Optimization of a hydrogen compression and storage system for a green ammonia plant

The pressing global effort toward decarbonization has propelled hydrogen to the forefront as a main candidate for sustainable energy solutions. In addition to its promising role as an energy carrier, its significance is particularly pronounced in hard-to-abate sectors like ammonia and methanol production, that by themselves cover 65% of the yearly hydrogen consumption. The potential of hydrogen, however, critically hinges on the effectiveness of its compression and storage systems, pivotal components within green energy frameworks. This paper embarks on a critical review of extant literature and commercial information surrounding hydrogen storage and compression technologies. The primary objective is to assess the maturity and practical applicability of these technologies across various envisioned use cases. Furthermore, this study endeavors to establish robust cost correlations, utilizing linear and power-law regression methodologies, aimed at predicting expenses pertinent to prevalent hydrogen compression and storage systems. Furthermore, the thesis endeavors to develop a comprehensive model capable of assessing the true impact of compression technologies specifically on green ammonia plants. This endeavour involves developing a robust MILP optimization algorithm, for the determination of the conceptual design of the storage and compression system optimizing the operation over a year, overcoming the difficulty to linearize a strongly non-linear process. This effort is critical to challenge the prevailing assumption of the negligible impact of hydrogen compression systems in the optimization of green plants, common to several academic works, despite the high operational and investment cost of compressors.

L’urgente impegno globale verso la decarbonizzazione ha spinto l'idrogeno a porsi come candidato idoneo per molte applicazioni energetiche sostenibili. Oltre al suo promettente ruolo come vettore energetico, la sua importanza è particolarmente pronunciata in settori hard-to-abate come la produzione di ammoniaca e metanolo, che da soli coprono il 65% del consumo annuale di idrogeno. L’implementazione delle tecnologie dell'idrogeno green, tuttavia, dipende in modo critico dall'efficacia dei suoi sistemi di compressione e accumulo. La presente tesi si propone di effettuare una revisione critica della letteratura esistente e delle informazioni commerciali relative alle tecnologie di stoccaggio e compressione dell'idrogeno. L'obiettivo primario è quello di valutare la maturità e l'applicabilità pratica di queste tecnologie nei vari casi d'uso previsti. Inoltre, questo studio cerca di identificare le correlazioni di costo, utilizzando metodologie di regressione lineare e power law, finalizzate a prevedere le spese relative ai sistemi di compressione e accumulo dell'idrogeno. Il lavoro di tesi ha inoltre lo scopo di sviluppare un modello in grado di valutare il reale impatto delle tecnologie di compressione, in particolare sugli impianti di ammoniaca verde. Questo sforzo comporta lo sviluppo di un algoritmo di ottimizzazione MILP, per la determinazione del design ottimale del sistema di accumulo e compressione, considerandone il funzionamento annuale, con la sfida di dover linearizzare la descrizione di un processo fortemente non lineare. Questo sforzo è fondamentale per superare l'assunto diffuso dell'impatto trascurabile dei sistemi di compressione dell'idrogeno nella progettazione di impianti industriali “verdi”, comune a molti studi.