Modelling and techno-economic analysis of low emission ammonia production

In a World where the impact of climate change is evident and the global warming is proceeding at unprecedent pace, humanity is facing one of the greatest challenges of recent years. Reducing the global greenhouse gas emissions to achieve net zero emissions by 2050 will allow to keep the increase of the average global temperature within 1.5°C with respect to the preindustrial levels, according to the objective set by the Paris Agreement. In this context where a rapid decarbonization of the global economy is required, acting on the “hard to abate” sectors such as the chemical sector plays a fundamental role. Particularly, the ammonia production process is nowadays responsible for about 1.8% of the global CO2 emissions, therefore starting a decarbonization process would lead to huge advantages, given the key role played by ammonia in the agricultural sector. This work aims to deepen two possible alternatives of producing low carbon emission ammonia such as the implementation of the carbon capture and storage technology within the conventional ammonia production plants, and the building of greenfield plants powered by renewable energy sources where ammonia is produced starting from hydrogen generated from water electrolysis and nitrogen generated from air separation. Both configurations are modelled and subjected to a techno-economic analysis aimed at evaluating their productions costs and environmental impacts that will be compared with the key performance indicators referred to the conventional ammonia production process through steam reforming of natural gas. The analysis pointed out that both technologies are promising from the environmental perspective but they are characterized by much higher production costs than the traditional process: the carbon capture and storage technology allows a CO2 emissions reduction of about 90% but it has the drawback to be more energy intensive, the green ammonia plant entirely powered by wind energy results in zero direct CO2 emissions but it requires significant efforts to reduce the hydrogen production costs to be competitive on the market.

In un mondo in cui l’impatto del cambiamento climatico è evidente ed il riscaldamento globale sta procedendo ad un ritmo senza precedenti, l’umanità si trova a dover affrontare una delle sfide più grandi degli ultimi anni. Ridurre le emissioni globali di gas serra al fine di raggiungere emissioni nette pari a zero entro il 2050 consentirà di mantenere l’aumento della temperatura media globale entro 1.5°C rispetto ai livelli preindustriali, in accordo con quanto prefissato dall’Accordo di Parigi. In questo contesto in cui è richiesta una rapida decarbonizzazione dell’economia globale, intervenire su settori “difficili da abbattere” come il settore chimico riveste un ruolo fondamentale. In particolare, il processo di produzione dell’ammoniaca è ad oggi responsabile di circa l’1.8% delle emissioni globali di anidride carbonica ed una sua decarbonizzazione porterebbe ad enormi benefici, considerato il ruolo fondamentale svolto dall’ammoniaca nel settore agricolo. Questo lavoro mira ad approfondire due possibili alternative di produzione dell’ammoniaca a basse emissioni di carbonio quali l’implementazione della tecnologia di cattura e sequestro della CO2 nei tradizionali impianti di produzione e la realizzazione di nuovi impianti alimentati da fonti energetiche rinnovabili nei quali l’ammoniaca viene prodotta a partire da idrogeno generato mediante elettrolisi dell’acqua ed azoto generato mediante separazione dall’aria. Entrambe le configurazioni impiantistiche vengono modellate e sottoposte ad un’analisi tecnico-economica volta a valutare i costi di produzione e l’impatto ambientale di ciascuna soluzione, eseguendo un confronto con gli indicatori chiave di performance relativi al processo convenzionale di produzione di ammoniaca mediante steam reforming di gas naturale. L’analisi ha rivelato che entrambe le tecnologie sono promettenti dal punto di vista ambientale ma sono caratterizzate da costi di produzione molto più elevati rispetto al processo tradizionale: la tecnologia di cattura e sequestro della CO2 consente una riduzione delle emissioni del 90% ma ha lo svantaggio di essere più energivora, l’impianto di ammoniaca verde interamente alimentato da energia eolica consente zero emissioni dirette di CO2 ma richiede sforzi significativi sulla diminuzione dei costi della tecnologia di produzione dell’idrogeno per essere competitivo sul mercato.