Dynamics and Control of a Load Flexible Green Ammonia Plant

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 and Casale, 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.

Termini come 'ammoniaca verde' (green ammonia in inglese) stanno aumentando la loro popolarità a causa della crescente preoccupazione correlata al cambiamento climatico. Ad oggi, infatti, la produzione di ammoniaca è responsabile dell'1,8% delle emissioni globali di anidride carbonica. La sintesi di ammoniaca avviene tramite il processo Haber-Bosch, il quale prevede la reazione tra idrogeno e azoto ad alte temperature. La gran parte di idrogeno utilizzato in questa tipologia di processo proviene dal reforming del metano, un processo correlato ad alte emissioni di anidride carbonica. Per ridurre drasticamente tali emissioni, l'ammoniaca potrebbe essere prodotta a partire da idrogeno verde, proveniente dal processo di elettrolisi dell'acqua con corrente elettrica da fonti rinnovabili. L'ammoniaca verde, oltre a sostituire, almeno in parte, quella presente nell'industria odierna, può rappresentare un’alternativa come carburante low-carbon o essere utilizzata per trasportare e stoccare energia chimica. La sfida principale associata a un eventuale impianto di ammoniaca verde risiede nella natura fluttuante delle fonti rinnovabili. Difatti, diversi studi si impegnano nella progettazione e operazione di impianti flessibili per la produzione di ammoniaca che possano adattarsi alla disponibilità di idrogeno verde. Alcuni dei più importanti fornitori di tecnologie chimiche, come Topsøe e Casale, propongono soluzioni in grado di sostenere variazioni di carico fino al 10/20% del carico di progettazione. Questa tesi presenta una simulazione dinamica del processo di produzione di ammoniaca, ottenuta con il software UniSim Design. Tale simulazione è stata utilizzata per studiare l'impatto che ha una variazione di carico sulle condizioni di processo. A completamento della simulazione è stato implementato un sistema di controllo per mantenere le condizioni operative nei limiti desiderati. Si può concludere che, nei limiti intrinseci che ha una simulazione nel descrivere accuratamente la realtà, un processo di produzione flessibile di ammoniaca può essere operato efficacemente, in particolare se la variazione di carico risulta graduale e non improvvisa.