Low-emissions ammonia in the energy transition: a critical analysis of production pathways and infrastructure scalability

This thesis examines the role of ammonia in the energy transition by combining two complementary perspectives: production˗side decarbonisation and infrastructure scalability. Ammonia is a major industrial commodity, but its conventional production is associated with significant greenhouse˗gas emissions due to fossil fuel reliance. Decarbonising production is therefore an important mitigation lever even without changes in end uses. At the same time, ammonia is increasingly considered as a low˗emissions energy˗ and hydrogen˗carrier, which would require additional volumes and new logistics configurations. This work develops a 3E analysis of conventional production pathways, assessing energy performance, environmental impacts, and economic aspects. In parallel, it reviews ammonia logistics and safety requirements and proposes a scenario˗based critical assessment of infrastructure scalability using global scaling ratios derived from demand trajectories. The findings suggest that grey ammonia remains an important benchmark, while low˗emissions pathways do not show uniformly superior outcomes under all conditions. From an environmental perspective, climate˗related benefits can be significant, but they do not automatically translate into improvements across all LCA impact categories. Economically, green ammonia remains strongly constrained by electricity costs, whereas blue ammonia appears cost˗competitive in the short to medium term. On the infrastructure side, current handling practices are mature but the energy transition will require a significant strengthening of the entire logistics chain. Debarbonising production pathways is a necessary but not sufficient condition for large˗scale deployment. The effective scalability of low˗emissions ammonia depends on whether infrastructure network can expand, adapt, and integrate in time to meet new demand. For this reason, ammonia deployment is framed as a system˗level implementation challenge in which infrastructure readiness may become the decisive bottleneck. Overall, low-emissions ammonia should not be viewed solely as a production technology, but as a development option whose deployment depends on infrastructure readiness, timing, and coordination among the actors involved.

Questa tesi analizza il ruolo dell'ammoniaca nella transizione energetica considerando due prospettive complementari: la decarbonizzazione della sua produzione e la scalabilità infrastrutturale. L'ammoniaca è una materia prima industriale di primaria importanza, ma la sua produzione tramite metodi convenzionali è associata a significative emissioni di gas serra dovute alla dipendenza dai combustibili fossili. La decarbonizzazione della produzione rappresenta quindi una leva di mitigazione rilevante anche senza cambiamenti negli usi finali. Allo stesso tempo, l'ammoniaca è sempre più considerata come vettore energetico e di idrogeno a basse emissioni, con conseguente aumento dei volumi e necessità di nuove configurazioni logistiche. Questo lavoro sviluppa un'analisi 3E dei principali processi produttivi convenzionali di ammoniaca, valutando prestazioni energetiche, impatti ambientali e aspetti economici. In parallelo, esamina i requisiti logistici e di sicurezza e propone una valutazione, basata su scenari, della scalabilità infrastrutturale tramite rapporti di scala globali derivati da traiettorie di domanda. I risultati mostrano che l'ammoniaca grigia rimane uno standard di riferimento importante, mentre i processi a basse emissioni non presentano risultati uniformemente superiori in tutte le condizioni. Dal punto di vista ambientale, i benefici climatici possono essere significativi, ma non si traducono automaticamente in miglioramenti in tutte le categorie di impatto LCA. Sul piano economico, l'ammoniaca verde resta fortemente vincolata ai costi dell'elettricità, mentre l'ammoniaca blu appare competitiva nel breve/medio termine. Sul lato infrastrutturale, le pratiche attuali di gestione sono mature, ma la transizione energetica richiederà un significativo potenziamento dell’intera catena logistica. Il miglioramento dei processi produttivi è una condizione necessaria ma non sufficiente per una diffusione su larga scala. La scalabilità effettiva dell’ammoniaca a basse emissioni dipende dalla capacità della rete infrastrutturale di espandersi, adattarsi e integrarsi nei tempi richiesti dalla nuova domanda. Per questo motivo, la diffusione dell’ammoniaca viene interpretata come una sfida di implementazione a livello di sistema, nella quale la maturità infrastrutturale può diventare il collo di bottiglia decisivo. Nel complesso, l’ammoniaca a basse emissioni non dovrebbe essere considerata soltanto come una tecnologia di produzione, ma come un’opzione di sviluppo la cui attuazione dipende dalla maturità delle infrastrutture, dalle tempistiche e dal coordinamento tra gli attori coinvolti.