Cost comparison of converting conventional ammonia process to green

Thumbnail Image

Files

master_Heikkinen_Pinja_2025.pdf (4.51 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-02-24

Department

Major/Subject

Chemical and Process Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

135

Series

Abstract

The study investigated conversion of a conventional ammonia process to a green process using two methods. An essential part of converting conventional ammonia to green is replacing the SMR process of natural gas with electrolysis-based hydrogen. In this study the use of the biomass biogas SMR process was studied, with the addition of a carbon capture unit and the replacement of the natural gas SMR process by water electrolysis. In addition, greenfield water electrolysis-based ammonia production was studied. The capacity of 340 kilotons per year was used for all processes. The processes were simulated by using Aspen Plus V14 software, followed by cost analyses of the simulation using Aspen Process Economic Analyzer software. CAPEX estimates were made using Aspen Capital Cost Estimator software, after which cost sensitivity analysis was used to calculate sensitivities to react to price changes and results were compared with each other. Based on the results, converting conventional ammonia to green is profitable at average and low electricity prices when by-products can be sold. Changes in the price of electricity significantly affect the price of electrolysis-based ammonia, which causes its profitability at the highest electricity prices compared to natural gas-based ammonia to suffer. However, more profitable than building a new one is converting the process to electrolysis based. The construction of a new electrolysis-based plant is less profitable than the construction of a conventional grey ammonia plant. Biomass-based ammonia was less profitable than natural gas-based ammonia in terms of cost in this study.

Työssä selvitettiin perinteisen harmaan ammoniakin prosessin konvertointia vihreäksi prosessiksi kahdella menetelmällä. Perinteisen ammoniakin muuntamisessa vihreäksi olennaisessa osassa on maakaasusta vedyn valmistamisen korvaaminen vihreällä vety prosessilla. Tässä työssä tutkittiin biomassasta valmistetun biokaasun SMR-prosessin käyttämistä, johon lisättiin hiilen talteenottoyksikkö sekä maakaasun SMR-prosessin korvaamista veden elektrolyysillä. Lisäksi tutkittiin uuden rakentamattoman ammoniakin tuotantoa vedyn tuottamisella veden elektrolyysillä. Kaikkien simulaatioiden kapasiteetti oli 340 kilotonnia vuodessa. Prosessit simuloitiin Aspen Plus V14-ohjelmistolla, jonka jälkeen simuloinnista tehtiin kustannusanalyysejä hyödyntämällä Aspen Process Economic Analyzer ohjelmistoa. CAPEX arviot tehtiin Aspen Capital Cost Estimator ohjelmistolla, jonka jälkeen kustannuksista laskettiin sensitiivisyys analyysillä herkkyyksiä reagoida hinnan muutoksiin ja tuloksia vertailtiin keskenään. Tulosten perusteella perinteisen ammoniakin muuntaminen vihreäksi on kannattavaa keskimääräisillä ja matalilla sähkön hinnoilla, kun sivutuotteita saadaan myytyä. Sähkön hinnan muutokset vaikuttavat merkittävästi elektrolyysipohjaisen ammoniakin hintaan, jonka vuoksi korkeimmilla sähkön hinnoilla vihreän ammoniakin kannattavuus verrattuna maakaasupohjaiseen ammoniakkiin on heikompi. Kuitenkin uuden vihreän ammoniakki laitoksen rakentamista kannattavampaa on prosessin konvertointi elektrolyysipohjaiseksi. Uuden elektrolyysipohjaisen laitoksen rakentaminen on heikommin kannattavaa kuin perinteisen harmaan ammoniakkilaitoksen rakentaminen. Biomassapohjainen ammoniakki oli kannattavuudeltaan heikompi kuin maakaasupohjainen ammoniakki tässä tutkimuksessa.

Description

Supervisor

Alopaeus, Ville

Thesis advisor

Sahakoski, Eero

Keywords

converting, green ammonia, alkali electrolyser, Haber-Bosch, biogas SMR, carbon capture, CAPEX, OPEX, Aspen Plus, Aspen Capital Cost Estimator, cost analysis

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202503182868

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM