case comparable to the reference configuration.

L'idrogeno è considerato un vettore energetico cruciale nei futuri scenari di decarbonizzazione; tuttavia, lo stoccaggio di grandi quantità di idrogeno potrebbe essere complesso e costoso. Tra le alternative di stoccaggio, l'ammoniaca è un'opzione promettente. Questa tesi mira a confrontare l'uso dell'ammoniaca con l'idrogeno gassoso compresso per i sistemi di stoccaggio stazionari. Il caso di studio considera una domanda costante di idrogeno di 3,7 t/h, un parco eolico offshore da 1,2 GW e un impianto di elettrolisi da 600 MW. Viene modellata la configurazione basata sull'ammoniaca, che include l'unità di produzione di ammoniaca, un sistema per il suo stoccaggio, l'unità di cracking dell'ammoniaca e uno stoccaggio di idrogeno. Particolare attenzione è data alla logica di controllo dell'impianto, che si basa sul livello del serbatoio di idrogeno. L'impianto di cracking, per il quale i dati in letteratura sono più limitati, viene studiato in dettaglio, e il suo costo risultante è suddiviso in parti circa uguali tra il PSA, i compressori e il reattore con scambiatori di calore. La procedura di dimensionamento adottata prende come input i dati di vento orario per un anno. Si osserva che la configurazione a idrogeno (usata come riferimento) è fortemente influenzata dall'anno scelto. La configurazione a base di ammoniaca ha la maggior parte del suo costo nella produzione e nel cracking dell’ammoniaca, che sono costanti. La configurazione ad ammoniaca è economicamente vantaggiosa solo per anni in cui la sorgente eolica ha lunghi periodi in cui non è sufficiente per la richiesta di idrogeno. Quindi, viene eseguita un'analisi economica dell'intero ciclo di vita con un approccio differenziale tra configurazioni a base di ammoniaca e di riferimento. L'analisi mostra che, per una penale di idrogeno non consegnato di 10 €/kg, è conveniente utilizzare uno stoccaggio di idrogeno più piccolo ed evitare di soddisfare la domanda per alcune ore all'anno. Invece, la migliore configurazione basata su ammoniaca ha i più grandi buffer di idrogeno e unità di stoccaggio dell'ammoniaca. Il costo specifico di stoccaggio risultante è rispettivamente di 1,34 €/kg e 1,78 €/kg. Per aumentare la competitività della configurazione ad ammoniaca, viene studiata la possibilità di vendere l'eccedenza di ammoniaca. Si osserva che, sfruttando l'impianto Haber-Bosch già installato, questa opzione è vantaggiosa per un range di prezzi dell'ammoniaca compatibile con gli ultimi 3 anni in Europa (600-1800 €/t), rendendo il caso paragonabile alla configurazione di riferimento.