Междисциплинарная группа учёных из Исследовательского центра Юлиха (Forschungszentrum Jülich), Технического университета Мюнхена и компании Linde Engineering представила моделирование низкоэмиссионной установки для производства аммиака с возможностью гибкого регулирования нагрузки. Работа опубликована в International Journal of Hydrogen Energy и направлена на разработку экономически эффективной схемы синтеза аммиака на основе возобновляемой энергии.
По оценкам Королевского общества Великобритании, глобальное производство аммиака ежегодно приводит к выбросу порядка 500 млн тонн CO₂ — эквивалентно годовому уровню выбросов Германии и составляет около 1,8 % общемировых антропогенных эмиссий. Основной источник загрязнения — использование водорода, полученного из природного газа методом паровой конверсии метана, сопровождающимся выделением значительных объёмов диоксида углерода.
Так называемый «зелёный аммиак» предполагает замену ископаемого водорода на водород, полученный методом электролиза воды с использованием энергии ветра и солнца. В результате реакции водорода с азотом, извлечённым из воздуха, по процессу Габера–Боша образуется аммиак. Однако нестабильность генерации энергии из возобновляемых источников делает электролиз нерегулярным, что приводит к колебаниям потока водорода и, соответственно, к необходимости адаптации производственной установки к переменной нагрузке.
Традиционные установки рассчитаны на стабильную работу в стационарном режиме. Резкие изменения потока приводят к колебаниям давления в реакторах и трубопроводах, создавая дополнительные механические нагрузки. Для их компенсации необходимо применение оборудования с утолщёнными стенками и повышенной прочностью, что увеличивает стоимость и усложняет проектирование.
Исследование демонстрирует, что интеллектуальная система управления может существенно сгладить колебания давления и снизить механическую нагрузку на аппаратурные узлы. Предложено использование усовершенствованного регулятора давления в циркуляционном контуре аммиака — ключевом этапе процесса, где не вступившие в реакцию газы (водород и азот) возвращаются в цикл.
По результатам моделирования, данная система управления позволяет изменять производительность установки на 3 % в течение одной минуты, что значительно превышает возможности традиционных природногазовых установок. Это позволяет сократить требования к буферной ёмкости и толщине стенок аппаратуры, снижая материалоёмкость и себестоимость производства.
Ранее та же исследовательская группа представила конструкцию реактора, способного к гибкой работе. Следующим этапом планируется строительство опытной установки на базе Forschungszentrum Jülich, в которой будет продемонстрирована высокая динамика регулирования и устойчивость к переменной нагрузке в условиях, приближённых к промышленным.