Novel technologies for green ammonia utilization and production for clean power generation

Compared to alternative energy carriers, ammonia offers a high volumetric energy density, mature logistic infrastructure, relatively mild storage conditions, and it can be produced from nitrogen in the air and water, using electricity. These characteristics make ammonia an attractive option for applications where renewable electric energy must be stored for long periods of time and moved over long distances, like seasonal storage of renewable energy and trading of clean energy via ship transport. Although academic and industrial research is moving fast, power generation technologies using ammonia as fuel are not mature. Likewise, the production of green ammonia using electrolytic hydrogen has been gaining traction only in recent years. Therefore, this thesis investigates innovative systems for the utilization and the production of green ammonia for power generation applications using appropriate simulation tools. High-temperature electrochemical devices are integrated in each of these systems, resulting in a highly efficient design. The first power generation system proposed is an oxy-fuel cycle where a high-temperature oxygen membrane reactor allows the integration of ammonia oxy-combustion and oxygen separation from the air, with expected advantages on the system efficiency and compactness. Considering the electric efficiency and the technology readiness level as the main performance indicators, the system is unlikely to be attractive compared to traditional and other emerging power generation systems. Additional aspects could contribute to the economic feasibility of the system, like the production of liquid water and nitrogen as by-products, which is enabled by the use of an oxygen membrane reactor. Larger electric efficiencies, up to 79.6%, can be achieved by the second power generation system proposed, where a solid oxide fuel cell and a gas turbine are integrated forming a hybrid cycle. The mild system pressurization allows ammonia evaporation to occur at low temperature, providing cooling power without impacting the system electric efficiency. Therefore, this system could be particularly suited for applications requiring both electric and cooling power, like powering data centers. Finally, a novel green ammonia production system is investigated, assuming the use of high-temperature solid oxide electrolysis to produce the required hydrogen. The system is designed so that the H2-N2 mixture required for ammonia synthesis is produced without using a nitrogen generation unit. The simulations performed suggest that the proposed system has the potential to improve the existing concepts in the literature.

Rispetto ad altri vettori energetici, l’ammoniaca offre alta densità volumetrica di energia, un’infrastruttura logistica matura, condizioni di stoccaggio relativamente favorevoli, e può essere prodotta partendo dall’azoto nell’aria e acqua, utilizzando potenza elettrica. Queste caratteristiche rendono l’utilizzo di ammoniaca promettente per applicazioni come lo stoccaggio ed il trasporto di energia elettrica prodotta da rinnovabili per lunghe distanze e per periodi di tempo prolungati. Nonostante la ricerca a livello accademico ed industriale stia procedendo velocemente, le tecnologie di produzione di energia elettrica usando l’ammoniaca non sono ancora mature. Allo stesso modo, l’interesse verso la produzione di ammoniaca verde utilizzando idrogeno elettrolitico è cresciuto significativamente solo in anni recenti. Considerato il potenziale dell’ammoniaca come vettore energetico pulito, in questa tesi vengono studiati, principalmente attraverso simulazioni numeriche, sistemi innovativi per l’utilizzo e la produzione di ammoniaca verde per applicazioni legate alla generazione di potenza elettrica. Un elemento comune dei sistemi innovativi proposti è l’utilizzo di dispositivi elettrochimici ad alta temperatura, i quali permettono di raggiungere elevate prestazioni. Il primo sistema proposto per la generazione di potenza elettrica consiste in un ciclo in cui un reattore a membrana permette di integrare l’ossicombustione dell’ammoniaca e la separazione dell’ossigeno dall’aria, con potenziali vantaggi per quanto riguarda l’efficienza e la compattezza del sistema. Comparando il sistema proposto con sistemi per la produzione di energia elettrica tradizionali ed emergenti guardando all’efficienza elettrica ed al livello di avanzamento tecnologico, difficilmente il ciclo proposto risulterà attraente. Altre caratteristiche possono contribuire alla fattibilità economica del sistema proposto, come la produzione di acqua liquida ed azoto durante il processo, resa possibile dall’utilizzo di un reattore a membrana. Efficienze elettriche più alte, fino a 79.6%, possono essere raggiunte dal secondo sistema proposto, in cui una cella a combustibile ad ossidi solidi viene integrata ad una turbina a gas, formando un ciclo ibrido. La bassa pressurizzazione del ciclo permette all’ammoniaca di evaporare a bassa temperatura, producendo potenza frigorifera senza ridurre l’efficienza elettrica del sistema. Per questo motivo, il ciclo proposto potrebbe essere particolarmente adatto per applicazioni in cui è richiesta la generazione di potenza elettrica e frigorifera, come nel caso dei centri di elaborazione dati. Infine, in questa tesi viene studiato un sistema innovativo per la produzione di ammoniaca verde, assumendo l’utilizzo di elettrolisi ad alta temperatura per la produzione dell’idrogeno necessario. Il sistema è progettato in modo da produrre la miscela H2-N2 necessaria per la sintesi dell’ammoniaca senza l’utilizzo di un’unità per la produzione di azoto. I risultati delle simulazioni indicano che il sistema proposto possiede il potenziale per migliorare i concetti già proposti in letteratura.