Herstellung von Ammoniak unter Berücksichtigung fluktuierender Elektrizitätspreise

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1 Herstellung von Ammoniak unter Berücksichtigung fluktuierender Elektrizitätspreise Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) von der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte Dissertation von Dipl.-Wi.-Ing. Simon Schulte Beerbühl Tag der mündlichen Prüfung: 25. November 2014 Referent: Prof. Dr. rer. pol. Frank Schultmann Korreferent: Prof. Dr. rer. pol. Martin Wietschel

2 Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis vii xiii 1. Einleitung und Problemstellung Ausgangslage und Problemstellung Zielsetzung und Lösungsweg 2 2. Umfeldanalyse und Ableitung der Prozesskonzepte Entwicklungen am Elektrizitätsmarkt Entwicklungen im Bereich der Wasserstoffwirtschaft Stand der Wissenschaft und Technik zur Herstellung von NH 3 aus regenerativen Quellen Konzepte zum flexiblen Betrieb von Elektrolyseuren Konzepte zum flexiblen Betrieb von NH 3-Anlagen Anforderungsanalyse und Ableitung der zu entwickelnden Prozesskonzepte Anforderungen an H 2-basierte Konzepte von Seiten des Elektrizitätsmarktes Anforderungen möglicher Abnehmer von Ammoniak aus Kleinanlagen Ableitung der Prozesskonzepte zur Herstellung von NH 3 unter Berücksichtigung fluktuierender Elektrizitätspreise Entwicklung einer Methodik zur Modellierung und Bewertung der Prozesskonzepte zur Herstellung von Ammoniak aus Elektrizität Phasen des Planungsprozesses für stoffumwandelnde Verfahren Methoden zur Modellierung verfahrenstechnischer Prozesse Definition der verwendeten prozesstechnischen Zielgrößen Grundstruktur der Optimierungsaufgabe Methoden zur Ermittlung der Anlageninvestition Methoden zur Einsatzplanung in der Energiewirtschaft Erweiterung des Modells um die Kapazitätsplanung Zusammenfassung der entwickelten Vorgehensweise 42

3 4. Konzept der elektrolysebasierten Herstellung von Ammoniak Wasserelektrolyse Technologien der Wasserelektrolyse Thermodynamische Grundlagen Wesentliche Quellen von Energieverlusten Prozessintegration Nebenprodukt Sauerstoff Wasserstoff-Pufferspeicher NH 3-Synthese Thermodynamische und kinetische Grundlagen der Ammoniaksynthese Stand der Technik im Ammoniakanlagenbau Erstellung und Modellierung des elektrolysebasierten Anlagenkonzeptes Modellierung der Stickstoff-Bereitstellung Zusammenführung und Verdichtung des Synthesegases sowie Eingliederung des ^-Pufferspeichers NH 3-Kondensation und Abscheidung NH 3-Konverter Wärmemanagement und Wärmeübertrager Inerte und Purge Gas-Management Konzipierung und Implementierung des Betriebs bei Teillast Regelstrategien für Teillast und ihre Auswirkungen auf den Konverter Simulation der Teillast in AspenPlus Betriebskosten auf Basis der Massen- und Energiebilanzen Hybridkonzept zur Herstellung von Ammoniak aus Erdgas und Elektrizität Thermodynamische und kinetische Grundlagen Dampfreformierung Wasser-Gas-Shift Reaktion (CO-Konversion) Stand der Technik der erdgasbasierten Wasserstofferzeugung Rohstoffvorbehandlung Synthesegaserzeugung CO-Konversion Wärmemanagement Gasaufbereitung Erstellung und Modellierung des hybriden Anlagenkonzeptes Eduktaufwärmung und Rohstoffvorbehandlung Synthesegaserzeugung CO-Konversion 133 ii

4 Gasaufbereitung Purge- und Restgasmanagement Wärmemanagement Konzipierung und Implementierung des Betriebs bei Teillast Sauerstoffmanagement Betriebskosten auf Basis der Massen- und Energiebilanzen Auswirkungen der Erzeugungspfade aufeinander Vergleich zwischen Hybridkonzept und elektrolysebasiertem Verfahren Wirtschaftliche Bewertung der Verfahren Ermittlung der Anlageninvestition Vorgehen Resultate der Investitionsschätzung Entwicklung des Optimierungsmodells für das elektrolysebasierte Verfahren Aufbau des Modells Einbindung der Wasserelektrolyse Einbindung des Pufferspeichers Einbindung der NH 3-Synthese Heuristische Herangehensweise zur Reduktion der Modellkomplexität Herleitung der verwendeten Heuristik Aufbau und Ablauf der verwendeten Heuristik Anpassung des Optimierungsmodells zur Abbildung des Hybridkonzepts Anwendung der Optimierungsmodelle zur Kapazitäts- und Einsatzplanung Parameter Charakteristik des nichtlinearen Lösungsansatzes und der Heuristik Ergebnisse für das elektrolysebasierte Konzept Ergebnisse für das Hybridkonzept Zusammenfassung des Kapitels Vergleich mit alternativen Anwendungen (Power-to-Gas) Wasserstoff-Einspeisung in das Erdgasnetz Prozessschnittstelle Erdgasnetz Konzeptaufbau, -modellierung und -bewertung Prozessflexibilität Aufbau des Modells zur gekoppelten Kapazitäts- und Einsatzplanung 205 iii

5 Anwendung des Modells zur gekoppelten Kapazitäts- und Einsatzplanung Konzept der elektrolysebasierten Methanisierung Prozessschnittstelle Erdgasnetz C0 2-Quelle Thermodynamische und kinetische Grundlagen Stand der Technik Konzeptaufbau und -modellierung Wärmemanagement Betriebskosten auf Basis der Massen- und Energiebilanzen Einfluss des C0 2-Preises auf den Grenzpreis Aufbau des Modells zur gekoppelten Kapazitäts- und Einsatzplanung Anwendung des Modells zur gekoppelten Kapazitäts- und Einsatzplanung Power-to-Gas-Konzepte im Vergleich zur elektrolysebasierten Herstellung von NH Edukt- und Produktpreise Reaktionseffizienz Dampfexport als alternative Variante der Wärmenutzung Einfluss der unterschiedlichen spezifischen Investitionen je Arbeitsvolumen des Puffers Vergleich der Ergebnisse der Kapazitäts- und Einsatzplanungen Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen Diskussion des methodischen Ansatzes Diskussion der Designanforderungen Diskussion der Modellergebnisse Ergebnisse des elektrolysebasierten Verfahrens Ergebnisse des Hybridkonzepts Einordnung der Ergebnisse der gekoppelten Kapazitätsund Einsatzplanung Erweiterungsmöglichkeiten der Prozesse und Methoden Zusammenfassung 245 Literaturverzeichnis 249 iv

6 Anhang 262 A. Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten 263 B. Kennzahl verlauf im Wärmeübertrager bei Teillast 267 C. Beispielhafte softwaregestützte Auslegung von Apparaten 271 D. Charakteristik der verwendeten Elektrizitätspreise (EEX day ahead- Markt) 273 E. Verlauf des verwendeten Erdgas-Lastflusses 275 Abkürzungsverzeichnis 277 Symbolverzeichnis 279 v