Techno-economic analysis of waste heat utilization from green ammonia plant

Abstract

This thesis investigated waste heat utilization from a green ammonia plant in district heat production and high temperature waste heat utilization from Haber-Bosch process in electricity generation. In addition, this thesis investigated other possible utilization alternatives for waste heat. Green ammonia is a sustainable energy carrier that is planned to be used in the future as a fuel and to replace the current use in the production of fertilizers. In this thesis, an industrial scale electric green ammonia plant was simulated with the Haber-Bosch process and an alkaline electrolyzer.

Thesis is conducted by creating a process simulation model of the green ammonia utilizing Aspen Plus software. The model was used to simulate the plant with different input powers, district heating supply temperature levels and hydrogen mass flowrates. Based on data obtained from the process simulation model. The district heating production of the plant was simulated on an hourly basis utilizing self-created MATLAB code. The simulation was carried out for two district heating networks of different sizes in Finland, which are located in potential areas in terms of plant placement. The electricity generation was separate simulation, and it was carried out only for the process simulation part.

The results indicate that the production of district heat is economically viable in term of levelized cost of heat (LCOH) in both district heating networks. However, the waste heat can only be utilized in a partially economically viable manner due to the high waste heat generation compared to the consumption in the summer months. The plant continuously generates waste heat, but its availability fluctuates greatly. The electricity production results illustrate that only small amount of electricity can be produced with Organic Rankine cycle from the high temperature waste heat. A particularly interesting finding is that the maximum electricity production is close to the rated maximum electrical power of the designed heat pumps.

Tässä diplomityössä tutkittiin vihreän ammoniakki laitoksen hukkalämpöjen hyödyntämistä kaukolämmön tuotannossa ja Haber-Bosch prosessissa syntyvän korkea lämpöisen hukkalämmön hyödyntämistä sähkötuotannossa. Tämän lisäksi tutkimuksessa selvitettiin muita mahdollisia hyödyntämismahdollisuuksia hukkalämmölle. Vihreä ammoniakki on kestävä energiankantaja, jota on suunniteltu käytettävän tulevaisuudessa polttoaineena sekä korvaaman nykyistä käyttöä lannoitteiden valmistuksessa. Tässä työssä simuloitiin teollisen mittaluokan sähköistä vihreää ammoniakki laitosta hyödyntäen Haber-Bosch prosessia ja alkalielektrolyysia.

Tutkimus toteutettiin luomalla vihreästä ammoniakki laitoksesta prosessisimulointimalli käyttäen Aspen Plus ohjelmaan. Mallia hyödyntämällä laitosta simulointiin eri tehoilla, kaukolämmön tuloveden lämpötiloilla ja vedyn massaviroilla. Prosessisimuloinnista saadun tiedon perusteella laitoksen kaukolämmön tuotantoa simulointiin tuntitasolla itse luotua MATLAB koodiahyödyntäen. Simulointi toteutettiin kahdelle erikokoiselle kaukolämpöverkolle suomessa, mitkä sijaitsevat potentiaalissa alueilla laitoksen sijoittamisen kannalta. Sähkötuotanto oli täysin erillinen simulointi ja se toteutin vain prosessisimuloinnin osalta.

Tulokset osoittavat, että kaukolämmön tuotanto on taloudellisesti kannattavaa tasoittelujen lämmöntuotanto (LCOH) kustannusten osalta molemmissa kaukolämpöverkoissa. Hukkalämpö voidaan kuitenkin hyödyntää vain osittain taloudellisesti kannattavasti johtuen suuresta hukkalämmön tuotannosta verrattuna kesä kuukausien kulutukseen. Laitos tuottaa jatkuvasti hukkalämpöä, mutta sen saatavuus vaihtelee voimakkaasti. Sähköntuotanto tulokset osoittavat, että korkealämpöisestä hukkalämmöstä voidaan tuottaa vain suhteellisen vähän sähköä Organic Rankine kiertoprosessilla. Erityisen kiinnostava havainto on, että sähköntuotannon enimmäisteho on lähellä mitoitettujen lämpöpumppujen maksimisähkötehoa.