Utilising power-to-x in ammonia production and storage: Process models and cost comparison
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
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.
Author
Date
2024-08-29
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
104+26
Series
Abstract
Power-to-X technology enables the production of green ammonia by using electrolysis to convert water into hydrogen, which then reacts with nitrogen to produce ammonia via the Haber-Bosch process. This approach is crucial for sustainable ammonia production, reducing reliance on fossil fuels. Safe and robust ammonia storage is essential to ensure the stability and usability of green ammonia as a clean energy carrier and industrial chemical. This thesis investigated the production and storage of green ammonia using PtX technology through two process alternatives, ammonia synthesis with recycle and single-pass reaction. Process simulations were performed in Aspen Plus V14 for both alternatives, based on which mass balances were obtained with three different PEM electrolysis capacities (10 MW, 30 MW and 60 MW). The alternatives were subjected to an economic analysis using the Aspen Economic Analyzer tool. For both alternatives, the optimal production cost of ammonia was sought by carrying out sensitivity analyses, goal seek and NPV calculations. The obtained optimised ammonia production costs were compared to the real prices of green ammonia. 60 MW of capacity yielded the best outcomes. In comparison to single-pass synthesis, which produced 15.5 kton/year and had a yield of 25.8%, ammonia synthesis with recycle produced greater results, with a 93% yield and a production capacity of 52.5 kton/year. The optimal production cost of ammonia with recycle reached 870 €/ton, which is comparable to the price range of actual green ammonia (500–1100 €/ton). It was noted that by selling electrolysis by-product O2, the profitability could be affected substantially. The high cost of PEM electrolysis and renewable electricity significantly impacts the price of green ammonia. However, advancements in technology and supportive legislation can reduce these costs, making green ammonia competitive with fossil-based ammonia. Future reductions in capital expenses, increased renewable energy availability, and favourable policies will be key to achieving price parity between green and fossil ammonia, enhancing the feasibility and adoption of green ammonia as a sustainable alternative.Power-to-X -teknologia mahdollistaa vihreän ammoniakin tuotannon käyttämällä elektrolyysiä. Prosessissa elektrolyysillä vesi hajotetaan vedyksi, joka reagoi typen kanssa ammoniakiksi Haber-Bosch prosessin kautta. Tämä lähestymistapa on ratkaisevan tärkeä kestävän ammoniakin tuotannon kannalta, mikä vähentää riippuvuutta fossiilisista polttoaineista. Turvallinen ja kestävä ammoniakin varastointi on olennaisen tärkeää, jotta voidaan varmistaa vihreän ammoniakin vakaus ja käytettävyys puhtaana energiankantajana ja teollisuuskemikaalina. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin vihreän ammoniakin tuotantoa ja varastointia PtX-teknologialla kahden prosessivaihtoehdon välillä, joita olivat ammoniakkisynteesi kierrätyksellä ja yksivaihereaktiolla. Molemmille vaihtoehdoille tehtiin prosessisimulaatiot Aspen Plus V14 -ohjelmalla, joiden perusteella saatiin massataseet kolmella eri PEM-elektrolyysikapasiteetilla (10 MW, 30 MW ja 60 MW). Vaihtoehdoista tehtiin taloudellinen tarkastelu Aspen Economic Analyzer -työkalulla. Molemmille vaihtoehdoille ammoniakin optimaalinen tuotantokustannus etsittiin herkkyysanalyyseillä, goal seek- ja NPV-laskelmilla. Saatuja optimoituja ammoniakin tuotantokustannuksia verrattiin vihreän ammoniakin todellisiin hintoihin. 60 MW:n kapasiteetti tuotti parhaimmat tulokset. Verrattuna synteesiin yksivaihereaktiolla, joka tuotti 15,5 kilotonnia/vuosi ja jonka saanto oli 25,8%, ammoniakkisynteesi kierrätyksellä tuotti parempia tuloksia 93%:n saannolla ja 52,5 kilotonnia/vuosi tuotantokapasiteetilla. Ammoniakin optimaalinen tuotantokustannus kierrätyksellä oli 870 €/tonni, mikä on verrattavissa todellisen vihreän ammoniakin hintaluokkaan (500–1100 €/tonni). Voidaan todeta, että elektrolyysissä syntyvän sivutuote hapen myyminen vaikuttaa merkittävästi kannattavuuteen. PEM-elektrolyysin ja uusiutuvan sähkön hinta vaikuttaa merkittävästi vihreän ammoniakin hintaan. Teknologian kehittyminen ja sitä tukeva lainsäädäntö voivat kuitenkin vähentää näitä kustannuksia tehden vihreästä ammoniakkista kilpailukykyisen fossiilipohjaisen ammoniakin kanssa. Tulevaisuudessa pääomakustannusten aleneminen, uusiutuvan energian laajempi saatavuus ja suotuisa energiapolitiikka ovat avainasemassa vihreän ja fossiilisen ammoniakin hintapariteetin saavuttamisessa sekä edistämään vihreän ammoniakin soveltuvuutta ja käyttöönottoa kestävänä vaihtoehtona.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Kauppi, SonjaKeywords
power-to-x, power-to-ammonia, electrolysis, green ammonia, ammonia storage, Haber-Bosch
