نُشر في:
مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة

رابط المقال، DOI:
10.1016/j.rser.2024.114517

تاريخ النشر:
2024

إصدار الوثيقة
نسخة الناشر بصيغة PDF، والمعروفة أيضًا باسم النسخة المسجلة

رابط العودة إلى DTU Orbit

نامي، هـ.، هندريكسن، ب. ف.، وفراندسن، هـ. ل. (2024). إنتاج الأمونيا الخضراء باستخدام تقنيات التحليل الكهربائي الحالية والناشئة. مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة، 199، المقالة 114517.https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114517

الأمونيا الخضراء
الأمونيا الزرقاء
الهيدروجين الأخضر
الطاقة إلى الأمونيا
SOEC مضغوط
الالكتروليزر القلوي عالي الحرارة

ستحتاج صناعة الكيميائيات وقطاع النقل إلى الانتقال إلى طرق خضراء لإنتاج كيميائيات ذات طلب عالٍ مثل الأمونيا لتتوافق مع أهداف سياسة المناخ. الأمونيا هي مادة كيميائية مهمة للغاية تُستخدم في صناعة الأسمدة. كما أنها جذبت اهتمامًا كوقود أخضر للشحن، بالإضافة إلى كونها وسيلة لتخزين الطاقة قادرة على التغلب على تحديات تخزين الهيدروجين. إنتاج الأمونيا الخضراء ليس مفهومًا جديدًا، حيث تم تطبيقه منذ أواخر العشرينيات حتى التسعينيات في النرويج، باستخدام AEC كمسار هيدروجين أخضر مدعوم بالطاقة الكهرومائية. ومع ذلك، فإن الجاذبية الاقتصادية للهيدروجين الأحفوري المنتج من الغاز الطبيعي من خلال إعادة تشكيل الميثان بالبخار (SMR) جعلته الخيار المفضل لإنتاج الأمونيا في معظم المواقع ولإنتاج كميات كبيرة. ومع ذلك، فإن المخاوف البيئية المتزايدة، والتقدم في تقنيات التحليل الكهربائي للمياه، والانخفاض الكبير في تكلفة الكهرباء المتجددة على مدى العقد الماضي قد أعادت إشعال الاهتمام الكبير.
الاهتمام بإنتاج الأمونيا الخضراء. مقارنة بالهيدروجين، تمتلك الأمونيا بعض المزايا. من الأسهل بكثير تسييلها وتخزينها عند درجات حرارة أعلى (-33 مقابل. عند الضغط الجوي) ونقله أرخص بثلاث مرات على الأقل من الهيدروجين [4]. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الأمونيا في محركات الاحتراق الداخلي [5] والتوربينات الغازية [6] مع تعديلات متواضعة على التكنولوجيا الأساسية. التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE) من الأمونيا الخضراء في محطات الطاقة الكبيرة (الاحتراق في توربينات الغاز ذات الدورة المركبة) تم التنبؤ بها من قبل سزارو وآخرون [7]. وقد وجدوا أنه عند عوامل سعة محطات الطاقة أقل من (أصبح شائعًا بشكل متزايد في قطاعات الكهرباء التي تعتمد على الكهرباء المتجددة المتغيرة بشكل كبير)، يجب أن تكون تكلفة الأمونيا أقل من 400 للتنافس بفعالية مع تقنيات أخرى قابلة للتوزيع، ذات انبعاثات كربونية منخفضة أو صفرية، بما في ذلك الغاز، والطاقة الحيوية، أو محطات الطاقة التي تعمل بالفحم والمزودة بتقنية احتجاز الكربون وتخزينه. بالإضافة إلى ذلك، تشير الأبحاث المنشورة في السنوات الأخيرة إلى الأمونيا كوقود بحري مستقبلي. توجد العديد من الدراسات في الأدبيات التي تتناول اقتصاد الأمونيا الخضراء وجاهزية التكنولوجيا. يتم مراجعة بعض الأعمال المنشورة ذات الصلة أدناه.

قام كامبيون وآخرون [10] بإجراء تقييم تقني اقتصادي لإنتاج الأمونيا الخضراء، مع الأخذ في الاعتبار إمكانيات الرياح والطاقة الشمسية المتنوعة، وملفات الطقس، وتقنيات التحليل الكهربائي. أظهرت نتائج التحسين أن استخدام تكوين شبه معزول يعتبر الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة، مما قد يؤدي إلى تخفيضات في التكاليف تصل إلى عند مقارنتها بأنظمة الطاقة المستقلة. ومع ذلك، وُجد أن هذه الطريقة تؤدي إلى انبعاثات غازات الدفيئة التي تعادل تلك الناتجة عن استخدام الوقود الأحفوري في إنتاج الأمونيا عند النظر في مزيج الكهرباء الحالي. عند تقييم أنظمة الطاقة المستقلة، أدت ممارسة تقدير التكاليف بناءً على تكلفة الكهرباء المستوية وعوامل السعة لمصادر الطاقة الشمسية أو الرياح (التي تحدد بدورها ساعات التشغيل) إلى مبالغة في تقدير التكاليف تصل إلى 30% لقد حقق أكثر إعداد اقتصادي خارج الشبكة تكلفة إنتاج قدرها 842 يورو/طن من الأمونيا. تم تحسين إنتاج وتصدير الأمونيا الخضراء والهيدروجين المعزول من المملكة العربية السعودية بواسطة فلوريس وآخرون. أظهرت نتائجهم أن تحسين المصنع يمكن أن يؤدي إلى تكاليف إنتاج الأمونيا من بينما يعتبر تكلفة الكهرباء هي المحرك الأكبر للتكاليف، حيث تمثل 60-70% من إجمالي تكلفة المشروع.

قيم فراتيني وآخرون [12] ثلاثة مسارات متميزة لإنتاج الأمونيا الخضراء. تم تقييم هذه المسارات مقارنة بإنتاج الأمونيا من الوقود الأحفوري من خلال إعادة تشكيل الميثان بالبخار، وشملت استخدام الهيدروجين المتجدد المستخرج من SOEC، وتحويل الكتلة الحيوية، وإعادة تشكيل الغاز الحيوي. وجدوا أن جميع الأنظمة لها نفس استهلاك الطاقة من . الـ تُقدَّر الانبعاثات المعادلة بـ و 3.59
عندما يتم استخدام الغاز الطبيعي والغاز الاصطناعي والغاز الحيوي كمواد خام، على التوالي. يمكن اعتبار الأمونيا المستندة إلى الكتلة الحيوية محايدة كربونيًا بسبب الطابع المتجدد للمواد الخام. ومع ذلك، من المهم أن نكون على دراية بأن توفر الكتلة الحيوية قد يصبح محدودًا في أنظمة الطاقة المستقبلية.

حقق زانغ وآخرون [14] في مقارنة مسارات إنتاج الأمونيا المختلفة، بما في ذلك الطاقة إلى الأمونيا، والكتلة الحيوية إلى الأمونيا، والميثان إلى الأمونيا. وتوصلت الدراسة إلى أن الطاقة إلى الأمونيا تمثل المسار الأكثر كفاءة، مما يعزز الكفاءة المعتمدة على القيمة الحرارية المنخفضة إلى لكنها حاليًا ليست جذابة اقتصاديًا بسبب التكلفة العالية لوحدات التحليل الكهربائي وارتفاع أسعار الكهرباء. ومع ذلك، لديها القدرة على أن تصبح تنافسية من حيث التكلفة إذا يمكن تقليل تكلفة الوحدات إلى قام بيشر ودينجر [15] بمقارنة جدوى استخدام خلايا التحليل الكهربائي المدفوعة بالطاقة النووية ودورة النحاس-الكلور كطرق لإنتاج الهيدروجين الأخضر لإنتاج الأمونيا. وُجد أن استخدام خلايا التحليل الكهربائي له تأثير بيئي أقل من دورة النحاس-الكلور (460 مقابل. معدل المعادلة ).

تمت دراسة الأمونيا كحامل لتخزين الهيدروجين بواسطة الزرير وآخرون [16]. تم اقتراح نظام تخزين الهيدروجين لتخزين الهيدروجين كيميائيًا على شكل أمونيا، والتي تم ضغطها في نظام إنتاج الأمونيا متعدد المراحل. تم تخزين الأمونيا المنتجة في تصميم مفهومي جديد لشاحنة ناقلة للأمونيا مزودة بمحلل كهربائي للأمونيا لنقل وتوصيل الهيدروجين المخزن. وقد تم الافتراض أن الشاحنة الناقلة يمكن أن توفر الأمونيا للمستخدمين النهائيين الذين يقومون بتفكيك الأمونيا لاحقًا عندما
تحتاج إلى الهيدروجين أو توصيل الهيدروجين المنتج مباشرة من تحلل الأمونيا. أظهر النظام المقترح كفاءات طاقة وكفاءة إكسرجي تبلغ و ، على التوالي.

تمت دراسة إنتاج الأمونيا الخضراء القائم على SOEC باستخدام النيتروجين الناتج عن سلسلة من مضخات الأكسجين ذات الإلكتروليت الصلب بواسطة نوويكي وآخرون [17]. مضخات الأكسجين ذات الإلكتروليت الصلب هي أجهزة تستفيد من حركة أيونات الأكسيد داخل مواد الإلكتروليت الكثيفة لتحقيق فصل الأكسجين عن خليط الغازات (هنا الهواء). وُجد أن استهلاك الطاقة المحدد كان (كفاءة 52.1 تمت دراسة خيارات التوسع لتجارة الأمونيا الخضراء من قبل إغيرر وآخرين [18] مع افتراض استيراد الأمونيا من أستراليا إلى ألمانيا في عام 2030 كحالة دراسية. مع تكاليف الإنتاج لـ تم حساب تكلفة الكهرباء المستوية للأمونيا الخضراء في الميناء الألماني لتكون 109.39 يورو/ميغاوات ساعة ). وقد استنتجوا أن الأمونيا الخضراء يمكن أن تحقق التكافؤ في التكلفة مع الأمونيا المستندة إلى الغاز الطبيعي، حتى عند أسعار الغاز المعتدلة (حوالي )، إذا تم إعطاؤه مستوى عالٍ بما فيه الكفاية ضريبة (تقريباً ). كما أشاروا إلى أن تكسير الأمونيا لإنتاج الهيدروجين النقي يقدم زيادة التكلفة لكل ميغاوات ساعة في الوجهة. تم دراسة تأثير تغير المناخ على تكلفة إنتاج الأمونيا الخضراء من الرياح البحرية في أربعة مواقع في المملكة المتحدة بواسطة هاتون وآخرون. باستخدام نموذج إنتاج الأمونيا الخضراء المعزولة، تم تقييم التكلفة القابلة للتحقيق للأمونيا لتتراوح بين 935 و 1696 دولار أمريكي/طن NH3. قام دريسكول وآخرون بتقييم إنتاج الأمونيا الخضراء البحرية باستخدام الطاقة المدية وطاقة الرياح من منظور اقتصادي تقني. وجدوا
أن إضافة سعة تيارات المد والجزر إلى سعة الرياح تقلل من متطلبات تخزين الهيدروجين بـ ويقلل من تكلفة الأمونيا بـ .

الجدول 1 يلخص بقية الأعمال التي تم مراجعتها، والتي تتعامل جميعها مع خيارات التحليل الكهربائي المختلفة ومصادر الكهرباء المتجددة المختلفة.

تسلط مراجعة الأدبيات الضوء على الأبحاث الواسعة حول التقييم التكنولوجي الاقتصادي الذي تم إجراؤه على جوانب مختلفة من إنتاج الأمونيا الخضراء، لا سيما فيما يتعلق بالتقنيات الحالية. ومع ذلك، من الضروري الاعتراف بالتقدم السريع في التحليل الكهربائي والتحقيقات الجارية لتعديل التقنيات الحالية. وبالتالي، فإن النظر في التطورات المستقبلية المتوقعة في التكاليف يعد أمرًا بالغ الأهمية للتخطيط الفعال للطاقة وصنع السياسات.

في هذا العمل، يتم مقارنة تقنيات AEC و SOEC الحالية عند مستوى نضوجها الحالي، مع تناول التوقعات للتطورات المستقبلية من خلال تحليل شامل للديناميكا الحرارية والاقتصاد التكنولوجي لمصانع الأمونيا الخضراء المصممة بناءً على هاتين التقنيتين. للتحقيق في تأثير مختلف التقدمات التكنولوجية المحتملة لكل من AEC و SOEC، يتم نمذجة AEC عالية الضغط في كل من النسخ ذات درجة الحرارة المنخفضة (LTP-AEC) ودرجة الحرارة العالية (HTP-AEC)، ويتم نمذجة SOEC مع الأخذ في الاعتبار كل من تقنيات الضغط المنخفض (LP-SOEC) والضغط العالي (HP-SOEC). علاوة على ذلك، يتم تضمين تقدير لتكلفة الأمونيا الخضراء المستقبلية، مع الأخذ في الاعتبار القيم الحالية والمتوقعة للنفقات الرأسمالية (CAPEX) لتقنيات التحليل الكهربائي مع مراعاة اختلافات.

قيم OPEX بناءً على تقديرات LCOE لتقنيات الطاقة. لا تقدم هذه التحليل رؤى حول التكاليف المتوقعة فحسب، بل توفر أيضًا أداة قيمة لمقارنة مزايا تحسينات التكنولوجيا المختلفة. تتعلق النتائج الرئيسية لهذه الدراسة بالخصائص الفنية للكهارل، والتي تنعكس آثارها في التحليل الاقتصادي لإنتاج الأمونيا الخضراء. من المهم ملاحظة أنه بينما تقدم هذه الدراسة رؤى عامة، فإن تحليلًا اقتصاديًا أكثر تفصيلًا مصممًا لمواقع محددة وظروفها المحلية المعنية (مثل LCOE وعوامل السعة) ضروري لتحقيق نتائج موثوقة حول تكلفة الأمونيا الخضراء والظروف التي يمكن أن تصبح فيها تنافسية من حيث التكلفة. قد تؤدي هذه الاعتبارات المحددة للموقع إلى تغيير بعض الاستنتاجات الاقتصادية المقدمة هنا، ويجب اعتبار التقييمات الاقتصادية المقدمة هنا كإرشادات بدلاً من استنتاجات نهائية. يمكن بالطبع نقل النتائج الفنية المقدمة هنا إلى تحليل اقتصادي لموقع محدد.

الوحدات الرئيسية لأنظمة إنتاج الأمونيا الخضراء المقترحة هي المحلل الكهربائي (SOEC أو AEC) ، حلقة هابر-بوش (HBL) ، ووحدة فصل الهواء (ASU). يتم وصف كل وحدة ونمذجتها بشكل فردي على مستوى المكونات ، باستثناء ASU التي تم استخدام البيانات المبلغ عنها في الأدبيات لها [26]. بناءً على مورغان [30] ، يتم افتراض استهلاك طاقة قدره يتم افتراضه لوحدة ASU ، مما يوفر نقية عند ضغط 8 بار.

تُفصَّل أنظمة التحليل الكهربائي التي تم فحصها في هذه الدراسة ، والتي تعتمد جميعها على تقنيات AEC و SOEC ، في الجدول 2 من حيث ظروف التشغيل. بينما تُعرف هذه التقنيات ، فإن بعض التوسعات المقترحة في هذه الدراسة تتجاوز الحالة الحالية للتقنيات المتطورة للأنظمة القابلة للتوسع. ومن الجدير بالذكر أن HTP-AEC ، التي تم التحقق منها عند مستوى جاهزية التكنولوجيا 3 ، و HP-SOEC ، التي تم إثباتها عند مستوى جاهزية التكنولوجيا 4-5 ، تمثل تقدمًا يتجاوز التطبيقات التقليدية [31].
2.1.1.1. التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC). يعمل SOEC بكفاءة مقارنةً بالمحللات الكهربائية الأخرى المتاحة ، خاصةً عندما يكون هناك تكامل حراري بين المحلل الكهربائي و HBL. يمكن توفير جزء من الحرارة الخارجية المطلوبة لتفكيك الماء من مصادر الحرارة المهدرة المتاحة في HBL لزيادة كفاءة النظام الكلية.

يوضح الشكل التخطيطي لمحلل SOEC المستقل في الشكل 1. يستخدم النظام اثنين من مبادلات الحرارة ، HEX1 و HEX2 ، لاستعادة الحرارة المهدرة من غاز العادم بشكل فعال. ومع ذلك ، لتحقيق درجة حرارة مدخل الكومة المطلوبة وتوفير الحرارة الخارجية اللازمة أثناء بدء التشغيل ، يتم استخدام سخانات كهربائية مساعدة ، ELH1 و ELH2. للحفاظ على نسبة مول الهيدروجين قدرها في تدفق المدخل ، يتم إعادة تدوير جزء من غاز العادم الكاثودي ، بينما يمر التدفق المتبقي عبر HEX1 ويدخل المكثف ، COND ، حيث يخضع للتبريد وفصل الماء. يمكن بعد ذلك دمج الهيدروجين النقي الناتج مع النيتروجين وتزويده إلى HBL.

يُفترض أن الكومة تعمل عند النقطة الحرارية المحايدة. النقطة الحرارية المحايدة هي حيث يتم رفع كثافة التيار إلى الحد الذي يوازن فيه التسخين المقاوم الداخلي من مختلف المقاومات الداخلية

(المقاوم ، التنشيط والتركيز) يوازن الحرارة اللازمة لتفاعل تفكيك الماء. يمكن توفير جزء من الطاقة الحرارية المطلوبة لإنتاج البخار (عند درجة حرارة تشغيل الكومة) من HBL. إن تعظيم التكامل الحراري بين SOEC و HBL يقلل من استهلاك الكهرباء بواسطة السخانات الكهربائية ويزيد من كفاءة الطاقة إلى الأمونيا الكلية.

للنظر في إمكانية بيع الأكسجين كمنتج ثانوي ولحماية القطب من خلال بدء التشغيل وإدارة الحرارة للكومة ، يتم إعادة تدوير جزء من الأكسجين الناتج مع تدفق خارجي بدلاً من تهوية الهواء [32]. ومع ذلك ، فإن إعادة تدوير الأكسجين النقي الساخن تمثل تحديًا أمنيًا يجب معالجته (يتطلب تطوير بروتوكولات صناعية). يفرض ذلك متطلبات صارمة على المواد المستخدمة في مواد البناء في حلقة الأكسجين. يجب ملاحظة أن هذا الافتراض له تأثير ضئيل على الكفاءات والتكاليف المقدرة ، حيث سيكون استهلاك الطاقة لمروحة هواء بديلة منخفضًا للغاية مقارنةً بالمكونات الأخرى.

التفاعلات الكيميائية عند القطب (الكاثود) ، عند الأقطاب (الأنود) للخلية ، والتفاعل الكلي هي كما يلي:

الكاثود:

الأنود:

الإجمالي:

يمكن حساب جهد الخلية ، ، كما يلي [33]:

حيث ، الجهد القابل للعكس ، يمكن الحصول عليه من معادلة نيرنست [34]. و هي الفائض المقاوم ، فائض التركيز ، وفائض التنشيط ، على التوالي. يدرج الجدول 3 المعادلات المستخدمة لحساب هذه الكميات. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول نمذجة SOEC والتحقق من أداء الخلية في الملحق.

أخيرًا ، يمكن كتابة الهيدروجين الناتج ، ، واستهلاك الطاقة لـ SOEC ، كالتالي:

هي كثافة التيار و معدل إنتاج الهيدروجين لكل مساحة مقطع عرضي للخلية.

حيث ، و هي مساحة الخلية النشطة وعدد الخلايا في الكومة ، على التوالي.
2.1.1.2. التحليل الكهربائي القلوي (AEC). حاليًا ، AEC هي التكنولوجيا المستخدمة بشكل أساسي لإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع ، حيث إنها أكثر تقنيات التحليل الكهربائي تطورًا ونضجًا [41]. ومع ذلك ، فإن المقاومة الداخلية العالية نسبيًا للخلية تقلل من الكفاءة العامة للنظام. بالنسبة لـ AEC ، يمكن تحديد نقطة التشغيل المثلى من خلال توازن بين CAPEX و OPEX ، كما هو موضح في المرجع [31].

تستكشف هذه الدراسة تقنيتين من AEC. حاليًا ، يتم تسويق AEC ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة ( ) وتوسيعها. يحسن التشغيل عند ضغط عالٍ الكفاءة ، حيث يتم تأخير تشكيل الفقاعات ويمكن الحفاظ على المقاومة الداخلية بهذه الطريقة [42،43]. يؤدي تشكيل الفقاعات والنقل إلى خسائر إضافية [42]. لا يؤدي فقط ذوبان الغاز ولكن أيضًا انسداد موقع التفاعل مع الطور الغازي بين الإلكتروليت والأقطاب إلى زيادة المقاومة. ومع ذلك ، لا يزال يؤدي عملية تطور الأكسجين إلى مقاومة داخلية عالية. زيادة درجة الحرارة إلى

يمكن أن يقلل بشكل كبير من الفائض المطلوب لذلك. يتم ذلك في تقنية القلوي عالية الحرارة والضغط العالي (HTP-AEC).

يُفترض أن كثافة تيار الحمل التشغيلي لكل من تقنيتي AEC حوالي ، وهو أعلى من النقطة الحرارية المحايدة للتقنيات الحالية. لذلك ، تعمل كل من LTP-AEC و HTP-AEC تحت ظروف طاردة للحرارة.

يوضح الشكل 2 مخطط تدفق AEC. يتم استخدام HEX1 و HEX2 للتبريد للحفاظ على درجة حرارة مدخل الكومة ثابتة عند درجة حرارة التشغيل.

التفاعلات الكيميائية في جانبي الكاثود والأنود للخلية والتفاعل الكلي هي كما يلي:

الكاثود:

الأنود:

الإجمالي:

يمكن تحديد جهد الخلية المطلوب لهذا التفاعل الكهروكيميائي من خلال الديناميكا الحرارية للخلية كما يلي:

هنا ، هو التغير في طاقة غيبس الحرة للتفاعل ، إنثالبي التفاعل و إنتروبيا التفاعل.

في هذا البحث ، يتم استخدام منحنى الاستقطاب المبلغ عنه من قبل أنظمة الهيدروجين الأخضر [44] لتمثيل أداء LTP-AEC المتطور. بالنسبة لـ HTP-AEC ، تم استخدام بيانات داخلية من مشروع EEEHy [45]. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول البيانات المستخدمة لنمذجة كل من LTP و HTP-AEC في المرجع [31].

معدل إنتاج الهيدروجين واستهلاك الطاقة بواسطة AEC هي كما يلي:

حيث هي كثافة التيار التي تمر عبر المحلل الكهربائي ، جهد الخلية ، مساحة الخلية و عدد الخلايا.

حلقة هابر-بوش هي العملية الصناعية المستخدمة بشكل أساسي لإنتاج الأمونيا ، والتي تستخدم مزيجًا من الهيدروجين والنيتروجين كمواد خام لتخليق الأمونيا عند درجات حرارة حوالي وضغوط أعلى من 100 بار [46].

الشكل 3 يوضح مخطط تدفق HBL على مستوى النظام. في هذا البحث، تم نمذجة HBL استنادًا إلى الدراسة التي أجراها فلوريس أوريغو وآخرون [47] لإنتاج الأمونيا على نطاق واسع. كما يظهر الشكل، يتكون مصنع تخليق الأمونيا من مفاعل ثلاثي الأسرة مزود بمبادل حراري لنقل الحرارة بين تدفقات مدخل ومخرج الأسرة الأولى واثنين من مولدات بخار استرداد الحرارة (HRSG) بعد الأسرة الثانية والثالثة لإنتاج البخار. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الحرارة المهدرة من مبردات الضواغط لإنتاج البخار أو تسخين مياه التغذية لعملية التحليل الكهربائي. يجب أن تكون درجة حرارة المدخل لكل سرير مرتفعة بما يكفي لتسريع التفاعل ولكن ليس إلى الحد الذي يحد فيه التحويل عن التوازن. لقد قام فلوريس أوريغو وآخرون [47] بتحسين أداء HBL من خلال ضبط درجة حرارة مدخل الأسرة لكل سرير لتناسب تركيبات الغاز الاصطناعي المحددة. لتحقيق تحويل أعلى للأمونيا في كل تمريرة، قاموا بتقسيم المفاعل إلى ثلاث أسرّة محفزة متسلسلة مع مبرد. يوضح الجدول 4 الافتراضات وبيانات الإدخال التي تم أخذها في الاعتبار في نمذجة HBL.

التفاعل التالي، الذي يحدث عند درجات حرارة أعلى ( ) في وجود المحفزات المناسبة، يصف تخليق الأمونيا:

يمكن التعبير عن معدل تفاعل تخليق الأمونيا فوق محفز كما يلي [14]:

أين هو الضغط الجزئي للمركب (بار)، ثابت الغاز العالمي كثافة المحفز عامل تصحيح (4.75)، و عوامل ما قبل الأسية لمسارات التفاعل الأمامي والعكسي، على التوالي. يُفترض أن KMR 111 هو محفز لتخليق الأمونيا قائم على الحديد تم تقليله مسبقًا بكثافة [48].

يمكن كتابة كفاءة النظام بالكامل المعتمدة على القيمة الحرارية المنخفضة (LHV) كالتالي:

أين هو معدل تدفق الكتلة للأمونيا الخضراء المنتجة ( ) ، هو القيمة الحرارية المنخفضة للأمونيا ) و هو إجمالي الطاقة المستهلكة بواسطة النظام (كيلووات)، بما في ذلك المحلل الكهربائي، وحدة فصل الهواء، السخانات الكهربائية، الضواغط والمضخات.

لإجراء التحليل الاقتصادي، يتم تقدير تكلفة الاستثمار الأولية المطلوبة؛ حيث يتم تقدير نفقات رأس المال (CAPEX) لكل مكون فردي مع تكاليف الصيانة والتصنيع. تكاليف التصنيع هي التكاليف التي يتم تكبدها أثناء إنتاج منتج. تشمل هذه التكاليف التكاليف المباشرة (تكاليف العمالة، والعمالة الإشرافية والكتابية المباشرة، ورسوم المختبر) والتكاليف الثابتة (الضرائب المحلية ونفقات المصنع) والتكاليف العامة (التوزيع، والبحث والتطوير، والإدارة). تعتبر أكثر دوال التكلفة استخدامًا في الأدبيات هي التي يتم اعتبارها للمكونات المستخدمة لتقدير

إجمالي نفقات رأس المال للنظام، كما هو موضح أدناه.
يمكن العثور على نفقات مختلفة في الأدبيات المتعلقة بالمحللات الكهربائية. ومع ذلك، من الشائع أن تكلفة مجموعة التحليل الكهربائي من المتوقع أن تنخفض بشكل كبير على مر السنين. ويرجع ذلك إلى التطور المتوقع لتقنيات التحليل الكهربائي، وبشكل خاص، الانخفاضات المتوقعة في التكاليف نتيجة التصنيع الضخم. من المتوقع أن تشهد تقنية SOEC الأقل نضجًا أكبر انخفاض نسبي في التكاليف. يُفترض عمومًا أن مصنع HBL ووحدة فصل الهواء (ASU) هما تقنيتان ناضجتان ولا يُتوقع أن تخضعا لتغييرات كبيرة من حيث النفقات الرأسمالية (CAPEX) في المستقبل القريب.

هنا، تُستخدم قيم الأدبيات لتقدير تكلفة AEC و SOEC في عام 2020 و 2030 و 2050. القيم الأساسية المختارة مدرجة في الجدول 5. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول تقدير CAPEX لـ AEC و SOEC وتكلفة استبدال وحداتهم في المرجع [31].

أيضًا، يُفترض أن إجمالي النفقات الرأسمالية لنظام HP-SOEC هو أعلى من LP-SOEC [31]. السبب هو أنه سيتم استخدام أنابيب وأوعية أكثر متانة لتحمل الضغوط الأعلى.

لا توجد توقعات تكلفة متاحة لتقنية HTP-AEC بحلول عام 2020، حيث إن هذه التقنية لم تُؤسس بعد. ومع ذلك، يُفترض أن يتم تطوير هذه التقنية بحلول عام 2030 وأن تتبع نفس اتجاه تكاليف الاستثمار الرأسمالي مثل تقنية SOEC. تعتمد كلتا التقنيتين على خلايا سيراميكية، وتحتاج إلى طلاءات وفولاذ خاص لتحمل البيئات التآكلية.

بعد تقدير النفقات الرأسمالية (CAPEX) للنظام بالكامل، يتم حساب القيمة الحالية (PV) للمعاملات المالية المستقبلية، وتحديداً تكلفة استبدال الوحدة، على النحو التالي [52]:

أين هو تكلفة استبدال الكومة في نهاية السنة و هو معدل الفائدة السنوي. بهذه الطريقة، يمكن حساب القيمة الحالية لتكلفة استبدال المكدس واعتبارها جزءًا من النفقات الرأسمالية الأولية للكهروكيميائي.

بعد تقدير النفقات الرأسمالية المطلوبة للنظام بالكامل والقيمة الحالية لتكلفة استبدال الوحدة، يمكن التعبير عن النفقات الرأسمالية الموزعة باليورو/سنة كما يلي:

نفقات رأس المال الموزعة

CRF هو عامل استرداد رأس المال ويعرف على أنه:

حيث، هو العمر الاقتصادي للنظام.
بالإضافة إلى تقدير النفقات الرأسمالية الموزعة، من الضروري تقدير النفقات التشغيلية للنظام من حيث €/سنة. يجب أن تشمل هذه التكاليف المتعلقة باستهلاك الكهرباء، وصيانة النظام بالكامل، وتكاليف التصنيع. يُفترض أن تكون تكلفة الصيانة السنوية هي من إجمالي نظام CAPEX [21]. تم اعتماد تكاليف التصنيع من المرجع [53]، والتي تتكون من تكاليف التصنيع المباشرة والثابتة والعامة. تعتمد تكلفة التصنيع المباشرة بشكل رئيسي على عدد المشغلين لكل وردية (NOL) وهو دالة لعدد خطوات المعالجة التي تتضمن التعامل مع المواد الصلبة الجزيئية وعدد خطوات المعالجة غير الجزيئية. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل في المرجع [53]. تفاصيل تكاليف التصنيع وبقية المدخلات المستخدمة في التقييم التكنولوجي والاقتصادي مدرجة في الجدول 6. تشمل CAPEX التي تم تقييمها للكهارل أسعار تسليم مفتاح شاملة، بما في ذلك التصنيع والهندسة والأنابيب والمشتريات والبناء والاحتياطات والتمويل وعوامل أخرى ذات صلة. وبالتالي، يتم خصم CAPEX للكهارل من إجمالي التكلفة الأولية الإجمالية (CAPEX في الجدول 6) لتقدير نفقات التصنيع.

بمجرد تقدير النفقات الرأسمالية الموزعة والنفقات التشغيلية السنوية للنظام، يمكن تحديد تكلفة الأمونيا الخضراء باستخدام المعادلة التالية:
نفقات رأس المال المستهلكة + نفقات التشغيل المُنتَج سنويًا تكلفة

تظهر الأشكال 4 و 5 أنظمة إنتاج الأمونيا الخضراء المصممة بناءً على AEC و SOEC، على التوالي. كثافات التيار من ويُفترض أن النقطة المقابلة لنقطة الحرارة المحايدة هي AEC و SOEC، على التوالي. ظروف التشغيل والمعلمات الفنية لـ HBL و ASU هي نفسها لجميع الأنظمة. هذه القاعدة تمكّن من مقارنة متسقة بين الطرق المختلفة لتوليد الهيدروجين لكل مفهوم عملية.

في الشكل 4، يتم توصيل AEC و HBL بحيث يتم دمج الهيدروجين المنتج مع النيتروجين وإرساله إلى HBL. تم نمذجة ضاغط متعدد المراحل (COMP1) مزود بمبردات لضغط المواد الخام لـ HBL. خلال التشغيل الثابت، يعمل HTP-AEC تحت ظروف طاردة للحرارة ولا حاجة لدمج الحرارة (بل هناك حاجة للتبريد أو استخراج الحرارة المهدرة ليتم بيعها إذا أمكن).

يوضح الشكل 5 تخطيط مصنع الأمونيا الخضراء القائم على SOEC. الاختلاف الرئيسي مع المصنع القائم على AEC هو أنه هنا يوجد دمج للحرارة بين SOEC و HBL. تم إجراء التوصيلات التالية.

بالنسبة للضغط، يجب ملاحظة أن الجانب الكاثودي (أو الوقود) من SOEC في هذه الدراسة مضغوط للحصول على جهد دائرة مفتوحة أقل مقارنةً بضغط كلا الجانبين الأكسجين والوقود. كما ورد في المرجع [54]، هناك فرق ضئيل بين الضغط من جانب واحد والضغط من جانبين حيث أن وضع الضغط من جانب واحد يعيق زيادة OCV ويقلل من ASR. وهذا سيؤدي في النهاية إلى نظام أكثر كفاءة، حيث أن الأكسجين الناتج غير مضغوط وبالتالي لا يوجد عقوبة كفاءة عبر زيادة القوة الدافعة الكهربائية (EMF) للخلايا. يُفترض أن الكتل يمكن أن تتحمل الضغط المفروض
الفرق. يمكن للمرء أيضًا أن يعمل مع الأكسجين عند نفس الضغط مثل ، لكن هذه الحالة لم تُعالج هنا.

المسخن الكهربائي 1 (ELH1) يبخر مياه التغذية المتبقية و/أو يسخن البخار الناتج حتى درجة حرارة تشغيل الإلكتروليزر. على الرغم من أن مصنع SOEC يعمل عند النقطة الحرارية المحايدة، إلا أن ELH1 و ELH2 مطلوبان لتعويض الكمية القليلة من الحرارة التي تضيع في استرداد الحرارة المهدرة من غاز SOEC. في ظروف بدء التشغيل، يوفر ELH1 كل الطاقة المطلوبة لإنتاج البخار وتسخين النظام.

نظرة عامة على النتائج الفنية التي تم الحصول عليها من التحليل الديناميكي الحراري المفصل لكل نظام موضحة في الجدول 7. تم تصميم الأنظمة لإنتاج 430 كطن من الأمونيا الخضراء سنويًا تحت ظروف ثابتة. في الجدول 7، يتم تطبيع النتائج لتكون لكل طن منتج من الأمونيا، حيث لا تدخل تأثيرات التحجيم غير الخطية في النماذج.

بالإشارة إلى هذا الجدول، فإن النظام المزود بـ HTP-AEC يعمل بكفاءة أكبر من النظام المصمم بناءً على LTP-AEC. تشمل فوائد HTP-AEC مقارنةً بـ LTP-AEC تعزيز معدلات التفاعلات الكهروكيميائية على أسطح الأقطاب وزيادة الموصلية الأيونية للإلكتروليت، مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة بواسطة الإلكتروليزر وزيادة كفاءة النظام.

SOEC أكثر كفاءة من AEC، ولكن بشكل خاص يؤدي دمج الحرارة بين SOEC و HBL إلى تحسين الكفاءة.

زيادة ضغط SOEC تقلل من الحرارة الناتجة عن الضواغط، ونتيجة لذلك، الحرارة من المبردات. وبالتالي، يتطلب ELH1 طاقة أكبر ( طاقة أكبر من النظام المصمم بناءً على LP-SOEC)، والتي تُحتسب في تشغيل وحدة الإلكتروليزر. وبالتالي، يبدو أن الإلكتروليزر أقل كفاءة في الجدول 7. ومع ذلك، فإن الطاقة المطلوبة لضغط المواد الخام لـ HBL تقل بنسبة مقارنةً بنظام LP-SOEC. وبالتالي، فإن هذين لهما تأثيرات “معاكسة” على كفاءة النظام بالكامل. في النهاية، فإن النظام المصمم بناءً على HP-SOEC لديه كفاءة أعلى قليلاً من ذلك المصمم بناءً على LP-SOEC.

تكشف النتائج من النمذجة أنه في الأنظمة المصممة بناءً على LP-SOEC و HP-SOEC، يمكن إنتاج حوالي و من البخار المطلوب من خلال دمج الحرارة مع HBL؛ 1.43 و 0.77 طن من البخار عند ضغط تشغيل SOEC لكل طن من الأمونيا المنتجة، على التوالي.

من الجدير بالذكر أن النتائج المرتبطة بالتحليل الاقتصادي الفني

تقدر فقط تكلفة الأمونيا الخضراء الآن وفي المستقبل تحت افتراضات محددة ولا يمكن تعميمها بسهولة على مواقع مختلفة في العالم مع LCOE وعوامل سعة مختلفة. يجب تقييم الأنظمة لمواقع محددة باستخدام بيانات حقيقية عن ملفات الرياح والطاقة الشمسية لحساب تكلفة الأمونيا الخضراء القريبة من الواقع، انظر على سبيل المثال المرجع [10]. ومع ذلك، يتم تقديم تحليل حساسية لاحق يوضح تأثيرات LCOEs وعوامل السعة المختلفة في ما يلي.

بالإضافة إلى ذلك، الهدف الرئيسي من هذا العمل هو تقييم الأثر الاقتصادي للتطورات التقنية المحتملة تحت ظروف متطابقة وقابلة للتصور. نظرًا لأن تخزين الهيدروجين مكلف على نطاق صغير، يُفترض في هذا التحليل أن الهيدروجين الأخضر المنتج سيتم تحويله مباشرة إلى أمونيا؛ لا تُعتبر مرافق التخزين.

يُفترض أن الأنظمة تعمل من السنة ( 4380 ساعة) عندما تكون الكهرباء الخضراء من الرياح والشمس متاحة. لذلك، تم تصميم الأنظمة بشكل متعمد بحجم مضاعف 2 لتلبية الإنتاج السنوي المطلوب من الأمونيا الخضراء.

يتم توضيح تحليل تكلفة إنتاج الأمونيا الخضراء بناءً على تقنيات AEC و SOEC في الشكل 6، مع الأخذ في الاعتبار السنوات 2020 و 2030 و 2050، مع عامل سعة قدره و LCOE قدره 30 يورو/ميغاوات ساعة. في هذا الشكل، تشير “نفقات رأس المال الأخرى” إلى النفقات الرأسمالية للنظام بالكامل باستثناء الإلكتروليزر. نظرًا لأن HTP-AEC و HP-SOEC غير متاحة تجاريًا، فإن تكلفة الأمونيا المنتجة بناءً على هذه التقنيات غير مدرجة في عام 2020.

كما يتضح، بحلول عام 2020، يؤدي النظام القائم على AEC إلى أكثر إنتاج أمونيا فعال من حيث التكلفة. ومع ذلك، بحلول عام 2030 و 2050، من المتوقع أن تشهد تكلفة الأمونيا المنتجة باستخدام SOEC انخفاضًا كبيرًا
بسبب التشغيل بكفاءة وتقليل CAPEX المتوقع لـ SOEC، ويرجع ذلك أساسًا إلى تطوير التكنولوجيا وزيادة حجم الإنتاج. يتم مناقشة فوائد التكلفة لدمج SOEC في أنظمة الأمونيا الخضراء لاحقًا من خلال حساب LCOEs وعوامل السعة المطلوبة لضمان التنافسية الاقتصادية.

عند مقارنة تكلفة الأمونيا المنتجة باستخدام تقنيات SOEC ذات الضغط المنخفض والعالي، فإن الأخيرة هي الأكثر كفاءة من حيث التكلفة. إن المقاومة الداخلية الأقل عند الضغط العالي تزيد من كثافة التيار عند التشغيل الحراري المحايد، مما يؤدي إلى الحاجة إلى خلايا أقل وبالتالي انخفاض CAPEX. بالإضافة إلى ذلك، يقلل استخدام HP-SOEC من نفقات الكهرباء لضغط المواد الخام لـ HBL. هذه المزايا لاستخدام HP-SOEC تتجاوز تقريبًا تأثير CAPEX المفترض الأعلى لنظام مضغوط وتقليل دمج الحرارة بين الإلكتروليزر و HBL. بحلول عام 2050، ستشكل النفقات المتعلقة برأس المال للمصنع حصة أقل من OPEX في تحليل التكلفة. لذلك، فإن الميزة الكبيرة الوحيدة لاستخدام HP-SOEC هنا هي تقليل الطاقة المطلوبة لضغط المواد الخام.

في عام 2030، يصبح استخدام التحليل الكهربائي القلوي عالي الحرارة أقل جاذبية بسبب التقديرات التي تشير إلى ارتفاع تكاليف رأس المال (CAPEX) مقارنةً بالتحليل الكهربائي القلوي منخفض الحرارة. ومع ذلك، بحلول عام 2050، قد يصبح استخدام HTP-AEC مجديًا من الناحية الاقتصادية تحت التطورات المتوقعة في التكاليف مقارنةً بـ LTP-AEC. تعتمد هذه التقديرات على افتراض معدل التوسع للإنتاج الضخم، والذي يعتمد على الرغبة في الاستثمار. من الأكثر دقة أن نقول إنه، حتى مع ارتفاع تكاليف رأس المال، من المتوقع أن يتفوق HTP-AEC الموسع في النهاية على تقنية LTP-AEC.

في عام 2050، فإن أقل تكلفة متوقعة للأمونيا هي طن، الذي

الأمونيا، ثاني أكثر المواد الكيميائية إنتاجًا، مسؤولة عن
تقريبًا من استهلاك الوقود الأحفوري على مستوى العالم وحوالي عالمي الانبعاثات [55]. ومع ذلك، من الصعب تحديد المنبعثة من مصانع الأمونيا القائمة على الوقود الأحفوري، حيث تعتمد بشكل كبير على نوع الوقود المستخدم في المصنع (الغاز الطبيعي، الفحم، النفط أو النافثا). بالإضافة إلى ذلك، تعمل بعض مصانع الأمونيا بكفاءة أكبر و/أو بتلوث أقل من غيرها. القيمة المتوسطة لـ تُقدَّر انبعاثات إنتاج الأمونيا بـ [1]، بينما تتراوح بين 1.6 و 2.7 للمناطق الرئيسية [56]. تعتبر المواقع الحديثة المعتمدة على الغاز الطبيعي في منطقة آسيا والمحيط الهادئ مسؤولة عن القيمة المنخفضة في هذا النطاق؛ يمكن اعتبار محطات الفحم المنتشرة في الصين الأكثر -مسار إنتاج كثيف مع انبعاثات تقارب ثلاثة أضعاف، أي، يجب أن يُبرز أن تأثيرات أي تسريبات محتملة للميثان المرتبطة بالعملية لم تُؤخذ في الاعتبار في هذه التقييمات.

الأمونيا الناتجة من الغاز الطبيعي تُعرف هنا بالأمونيا الرمادية. وهي مسؤولة عن قدر كبير من الانبعاثات على مستوى العالم اليوم. تكلفة الأمونيا الرمادية تعتمد بشكل رئيسي على سعر المواد الأولية الأحفورية. عملية إصلاح الميثان بالبخار (SMR) هي التقنية الأكثر نضجًا لإنتاج الهيدروجين من المصادر الأحفورية. استنادًا إلى يadav وآخرون [58]، فإن عملية SMR الصناعية تطلق لكل كيلوغرام من الهيدروجين. أيضًا، فإن إنتاج الطاقة من موارد الغاز الطبيعي يطلق الانبعاثات [59].

لتقدير تكلفة الأمونيا الرمادية في هذه الدراسة، يتم أولاً الحصول على تكلفة الهيدروجين الرمادي من خلال العلاقة التالية [58]:

أين SMR و تكلفة الهيدروجين الأحفوري والغاز الطبيعي (NG) من حيث و على التوالي. بعد حساب تكلفة الهيدروجين الرمادي، يتم تقدير تكلفة الأمونيا الرمادية بنفس الطريقة المستخدمة للأمونيا الخضراء.

خلال السنوات العشر الأخيرة قبل COVID 19، كان سعر الغاز الطبيعي مستقراً نسبياً في أوروبا، يتراوح بين 10 إلى [60]. ومع ذلك، عند إعداد هذه التحقيق، شهد سعر الغاز الطبيعي في أوروبا تقلبات واسعة. في عام 2020، انخفض إلى ما دون . ثم، زاد بمقدار يقارب مقارنةً بـ

أقصى سعر قبل COVID بسبب الصراع الروسي الأوكراني في عام 2022. على الرغم من أنه من الصعب تقدير سعر الغاز الطبيعي في المستقبل، فإن هذا التحليل يفترض أنه سيبقى ضمن نطاق الوضع قبل COVID بحلول عام 2030 و2050.

الجدول 8 يمثل التكلفة المقدرة للهيدروجين والأمونيا من مصادر أحفورية بدون الضريبة، بينما يُفترض أن يكون LCOE يُقدَّر تكلفة الأمونيا الرمادية بـ تغيير سعر الغاز الطبيعي من 10 إلى تنفيذ سيرتفع الضريبة تكلفة الأمونيا الأحفورية. ويُذكر أن تكلفة الأمونيا الرمادية هي من قبل بوزو وكلويت [61] لمحطات الطاقة التقليدية بأسعار الطاقة الأوروبية (60 يورو/ميغاوات ساعة للكهرباء و6.5 يورو/جيجا جول ~ 23.4 يورو/ميغاوات ساعة للغاز الطبيعي).

لكي تصل الأمونيا الخضراء إلى التكافؤ في التكلفة مع الأمونيا الرمادية، يجب أن يجب فرض ضريبة. لتقدير العتبة الضريبة، يُفترض أن انبعاثات غازات الدفيئة خلال دورة حياة الأمونيا الإلكترونية هي إم جي ( ). هذه الفرضية تستند إلى الأرقام المبلغ عنها التي تبلغ حوالي 5 و (انبعاثات قائمة فقط على الكهرباء) لمصانع الأمونيا الإلكترونية المدفوعة بالرياح والطاقة الشمسية، على التوالي، في تقرير الوكالة الدولية للطاقة [62].

الشكل 7 يوضح العتبة المقدرة الضرائب لمستويات تكلفة الطاقة الكهربائية المختلفة وأسعار الغاز الطبيعي لليوم وتكاليف الأمونيا الخضراء المقدرة للمستقبل، مع افتراض عامل سعة للمصنع الأمونيا الأخضر. وبالتالي، فإن العتبات التي تم الحصول عليها هي الفرق بين تكاليف الأمونيا الرمادية والأمونيا الخضراء التي يجب موازنتها بواسطة ضريبة لتحفيز الانتقال.

الشكل 7 يوضح أنه منذ أن تكلفة الأمونيا الخضراء هي أعلى بمقدار مرات من الأمونيا الرمادية لعام 2020، مرتفعة نسبيًا الضرائب مطلوبة لتحقيق التكافؤ. أدنى الضرائب تتعلق بحالة LTP-AEC. بافتراض تكلفة الطاقة المتكاملة (LCOE) من وسعر NG لـ ، ضريبة 115 مطلوب لتحقيق توازن التكلفة.

بحلول عام 2030 و2050، خفض ستؤدي الضرائب إلى تحقيق توازن في التكاليف بسبب انخفاض تكلفة الأمونيا الخضراء، ويرجع ذلك أساسًا إلى انخفاض النفقات الرأسمالية المفترضة للمحللات وتحسين التكنولوجيا (درجات الحرارة العالية لتكنولوجيا AEC والضغط العالي لتكنولوجيا SOEC).

بحلول عام 2030 وقيم LCOE أعلى من يصل سعر الأمونيا الخضراء المنتجة عبر نظام يعتمد على خلايا الأكسيد الصلبة إلى التكافؤ مع الأمونيا الرمادية عند مستويات أدنى الضرائب مقارنة بنظام AEC. وذلك لأن تكلفة الأمونيا الخضراء من أنظمة SOEC ستكون أقل من تلك الخاصة بأنظمة AEC عند تكاليف الطاقة الكهربائية (LCOEs) التي تزيد عن 20 يورو/ميغاوات ساعة بحلول عام 2030.

بحلول عام 2050، مع كما هو متوقع لسعر الغاز الطبيعي، تنفيذ ضريبة على سوف تجعل الأمونيا الخضراء المعتمدة على SOEC تنافسية من حيث التكلفة حتى عند تكلفة مستوى الطاقة (LCOE) تصل إلى 60 يورو/ميغاوات ساعة.

يتم إنتاج الأمونيا الزرقاء بنفس طريقة إنتاج الأمونيا الرمادية، بينما من المنتج يفترض أن يتم التقاطه وتخزينه في مجرى المياه السفلي. غالبًا ما يتم الترويج للأمونيا الزرقاء كبديل للأمونيا الخضراء، حيث أن الكثير من الـ يمكن التقاطه من استخدام الوقود الأحفوري. معظم الـ تم التقاطه بالفعل بعد SMR لفصله عن الهيدروجين في مصانع الأمونيا الحالية، ومع ذلك يتم تصريفه في الغلاف الجوي. فقط الجزء من الغاز الطبيعي المستخدم لتسخين SMR هو