Thermoeconomic evaluation of a novel small-scale Power-to-Ammonia concept

The quest for sustainability requires all branches of the economy to become more renewable. In the energy sector, this means switching to renewable primary energy sources, such that the derived energy carriers and their end usage are renewable as well.

The molecule ammonia, consisting of one nitrogen and three hydrogen atoms, has the potential to be such a renewable energy carrier. For most of the past 100 years, ammonia has solely been regarded as a fertilizer, with the required nitrogen extracted from the air being fixed to hydrogen. Nowadays, the other purpose of ammonia emerges, i.e. the fixation of the highly volatile energy carrier hydrogen to nitrogen.

This work proposes a novel small-scale, Haber-Bosch based, Power-to-Ammonia process. Its simple design aims to produce ammonia from water and air using renewable electricity – in a low temperature and low pressure regime, under changing operating conditions, safe and cost superior to a more conventional concept. The use case of such a containerized process are remote farming areas, where farmers strive for fuel and fertilizer independency.

The four publications that make up this cumulative thesis are part of the fundamental steps of the process design workflow of the novel concept: A steady state thermodynamic and a dynamic evaluation of the concept, followed by a comparative investigation regarding exergy and exergy-costing between the novel concept and a more conventional one.

The results suggest that the novel design has the potential to deliver on its promises, namely producing ammonia at low pressure and temperature, dynamically and safe as well as exergy-cost superior to the competing conventional concept. However, the extensive critical analysis of the four publications conducted in this work also points out its weaknesses, mostly the many simplifying assumptions that had to be made for the simulations. Nevertheless, ways to eliminate these weaknesses in the future are suggested in this work as well.

However, in the end, only the still pending commissioning of the containerized concept will reveal how far the promising results of the publications are in agreement with reality.

Soll das Ziel der Nachhaltigkeit Wirklichkeit werden, müssen sich alle Bereiche der Wirtschaft wandeln. Im Energiebereich bedeutet das, auf erneuerbare primäre Energieträger zu setzten, sodass auch die Sekundärenergieträger und die Endenergienutzung nachhaltiger werden.

Das Molekül Ammoniak, bestehend aus einem Stick- und drei Wasserstoffatomen, hat das Potential, solch ein erneuerbarer Sekundärenergieträger zu werden. In der meisten Zeit der vergangenen 100 Jahren wurde Ammoniak allein als Düngemittel verwendet, wobei der Wasserstoff den für die Düngung benötigten Stickstoff aus der Luft band. Dies kann aber auch umgekehrt betrachtet werden, und wird es zunehmend auch: Stickstoff, der den flüchtigen Sekundärenergieträger Wasserstoff bindet.

Diese Arbeit stellt einen neuartigen, kleinformatigen und vollelektrischen Ammoniakprozess nach dem Haber-Bosch Prinzip vor. Das simple Design soll es ermöglichen, Ammoniak mit Hilfe von grünem Strom aus den Ausgangsstoffen Wasser und Luft herzustellen – auf einem geringen Druck- und Temperaturniveau, bei flexiblen Betriebspunkten, sicher und günstiger als ein vergleichbares, konventionelles Konzept. Der Verwendungszweck des neuartigen, in einem Container realisierten Konzepts, sind Landwirte, die sich mit eigens produziertem Ammoniak unabhängig von gekauftem Treibstoff und Dünger machen wollen.

Die vier Veröffentlichungen dieser kumulativen Thesis behandeln die fundamentalen Schritte der Prozessentwicklung des neuartigen Konzepts: Eine stationäre thermodynamische und eine dynamische Analyse des Prozessverhaltens, gefolgt von einer exergetischen und exergoökonomischen Gegenüberstellung des neuen Prozesses mit einem vergleichbaren, aber konventionellen, Design.

Die Ergebnisse lassen hoffen, dass das neue Konzept in der Tat das Potential birgt, Ammoniak auf einem geringen Temperatur- und Druckniveau, flexibel, sicher und kostengünstiger als konventionelle Konzepte herzustellen. Nichtsdestotrotz gibt es reichlich Kritikpunkte und Schwachstellen der Veröffentlichungen, welche in dieser Arbeit ausführlich diskutiert werden. Dabei liegt die Mehrheit der Kritikpunkte in den für die Simulationen notwendig zu treffenden Annahmen begründet. Es werden jedoch Wege aufgezeigt, wie diese Schwachstellen zukünftig behoben werden können.

Jedoch werden nur die ausstehenden Tests des Versuchscontainers zeigen können, in wie weit die erfolgversprechenden Simulationsergebnisse auch in der Realität zutreffend sind.