Techno-economic analysis of green ammonia production in innovative Catalytic Membrane Reactor

Ammonia will play a crucial role in the coming years to help Europe achieve its energy goals. It can be used as a hydrogen carrier due to its superior properties compared to hydrogen: it can be liquefied at much more manageable temperatures and pressures, has a better volumetric energy density, and is not flammable. These advantages could address the storage and transportation issues associated with hydrogen. This study involves a techno-economic analysis of a plant that employs a membrane catalytic reactor for ammonia synthesis, compared to a plant that uses conventional reactors. The study’s target output is 100 tons of ammonia per day. The membrane reactor proves to be much more efficient than the series of conventional reactors, as it achieves the target with higher conversion rates and smaller volumes and quantities of catalysts. This is in contrast to the series of three conventional reactors, which require cooling to increase conversion and overcome the reaction’s thermodynamic limits. The techno-economic analysis demonstrates that the plant using the membrane reactor is slightly better than the conventional one. The membrane reactor allows for fewer components within the plant. The main cost is associated with the input feed, which remains the same in both cases due to the Haber-Bosch process’s recycling of unconverted reagents.

L’ammoniaca giocherà un ruolo cruciale nei prossimi anni per aiutare l’Europa a raggiungere i suoi obiettivi energetici. Può essere utilizzata come vettore di idrogeno grazie alle sue proprietà superiori: può essere liquefatta a temperature e pressioni molto più gestibili, ha una migliore densità energetica volumetrica e non è infiammabile. Questi vantaggi, insieme alla solida infrastruttura pre-esistente dell’ammoniaca, potrebbero risolvere i problemi di stoccaggio e trasporto associati all’idrogeno. Questo studio prevede un’analisi tecnico-economica di un impianto che utilizza un reattore catalitico a membrana per la sintesi dell’ammoniaca, confrontato con uno che impiega reattori convenzionali. L’obiettivo di produzione è di 100 tonnellate di ammoniaca al giorno. Il reattore a membrana si dimostra molto più efficiente rispetto alla serie di reattori tradizionali, in quanto raggiunge il target con tassi di conversione più elevati e volumi e quantità di catalizzatori minori. A differenza della serie di tre reattori convenzionali, il reattore a membrana non richiede raffreddamento per aumentare la conversione e superare i limiti termodinamici della reazione. L’analisi tecnico-economica dimostra che l’impianto dotato di reattore a membrana è leggermente migliore rispetto a quello convenzionale. Il reattore a membrana consente di utilizzare meno componenti all’interno dell’impianto. Il costo principale è legato al feed in ingresso, che rimane lo stesso in entrambi i casi a causa del riciclo dei reagenti non convertiti nel processo Haber-Bosch.