EP4558452A1 - Anlage und verfahren zur erzeugung von ammoniak - Google Patents

Anlage und verfahren zur erzeugung von ammoniak

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EP4558452A1
EP4558452A1 EP23768197.8A EP23768197A EP4558452A1 EP 4558452 A1 EP4558452 A1 EP 4558452A1 EP 23768197 A EP23768197 A EP 23768197A EP 4558452 A1 EP4558452 A1 EP 4558452A1
Authority
EP
European Patent Office
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hydrogen
ammonia
electrolizer
oxygen
designed
Prior art date
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Pending
Application number
EP23768197.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Suhel Ahmad
Peter Adam
Lukas BIYIKLI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4558452A1 publication Critical patent/EP4558452A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
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Definitions

  • the invention relates to a plant for producing ammonia, comprising an ammonia reactor which is designed to produce ammonia (NH3) from a synthesis gas, the synthesis gas comprising hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ), further comprising an electrolizer , which is designed to produce hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) from water.
  • an ammonia reactor which is designed to produce ammonia (NH3) from a synthesis gas, the synthesis gas comprising hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ), further comprising an electrolizer , which is designed to produce hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) from water.
  • the invention further relates to a method for producing ammonia, wherein ammonia (NH 3 ) is produced in an ammonia reactor from a synthesis gas, the synthesis gas comprising hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ), wherein in an electrolizer Hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) is produced using renewable energies.
  • the invention proposes a concept for an ammonia plant comprising an electrolizer operated with renewable energies, wherein cooling and heating in the plant are carried out by a refrigeration machine or heat pump, wherein the plant uses a gas turbine operated with hydrogen, wherein the gas turbine provides nitrogen for the ammonia production.
  • Green ammonia is considered a rapidly growing energy carrier for hydrogen. In addition, it is used in many industrial processes, especially in fertilizers. It is estimated that about 50% of the green hydrogen produced in the next few years will is processed directly into liquid ammonia for the long-distance transport of hydrogen, since the liquefaction of pure hydrogen is very energy-intensive.
  • synthesis gas compression which compresses the nitrogen-hydrogen mixture to the pressure of 150-220 bar required for the synthesis process and the cold box, which the cooling energy for liquefying and cooling the ammonia to approx. -33°C at atmospheric pressure.
  • a preheating unit is required to heat the synthesis gas to the reaction temperature.
  • the nitrogen and hydrogen required for ammonia production are usually compressed to the required synthesis pressure in a syngas compressor.
  • the intake pressure for this compressor is usually determined by the hydrogen pressure, which is required in green ammonia applications where the electrolysis is carried out on site. is limited to the maximum output pressure of an electrolysis system (max. 30-40 bar).
  • the shaft power for the compressor is supplied by a steam turbine, while the steam required is generated by the heat released during ammonia synthesis.
  • the preheating of the synthesis gas must be done either by a fuel- or electricity-fired heater or by using waste heat from the ammonia process, which reduces the amount of steam that can be generated for the steam turbine.
  • the condensation takes place through a refrigerant circuit.
  • new zero-carbon fuels such as green ammonia and green hydrogen are needed to decarbonise energy production, heat, transport and industry.
  • Ammonia can be used as a practical hydrogen energy source, and the existing industry producing, storing and trading millions of tonnes of ammonia each year means the infrastructure and technology is already in place to get the hydrogen economy off the ground.
  • the hydrogen gas (H 2 ) is obtained from methane steam reforming (SMR), the most widely used method for producing hydrogen, and the nitrogen gas (N 2 ) is obtained either from air or from an air separation plant.
  • SMR methane steam reforming
  • N 2 nitrogen gas
  • Nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) are mixed stoichiometrically (1:3) and compressed with a syngas compressor and at a pressure of 150 to 220 bar into an ammonia synthesis reactor.
  • the ammonia synthesis gas reactor operates at an operating temperature of approx. 500°C. The process is exothermic, the large amount of heat of 46 kJ/mol ammonia is released and used to generate steam. After the reaction, approx. 25% ammonia is recovered as a product, the rest is returned via a circuit compressor. The ammonia produced is then liquefied by cryogenic distillation.
  • the invention has for its object to provide an improved plant and an improved process for the production of ammonia, in particular with regard to the use of the energy required for the production of the ammonia.
  • a plant for producing ammonia comprising an ammonia reactor which is designed to produce ammonia (NH3) from a synthesis gas, wherein the synthesis gas comprises hydrogen (H2) and nitrogen (N2), further comprising an electrolizer (2) which is designed to produce hydrogen and oxygen from water, wherein a compressor (6) which is fluidically connected to the electrolizer (2) and is designed to compress the hydrogen (H2) coming from the electrolizer (2), wherein the compressor (6) is designed to compress hydrogen (H2), in particular transportable hydrogen (H2).
  • a plant for producing ammonia comprising an ammonia reactor which is designed to produce ammonia (NH3) from a synthesis gas, wherein the synthesis gas comprises hydrogen (H2) and nitrogen (N2), further comprising an electrolizer (2) which is designed to produce hydrogen and oxygen from water, wherein a compressor (6) which is fluidically connected to the electrolizer (2) and is designed to compress the hydrogen (H2) coming from the electrolizer (2), wherein the compressor (6) is designed to compress hydrogen (H2), in particular transportable
  • ammonia is produced in an ammonia reactor from a synthesis gas, wherein the synthesis gas comprises hydrogen (H2) and nitrogen (N2), wherein hydrogen and oxygen are produced in an electrolizer using renewable energies, wherein the hydrogen produced in the electrolizer is compressed in a compressor.
  • a process for producing ammonia wherein ammonia (NH3) is produced in an ammonia reactor from a synthesis gas, wherein the synthesis gas comprises hydrogen (H2) and nitrogen (N2), wherein hydrogen and oxygen are produced in an electrolizer using renewable energies, wherein the hydrogen produced in the electrolizer is compressed in a compressor.
  • a new concept for producing green ammonia is therefore proposed.
  • the solution at hand is to set up the electrolyzer in a remote area and transport the hydrogen several hundred kilometers via a pipeline.
  • the electrolizer absorbs electrical energy from wind power or photovoltaics and produces hydrogen and oxygen. These gases are generated by the electrolizer at a pressure of 1 - 40 bar.
  • Cooling an electrolyzer requires cooling water, which is difficult to obtain in remote or desert areas.
  • a heat pump circuit the heat of which is used to increase the oxygen temperature before it is expanded in a generator-coupled expansion turbine.
  • a condenser all the latent heat of the refrigerant is used to convert the water into steam and at the same time the refrigerant is condensed.
  • the pressurized steam can also be used to generate electricity.
  • the heat pump's coolant is also expanded in a JT valve or hot expander, and the enthalpy of the coolant can be converted into mechanical or electrical energy.
  • the two-phase refrigerant mixture cools the hot water leaving the electrolyzer and is simultaneously evaporated by removing heat from the hot water before it enters the heat pump compressor.
  • nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) are required as starting materials, which are mixed stoichiometrically in a ratio of 1:3.
  • Nitrogen (N 2 ) is usually supplied via an air separation plant or from the air, while hydrogen is supplied mainly from methane steam reforming.
  • the invention does not require an air separation plant for nitrogen (N 2 ).
  • the hydrogen (H 2 ) is produced in an electrolyzer, as it is one of the starting materials for ammonia, and is delivered to the ammonia plant site via a pipeline.
  • a gas turbine is used for nitrogen production, which runs on hydrogen and drives a syngas compressor.
  • the exhaust gas from this gas turbine consists mainly of hot steam and nitrogen, which is separated in a condenser and later absorbed in an absorber or PSA unit.
  • the condensed water is recovered in the condenser unit.
  • the condensed water can be pumped and heated with the exhaust heat from the gas turbine and is later expanded in a steam turbine, which generates additional electricity.
  • the nitrogen produced from the exhaust gas is separated from the steam and absorbed in the absorber or PSA unit. It is then compressed and mixed stoichiometrically with compressed hydrogen to produce a syngas mixture.
  • the syngas mixture is compressed in a syngas compressor to the required process pressure.
  • pressurized oxygen (0 2 ) to convert it into electricity increases the overall efficiency and supports the operation of the plant with fluctuating renewable energy.
  • Figure is a schematic representation of a system for
  • the figure shows a schematic representation of a plant 1 for producing ammonia.
  • the system 1 comprises an electrolizer 2, which is also referred to as an electrolyzer 2.
  • the electrolizer 2 is designed to produce hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ). To do this, water (H 2 0) is split into its elements hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) using a large amount of electrical energy generated from wind power 3, photovoltaics 4 or other renewable energies.
  • the hydrogen (H 2 ) thus produced is fed via a line 5 to a compressor 6, where the hydrogen is compressed in such a way that it can be transported over a longer distance in a pipeline 7. Therefore, compression in the compressor 6 takes place under high pressure.
  • the dashed line 8 symbolically represents the spatial separation between the production of hydrogen and the production of ammonia 8. The separation between the production of hydrogen and the production of ammonia 8 can be several kilometers.
  • the pressurized oxygen (0 2 ) is fed to an expander 12 via a line 10 in a first option 11.
  • the pressure energy of the oxygen (O 2 ) is converted into mechanical energy, whereby the mechanical energy can be used to drive a generator 13.
  • the Electrolizer 2 requires cooling to operate.
  • a cooling line 14 with cooled water as coolant is fed to the Electrolizer 2 in the Electrolizer 2 Heated water is led out of the Electrolizer 2 via another cooling line 15.
  • the hot water is fed to a heat exchanger 16, where the thermal energy of the hot water is transferred to the cold oxygen (O2) coming from the expander.
  • the oxygen (O2) heats up.
  • the water cools down and is then fed back to the electrolizer 2 via line 14.
  • the oxygen (O2) coming out of the heat exchanger can then be used to generate further energy 16 or can be released into the atmosphere.
  • the heated water from the line 15 is fed to a heat pump circuit 17 as a heat source.
  • the water heated in the electrolizer 2 is fed via the line 15 to a heat exchanger 18.
  • the thermal energy of the water is used to heat the coolant in the heat pump circuit 17.
  • the water cools down in the process and is fed back to the electrolizer 2 as cooled cooling water via the line 14.
  • the refrigerant After the heat exchanger 18, the refrigerant reaches a compressor 19 or compressor 19. There the temperature and pressure of the refrigerant are increased. After the compressor 19, the refrigerant flows through a heat exchanger 20, through which the oxygen (O2) generated in the electrolizer 2 flows. The oxygen (O2) heated in the heat exchanger 20 is fed to an expander 21 and can be used there to generate electrical energy via a generator 22. By previously supplying thermal energy, more electrical energy can be generated than in the first option. Cooled oxygen 23 comes out of the expander 21.
  • the refrigerant After the heat exchanger 20, the refrigerant reaches another heat exchanger 24, where the thermal energy of the refrigerant is transferred to water 26 that comes via a line 25. is transmitted.
  • the heat exchanger 24 is designed such that the water is converted into steam and the steam 27 is fed to a steam turbine 28.
  • the steam turbine 28 can then drive the same generator 22 and thus generate electrical energy.
  • the water 29 that has condensed back into water after the steam turbine 28 can be fed back to the heat exchanger 24.
  • the refrigerant flows to an expansion device 30, which may be either a Joule-Thomson valve (J-T valve) or an expander, whereby the temperature and pressure of the refrigerant are reduced.
  • J-T valve Joule-Thomson valve
  • the refrigerant flows back to the heat exchanger 18, whereby the heat pump circuit is then closed.
  • the ammonia process requires nitrogen (N2) and hydrogen ( H2 ) as starting materials, which are mixed stoichiometrically in a ratio of 1:3.
  • N2 nitrogen
  • H2 hydrogen
  • the nitrogen ( N2 ) is supplied from an air separation plant or from the air
  • the hydrogen ( H2 ) comes mainly from methane steam reforming.
  • the hydrogen reaches a mixing chamber 31 via the pipeline 7, where the hydrogen (H2) and the nitrogen (N2) are mixed to form the synthesis gas.
  • a portion of the hydrogen (H 2 ) from the pipeline 7 is fed via a line 32 to a gas turbine 33 that can be operated with hydrogen (H 2 ).
  • the hot exhaust gas flowing out of the gas turbine 33 contains a mixture 34 of nitrogen (N 2 ), water (H 2 O), hydrogen (H 2 ), nitrogen oxides (NOx) and oxygen (O 2 ).
  • the hot exhaust gas is fed to a heat exchanger 35. After the heat exchanger 35, the exhaust gas flows to a condenser 36, where water condenses from the exhaust gas.
  • the water 37 is then passed through the heat exchanger via a line 38 where it is converted into steam.
  • the steam is then fed to a steam turbine 39, where the thermal energy of the steam is converted into mechanical energy, with electrical energy being generated via a generator 40.
  • Air 41 in particular ambient air, is supplied to the gas turbine 33.
  • Part of the exhaust gas flows through an absorber 42 or a pressure swing adsorption (PSA) 42, where the nitrogen (N 2 ) is branched off from the exhaust gas and flows to the mixing chamber 31 with the synthesis gas.
  • the synthesis gas flows through a compressor 43, which is driven by the gas turbine, to the ammonia reactor 44.
  • the hot ammonia produced in the ammonia reactor 44 is cooled via a heat exchanger 45 and fed to a storage device 47 via a cooling unit 46.
  • the heat generated in the heat exchanger 45 can be used to generate steam and a steam turbine 48 can be operated with a generator 49.
  • the separated nitrogen (N 2 ) from the GT exhaust gas is mixed stoichiometrically with the hydrogen (H 2 ) from the electrolysis system in order to produce the required ammonia synthesis-synthesis gas mixture.
  • the synthesis gas is fed into the ammonia reactor 44.
  • the synthesis gas comprises hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ).
  • the hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) react in the ammonia reactor 2 according to the chemical reaction
  • This chemical reaction is a strongly exothermic reaction, that is, the ammonia NH 3 formed in the ammonia reactor has a comparatively high temperature, with this high temperature being used according to the invention to produce steam for expansion in the steam turbine 48 to generate electrical energy in the generator 49 .
  • a detailed description of the ammonia reactor 44 is omitted here.

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Abstract

Anlage (1) zur Herstellung von Ammoniak, umfassend einen Ammoniak-Reaktor (44), der ausgebildet ist zur Erzeugung von Ammoniak (NH3) aus einem Synthesegas, wo-bei das Synthesegas Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) umfasst, ferner umfassend einen Electrolizer (2), der zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser ausgebildet ist, wobei ein Verdichter (6), der strömungstechnisch mit dem Electrolizer (2) verbunden ist und zum Verdichten des aus dem Electrolizer (2) kommenden Wasserstoffs (H2) ausgebildet ist, wobei der Verdichter (6) zum Verdichten von transportablem Wasserstoff (H2) ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Anlage und Verfahren zur Erzeugung von Ammoniak
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak, umfassend einen Ammoniak-Reaktor, der ausgebildet ist zur Erzeugung von Ammoniak (NH3) aus einem Synthesegas, wobei das Synthesegas Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) umfasst, ferner umfassend einen Electrolizer , der zum Erzeugen von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) aus Wasser ausgebildet ist .
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, wobei in einem Ammoniak-Reaktor Ammoniak (NH3) aus einem Synthesegas, wobei das Synthesegas Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) umfasst, erzeugt wird, wobei in einem Electrolizer unter Verwendung von erneuerbaren Energien Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) erzeugt wird.
Mit der Erfindung wird ein Konzept für eine Ammoniakanlage vorgeschlagen, die einen Electrolizer umfasst, der mit erneuerbaren Energien betrieben wird, wobei in der Anlage eine Kühlung und Heizung durch eine Kältemaschine oder Wärmepumpe erfolgt, wobei die Anlage eine mit Wasserstoff betriebene Gasturbine einsetzt, wobei die Gasturbine Stickstoff für die Ammoniakherstellung zur Verfügung stellt.
Die Erzeugung von Ammoniak geht auf ein bekanntes Verfahren zurück, das in der Regel sehr viel Energie benötigt. Nach ersten Einschätzungen werden derzeit rund 1 % der weltweit erzeugten Energie für die Herstellung von Ammoniak benötigt.
Der aus grünem Wasserstoff erzeugte Ammoniak wird als grüner Ammoniak bezeichnet. Grüner Ammoniak wird als stark wachsender Energieträger für Wasserstoff angesehen. Darüber hinaus wird es in vielen industriellen Prozessen verwendet, vor allem in Düngemitteln. Es wird geschätzt, dass ca. 50% des grünen Wasserstoffs, der in den nächsten Jahren produziert wird, direkt zu flüssigem Ammoniak für den Ferntransport von Wasserstoff verarbeitet wird, da die Verflüssigung von reinem Wasserstoff sehr energieintensiv ist.
Der größte Energie- und Verdichtungsaufwand neben der Wasserstoff erzeugung durch Elektrolyse und der Stickstoff erzeugung durch Luf tzerlegungsanlagen ist die Synthesegasverdichtung, die das Stickstof f-Wasserstof f-Gemisch auf den für den Syntheseprozess erforderlichen Druck von 150-220 bar verdichtet und die Kältebox, die die Kälteenergie für die Verflüssigung und Abkühlung des Ammoniaks auf ca . -33°C bei Atmosphärendruck bereitstellt .
In der Regel ist eine Vorwärmeinheit zum Aufheizen des Synthesegases auf die Reaktionstemperatur erforderlich.
Ammoniak ist eine wichtige Chemikalie, die vor allem in der Düngemittelindustrie verwendet wird. Bei der Ammoniakreaktion handelt es sich um die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Stickstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck. Der größte Teil des Energieverbrauchs und etwa 90 % der Kohlen- stof femissionen entfallen jedoch auf die Herstellung von Wasserstoff. Wasserstoff wird fast ausschließlich durch Dampfreformierung von fossilen Brennstoffen erzeugt. Die meisten Ammoniakanlagen nutzen die Dampf reformierung von Erdgas zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlendioxid. Kohle, schweres Heizöl und Naphtha können ebenfalls verwendet werden, haben aber höhere Kohlendioxidemis sionen . Folglich verursacht die Ammoniakproduktion mit diesen Verfahren fast 1,5 % der weltweiten C02-Emissionen . Der Stickstoff wird aus komprimierter Luft oder einer Luf tzerlegungsanlage gewonnen.
Derzeit werden der für die Ammoniakherstellung benötigte Stickstoff und Wasserstoff üblicherweise in einem Synthesegasverdichter auf den erforderlichen Synthesedruck verdichtet. Der Ansaugdruck für diesen Verdichter wird in der Regel durch den Was serstoff druck bestimmt, der bei grünen Ammoniakanwendungen, bei denen die Elektrolyse vor Ort betrieben wird, auf den maximalen Ausgangsdruck eines Elektrolysesystems (max. 30-40 bar) begrenzt ist.
Die Wellenleistung für den Verdichter wird von einer Dampfturbine geliefert, während der benötigte Dampf durch die bei der Ammoniaksynthese freiwerdende Wärme erzeugt wird. Die Vorwärmung des Synthesegases muss entweder durch einen brenn- stoff- oder strombefeuerten Erhitzer oder durch Abwärmenutzung des Ammoniakprozesses erfolgen, wodurch sich die Menge des erzeugbaren Dampfes für die Dampfturbine verringert.
Die Verflüssigung erfolgt durch einen Kältemittelkreislauf.
Angesichts von eingegangenen Verpflichtungen zur Erreichung von Netto-Null-Emissionszielen werden neue kohlenstofffreie Brennstoffe wie grüner Ammoniak und grüner Wasserstoff benötigt, um die Energieerzeugung, die Wärmeversorgung, den Verkehr und die Industrie zu dekarbonisieren .
Es wird geschätzt, dass ca . 50 % des grünen Wasserstoffs, der in den nächsten Jahren produziert wird, in grünen Ammoniak umgewandelt wird.
Ammoniak kann als praktischer Wasserstof f -Energieträger verwendet werden, und die bereits bestehende Industrie, die jedes Jahr Millionen von Tonnen Ammoniak produziert, lagert und handelt, bedeutet, dass die Infrastruktur und die Technologie bereits vorhanden sind, um die Wasserstoffwirtschaft in Gang zu bringen.
Bei der konventionellen Ammoniakherstellung wird das Wasserstoffgas (H2) aus der Methandampf reformierung (SMR) gewonnen, der am weitesten verbreiteten Methode zur Erzeugung von Wasserstoff, und das Stickstoff gas (N2) wird entweder aus Luft oder aus einer Luf tzerlegungsanlage gewonnen.
Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) werden stöchiometrisch (1:3) gemischt und mit einem Syngas-Kompressor verdichtet und bei einem Druck von 150 bis 220 bar in einen Ammoniak- Synthesereaktor geleitet. Der Ammoniak-Synthesegasreaktor arbeitet bei einer Betriebstemperatur von ca. 500°C. Der Prozess ist exotherm, die große Wärmemenge von 46 kJ/mol Ammoniak wird freigesetzt und zur Dampf erzeugung genutzt. Nach der Reaktion werden ca . 25% Ammoniak als Produkt gewonnen, der Rest wird über einen Kreislauf kompressor zurückgeführt. Das erzeugte Ammoniak wird dann durch kryogene Destillation verflüssigt .
Beim grünen Ammoniakverfahren wird der Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt, was ein gut etabliertes Verfahren ist.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Anlage und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Ammoniak bereitzustellen, insbesondere im Hinblick auf den Einsatz der für die Herstellung des Ammoniaks benötigte Energie .
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak, umfassend einen Ammoniak-Reaktor, der ausgebildet ist zur Erzeugung von Ammoniak (NH3) aus einem Synthesegas, wobei das Synthesegas Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) umfasst, ferner umfassend einen Electrolizer (2) , der zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser ausgebildet ist, wobei einen Verdichter (6) , der strömungstechnisch mit dem Electrolizer (2) verbunden ist und zum Verdichten des aus dem Electrolizer (2) kommenden Wasserstoffs (H2) ausgebildet ist, wobei der Verdichter (6) zum Verdichten von Wasserstoff (H2) , insbesondere transportablen Wasserstoff (H2) ausgebildet ist.
Des Weiteren wird die Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, wobei in einem Ammoniak-Reaktor Ammoniak (NH3) aus einem Synthesegas, wobei das Synthesegas Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) umfasst, erzeugt wird, wobei in einem Electrolizer unter Verwendung von erneuerbaren Energien Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird, wobei der im Electrolizer erzeugte Wasserstoff in einem Verdichter verdichtet wird.
Es wird somit ein neues Konzept zur Herstellung von grünem Ammoniak vorgeschlagen. Die vorliegende Lösung sieht vor, dass der Elektrolizer (andere Schreibweise: Elektrolyseur) in einem abgelegenen Gebiet aufgestellt wird und der Wasserstoff über eine Pipeline einige hundert Kilometer weit transportiert werden kann.
Der Elektrolizer nimmt elektrische Energie aus Windkraft oder Photovoltaik auf und produziert Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Gase werden vom Elektrolizer bei einem Druck von 1 - 40 bar erzeugt.
Für die Kühlung eines Elektrolizer wird Kühlwasser benötigt, das in abgelegenen oder wüstenartigen Gebieten nur schwer zu beschaffen ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den komprimierten Sauerstoff direkt einer Expansionsturbine zu entspannen, der nach der Expansion zur Kühlung verwendet wird.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Wärmepumpenkreislauf einzusetzen, deren Wärme zur Anhebung der Sauerstoff- Temperatur verwendet wird, bevor es in einer generatorkoppel- ten Expansionsturbine entspannt wird. In einem Kondensator wird die gesamte latente Wärme des Kältemittels genutzt, um das Wasser in Dampf umzuwandeln, und gleichzeitig wird das Kältemittel kondensiert.
Der unter Druck stehende Dampf kann auch für die Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. Weiterhin wird das Kältemittel der Wärmepumpe in einem J-T-Ventil oder Heißexpander entspannt, die Enthalpie des Kältemittels kann dabei in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden. Das zweiphasige Kältemittelgemisch kühlt das aus dem Elektro- lizer austretende Heißwasser und wird gleichzeitig verdampft, indem es dem Heißwasser Wärme entzieht, bevor es in den Wärmepumpenkompressor gelangt.
Am Standort der Ammoniakanlage wird Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) als Ausgangsmaterial benötigt, das stöchiometrisch im Verhältnis 1:3 gemischt wird. Stickstoff (N2) wird normalerweise über eine Luf tzerlegungsanlage oder aus der Luft zugeführt, während Wasserstoff hauptsächlich aus der Methandampfreformierung geliefert wird.
Vorteilhafterweise wird mit der Erfindung keine Luftzerlegungsanlage für Stickstoff (N2) benötigt.
Erfindungsgemäß wird der Wasserstoff (H2) in einem Elektroli- zer erzeugt, da er einer der Ausgangsstoffe für Ammoniak ist, und über eine Pipeline zum Standort der Ammoniakanlage geliefert. Für die Stickstoff-Produktion wird eine Gasturbine verwendet, die mit Wasserstoff betrieben wird und einen Syngas- verdichter antreibt. Das Abgas dieser Gasturbine besteht hauptsächlich aus heißem Dampf und Stickstoff, das in einem Kondensator abgeschieden und später in einem Absorber oder einer PSA-Einheit absorbiert wird. Das kondensierte Wasser wird in der Kondensatoreinheit gewonnen. Das kondensierte Wasser kann gepumpt und mit der Abgaswärme aus der Gasturbine erhitzt werden und wird später in einer Dampfturbine entspannt, die zusätzlichen Strom erzeugt.
Der aus dem Abgas erzeugte Stickstoff wird vom Dampf getrennt und in dem Absorber oder der PSA-Einheit absorbiert. Anschließend wird er komprimiert und mit komprimiertem Wasserstoff stöchiometrisch gemischt, um ein Synthesegasgemisch zu erzeugen. Das Synthesegasgemisch wird in einem Synthesegasverdichter auf den erforderlichen Prozessdruck verdichtet. Mit der Erfindung wird ein innovatives Konzept für eine umweltfreundliche Ammoniakanlage durch Integration eines Electrolizer mit erneuerbarer Energie vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben .
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anlage und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
- Effizientere, umweltfreundlichere und wirtschaftlichere Prozesse für grünen Wasserstoff und grünen Ammoniak
- Die Integration von mit Wasserstoff (H2) betriebenen Gas- turbinen-Abgasen ermöglicht die Erzeugung von Stickstoff (N2) und grüner elektrischer / mechanischer Antriebsenergie sowie von Wasser für die Elektrolyse
- Die Nutzung von unter Druck stehendem Sauerstoff (02) zur Umwandlung in Strom erhöht die Gesamteffizienz und unterstützt den Betrieb der Anlage mit schwankender erneuerbarer Energie .
- Effizientere, umweltfreundlichere und wirtschaftlichere Prozesse für grünen Wasserstoff und grünen Ammoniak.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Es zeigen:
Figur eine schematische Darstellung eine Anlage zur
Erzeugung von Ammoniak
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 1 zur Erzeugung von Ammoniak.
Die Anlage 1 umfasst einen Electrolizer 2, der auch als Elektrolyseur 2 bezeichnet wird. Der Electrolizer 2 ist zum Erzeugen von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) ausgebildet. Dazu wird unter Verwendung von viel elektrischer Energie, die aus Windkraft 3, Photovoltaik 4 oder sonst wie aus erneuerbaren Energien erzeugt wurde, Wasser (H20) in seine Elemente Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) gespalten.
Der somit erzeugt Wasserstoff (H2) wird über eine Leitung 5 zu einem Verdichter 6 geführt, wo der Wasserstoff derart verdichtet wird, dass dieser über eine längere Strecke in einer Pipeline 7 befördert werden kann. Daher erfolgt die Verdichtung im Verdichter 6 unter hohem Druck. Mit der gestrichelten Linie 8 ist symbolisch die räumliche Trennung zwischen der Erzeugung des Wasserstoffs und der Ammoniakherstellung 8 dargestellt. Die Trennung zwischen der Erzeugung des Wasserstoffs und der Ammoniakherstellung 8 kann dabei mehrere Kilometer betragen.
Der unter Druck stehende Sauerstoff (02) wird über eine Leitung 10 in einer ersten Option 11 einem Expander 12 zugeführt. Im Expander 12 wird die Druck-Energie des Sauerstoffs (O2) in mechanische Energie umgewandelt, wobei die mechanische Energie zum Antrieb eines Generators 13 verwendet werden kann .
Der Electrolizer 2 benötigt für den Betrieb eine Kühlung. Dazu wird eine Kühlleitung 14 mit abgekühltem Wasser als Kühlmittel dem Electrolizer 2 zugeführt und das im Electrolizer 2 erwärmte Wasser wird über eine andere Kühlleitung 15 aus dem Electrolizer 2 raus geführt.
In der ersten Option 11 wird das heiße Wasser einem Wärmetauscher 16 zugeführt, wo die thermische Energie des heißen Wassers auf den aus dem Expander kommenden kalten Sauerstoff (O2) übertragen wird. Der Sauerstoff (O2) erwärmt sich dabei. Das Wasser hingegen kühlt sich ab und wird dann wieder über die Leitung 14 dem Electrolizer 2 zugeführt.
Der aus dem Wärmetauscher heraus kommende Sauerstoff (O2) kann dann zur weiteren Energieerzeugung 16 verwendet werden oder in die Atmosphäre abgelassen werden.
In einer zweiten Option 9 wird das erwärmte Wasser aus der Leitung 15 als Wärmequelle einem Wärmepumpenkreislauf 17 zugeführt. Dazu gelangt das im Electrolizer 2 erwärmte Wasser über die Leitung 15 zu einem Wärmetauscher 18. Dort wird die thermische Energie des Wassers dazu verwendet das im Wärmepumpenkreislauf 17 befindliche Kältemittel zu erwärmen. Das Wasser kühlt sich dabei ab und wird als abgekühltes Kühlwasser über die Leitung 14 wieder dem Electrolizer 2 zugeführt.
Nach dem Wärmetauscher 18 gelangt das Kältemittel zu einem Verdichter 19 oder Kompressor 19. Dort wird die Temperatur und der Druck das Kältemittels erhöht. Nach dem Verdichter 19 durchströmt das Kältemittel einen Wärmetauscher 20, der durch den im Electrolizer 2 erzeugten Sauerstoff (O2) durchströmt wird. Der im Wärmetauscher 20 erwärmte Sauerstoff (O2) wird einem Expander 21 zugeführt und kann dort zur Erzeugung von elektrischer Energie über einen Generator 22 eingesetzt werden. Durch die vorherige Zuführung thermischer Energie ist mehr elektrische Energie erzeugbar als in der ersten Option. Aus dem Expander 21 kommt abgekühlter Sauerstoff 23 heraus.
Nach dem Wärmetauscher 20 gelangt das Kältemittel zu einem weiteren Wärmetauscher 24, wo die thermische Energie des Kältemittels einem Wasser 26 das über eine Leitung 25 kommt, übertragen wird. Dabei ist der Wärmetauscher 24 derart ausgebildet, dass das Wasser zu Dampf umgewandelt wird und der Dampf 27 einer Dampfturbine 28 zugeführt wird. Die Dampfturbine 28 kann dann den gleichen Generator 22 antreiben und somit elektrische Energie erzeugen. Das nach der Dampfturbine 28 wieder zu Wasser kondensierte Wasser 29 kann wieder dem Wärmetauscher 24 zugeführt werden.
Nach dem Wärmetauscher 24 strömt das Kältemittel zu einer Expansionseinrichtung 30, das entweder ein Joule-Thomson-Ventil (J-T-Ventil) oder ein Expander sein kann, wobei die Temperatur und der Druck des Kältemittels verringert werden. Nach der Expansionseinrichtung 30 strömt das Kältemittel wieder zu dem Wärmetauscher 18, wodurch der Wärmepumpenkreislauf dann geschlossen wird.
Für das Ammoniakverfahren werden Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) als Ausgangsstoffe benötigt, die stöchiometrisch im Verhältnis 1:3 gemischt werden. In einer herkömmlichen Anlage wird der Stickstoff (N2) aus einer Luf tzerlegungsanlage oder aus der Luft zugeführt, während der Wasserstoff (H2) hauptsächlich aus der Methandampf reformierung stammt.
Der Wasserstoff gelangt über die Pipeline 7 zu einer Mischkammer 31, wo der Wasserstoff (H2) und der Stickstoff (N2) gemischt werden zum Synthesegas.
Ein Teil des Wasserstoffs (H2) aus der Pipeline 7 wird über eine Leitung 32 zu einer mit Wasserstoff (H2) betreibbaren Gasturbine 33 zugeführt. Das aus der Gasturbine 33 ausströmende heiße Abgas enthält eine Mischung 34 aus Stickstoff (N2) , Wasser (H2O) , Wasserstoff (H2) , Stockoxide (NOx) und Sauerstoff (O2) . Das heiße Abgas wird einem Wärmetauscher 35 zugeführt. Nach dem Wärmetauscher 35 strömt das Abgas zu einem Kondensator 36, wo Wasser aus dem Abgas kondensiert. Das Wasser 37 wird dann über eine Leitung 38 durch den Wärmetauscher durchgeführt, wo es in Dampf umgewandelt wird. Anschließend wird der Dampf einer Dampfturbine 39 zugeführt, wo die thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie umgewandelt wird, wobei über einen Generator 40 elektrische Energie erzeugt wird.
Der Gasturbine 33 wird Luft 41, insbesondere Umgebungsluft zugeführt .
Ein Teil des Abgases strömt durch einen Absorber 42 oder eine Druckwechseladsorption (PSA) 42, wo aus dem Abgas der Stickstoff (N2) abgezweigt wird und zur Mischkammer 31 mit dem Synthesegas strömt. Das Synthesegas strömt durch einen Verdichter 43, der von der Gasturbine angetrieben wird zum Ammoniakreaktor 44. Der im Ammoniakrektor 44 entstandene heiße Ammoniak wird über einen Wärmetauscher 45 abgekühlt und über eine Kühleinheit 46 einer Speichereinrichtung 47 zugeführt. Die im Wärmetauscher 45 entstandene Wärme kann zur Dampferzeugung verwendet werden und eine Dampfturbine 48 mit einem Generator 49 betrieben werden.
Der abgetrennte Stickstoff (N2) aus dem GT -Abgas wird stöchiometrisch mit dem Wasserstoff (H2) aus der Elektrolyseanlage gemischt, um das benötigte Ammoniaksynthese- Synthesegasgemisch zu erzeugen.
Im Ammoniak-Reaktor 44 wird das Synthesegas zugeführt. Das Synthesegas umfasst Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) . Der Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) reagieren im Ammoniak- Reaktor 2 gemäß der chemischen Reaktion
N2 + 3 H2 - 2 NH3 + 92 kJ/mol
Diese chemische Reaktion ist eine stark exotherme Reaktion, d.h. das im Ammoniak-Reaktor entstandene Ammoniak NH3 weist eine vergleichsweise hohe Temperatur auf, wobei diese hohe Temperatur erfindungsgemäß zur Produktion von Dampf zur Entspannung in der Dampfturbine 48 zur Erzeugung elektrischer Energie im Generator 49 verwendet wird. Auf eine ausführliche Darstellung de s Ammoniak-Reaktors 44 wird an dieser Stelle verzichtet .

Claims

Patentansprüche
1. Anlage (1) zur Herstellung von Ammoniak, umfassend einen Ammoniak-Reaktor (44) , der ausgebildet ist zur Erzeugung von Ammoniak (NH3) aus einem Synthesegas, wobei das Synthesegas Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) umfasst, ferner umfassend einen Electrolizer (2) , der zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser ausgebildet ist, gekennzeichnet durch einen Verdichter (6) , der strömungstechnisch mit dem Electrolizer (2) verbunden ist und zum Verdichten des aus dem Electrolizer (2) kommenden Wasserstoffs (H2) ausgebildet ist, wobei der Verdichter (6) zum Verdichten von Wasserstoff (H2) ausgebildet ist.
2. Anlage (1) nach Anspruch 1, wobei der verdichtete Wasserstoff (H2) für einen Transport in einer Pipeline (7) geeignet ist.
3. Anlage (1) nach Anspruch 1, wobei der Electrolizer (2) mit erneuerbaren Energien betrieben ist.
4. Anlage (1) nach Anspruch 1, mit einer mit Wasserstoff (H2) betriebenen Gasturbine (33) , wobei der aus dem Electrolizer (2) erzeugte Wasserstoff (H2) mit dem aus dem Abgas der Gasturbine (33) erzeugten Stickstoff (N2) zur Erzeugung des Synthesegases gemischt wird.
5. Anlage (1) nach Anspruch 4, mit einem Wärmetauscher (35) , der ausgebildet ist, um aus der thermischen Energie des Abgases der Gasturbine (33) einen Dampf zu erzeugen, wobei eine Dampfturbine (39) vorgesehen ist, die mit dem Dampf aus dem Wärmetauscher (35) beaufschlagt wird. Anlage (1) nach Anspruch 5, ferner umfassend einen Generator (40) , der drehmomentübertragend mit der Dampfturbine (39) gekoppelt ist. Anlage (1) nach Anspruch 3, mit einer Trennungseinheit (42) , die zum Trennen des Abgases aus der Gasturbine (33) in Stickstoff und Wasser ausgebildet ist, wobei der Stickstoff für das Synthesegas eingesetzt wird, wobei das Wasser dem Wärmetauscher (35) zugeführt wird. Anlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Sauerstoff leitung (10) für Sauerstoff, der aus dem Electrolizer (2) gewonnen wurde, ferner umfassend einen Expander (12) , wobei der Sauerstoff aus der Sauerstoffleitung (10) strömungstechnisch mit dem Expander (12) verbunden ist, wobei in dem Expander (12) die Druck-Energie des Sauerstoffs aus der Sauerstoff leitung (10) in mechanische Energie umgewandelt wird. Anlage (1) nach Anspruch 8, mit einem Wärmetauscher, der derart ausgebildet ist, dass der aus dem Expander (12) strömende Sauerstoff das Kühlmittel der Elektrolyse (15) kühlt. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Electrolizer (2) mit einem Kühlmittel kühlbar ist, wobei die Anlage (1) einen Wärmepumpenkreislauf (17) umfasst, der zum Kühlen des Kühlmittels ausgebildet ist . Anlage (1) nach Anspruch 10, umfassend einen Wärmetauscher (20) , der strömungstechnisch mit der Sauerstoff leitung (10) verbunden ist, wobei der Wärmetauscher (20) derart ausgebildet ist, dass die thermische Energie des im Wärmepumpenkreislauf (17) befindlichen Kältemittels auf den Sauerstoff übertragbar ist . Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, wobei in einem Ammoniak-Reaktor (44) Ammoniak (NH3) aus einem Synthesegas, wobei das Synthesegas Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) umfasst, erzeugt wird, wobei in einem Electrolizer (2) unter Verwendung von erneuerbaren Energien Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird, wobei der im Electrolizer (2) erzeugte Wasserstoff in einem Verdichter (6) verdichtet wird. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der im Verdichter (6) verdichtete Wasserstoff für einen Transport eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Expander (21) verwendet wird, der mit dem erwärmten Sauerstoff aus dem Wärmetauscher (20) betrieben wird . Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei ein Generator (22) eingesetzt wird, der mit dem Expander (21) betrieben wird, wobei der Generator (22) zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgebildet ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei eine Separationseinheit (42) verwendet wird, mit der das Abgas aus der Gasturbine (33) in Stickstoff und Wasser getrennt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei für die Kühlung des Electrolizer (2) ein Kühlmittel verwendet wird, wobei mit einem Wärmepumpenkreislauf (17) das Kühlmittel abgekühlt wird.
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