Study and verification of a variable load green ammonia synloop control system

The growing emphasis on sustainable energy solutions places green ammonia at the forefront of the chemical industry, identifying it as a promising carbon-free player. In addition to its longstanding use in agriculture and industrial applications, ammonia offers substantial potential for renewable energy storage, contributing to the decarbonization of multiple sectors. However, integrating ammonia production with intermittent renewable energy sources poses significant challenges in process control. Indeed, due to the intrinsic fluctuation of renewable energy mixes, major engineering design concerns are load adaptability, plant turndown and ramp rates. While several licensors propose flexible ammonia production technologies, notable gaps remain from an engineering standpoint, particularly regarding the practical implementation and management of variable-load operation. This study addresses these challenges by developing and validating a control system tailored for variable-load conditions for a typical industrial size (1000 MTPD) green ammonia synthesis loop (Synloop). A dynamic process model is built in UniSim Design® to simulate Synloop behavior under fluctuating load conditions, enabling a detailed assessment of the impact of variability on key operational parameters and engineering design. Through comprehensive dynamic simulations, a suitable control architecture is identified and tuned to maintain stable operation under load variability in the presence of load disturbances. Conventional plant control structures are subsequently revised to enable the required load flexibility. Beyond demonstrating operational feasibility of load variable green ammonia Synloop, this work establishes an adaptable simulation framework compatible with external Advanced Process Control (APC) systems, optimizers, or decision-making algorithms. This capability supports the evaluation and validation of advanced control strategies, while enabling the exploration of various transition pathways to optimize performance under dynamic energy supply conditions. As such, the model serves as a benchmarking tool for future automation initiatives and self-optimizing plant designs. Moreover, an engineering design analysis is carried out, incorporating real-world practical limitations, including control valve rangeability, fatigue analysis and equipment constraints. Therefore, the present work demonstrates the developed control structure ability to accommodate oscillating load profiles, thereby validating its adaptability to variable renewable energy applications. These findings advance the technical readiness of green ammonia production in the light of a dynamic-driven engineering design and underscore its potential role in future sustainable energy systems.

La crescente attenzione verso soluzioni energetiche sostenibili pone l’ammoniaca verde al centro dell’industria chimica, identificandola come una promettente risorsa carbon-free. Oltre al suo consolidato utilizzo nei settori agricolo e industriale, l’ammoniaca presenta un considerevole potenziale per l’accumulo di energia rinnovabile, contribuendo alla decarbonizzazione di molteplici settori. Tuttavia, l’integrazione della produzione di ammoniaca con fonti rinnovabili intermittenti comporta sfide significative nel controllo del processo. Infatti, a causa dell’intrinseca fluttuazione dei mix energetici rinnovabili, i principali aspetti di progettazione ingegneristica riguardano l’adattabilità al carico, il turndown dell’impianto e le velocità di rampa. Sebbene diversi licenziatari propongano tecnologie di produzione flessibile dell’ammoniaca, permangono lacune rilevanti dal punto di vista ingegneristico, specialmente riguardo all’implementazione pratica e alla gestione dell’operatività con carico variabile. Questo studio affronta tali sfide sviluppando e validando un sistema di controllo adattato per condizioni di carico variabile, applicato a un tipico Synloop di sintesi dell’ammoniaca verde di dimensione industriale (1000 MTPD). Viene costruito un modello di processo dinamico in UniSim® Design per simulare il comportamento del Synloop sotto condizioni di carico fluttuanti, consentendo una valutazione dettagliata dell’impatto della variabilità sui principali parametri operativi e sulla progettazione ingegneristica. Attraverso simulazioni dinamiche esaustive, una struttura di controllo adeguata viene identificata e ottimizzata per mantenere operazioni stabili in presenza di disturbi di carico. Le strutture di controllo convenzionali sono successivamente riviste per abilitare la necessaria flessibilità di carico. Oltre a dimostrare la fattibilità operativa di un Synloop di ammoniaca verde a carico variabile, questo lavoro definisce un framework di simulazione adattabile, compatibile con sistemi esterni di controllo avanzato del processo (APC), ottimizzatori o algoritmi decisionali. Questa capacità supporta la valutazione e la validazione di strategie avanzate di controllo, consentendo inoltre l’esplorazione di diversi percorsi di transizione per ottimizzare le prestazioni in condizioni dinamiche di fornitura energetica. Di conseguenza, il modello costituisce uno strumento di riferimento per future iniziative di automazione e progettazioni di impianti auto-ottimizzanti. Inoltre, viene condotta un’analisi ingegneristica della progettazione, includendo limitazioni pratiche del mondo reale, come la rangeabilità delle valvole di controllo, analisi di fatica e vincoli degli apparati. Pertanto, il presente lavoro dimostra la capacità della struttura di controllo sviluppata di accomodare profili di carico oscillanti, validandone l’adattabilità alle applicazioni basate su energia rinnovabile variabile. Questi risultati migliorano la maturità tecnica della produzione di ammoniaca verde in una prospettiva di progettazione ingegneristica orientata alle dinamiche operative e ne sottolineano il potenziale ruolo nei futuri sistemi energetici sostenibili.