Decarbonizzazione della produzione di ammoniaca grigia tramite Ciclo di Allam: fattibilità tecno-economica

The European Union signed and ratified the Paris Agreement (2015), in which it pledges to abate greenhouse gas emissions by at least 55% by 2030 compared to its levels in the 1990s. Therefore, this paper aims to identify a distinctly polluting chemical process and attempt to mitigate its exhalations. Following a careful analysis, it has been observed that the most responsible chemical compound for greenhouse gas emissions is ammonia. As a matter of fact, in 2020, its production alone was globally accounted for a total of 2% of electricity consumption and 1.3% of CO2 emissions. From this perspective, the Allam Cycle seems likely to be an attractive solution for the environmental mitigation of the process. In this newly introduced power cycle, carbon dioxide is used as a working fluid. Specifically, this work provides the integration of the Allam Cycle with the two most polluting sections of the Haber-Bosch process: air separation unit (ASU) and steam methane reforming (SMR). The ASU, SMR, and Allam Cycle sections were modelled using UniSim Design R491®. The results obtained from the simulations demonstrate the feasibility of the integration; however, a cost analysis was also made to assess its cost-effectiveness. Specifically, the estimation of the capital expenses (CapEx) highlighted an 82 - 104% increase concerning the investment for the construction, in contrast to a conventional ammonia synthesis plant. Viceversa, the operational expenses (OpEx) may be reduced by 28 to 37% in the case of medium to low-scale ammonia production.

L’Unione Europea ha firmato e ratificato l’Accordo di Parigi (2015) in cui si impegna a ridurre le emissioni di gas serra di almeno il 55% entro il 2030 rispetto ai livelli del 1990. Pertanto, l’obiettivo di questo elaborato è quello di identificare un processo chimico particolarmente inquinante tentando di mitigarne le emissioni. A valle di un’attenta analisi, si è osservato che il composto chimico responsabile del maggior numero di emissioni di gas serra è l’ammoniaca. Nel 2020, infatti, si può notare come la sua produzione sia stata responsabile a livello globale del consumo del 2% di energia elettrica e dell’1.3% delle emissioni totali di CO2. Una possibile soluzione per il loro abbattimento è il Ciclo di Allam: un ciclo termodinamico di recente introduzione che impiega anidride carbonica come fluido di lavoro. Nello specifico, si propone di integrare il Ciclo di Allam con le due sezioni maggiormente inquinanti del processo Haber-Bosch: il frazionamento dell’aria (ASU) e il reforming con vapore del metano (SMR). Per la modellazione dettagliata dell’impianto, le sezioni di ASU, SMR e del Ciclo di Allam sono state simulate utilizzando UniSim® Design R491. I risultati ottenuti dimostrano la fattibilità dell’integrazione; tuttavia, si è proceduto anche ad un’analisi dei costi. In particolare, la stima dei costi fissi (CapEx) ha messo in evidenza un incremento dell’investimento richiesto per la costruzione dell’82 - 104% rispetto a un convenzionale impianto di sintesi di ammoniaca. Viceversa, i costi operativi (OpEx) possono essere ridotti del 28 - 37% nel caso di produzione di ammoniaca su media-bassa scala.