Projekt
Prozesssimulation und techno-ökonomische Beurteilung von NOx-zu-Ammoniak in ammoniakbetriebenen Frachtschiffen
Figure 1:Ammoniakpreise für graues, blaues und grünes Ammoniak, aufgeschlüsselt nach der Herkunft. Es ist sichtbar, dass Grünes Ammoniak signifikant teurer ist als die anderen Typen. Allerdings sind die Preise von blauem und grauem Ammoniak vergleichbar, obwohl blaues Ammoniak 85% der Emissionen einspart.
Figure 2:Grober aufbau der Simulation. Ammoniak wird im Motor verbrannt und im Cracker zu Wasserstoff verarbeitet. Diese Produkte werden dann im NTA zu Ammoniak reagiert, und dieses kann dann wieder als Treibstoff verwendet werden.
Figure 3:Auswertung von einmaligen Kosten (Abschreibung von Reaktoren, etc., CAPEX) und laufenden Kosten (Treibstoff, OPEX). Es ist sichtbar, dass die Treibstoffkosten klar überwiegen, und dass alle Ammoniakfälle im vergleich zum Dieselfall (BAU) teurer ausfallen.
Figure 4:Auswertung der Ökobilanz (Life Cycle Assessement, LCA). Es ist sichbar, dass Ammoniak mit den Annahmen aus diesem Projekt trotz des fehlenden direkten CO2-Ausstosses auch bei der teuersten Ammoniakquelle einen grösseren Einfluss auf das Klima als ein Dieselschiff hat.
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Diese Arbeit wurde im Rahmen eines Semesterprojekts unter der Aufsicht von Margarita Athanasia Charalambous in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Gonzalo Guillén Gosalbez an der ETH Zürich durchgeführt.
Obwohl das Frachtschiff eines der effizientesten Methoden zum Warentransport ist, ist diese Industrie rein durch ihre Grösse trotzdem für 3% der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Entsprechend können alternative Treibstoffe, wie z.B. Ammoniak oder Methanol, diese Emissionen potentiell reduzieren. Konkret hat hier Ammoniak mit seiner vergleichsweise einfachen Handhabung und hohen Energiedichte viel Potential. Das Problem mit Ammonika ist allerdings, dass die Verbrennung dessen Stickoxide (NOx) freisetzt, welche über die N2O-Bildung indirekt zum Klimawandel beitragen. Somit ist das Ziel dieses Projekts, mithilfe der Software "Aspen Plus V11" zu untersuchen, ob es Sinn macht, hierfür einen NOx-zu-Ammoniak-Prozess (NTA) einzubauen.
Für alle Resultate wurden drei Ammoniakfälle mit dem "Business as Usual" (Diesel) Verglichen, weil der Preis und der CO2-Ausstoss je nach Produktionsprozess start variiert. Graues Ammoniak wird aus Stickstoff und Wasserstoff über den Haber-Bosch-Prozess hergestellt, wobei der Wasserstoff aus Methan und Wasser über Steam Reforming und Water Gas Shift hergestellt wird. Dieser Prozess stösst pro vier mol Wasserstoff auch immer ein mol CO2 aus. Blaues Ammoniak wird gleich hergestellt, aber 85% des CO2 wird mittels Carbon Capture and Storage abgefangen und verarbeitet. Grünes Ammoniak benutzt Wasserstoff aus Wasserelektrolyse mit grünem Strom. Die Preise für diese Ammoniakquellen werden in Abb. 1 verglichen.
Die Idee in diesem Prozess ist, das bei der Verbrennung entstandene Stickoxid mit Wasserstoff zurück zu Ammoniak und Wasser zu reagieren. Der Wasserstoff dazu wird in einem Cracker aus Ammoniak hergestellt (Siehe Abb. 2). Dieses kann dann über einen Separationsprozess von den Verbrennungsprodukten getrennt und wieder als Treibstoff verwendet werden. Mit den Resultaten wurde dann ausgewertet, ob sich der NTA-Prozess sowohl aus finanzieller als auch aus ökologischer Sicht lohnt.
Für die ökonomische Auswertung muss zunächst zwischen einmaligen Kosten für Equipment (Capital Expenditure, CAPEX) und laufenden Kosten (Operating Expenditure, OPEX) unterschieden werden. Das CAPEX wird hier auf eine Lebenszeit von 15 Jahren abgeschrieben und dann jährlich mit dem OPEX verglichen. In Abb. 3 ist sichtbar, dass in diesem Fall die OPEX, effektiv also die Treibstoffkosten, klar überwiegen, und die Kosten für ein Ammoniakschiff im Vergleich zu einem Dieselschiff (Business as Usual, BAU), wie erwartet, überwiegen. Grund dafür ist, dass, obwohl Ammoniak einen tieferen Kilogrammpreis als Diesel hat, der Treibstoffverbrauch bei Ammoniak viel höher als bei Diesel ist, weil wir auch noch den NTA-Reaktor mit Wasserstoff aus Ammoniak bespeisen müssen.
Die Auswertung der Ökobilanz kann in Abb. 4 eingesehen werden. Hier werden die Auswirkungen auf den Klimawandel von Ammoniak und Diesel verglichen. Hier wurde der Treibhauseffekt von Stickoxid (NO) aus der Literatur abgeschätzt, obwohl NO nur einen indirekten Einfluss auf den Klimawandel hat. Dies, kombiniert mit dem sehr hohen Treibstoffverbrauch von Ammoniak und der nur 90% Effizienz (also gelangen 10% des NO in die Atmosphäre) des NTA-Prozesses führt zu den Resultaten sichtbar in Abb. 4.
Es lässt sich zusammenfassen, dass sich mit dem Parametern aus diesem Projekt ein Ammoniakschiff noch nicht lohnt. Allerdings könnte sich dies mit einer höheren Effizienz des NTA-Prozesses und einer anderen Wasserstoffquelle in Zukunft ändern.