Ammonia production with offshore wind power has the potential to transform energy and fertilizer markets within the United States. The vast offshore wind resource can be converted directly into liquid ammonia using existing technologies. The liquid ammonia can then be transported around the country via rail, truck, barge or pipeline and used as either a fertilizer or a fuel. This thesis reviews the technologies required for all-electric, wind-powered ammonia production and offers a simple design of such a system. Cost models based on the physical equipment necessary to produce ammonia with wind power are developed; offshore wind farm cost models are also developed for near-shore, shallow, wind farms in the United States. The cost models are capable of calculating the capital costs of small industrial-sized ammonia plants coupled with an offshore wind farm. A case study for a utility-tied, all-electric ammonia plant in the Gulf of Maine is used to assess the lifetime economics of such a system. Actual utility grid prices and offshore wind are incorporated into a systems-level simulation of the ammonia plant. The results show that significant utility grid backup is required for an all-electric ammonia plant built with present-day technologies. The levelized cost of one metric ton of ammonia is high relative to ammonia produced with natural gas or coal, but is not as susceptible to spikes in ammonia feedstock prices. A sensitivity analysis shows that the total levelized cost of ammonia is driven in large part by the cost of producing electricity with offshore wind. Major cost reductions are possible for systems that have long lifetimes, low operations and maintenance costs, or for systems that qualify for Renewable Energy Credits.

Systems engineering is widely regarded as a full life cycle discipline and provides methodologies and processes to support the design, development, verification, sustainment, and disposal of systems. While this cradle-to-grave concept is well documented throughout literature, there has been recent and ever-increasing emphasis on evolving and digitally transforming systems engineering methodologies, practices, and tools to a model-based discipline, not only for advancing system development, but perhaps more importantly for extending agility and adaptability through the later stages of system life cycles – through system operations and sustainment. This research adopts principles from the software engineering domain DevOps concept (a collaborative merger of system development and system operations) into a Systems Engineering DevOps Lemniscate life cycle model. This progression on traditional life cycle models lays a foundation for the continuum of model-based systems engineering artifacts during the life of a system and promotes the coexistence and symbiosis of variants throughout. This is done by facilitating a merger of model-based systems engineering processes, tools, and products into a surrogate and common modeling environment in which the operations and sustainment of a system is tied closely to the curation of a descriptive system model. This model-based approach using descriptive system models, traditionally leveraged for system development, is now expanded to include the operational support elements necessary to operate and sustain the system (i.e. executable procedures, command scripts, maintenance manuals, etc. modeled as part of the core system). This evolution on traditional systems engineering implementation, focused on digitally transforming and enhancing system operations and sustainment, capitalizes on the ability of model-based systems engineering to embrace change to improve agility in the later life cycle stages and emphasizes the existence of polymorphic systems engineering (performing a variety of systems engineering roles in simultaneously occurring life cycle stages to increase system agility). A model-based framework for applying the Systems Engineering DevOps life cycle model is introduced as a new Systems Modeling Language profile. A use-case leveraging this “Model-Based System Operations” framework demonstrates how merging operational support elements into a spacecraft system model improves adaptability of support elements in response to faults, failures, and evolving environments during system operations, exemplifying elements of a DevOps approach to cyber-physical system sustainment.

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Der „Earth Overshoot Day“ markiert den Tag, ab dem die Menschheit aus ökologischer Sicht über ihre Verhältnisse lebt. In diesem Jahr fällt er bereits auf den 2. August und damit auf das frühste Datum seit der globale Overshoot in den 1970er Jahren begann (Global Footprint Network 2019). Die Menschen nutzen die Natur inzwischen 1,7-mal schneller, als Ökosysteme sich regenerieren können. Bereits heute wären in etwa 1,7 Erden zur Deckung des Ressourcenbedarfs der Menschheit nötig (Global Footprint Network 2019). Die Forderungen nach einem nachhaltigen Umgang mit dem Planet Erde sind heute so drängend wie nie zuvor. Als gesichert gilt die Erkenntnis, dass die menschlichen Aktivitäten erkennbar negative Auswirkungen auf das Ökosystem der Erde haben (Meadows 2000; Rockström et al. 2009; John 2013; Wehrspaun und Schack 2013; Schmidt-Bleek 2014; Schmidt und Frank 2018; Kropp 2013). Mit der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung formulierte die internationale Staatengemeinschaft 2015 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs), die alle drei Dimensionen der Nachhaltigkeit - Soziales, Umwelt und Wirtschaft – gleichermaßen berücksichtigen. Die Umsetzung der 17 Ziele ist allerdings freiwillig und jeder Staat entscheidet selbst über die Maßnahmen zur Erreichung der Ziele (BMZ Bundesminis-terium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung 2017). In der Debatte besteht inzwischen Einigkeit darüber, dass die Erreichung von Nachhaltigkeitszielen, wie sie beispielsweise in der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung zugrunde gelegt wurden, nicht ohne einen Wandel der gegenwärtigen Produktions- und Konsummuster sowie existierender Strategie- und Entscheidungsprozesse möglich sein wird (Grunwald und Kopfmüller 2012). Wie dieser Wandel aussehen und welche Steuerungsinstrumente in welcher Eingriffstiefe für die gesellschaftlichen Veränderungsprozesse einzusetzen sind, wird jedoch in Wissenschaft und Politik kontrovers diskutiert (Grunwald und Kopfmüller 2012; Schmidt-Bleek 2014; Sachs und Santarius 2005). Das gegenwärtige ökonomische System basiert auf Wachstum. Menschen, insbesondere in den Industrienationen, sind nicht bereit zu verzichten, sondern es kommt seit Jahren zu einer Steigerung des Konsums, der durch Werbung und die stetige Einführung neuer Produkte angeregt wird (Kropp 2019). Der Club of Rome hat bereits 1972 auf „Die Grenzen des Wachstums“ hingewiesen und deutlich gemacht, dass es in einer Welt mit begrenzten Ressourcen kein unbegrenztes Wachstum geben kann (Meadows 2000). Die politischen Systeme setzen jedoch immer noch auf Wirtschaftswachstum in Verbindung mit Nachhaltigkeitsanforderungen (Konzepte wie z.B. „Green Growth“ und „Green Economy“) und in Unternehmen ist die Bedeutung des Umweltthemas im Vergleich zu anderen Unternehmenszielen immer noch gering (Lindahl 2005; Baumann et al. 2002).

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