Absorption-enhanced Haber-Bosch process for small-scale green NH3 production

Ammonia (NH3), traditionally used as a fertilizer, represents today a promising carbon-free energy storage vector due to its high hydrogen density (around 17.8 wt.%), making it highly attractive in the context of the energy transition. The decarbonization of industrial processes, the need to adapt to new renewable sources, and the Sustainable Development Goals set by the United Nations represent new challenges for ammonia production. Flexibility, small-scale plants, modularity and mild operating pressures become fundamental requirements for an intensification of the conventional, dependent on fossil fuels and energy-consuming Haber-Bosch process. Thus, integrating green hydrogen (H2) from alkaline water electrolysers requires a reconfiguration of the NH3 synthesis loop. To achieve these objectives, this feasibility study develops an intensification of the Haber-Bosch process through NH3 absorption in water as new separation method in the place of condensation able to grant zero theoretical Scope 1 CO2e emissions. The success of the new layout lies on outperforming in terms of energy efficiency the traditional Haber-Bosch scaled to similar basis of design. In the energy analysis performed, a dimensionless parameter, ϕ, accounting for the ammonia consumed to sustain the process specific to the ammonia produced, has been introduced to enable a fair energetic comparison between the two designs. Results indicate that the new process is able to work at a reduced pressure of 80 bar and 100 bar, achieving with an adiabatic absorber and single-stage reactor approximately 30% of energy savings compared to the benchmark configuration. This energy savings can be increased to 37% when an isothermal absorber and single-stage reactor at 80 bar is used. The implementation of two reaction stages demonstrated marginal competitiveness only in conjunction with an isothermal absorber. Finally, to have a complete outlook of the problem, an entire green NH3 production plant incorporating the new synthesis loop is analyzed. The energy consumptions per ton of NH3 produced revealed that green NH3 production route still remains more energy-intensive with respect to the blue one (current BAT).

L’ammoniaca (NH3), tradizionalmente usata come fertilizzante, rappresenta oggi un promettente vettore di stoccaggio di energia privo di carbonio grazie alla sua elevata densità di idrogeno (circa 17.8% in peso), rendendola altamente attraente nel contesto della transizione energetica. La decarbonizzazione dei processi industriali, la necessità di adattarsi alle nuove fonti rinnovabili e gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile fissati dalle Nazioni Unite rappresentano nuove sfide per la produzione di ammoniaca. Flessibilità, impianti su piccola scala, modularità e pressioni operative più basse diventano dei requisiti fondamentali per l’intensificazione del convenzionale processo Haber-Bosch, dipendente da combustibili fossili e ad alto consumo energetico. Pertanto, l’integrazione dell’idrogeno (H2) verde proveniente da elettrolizzatori ad acqua alcalina richiede una riconfigurazione della sezione di sintesi dell’NH3. Per raggiungere tali obiettivi, questo studio di fattibilità sviluppa un’intensificazione processo Haber-Bosch tramite l’assorbimento dell'NH3 in acqua come nuovo metodo di separazione al posto della condensazione in grado di garantire zero emissioni teoriche di CO2e Scope 1. Il successo del nuovo layout risiede nel superare in termini di efficienza energetica il tradizionale impianto Haber-Bosch scalato sulle stesse basi di progettazione. Nell'analisi energetica eseguita, è stato introdotto un parametro adimensionale, ϕ, che tiene conto dell'ammoniaca consumata per sostenere il processo specifica sull'ammoniaca prodotta, per consentire un equo confronto energetico tra i due layout. I risultati indicano che il nuovo processo è in grado di operare a una pressione ridotta di 80 bar e 100 bar, ottenendo con assorbitore adiabatico e reattore monostadio circa il 30% di risparmio energetico rispetto alla configurazione convenzionale di riferimento. Questo risparmio energetico può essere aumentato al 37% quando si utilizza un assorbitore isotermo e un reattore monostadio a 80 bar. L'implementazione di due stadi di reazione ha dimostrato una minima competitività solo in combinazione con assorbitore isotermo. Infine, per avere un quadro completo del problema, viene analizzato un intero impianto di produzione di NH3 verde contenente la nuova sezione di sintesi. I consumi energetici per tonnellata di NH3 prodotta hanno rivelato che la produzione dell'ammoniaca verde rimane ancora più energivora rispetto a quella blu (BAT attuale).