LU103321B1 - Verfahren und Anlage zum Bestimmen eines Betriebspunkts einer Anlage zur Ammoniak-Synthese mit einer Stromversorgung für eine Bereitstellung von Wasserstoff aufweisend zumindest eine erneuerbare Stromquelle - Google Patents

Abstract

Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage (1) zum Bestimmen eines Betriebspunkts, insbesondere eines Wasserstoffeintrittsstromes in eine Ammoniaksynthese (40), einer Anlage (1) zur Ammoniak-Synthese mit einer Stromversorgung (10) für eine Bereitstellung von Wasserstoff aufweisend zumindest eine erneuerbare Stromquelle (11, 12, 13), wobei das Bestimmen ein Ermitteln eines einem Wasserstoffspeicher (33) der Anlage (1) zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms umfasst. Die Erfindung ist weiterhin auf ein Steuerprogramm, ein computerlesbares Medium und die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Anlage (1) oder des erfindungsgemäßen Steuerprogramms zur Herstellung von Ammoniak und/oder Harnstoff gerichtet.

Description

Verfahren und Anlage zum Bestimmen eines Betriebspunkts einer

Anlage zur Ammoniak-Synthese mit einer Stromversorgung für eine

Bereitstellung von Wasserstoff aufweisend zumindest eine erneuerbare

Stromquelle

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Bestimmen eines

Betriebspunkts einer Anlage zur Ammoniak-Synthese mit einer Stromversorgung für eine Bereitstellung von Wasserstoff aufweisend zumindest eine erneuerbare

Stromquelle.

Stand der Technik

Im Hinblick auf das weltweite Bevölkerungswachstum kommt der Entwicklung von flexiblen und effizienten Düngern eine große und wachsende Bedeutung zu. Ein sehr großer Anteil an der weltweiten Düngerproduktion entfällt auf harnstoffhaltige Dünger.

Diese wasserlöslichen Dünger zerfallen im Boden zu Ammoniumsalzen bzw. Nitraten und stellen einen wichtigen Basisdünger dar. Diese harnstoffhaltigen Dünger können mit weiteren Elementen wie Kalium, Mangan, Phosphaten, Schwefel,

Schwefelverbindungen, Selen, Kalzium kombiniert werden.

Harnstoff kann gemäß den vereinfachten Gleichungen [1] und [2] hergestellt werden: 2 NH; + CO, = H,N-COONH, [1]

H,N-COONH, = (NH.),CO + H,0 [2]

Die beiden Ausgangsstoffe Ammoniak und Kohlendioxid können dabei in der

Ammoniaksynthese basierend auf dem Haber-Bosch Verfahren bereitgestellt werden.

Ammoniak ist dabei die weltweit zweitmeist produzierte synthetische Chemikalie (Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012, Wiley-VCH Verlag GmbH &Co.

KGaA, Weinheim, DOI:10.1002/14356007.002_ 011, im folgenden „Ullmann’s“).

Die Herstellung von Ammoniak erfolgt dabei im Wesentlichen aus den Elementen

Wasserstoff und Stickstoff unter Anwesenheit eines Eisenkatalysators. Die

Temperaturen bewegen sich häufig im Bereich zwischen 400 °C und 500 °C bei einem

Druck über 100 bar. Der wesentliche Faktor für die Prozesskosten liegt dabei in der

Bereitstellung von Wasserstoff aus der Synthesegas-Herstellung (Ullmann’s, Seite 139).

Eine Erzeugung von Ammoniak erfolgt dementsprechend bevorzugt im Grundsatz wie beispielsweise bei Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102 Auflage, 2007, Seiten 662-665 (ISBN 978-3-11-017770-1) beschrieben, basierend auf dem „Haber-Bosch-Verfahren“ aus den Elementen gemäß Gleichung [3]: 3H, + N, = 2 NH, + 92.28 kJ [3]

Das Edukt Stickstoff (N,) kann beispielsweise durch Tieftemperaturluftzerlegung von

Umgebungsluft gewonnen werden.

Der Wasserstoff wird bevorzugt über den ,Steam-Reforming-Prozess“ gemäß Gleichung

[4] erhalten:

ChHam + n H,O = (n+m) H, + n CO [4]

In der anschließenden ,Kohlendioxid-Konvertierung“ erfolgt eine weitere Umsetzung gemäß Gleichung [5]:

CO + H,0 = CO, +H, [5] 2/23

Das gemäß Gleichung [5] entstehende Kohlendioxid (CO,) dient bevorzugt als

Kohlendioxidquelle zur Harnstoffsynthese gemäß den Gleichungen [1] und [2].

Gemäß Gleichung [4] dienen fossile Energieträger, in der Regel Methan aus Erdgas, als

Edukt für die Wasserstoffherstellung. Aufgrund begrenzter Ressourcen und der vielfältigen Folgeprobleme des Klimawandels wird weltweit eine Reduktion des

Verbrauchs fossiler Energieträger, wie Erdgas, angestrebt.

Ein Ansatz mit Hinblick auf die Ammoniak- und Harnstoffsynthese ist der Aufbau von „grünen“ Ammoniakanlagen (,gNH,-Anlagen“), die zumindest anteilig mit „grünem“

Wasserstoff (,gH.“), der durch Nutzung erneuerbarer (regenerativer) Stromquellen bereitgestellt wird, betrieben werden. Diese gNH,-Anlagen sind zwar erwünscht und für die Zukunft relevant, ihre hohen Betriebskosten vermeiden aber bisher einen kompletten

Umstieg auf solche gNH,-Anlagen.

Weiterhin besteht eine Herausforderung in der schwankenden Energieeinspeisung durch die erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Solaranlagen. Denn der Betriebspunkt einer gNH,-Anlage kann den Schwankungen nicht unmittelbar nachgeführt werden, da sonst Druckschwankungen in der gNH,-Anlage und in der Folge Schäden an der Anlage auftreten können. Es ist im Stand der Technik üblich, eine grüne Ammoniakanlage für mehrere Betriebspunktwechsel pro Tag auszulegen. Für die Wahl der angestrebten

Betriebspunkte selbst werden folgende Schritte ausgeführt: — Sammeln von Wetterdaten unter Berücksichtigung von Zeiträumen in der

Vergangenheit und Vorhersagen — Basierend auf den gesammelten Wetterdaten, Vorhersagen von

Betriebskenndaten für den Wasserstoffspeicher, den Stickstoffspeicher, die

Batterie und den Ammoniak-Speicher — Basierend auf den vorhergesagten Betriebskenndaten, Erstellen von

Zustandsgrößen für die Ammoniakanlage in einem Optimierungsmodell 3/23

— Basierend auf den erstellten Zustandsgrößen, Ermitteln von Sollwerten zur

Maximierung der Ammoniakanlagenproduktion — Übergeben der Sollwerte an ein Steuerungssystem zur Steuerung der

Ammoniakanlage

Nachteilig dabei ist die Notwendigkeit eines Optimierungsmodells für die gesamte

Ammoniakanlage, das verschiedene Anlagenbedingungen zuverlässig simulieren kann.

Dadurch ergibt sich ein hoher Berechnungsaufwand. Weiterhin sind umfangreiche

Eingangsdaten erforderlich, um die Zustandsgrößen des Optimierungsmodells erstellen zu können. Schließlich kennzeichnet diese Verfahren ein hohes Maß an Komplexität, da das Bestimmen der Sollwerte und das Steuern bzw. Regeln der Ammoniakanlage in einem Verfahren oder Modell kombiniert werden.

US 11 656 612 B2 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer industriellen

Gaserzeugungsanlage unter Verwendung einer modellprädiktiven Methode. Bei diesem

Verfahren ergibt sich der Nachteil, dass ein detailliertes Modell für die Ammoniakanlage erforderlich ist. Insbesondere ist ein modellprädiktives Modell vorgesehen, um

Stellgrößen für die Ammoniakanlage zu ermitteln. Somit ergibt sich ein sehr hoher

Rechen- und Datenaufwand.

US 11 626 730 B2 betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung einer industriellen

Gaserzeugungsanlage, hier aber unter Verwendung maschinellen Lernens. Somit sind umfangreiche Datenmengen zum Trainieren und Validieren des Modells erforderlich, womit auch hier ein hoher Rechen- und Datenaufwand besteht. Weiterhin umfassen die ermittelten Stellgrößen eine Ammoniakproduktionsrate der Ammoniakanlage, wozu ein

Modell der Ammoniaksynthese erforderlich ist.

Auch die US 11 625 020 B2 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer industriellen

Gaserzeugungsanlage, hier aber unter Verwendung eines Optimierungsmodells, bevorzugt mittels eines Systems nicht-linearer Gleichungen. Dabei umfasst das

Verfahren auch hier die Regelung der gesamten Ammoniakanlage inklusive der

Ammoniaksynthese. Das verwendete Optimierungsmodell weist daher erneut eine sehr 4/23 hohe Komplexität auf, woraus ein umfangreicher Rechen- und Datenaufwand resultieren.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine gNH,-Anlage ohne Optimierungsmodell zu steuern, mit dem Ziel, eine maximale und sichere Ammoniakproduktion zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte die erforderliche Datenmenge für diese

Steuerungsaufgabe minimal sein.

Erfindungsgemäße Lösung

Die Aufgabe der Erfindung wird überraschenderweise durch ein Verfahren zum

Bestimmen eines Betriebspunkts einer Anlage zur Ammoniak-Synthese gemäß

Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen

Ansprüchen.

Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Anlage zur Ammoniak-Synthese gemäß

Anspruch 14. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Steuerprogramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ein Steuergerät gemäß Anspruch 17. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein computerlesbares Medium, auf dem das erfindungsgemäße Steuerprogramm gespeichert ist, gemäß Anspruch 20 und die

Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Anlage oder des erfindungsgemäßen Steuerprogramms zur Herstellung von Ammoniak und/oder

Harnstoff gemäß Anspruch 21.

Dadurch, dass das Bestimmen des Betriebspunkts ein Ermitteln eines dem

Wasserstoffspeicher zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms umfasst, ermöglicht die 5/23

Erfindung das Anpassen des Anlagenbetriebs an eine schwankende

Energiebereitstellung, ohne dass in die Regelung der gesamten Anlage, insbesondere der

Ammoniaksynthese eingegriffen werden muss. Betriebspunktbestimmung und

Regelung der Ammoniaksynthese können somit entkoppelt werden. Weiterhin kann eine

Menge an erforderlichen Eingangsdaten gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren signifikant reduziert werden, da das Erfassen von Eingangsdaten lediglich zuverlässig prognostizierte Wetterdaten, einen Füllstand eines

Wasserstoffspeichers der Anlage, eine Ladung einer elektrischen Batterie der Anlage und einen aktuellen Betriebspunkt der Anlage umfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine Steuerung oder Regelung der gNH,-Anlage, angepasst an eine aus der zumindest einen erneuerbaren Stromquelle eingespeisten elektrischen Energie, unter Berücksichtigung von Zuständen eines

Stromspeichers und der Wasserstoffspeicherung und -elektrolyse. Auf eine aufwändige

Modellierung der Ammoniaksynthese und eine Kombination von Sollwertbestimmung und Regelung der Ammoniaksynthese selbst kann hingegen verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Minimierung oder zumindest Reduzierung des dem Wasserstoffspeicher zu- oder abgeführten

Wasserstoffstroms, so dass der Wasserstoffspeicher gegenüber der Nutzung bekannter

Verfahren kleiner ausgeführt werden kann, was zu einer Kostenreduktion führen kann.

Vorzugsweise kann die Ammoniakanlage bei einem anderen Auslastungsgrad als die

Elektrolyse betrieben werden, um den dem Wasserstoffspeicher zu- oder abzuführenden

Wasserstoffstrom zu minimieren.

Als Bestimmen des Betriebspunkts der Anlage wird hier insbesondere ein Bestimmen eines Wasserstoffeintrittsstromes in eine Ammoniaksynthese der Anlage verstanden.

Dies ermöglicht eine vorteilhafte Entkopplung zwischen der Betriebspunktbestimmung und der Regelung der Ammoniaksynthese.

Als Bereitstellung von Wasserstoff wird hier der chemische Prozess der

Wasserelektrolyse verstanden, der besonders bevorzugt ausschließlich, bevorzugt zumindest zu mehr als 50 % aus erneuerbaren Energien gespeist ist. 6/23

Als erneuerbare Stromquelle wird hier die Bereitstellung von elektrischer Energie mittels erneuerbarer Energien verstanden. Die zumindest eine erneuerbare Stromquelle kann dabei beispielsweise eine Wind- oder Solaranlage sein. Aber auch andere erneuerbare

Energiequellen sind denkbar. Auch kann die zumindest eine erneuerbare Stromquelle ein Verbund- oder Inselnetz sein, das wiederum durch erneuerbare Energien gespeist wird.

Als Erfassen von Eingangsdaten wird ein Bereitstellen von Informationen zur Nutzung im Verfahren verstanden. Dabei werden hier als zuverlässig prognostizierte Wetterdaten solche Wetterdaten angesehen, die eine Prognose für einige, wenige Stunden umfassen.

Insbesondere werden als zuverlässig prognostizierte Wetterdaten solche Daten verstanden, die eine Prognose für maximal die jeweils kommenden vier Stunden betreffen.

Insbesondere kann das Steuern oder Regeln des Betriebspunkts der Anlage (das

Ansteuern der Anlage zum Steuern oder Regeln des Betriebspunkts der Anlage) basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt derart erfolgen, dass ein einer

Ammoniaksynthese der Anlage zugeführter Wasserstoffeintrittsstrom gesteuert oder geregelt wird. Dies kann insbesondere durch ein Betätigen eines Ventils erfolgen. So kann beispielsweise bevorzugt vorgesehen sein, dass ein erster Regler oder ein erstes

Steuerprogramm basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt den

Wasserstoffeintrittsstrom einstellt. Besonders bevorzugt kann ein zweiter Regler oder ein zweites Steuerprogramm vorgesehen sein, der basierend auf dem eingestellten

Wasserstoffeintrittsstrom, insbesondere basierend auf einer Messung eines tatsächlichen = Wasserstoffeintrittsstroms in die = Ammoniaksynthese, die

Ammoniaksynthese regelt.

Vorzugsweise kann das Bestimmen zusätzlich ein Ermitteln eines zu erwartenden, generierten elektrischen Stroms der erneuerbaren Stromquelle, eines in einer

Elektrolyse der Anlage generierten Wasserstoffstroms, einer Ladung oder Entladung der

Batterie der Anlage und/oder eines Füllstands des Wasserstoffspeichers umfassen.

Dadurch ermöglicht die Erfindung eine präzisere Bestimmung des Betriebspunkts, 7/23 insbesondere kann der ermittelte Wasserstoffstrom genauer an den Zustand der Anlage angepasst werden.

Weiterhin kann das Bestimmen vorzugsweise derart erfolgen, dass eine

Ammoniakproduktion der Anlage maximal ist, wobei eine schwankende Belastung von

Anlagenkomponenten infolge des bestimmten Betriebspunkts minimiert wird oder zumindest unterhalb eines Schwellenwerts liegt. Dadurch ermöglicht die Erfindung, eine

Kapazität der Anlage bestmöglich zu nutzen, so dass einerseits eine möglichst große

Menge an Ammoniak bereitgestellt werden kann, gleichzeitig aber ein Verschleiß der

Anlage minimiert wird.

Als maximal wird eine auf einen von der Elektrolyse bereitgestellten Wasserstoff bezogene Ammoniakproduktion verstanden, so dass ein Auslastungsgrad der

Ammoniaksynthese einem Auslastungsgrad der Elektrolyse entspricht. Ein oder mehrere Schwellenwerte können vorgegeben sein und beispielsweise in einer Datenbank hinterlegt sein. So können maximal zulässige Druckschwankungen oder maximale

Temperaturen von Rohrverbindungen und anderen Komponenten berücksichtigt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Ermitteln des dem Wasserstoffspeicher zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms derart erfolgen, dass eine Änderung eines

Betriebspunkts der Anlage möglichst vermieden werden kann, ein neuer Betriebspunkt der Anlage möglichst nahe an einem aktuellen Betriebspunkt liegt und/oder ein Druck bzw. eine Änderung des Drucks im Wasserstoffspeicher innerhalb von Grenzwerten liegt.

Das Ermitteln erfolgt somit so, dass ein Betriebspunkt nur dann geändert wird, wenn dies tatsächlich erforderlich ist. Denn jeder Wechsel des Betriebspunkts kann zu

Druckoszillationen in der Anlage führen und erhöht somit den Verschleiß. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass, wenn eine Änderung des Betriebspunkts erforderlich ist, die Änderung so gering wie möglich, bezogen auf den aktuellen

Betriebspunkt, ausfällt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Änderung des

Betriebspunkts nur nach einem bestimmten Zeitintervall erfolgt. Beispielsweise kann 8/23 eine Änderung des Betriebspunkts auf 12 Änderungen pro Tag, bevorzugt 6 Änderungen pro Tag, besonders bevorzugt vier Änderungen pro Tag begrenzt sein.

Vorzugsweise kann das Ermitteln des dem Wasserstoffspeicher zu- oder abgeführten

Wasserstoffstroms basierend auf einer prädizierten Wasserstoffproduktionsrate und einer gleitenden, kumulativen Masse an Wasserstoff im Wasserstoffspeicher erfolgen.

Somit kann beim Ermitteln des dem Wasserstoffspeicher zu- oder abgeführten

Wasserstoffstroms der Zustand des Wasserstoffspeichers und der Elektrolyse berücksichtigt werden.

Bevorzugt kann die prädizierte Wasserstoffproduktionsrate dabei basierend auf einer prädizierten, durch die zumindest eine erneuerbare Stromquelle bereitgestellten, elektrischen Energie ermittelt wird. Somit kann beim Bestimmen des Betriebspunkts die verfügbare, elektrische Energie berücksichtigt werden, wodurch der Betriebspunkt an äußere Bedingungen anpassbar ist.

Besonders bevorzugt kann eine Konvertierung der prädizierten, elektrischen Energie in die prädizierte Wasserstoffproduktionsrate mittels Effizienzkurven der Bereitstellung von Wasserstoff erfolgt. Die Effizienzkurven können beispielsweise in einem Steuergerät hinterlegt sein und einen Zusammenhang zwischen einem Wirkungsgrad der

Wasserstoffbereitstellung und Anfangs- bzw. Randbedingungen der

Wasserstoffbereitstellung angeben. Die Effizienzkurven können für unterschiedliche

Anfangs- bzw. Randbedingungen vorliegen. Insbesondere können die Effizienzkurven eine Wasserstoffelektrolyse für unterschiedliche Betriebsbedingungen charakterisieren.

Vorzugsweise kann das Erfassen aktuelle Wetterdaten, als Trend prognostizierte

Wetterdaten, eine maximale Kapazität, einen Druck und/oder eine Temperatur des

Wasserstoffspeichers, eine Förderrate eines Kompressors des Wasserstoffspeichers, eine maximale Kapazität der Batterie und/oder eine Ladegeschwindigkeit der Batterie umfassen. Somit können zusätzliche äußere Einflüsse und/oder anlageninterne

Bedingungen beim Bestimmen des Betriebspunkts berücksichtigt werden. 9/23

Weiterhin kann basierend auf dem Bestimmen des Betriebspunkts ein Vorgeben des

Betriebspunkts erfolgen, wobei der Betriebspunkt an eine Steuerung oder Regelung einer Ammoniaksynthese der Anlage vorgegeben oder der Betriebspunkt von der

Steuerung oder Regelung erfasst wird und wobei die Steuerung oder Regelung basierend auf dem vorgegebenen oder erfassten Betriebspunkt die Ammoniaksynthese steuert oder regelt. Dadurch ermöglicht die Erfindung einerseits das Entkoppeln der

Betriebspunktbestimmung von der Regelung der Ammoniaksynthese selbst, erlaubt aber andererseits die Regelung der Ammoniaksynthese basierend auf der

Betriebspunktbestimmung. Auch in diesem Fall greift die Betriebspunktbestimmung nur insoweit in die Regelung der Ammoniaksynthese ein, als dass der Betriebspunkt vorgegeben wird. Die Einregelung der Ammoniaksynthese erfolgt hingegen durch die

Steuerung oder Regelung der Ammoniaksynthese. Durch das Bestimmen des

Betriebspunkts wird also nicht unmittelbar auf Zustände der Ammoniaksynthese eingewirkt, wie beispielsweise Ventilstellungen oder Kompressionsraten, und die

Zustände innerhalb der Ammoniaksynthese sind als Information auch nicht für die

Betriebspunktbestimmung erforderlich. Die Einregelung der Ammoniaksynthese kann beispielsweise ein Anpassen einer Kreislaufgasmenge und/oder ein Anpassen einer

Ammoniakkonzentration am Eintritt eines Synthesereaktors der Ammoniaksynthese umfassen.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Vorgeben des Betriebspunkts durch ein

Einstellen oder Einregeln eines Wasserstoffeintrittsstroms in die Ammoniaksynthese der Anlage erfolgt. Weiterhin kann die Steuerung oder Regelung der Ammoniaksynthese ausgebildet und eingerichtet sein, den eingestellten oder eingeregelten

Wasserstoffeintrittsstrom in die Ammoniaksynthese zu messen und basierend auf dem gemessenen Wasserstoffeintrittsstrom die Ammoniaksynthese zu steuern oder zu regeln.

Das Erfassen und das Bestimmen können dabei wiederholend, bevorzugt kontinuierlich durchgeführt werden und/oder das Bestimmen kann über einen Zeithorizont erfolgen.

Dabei umfasst der Zeithorizont zumindest einen zukünftigen Zeitpunkt, bevorzugt zumindest zwei zukünftige Zeitpunkte, besonders bevorzugt zumindest vier zukünftige

Zeitpunkte. So kann der Zeithorizont beispielsweise 4 Stunden betragen und dabei vier

Zeitpunkte umfassen. Das Bestimmen prädiziert dann den Betriebspunkt für einen 10/23

Zeithorizont von vier Stunden und berücksichtigt dabei durch die Zeitpunkte definierte

Zeitintervalle von jeweils einer Stunde. Letzteres ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da die Einflussfaktoren wie beispielsweise das Wetter, sich im Verlaufe des betrachteten

Zeitintervalls üblicherweise verändern.

Sowohl der Zeithorizont als auch die Anzahl der Zeitpunkte können variiert werden. So kann der Zeithorizont mehr Stunden betragen, beispielsweise 6 oder 10 Stunden, oder auch weniger, beispielsweise 3 oder 2 Stunden. Dies hängt insbesondere davon ab, wie häufig der Betriebspunkt der Anlage im Laufe eines Tages geändert werden kann oder soll.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren nach dem Bestimmen eine Korrektur des

Betriebspunkts, wobei die Korrektur anhand einer minimalen und maximalen

Ammoniakproduktionsrate der Anlage und/oder anhand eines minimalen und maximalen Wasserstoffspeicherdrucks erfolgt. Dadurch kann verhindert werden, dass

Betriebspunkte eingestellt werden, die eine Kapazität der Anlage übersteigen oder keinen sinnvollen Betrieb der Anlage mehr erlauben. Ebenso können so

Sicherheitsgrenzen eingehalten werden.

Weiterhin kann eine Steuerung oder Regelung des Betriebspunkts der Anlage basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt derart erfolgen, dass der der Ammoniaksynthese der

Anlage zugeführte Wasserstoffeintrittsstrom anteilig aus dem Wasserstoffspeicher und in einer Elektrolyse der Anlage generierten Wasserstoff gespeist wird. Die anteilige

Speisung des Wasserstoffeintrittsstroms erfolgt dabei entsprechend des ermittelten, dem Wasserstoffspeicher zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms. Damit kann erreicht werden, dass ein dem Wasserstoffspeicher zu- oder abgeführter Wasserstoffstrom minimiert werden kann, ein Füllstand des Wasserstoffspeichers also möglichst wenig varliert.

Der Wasserstoff kann hierbei überwiegend, bevorzugt zu mehr als 75 %, besonders bevorzugt ausschließlich durch die zumindest eine erneuerbare Stromquelle, vorzugsweise durch mittels Strom aus erneuerbaren Energien betriebener alkalischer 11/23

Wasserelektrolyse bereitgestellt werden. Alternativ kann die Bereitstellung des

Wasserstoffs mittels Protonenaustauschmembranelektrolyse (PEM) oder einen

Festoxidelektrolyseur (solid oxide electrolyzer cell, SOEC) erfolgen.

Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Anlage zur Ammoniak-Synthese aufweisend zumindest eine erneuerbare Stromquelle, einen Wasserstoffspeicher, eine elektrische

Batterie und Mittel, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des erfindungsgemäßen

Verfahrens ausführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Wasserstoff durch die zumindest eine erneuerbare Stromquelle, vorzugsweise durch mittels Strom aus erneuerbaren Energien betriebener Wasserelektrolyse, bereitgestellt werden. Insbesondere kann der

Wasserstoff durch eine alkalische Wasserelektrolysevorrichtung (AWE) bereitgestellt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Wasserstoff durch erneuerbare Quellen, vorzugsweise mittels durch erneuerbare Energie betriebener

Wasserelektrolyse, bereitgestellt. Grundsätzlich sind auch andere Wasserelektrolyse-

Technologien einsetzbar.

Die erfindungsgemäße Anlage umfasst des Weiteren eine Ammoniaksyntheseeinheit.

Der Ausdruck „-einheit“ umfasst im Sinne der Erfindung dem Fachmann für den genannten Zweck bekannte Vorrichtungen und Apparate. Die

Ammoniaksyntheseeinheit umfasst den eigentlichen Ammoniaksynthesereaktor zur

Umsetzung von Wasserstoff und Stickstoff gemäß Gleichung [3]. Die Bereitstellung von

Stickstoff kann bevorzugt in einer angeschlossenen Luftzerlegungsanlage erfolgen.

Beispiele für geeignete Reaktoren finden sich auch in der EP 0 345 504 A1 und der DE 22 308 A1, Beispiele 1 bis 7 und der Beschreibung. Bevorzugt ist die

Ammoniaksyntheseeinheit mit Vorrichtungen zur Aufreinigung, Komprimierung und/oder Verflüssigung verbunden.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuerprogramm, umfassend Befehle, die bei der

Ausführung des Verfahrens durch ein Steuergerät bewirken, dass das Steuergerät das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. 12/23

Das Steuerprogramm kann insbesondere Befehle zur Steuerung des Füllstands des

Wasserstoffspeichers umfassen. Dadurch kann erreicht werden, dass der Füllstand des

Wasserstoffspeichers eine geringe Schwankung aufweist und der Wasserstoffspeicher mit einem im Vergleich zu Anlagen des Stands der Technik geringerem Volumen ausgeführt werden kann.

Weiterhin kann das Steuerprogramm Befehle zum Steuern oder Regeln einer

Ammoniaksynthese umfassen, wobei das Regeln der Ammoniaksynthese basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt erfolgt. Dadurch sind Befehle zur

Betriebspunktbestimmung und Steuerung oder Regelung der Ammoniaksynthese einerseits in einem Steuerprogramm hinterlegt, andererseits aber weiterhin entkoppelt, so dass für die Betriebspunktbestimmung keine Kenntnisse über Zustände innerhalb der

Ammoniaksynthese erforderlich sind. Beispielsweise können die

Betriebspunktbestimmung und die Steuerung oder Regelung der Ammoniaksynthese als einzelne Unterprogramme des Steuerprogramms ausgeführt sein, wobei der bestimmte

Betriebspunkt dann über eine Schnittstelle von der Betriebspunktbestimmung übergeben wird. Insbesondere kann die Steuerung oder Regelung der

Ammoniaksynthese durch eine selbstständige Steuervorrichtung erfolgen. Diese selbstständige Steuervorrichtung kann dann in Abhängigkeit des bestimmten

Betriebspunkts, insbesondere in Abhängigkeit eines gemessenen

Wasserstoffeintrittsstroms in die Ammoniaksynthese, eine Ammoniakproduktion an den bestimmten Betriebspunkt anpassen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein computerlesbares Medium, auf dem das erfindungsgemäße Steuerprogramm gespeichert ist.

Des Weiteren umfasst die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen

Verfahrens, der erfindungsgemäBen Anlage oder des erfindungsgemäBen

Steuerprogramms nach einem zur Herstellung von Ammoniak und/oder Harnstoff. 13/23

Des Weiteren wird die Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Die

Figuren beschränken dabei nicht den Schutzumfang der Erfindung, sondern dienen nur der beispielhaften Erläuterung.

Es zeigen:

Figur 1 ein schematisches Fließbild einer erfindungsgemäßen Anlage zur

Ammoniaksynthese mit Mitteln zum Ermitteln eines einem Wasserstoffspeicher der

Anlage zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms.

Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Bestimmen eines Betriebspunkts einer Anlage zur Ammoniak-Synthese.

Figur 3 einen Vergleich von Speichermasse und Speicherdruck in einem

Wasserstoffspeicher einer Anlage zur Ammoniak-Synthese unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und ohne Anwendung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage 1 und der

Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von grünem

Ammoniak (gNH,) durch die Bereitstellung von erneuerbarer Energie.

Die Anlage umfasst eine Stromversorgung 10, eine Elektrolyse 20, eine

Wasserstoffspeicherung 30 und eine Ammoniaksynthese 40. Die Stromversorgung 10 speist sich hier zumindest anteilig aus erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft 11 und Sonnenenergie 12. Anteilig kann Strom aus einem Verbund- oder Inselnetz 13 bezogen werden, das bevorzugt rein aus erneuerbaren Energiequellen gespeist ist. Um in Phasen einer unzureichenden Stromversorgung aus Windkraft 11, Sonnenenergie 12 und/oder Verbund- oder Inselnetz 13 eine ausreichende Stromversorgung der Anlage 1 gewährleisten zu können, ist eine Batterie 14 vorgesehen. Die Batterie 14 ermöglicht zudem in Phasen mit Stromüberschuss aus Windkraft 11, Sonnenenergie 12 und/oder 14/23

Verbund- oder Inselnetz 13, den Überschuss in der Batterie 14 für eine spätere Nutzung zu speichern.

Der durch die Stromversorgung 10 bereitgestellte Strom versorgt die Elektrolyse 20. Hier wird Wasserstoff in einer alkalischen Wasserstoffelektrolyseeinheit 21 gewonnen.

Der gewonnene Wasserstoff wird der Wasserstoffspeicherung 30 zugeführt. Hierbei wird der Wasserstoff in einem ersten H2-Kompressor 31 und einem zweiten H2-Kompressor 32 (Wasserstoffspeicherkompressor) verdichtet und einem Wasserstoffspeicher 33 zugeführt. Dabei sind in der Wasserstoffspeicherung weiterhin Ventile 34, 35 vorgesehen, über die eine Zuführung von Wasserstoff zum Wasserstoffspeicher 33 und eine Entnahme aus dem Wasserstoffspeicher 33 regulierbar ist. So kann bedarfsabhängig der in der Elektrolyse 20 gewonnene Wasserstoff über das Ventil 35 auch an dem Wasserstoffspeicher 33 vorbeigeführt werden. Die Menge an in der

Elektrolyse 20 erzeugtem Wasserstoff, die nicht an dem Wasserstoffspeicher 33 vorbeigeführt wird, wird vom Wasserstoffspeicherkompressor 32 verdichtet und in den

Wasserstoffspeicher 33 gefördert.

Von der Wasserstoffspeicherung 30 wird der Wasserstoff, aus dem Wasserstoffspeicher 33 über das Ventil 34 und/oder direkt aus der Elektrolyse 20 über das Ventil 35, der

Ammoniaksynthese 40 zugeführt. Hierbei wird dem Wasserstoff zunächst Stickstoff aus einer Luftzerlegungsanlage 41 beigemischt. Das Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff wird dann erneut verdichtet. Optional kann eine Entfernung von Sauerstoff in einem hier nicht dargestellten De-Oxo-Reaktor erfolgen. Die eigentliche Ammoniaksynthese 40 erfolgt in einem Synthesereaktor 42, wobei, wie in Fig. 1 dargestellt, die

Ammoniaksynthese 40 zahlreiche weitere Komponenten aufweist. So wird das im

Synthesereaktor 42 gewonnene Ammoniak durch Kühlung in mehreren

Wärmetauschern auskondensiert, vom Kreislaufgas abgeschieden und durch eine oder mehrere Druckabsenkungen von gelösten Kreislaufgasen befreit und am Ende dieses komplexen Prozesses an einer Abführung 43 bereitgestellt. Das Ammoniak kann anschließend beispielsweise zur Harnstoffherstellung eingesetzt werden. 15/23

Im Stand der Technik wird zum Regulieren solcher gNH,-Anlagen üblicherweise eine

Steuerung oder Regelung eingesetzt, um den Betriebspunkt der Ammoniaksynthese 40 an die zur Verfügung stehende Energie anzupassen. Dabei werden aber insbesondere die komplexe Regelung der gesamten Ammoniaksynthese 40 inklusive interner

Zustandsgrößen und die Betriebspunktbestimmung und -anpassung miteinander gekoppelt. Daraus resultierten ein sehr hoher Rechenaufwand sowie eine umfangreiche

Menge an Daten.

Um diese Aufwände zu reduzieren, weist die in Fig. ı gezeigte Anlage ı Mittel 51, 52 auf, um ein Bestimmen eines Betriebspunkts der Anlage auszuführen, wobei eine

Entkopplung von der Regelung der Ammoniaksynthese 40 ermöglicht wird. Somit kann eine einfachere Berechnung und ein geringerer Datenaufwand erreicht werden.

Die Mittel 51, 52 sind dabei so angepasst, dass sie die folgenden Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen: — Erfassen von Eingangsdaten, hier umfassend zuverlässig prognostizierte

Wetterdaten 61, einen Füllstand des Wasserstoffspeichers 33 der Anlage 1, eine

Ladung der elektrischen Batterie 14 der Anlage 1 und einen aktuellen

Betriebspunkt der Anlage ı und — Bestimmen des Betriebspunkts der Anlage 1, hier eines

Wasserstoffeintrittsstromes in die Ammoniaksynthese 40, basierend auf den erfassten Eingangsdaten.

Das Bestimmen des Wasserstoffeintrittsstromes in die Ammoniaksynthese 40 umfasst dabei ein Ermitteln eines dem Wasserstoffspeicher 33 zu- oder abgeführten

Wasserstoffstroms.

So kann das Mittel 51 beispielsweise als ein Steuergerät ausgeführt sein, das ein

Steuerprogramm umfassend Befehle aufweist, die bei der Ausführung des Verfahrens 16/23 durch das Steuergerät 51 bewirken, dass das Steuergerät 51 das erfindungsgemäße

Verfahren ausführt. Das Mittel 52 kann hingegen als ein Steuerorgan ausgebildet sein und eingerichtet sein, den von dem Steuergerät 51 vorgegebenen und eventuell wie weiter unten beschrieben korrigierten Wasserstoffeintrittsstrom einzuregeln. Basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt werden die Ventile 34, 35 vom Steuerorgan 52 so geöffnet oder geschlossen, dass entsprechend dem ermittelten Wasserstoffeintrittsstrom in die Ammoniaksynthese 40 ein Wasserstoffstrom dem Wasserstoffspeicher 33 zu- oder abgeführt wird.

Insbesondere kann das Steuerprogramm Befehle zur Steuerung des Füllstands des

Wasserstoffspeichers 33 umfassen. So kann beispielsweise basierend auf dem ermittelten Wasserstoffstrom ein vorgegebener Füllstand im Wasserstoffspeicher 33 eingestellt werden, insbesondere innerhalb gewünschter Grenzen. Dadurch kann vermieden werden, dass der Füllstand unterhalb eines Mindestwerts oder oberhalb eines

Maximalwerts liegt. Bevorzugt sind die Befehle zur Steuerung des Füllstands so gestaltet, dass eine Änderung des Füllstands minimiert wird.

Weiterhin kann das Steuerprogramm Befehle zum Steuern oder Regeln der

Ammoniaksynthese 40 umfassen, wobei das Regeln der Ammoniaksynthese 40 basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt erfolgt. Hier sind die Befehle zum Steuern oder Regeln der Ammoniaksynthese 40 auf einer nicht gezeigten Regelungseinheit der

Ammoniaksynthese 40, einem Master Controller, hinterlegt. Der Master Controller ist ausgebildet und eingerichtet, den vom Steuerorgan 521 eingeregelten

Wasserstoffeintrittsstrom zu messen und die Ammoniaksynthese 40 auf den ermittelten

Wasserstoffeintrittsstrom selbsttätig abzustimmen. Im Vergleich zu Verfahren aus dem

Stand der Technik besteht aber weiterhin der Vorteil, dass die Regelung der

Ammoniaksynthese 40 entkoppelt vom Bestimmen des Betriebspunkts erfolgt, so dass das Bestimmen weiterhin unabhängig von der aufwändigen Regelung der

Ammoniaksynthese 40 erfolgen kann.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Detail in Figur 2 schematisch dargestellt, die von dem Steuergerät 51 für ein 4-Stunden-Intervall durchgeführt wird. Dabei wird in 17/23 einem ersten Schritt S1 eine Initialisierung durchgeführt. Hierfür wird eine fortlaufend berechnete Wasserstoffspeichermasse (Running Cumulative Hydrogen Storage Mass -

RCHSM) zu Null gesetzt.

In einem zweiten Schritt S2 bestimmt das Steuerprogramm eine

Wasserstoffspeichermasse my, fiir die den aktuellen Zeitpunkt t und den vier Stunden zurückliegenden Zeitpunkt t-4. Hierzu stehen dem Steuerprogramm Daten zum zeitlichen Verlauf des Drucks py. und der Temperatur Ty. im Wasserstoffspeicher 33 zur

Verfügung.

Damit kann das Steuerprogramm die kumulative Wasserstoffspeichermasse RCHSM im

Schritt 3 neu bestimmen, indem sie von einer kumulativen Wasserstoffspeichermasse

RCHSM zum Zeitpunkt t-4 die aktuelle Wasserstoffspeichermasse hinzuaddiert und die

Wasserstoffmasse vom Zeitpunkt t-4 subtrahiert.

Die kumulative Wasserstoffspeichermasse RCHSM repräsentiert damit den Überschuss oder das Defizit an Wasserstoff innerhalb des betrachteten Zeitintervalls, hier 4 Stunden.

Um einen Speicherzustand des Wasserstoffspeichers 33 weitgehend konstant zu halten, sollte der RCHSM somit weitgehend Null betragen. Der RCHSM kann dabei positiv oder negativ sein. Ist der RCHSM positiv, besteht ein Überschuss an Wasserstoff. Somit kann mehr Wasserstoff der Ammoniaksynthese 40 zugeführt werden. Ist der RCHSM hingegen negativ, liegt ein Defizit an Wasserstoff vor und eine Zufuhr zur

Ammoniaksynthese ist zu reduzieren.

Zur Ermittlung des zu- oder abzuführenden Wasserstoffstroms bestimmt das

Steuerprogramm im Schritt S4 Wasserstoffproduktionsraten my, der Elektrolyse für die

Zeitintervalle At,. Hierbei entspricht jedes Zeitintervall einer Stunde, so dass At, dem

Intervall vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t plus eine Stunde entspricht, At2 dem

Intervall vom Zeitpunkt t+1 bis zum Zeitpunkt t+1 plus eine Stunde entspricht usw. Für einen Prädiktionshorizont von vier Stunden bestimmt das Steuerprogramm somit vier

Wasserstoffproduktionsraten. 18/23

Die Wasserstoffproduktionsraten ermittelt es dabei anhand der erfassten Wetterdaten 61, die es verwendet, um eine zur Verfügung stehende Strommenge zu bestimmen. So umfassen die zuverlässig prognostizierten Wetterdaten 61 hier eine Vorsage für die folgenden vier Stunden. Anhand der für die folgenden vier Stunden zur Verfügung stehenden Strommenge kann das Steuerprogramm dann unter Verwenden von

Effizienzkurven für die Wasserstoffelektrolyseeinheit 21 die

Wasserstoffproduktionsraten ermitteln.

Die ermittelten Wasserstoffproduktionsraten verwendet das Steuerprogramm in Schritt

S5 zum Berechnen einer Wasserstoffproduktionsmenge my, ges, die sich aus den einzelnen Wasserstoffproduktionsraten sowie der kumulativen

Wasserstoffspeichermasse RCHSM zum Zeitpunkt t zusammensetzt.

Die Wasserstoffproduktionsmenge entspricht dabei dem ermittelten Wasserstoffstrom, der dem Wasserstoffspeicher 33 bei einem positiven Wert abzuführen und bei einem negativen Wert zuzuführen ist. Entsprechend kann das Stellorgan 52 ausgebildet sein, die Wasserstoffproduktionsmenge als Dateneingang zu erhalten und die Ventile 34, 35 entsprechend anzusteuern, sodass der ermittelte Wasserstoffstrom dem

Wasserstoffspeicher 33 zu- oder abgeführt wird.

Das in dem in Fig. 2 gezeigte Verfahren weist die weiteren Schritte S6, S7 und S8 auf.

Hierbei wird in Schritt S6 zunächst die ermittelte Wasserstoffproduktionsmenge in eine

Ammoniakproduktionsmenge ring; gos Umgerechnet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung stöchiometrischer Beziehungen sowie von auf ı % geschätzten Verlusten. In anderen

Ausführungsbeispielen können andere Annahmen, insbesondere andere

Verlustabschätzungen verwendet werden.

In Schritt S7 wird die Ammoniakproduktionsmenge einer Korrektur unterzogen. Wenn die berechnete Ammoniakproduktionsmenge größer als eine Kapazität MyyH3,cap der

Ammoniakanlage ist, wird die berechnete Ammoniakproduktionsmenge auf die

Kapazität begrenzt. Ist die berechnete Ammoniakproduktionsmenge kleiner als eine minimale Ammoniakproduktionsmenge Mypsa der Ammoniakanlage, wird die 19/23 berechnete Ammoniakproduktionsmenge auf die minimale

Ammoniakproduktionsmenge gesetzt.

Im letzten Schritt S8 des gezeigten Verfahrens wird die bestimmte

Ammoniakproduktionsmenge als Stellgröße S für den Zeitraum der kommenden vier

Stunden einem Regler der Ammoniaksynthese übergeben. Somit kann die

Ammoniaksynthese 40 entsprechend der Menge des zur Verfügung stehenden

Wasserstoffs betrieben werden.

Der Zeithorizont kann in anderen Ausführungsbeispielen einen anderen Zeitraum als vier Stunden umfassen. Weiterhin können die Zwischenintervalle größer oder kleiner als eine Stunde sein.

Das Verfahren kann eine zusätzliche Korrektur umfassen. So weist die in Fig. 1 gezeigte

Anlage ein Korrekturmittel 53 auf, das einen Wasserstoffspeicherdruck sowie einen aktuellen Betriebspunkt der Ammoniaksynthese 40 erfasst. Ein Steuerprogramm des

Korrekturmittels 53 kann folgende Fallunterscheidungen, bevorzugt zwischen den

Schritten S5 und S6, durchführen: — Der Wasserstoffspeicherdruck erreicht oder unterschreitet einen minimalen

Betriebsdruck: die berechnete Wasserstoffproduktionsmenge wird reduziert, so dass eine dem Wasserstoffspeicher abzuführende Wasserstoffmenge reduziert oder eine zuzuführende Wasserstoffmenge erhöht wird und der

Wasserstoffspeicherdruck wieder aufgebaut werden kann. — Der Wasserstoffspeicherdruck erreicht oder überschreitet einen Maximaldruck und der aktuelle Betriebspunkt der Ammoniaksynthese ist unterhalb der

Maximallast: die berechnete Wasserstoffmenge, die zur Ammoniakanlage 40 strömen soll, wird erhöht, so dass eine dem Wasserstoffspeicher abzuführende

Wasserstoffmenge erhöht oder eine zuzuführende Wasserstoffmenge reduziert wird und der Wasserstoffspeicherdruck wieder abgebaut werden kann. 20/23

— Der Wasserstoffspeicherdruck erreicht oder überschreitet einen Maximaldruck und der aktuelle Betriebspunkt der Ammoniaksynthese entspricht der

Maximallast: die Wasserstoffelektrolyseeinheit 21 wird gedrosselt, so dass die produzierte Wasserstoffmenge an den Betriebspunkt der Ammoniaksynthese angepasst ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, zusätzlich zur

Verfügung stehende elektrische Energie in der Batterie 14 zu speichern.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich für eine Anlage ohne Anwendung des erfindungsgemäßen

Verfahrens und einer erfindungsgemäBen Anlage mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei sind auf der linken Seite Ergebnisse für die

Anlage ohne erfindungsgemäßes Verfahren und auf der rechten Seite Ergebnisse für die

Anlage mit erfindungsgemäßem Verfahren dargestellt. Die gezeigten Größen sind einmal die gespeicherte Wasserstoffmasse (obere Kurven) und der Speicherdruck (untere

Kurven) im Wasserstoffspeicher 33.

Die grundsätzlichen Randbedingungen sind dabei identisch für beide Fälle. Die

Ammoniakanlage hat eine Kapazität von 3600 Tonnen pro Tag, eine Stromversorgung durch Sonne und Wind beträgt 3000 MW und die Wasserstoffelektrolyseeinheit 21 hat ein Leistungsvermögen von 1520 MW. Der Betriebspunkt der Anlage wird in beiden

Fällen alle 4 Stunden angepasst.

Für die Anlage ohne erfinderisches Verfahren schwankt die Speichermasse in einem großen Bereich zwischen 40 und 140 Tonnen. Demgegenüber beträgt die Speichermasse unter Verwendung des erfinderischen Verfahrens zwischen 10 und 60 Tonnen. Somit kann der Wasserstoffspeicher deutlich kleiner ausgeführt werden. Der Speicherdruck schwankt in der Anlage ohne erfinderisches Verfahren weniger, allerdings kann im Falle einer starken Entladung eine deutlich größere Schwankung mit folgendem schnelleren

Verschleiß des Wasserstoffspeichers einhergehen. Demgegenüber sind die Zyklen der

Druckschwankungen bei Anwendung des erfinderischen Verfahrens kürzer, mit 5 vollständigen Zyklen zwischen 50 und 150 barg pro Jahr aber im akzeptablen Rahmen. 21/23

Insgesamt ermöglicht die Erfindung somit den Betriebspunkt der Anlage 1 bei reduziertem Wasserstoffspeicherbedarf flexibel mehrmals täglich anzupassen.

Bezugszeichenliste 1 Anlage zur Ammoniak-Synthese

Stromversorgung 11 Windkraft 12 Sonnenenergie 13 Verbund- oder Inselnetz 14 Batterie

Elektrolyse 21 Wasserstoffelektrolyseeinheit

Wasserstoffspeicherung 31 H2-Kompressor 32 Wasserstoffspeicherkompressor 33 Wasserstoffspeicher 22/23

34,35 Ventile

Ammoniaksynthese 41 Luftzerlegungsanlage 42 Synthesereaktor 43 Abführung Ammoniak 51, 52 Mittel 53 Korrekturmittel 23/23

Claims (23)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen eines Betriebspunkts einer Anlage (1) zur Ammoniak- Synthese mit einer Stromversorgung (10) für eine Bereitstellung von Wasserstoff aufweisend zumindest eine erneuerbare Stromquelle (11, 12, 13), umfassend die folgenden Schritte: — Erfassen von Eingangsdaten, umfassend zuverlässig prognostizierte Wetterdaten, einen Füllstand eines Wasserstoffspeichers (33) der Anlage (1), eine Ladung einer elektrischen Batterie (14) der Anlage (1) und einen aktuellen Betriebspunkt der Anlage (1), — Bestimmen des Betriebspunkts der Anlage (1), insbesondere (1), basierend auf den erfassten Eingangsdaten, und — Steuern oder Regeln des Betriebspunkts der Anlage (1) basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen ein Ermitteln eines dem Wasserstoffspeicher (33) zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern oder Regeln des Betriebspunkts der Anlage (1) basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt derart erfolgt, dass ein einer Ammoniaksynthese (40) der Anlage (1) zugeführter Wasserstoffeintrittsstrom gesteuert oder geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch ı oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen zusätzlich ein Ermitteln eines zu erwartenden, generierten elektrischen Stroms der erneuerbaren Stromquelle (11, 12, 13), eines in einer Elektrolyse (20) der Anlage (1) generierten Wasserstoffstroms, einer Ladung oder Entladung der Batterie (14) der Anlage (1) und/oder eines Füllstands des Wasserstoffspeichers umfasst.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen derart erfolgt, dass eine Ammoniakproduktion der Anlage (1) maximal ist, wobei eine schwankende Belastung von Anlagenkomponenten infolge des bestimmten Betriebspunkts minimiert wird oder zumindest unterhalb eines Schwellenwerts liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des dem Wasserstoffspeicher (33) zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms derart erfolgt, dass eine Änderung eines Betriebspunkts der Anlage (1) möglichst vermieden werden kann, ein neuer Betriebspunkt der Anlage (1) möglichst nahe an einem aktuellen Betriebspunkt liegt und/oder ein Druck bzw. eine Änderung des Drucks im Wasserstoffspeicher (33) innerhalb von Grenzwerten liegt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des dem Wasserstoffspeicher (33) zu- oder abgeführten =~ Wasserstoffstroms basierend auf einer pradizierten Wasserstoffproduktionsrate und einer gleitenden, kumulativen Masse an Wasserstoff im Wasserstoffspeicher (33) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die prädizierte Wasserstoffproduktionsrate basierend auf einer prädizierten, durch die zumindest eine erneuerbare Stromquelle (11, 12, 13) bereitgestellten, elektrischen Energie ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konvertierung der prädizierten, elektrischen Energie in die prädizierte Wasserstoffproduktionsrate mittels Effizienzkurven der Bereitstellung von Wasserstoff erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen aktuelle Wetterdaten, als Trend 2/5 prognostizierte Wetterdaten, eine maximale Kapazität, einen Druck und/oder eine Temperatur des Wasserstoffspeichers (33), eine Förderrate eines Kompressors des Wasserstoffspeichers (33), eine maximale Kapazität der Batterie (14) und/oder eine Ladegeschwindigkeit der Batterie (14) umfasst.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem Bestimmen des Betriebspunkts ein Vorgeben des Betriebspunkts, insbesondere durch ein Einstellen oder Einregeln eines Wasserstoffeintrittsstroms in eine Ammoniaksynthese (40) der Anlage (1), erfolgt, wobei der Betriebspunkt an eine Steuerung oder Regelung der Ammoniaksynthese (40) vorgegeben oder der Betriebspunkt von der Steuerung oder Regelung erfasst wird und wobei die Steuerung oder Regelung basierend auf dem vorgegebenen oder erfassten Betriebspunkt die Ammoniaksynthese (40) steuert oder regelt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen und das Bestimmen wiederholend, bevorzugt kontinuierlich durchgeführt wird und/oder das Bestimmen über einen Zeithorizont erfolgt, wobei der Zeithorizont zumindest einen zukünftigen Zeitpunkt umfasst, bevorzugt zumindest zwei zukünftige Zeitpunkte umfasst, besonders bevorzugt zumindest vier zukünftige Zeitpunkte umfasst.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach dem Bestimmen eine Korrektur des Betriebspunkts umfasst, wobei die Korrektur anhand einer minimalen und maximalen Ammoniakproduktionsrate der Anlage und/oder anhand eines minimalen und maximalen Wasserstoffspeicherdrucks erfolgt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung des Betriebspunkts der Anlage (1) basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt derart erfolgt, dass ein einer Ammoniaksynthese (40) der Anlage (1) zugeführter 3/5

Wasserstoffeintrittsstrom entsprechend des ermittelten dem Wasserstoffspeicher (33) zu- oder abgeführten Wasserstoffstroms anteilig aus dem Wasserstoffspeicher (33) und in einer Elektrolyse (20) der Anlage (1) generierten Wasserstoff gespeist wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Wasserstoffs überwiegend, bevorzugt zu mehr als 75 %, besonders bevorzugt ausschließlich durch Strom aus der zumindest einen erneuerbaren Stromquelle (11, 12, 13) gespeist wird, wobei die Bereitstellung vorzugsweise durch eine alkalische Wasserelektrolyse erfolgt.

15. Anlage (1) zur Ammoniak-Synthese mit einer Stromversorgung (10) aufweisend zumindest eine erneuerbare Stromquelle (11, 12, 13), einen Wasserstoffspeicher (33), eine elektrische Batterie (14) und Mittel (51, 52, 53), die so angepasst sind, dass sie die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausführen.

16. Anlage (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Wasserstoffs überwiegend, bevorzugt zu mehr als 75 %, besonders bevorzugt ausschließlich durch Strom aus der zumindest einen erneuerbaren Stromquelle (11, 12, 13) gespeist ist.

17. Anlage (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Wasserstoffs als eine alkalische Wasserelektrolysevorrichtung (AWE), eine Protonenaustauschmembranelektrolysevorrichtung (PEM) oder eine Festoxidelektrolysevorrichtung (solid oxide electrolyzer cell, SOEC) ausgebildet ist.

18. Steuerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Verfahrens durch ein Steuergerät bewirken, dass das Steuergerät das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausführt. 4/5

19. Steuerprogramm nach Anspruch 18, umfassend Befehle zur Steuerung eines Wasserstoffeintrittsstroms in eine Ammoniaksynthese (40) der Anlage (1), insbesondere betreffend eine anteilige Speisung des Wasserstoffeintrittsstroms aus dem Wasserstoffspeicher (33) und in einer Elektrolyse (20) der Anlage (1) generierten Wasserstoff.

20. Steuerprogramm nach Anspruch 18 oder 19, umfassend Befehle zur Steuerung des Füllstands des Wasserstoffspeichers (33).

21. Steuerprogramm nach einem der Ansprüche 18 bis 20, umfassend Befehle zum Steuern oder Regeln einer Ammoniaksynthese (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln der Ammoniaksynthese (40) basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt erfolgt.

22. Computerlesbares Medium, auf dem das Steuerprogramm nach einem der Ansprüche 18 bis 21 gespeichert ist.

23. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der Anlage (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 17 und/oder des Steuerprogramms nach einem der Ansprüche 18 bis 21 zur Herstellung von Ammoniak und/oder Harnstoff. 5/5