DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114517
تاريخ النشر: 2024-05-10
المؤلف: Hossein Nami وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الأمونيا وتقليل النيتروجين
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في أنظمة مختلفة لإنتاج الأمونيا الخضراء من خلال توليد الهيدروجين الكهربائي باستخدام المحللات القلوية (AEC) والمحللات الأكسيدية الصلبة (SOEC) تحت ظروف الحالة المستقرة. تقوم الدراسة بنمذجة كل من AEC منخفضة الحرارة (80 درجة مئوية) و AEC عالية الحرارة (200 درجة مئوية)، بالإضافة إلى تكوينات SOEC منخفضة الضغط (جوية) وعالية الضغط (30 بار). كانت الكفاءات العامة المحققة 56.4%، 66.0%، 72.5%، و73.4% لأنظمة LTP-AEC، HTP-AEC، LP-SOEC، وHP-SOEC على التوالي. تشير التحليلات الاقتصادية إلى أنه بينما تعتبر SOEC أكثر كفاءة، إلا أنها ليست تنافسية من حيث التكلفة مع AEC حاليًا ما لم تنخفض نفقاتها الرأسمالية (CAPEX) إلى 1500 يورو/كيلووات. تشير التوقعات إلى أنه بحلول عام 2050، مع تكلفة كهرباء موحدة (LCOE) تبلغ 30 يورو/ميغاوات ساعة، قد تكون تكلفة الأمونيا الخضراء المنتجة عبر SOEC تنافسية مع الأمونيا الرمادية والزرقاء، مشروطة بمزيد من التخفيضات في LCOE وضرائب CO2.
تسلط النتائج الضوء أيضًا على التأثير الكبير لعامل السعة على تكاليف الإنتاج، حيث يمكن أن يؤدي الارتفاع من 30% إلى 90% إلى تقليل التكاليف بنسبة تقارب 80%. يكشف تحليل الحساسية أنه حتى مع ارتفاع CAPEX لـ SOEC، يمكن أن تنتج الأمونيا بتكلفة أقل بحلول عام 2050 تحت ظروف معينة. تؤكد الدراسة على أهمية تقنيات التحليل الكهربائي الناشئة لإنتاج الأمونيا الخضراء وتحدد مستويات ضرائب CO2 اللازمة لتحقيق التكافؤ في التكلفة مع الأمونيا المشتقة من الوقود الأحفوري. وتخلص إلى أنه بينما توفر التقييمات الاقتصادية رؤى قيمة، يجب أن يتم وضعها في سياق العوامل المحددة للموقع والتقدم التكنولوجي المستقبلي.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على ضرورة انتقال القطاعات الكيميائية والنقل نحو إنتاج الأمونيا الخضراء لتحقيق أهداف سياسة المناخ. الأمونيا، وهي مادة كيميائية حيوية في الأسمدة ووقود أخضر واعد للشحن، تم إنتاجها تاريخيًا باستخدام الهيدروجين الأحفوري من الغاز الطبيعي. ومع ذلك، فإن المخاوف البيئية المتزايدة والتقدم في تقنيات الطاقة المتجددة قد جددت الاهتمام بطرق إنتاج الأمونيا الخضراء. تبرز الورقة مزايا الأمونيا على الهيدروجين، بما في ذلك سهولة التسييل وتكاليف النقل المنخفضة، وتناقش الجدوى الاقتصادية للأمونيا الخضراء مقارنة بطرق الوقود الأحفوري التقليدية.
تمت مراجعة العديد من الدراسات، مما يظهر تقييمات تقنية واقتصادية مختلفة لمسارات إنتاج الأمونيا الخضراء. تشير النتائج الرئيسية إلى أنه بينما يمكن أن يكون إنتاج الأمونيا الخضراء تنافسيًا من حيث التكلفة تحت ظروف معينة، مثل انخفاض أسعار الكهرباء وارتفاع ضرائب CO2، إلا أن التكاليف الحالية لا تزال مرتفعة. كما تحدد البحث المحلل الكهربائي كعامل رئيسي في تكاليف عملية الإنتاج. تقترح الورقة تحليلًا شاملاً يقارن بين تقنيات التحليل الكهربائي القلوي (AEC) والتحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC)، مع الأخذ في الاعتبار التقدم المستقبلي وآثاره على تكاليف الإنتاج. يؤكد المؤلفون على أهمية التحليلات الاقتصادية المحددة للموقع لتحسين فهم تنافسية الأمونيا الخضراء في سياقات متنوعة.
النتائج
تشير نتائج التحليل الديناميكي الحراري إلى أن الأنظمة المصممة لإنتاج 430 كيلون من الأمونيا الخضراء سنويًا تظهر كفاءات متباينة بناءً على تقنية التحليل الكهربائي المستخدمة. على وجه الخصوص، تظهر التحليل الكهربائي القلوي عالي الحرارة (HTP-AEC) أداءً متفوقًا مقارنةً بالتحليل الكهربائي القلوي منخفض الحرارة (LTP-AEC)، وذلك بسبب تعزيز معدلات التفاعل الكهروكيميائية وزيادة الموصلية الأيونية، مما يؤدي إلى تقليل استهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تتفوق خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC) على التحليل الكهربائي القلوي (AEC) من حيث الكفاءة، خاصةً عند تنفيذ تكامل الحرارة مع التسييل القائم على الهيدروجين (HBL). ومع ذلك، فإن زيادة متطلبات الطاقة التشغيلية لـ SOEC عند الضغوط العالية تقلل قليلاً من كفاءتها الظاهرة، على الرغم من أنها تقلل في الوقت نفسه من الطاقة اللازمة لضغط المواد الخام.
من منظور تقني واقتصادي، يبرز التحليل أن تكلفة إنتاج الأمونيا الخضراء تختلف بشكل كبير بناءً على العوامل المحددة للموقع مثل تكلفة الكهرباء الموحدة (LCOE) وعوامل السعة. تشير النتائج إلى أنه بينما تعتبر أنظمة AEC حاليًا الأكثر فعالية من حيث التكلفة، من المتوقع أن تصبح تقنية SOEC أكثر جدوى اقتصادية بحلول عام 2030 و2050 بسبب التخفيضات المتوقعة في النفقات الرأسمالية (CAPEX) وتحسين الكفاءات التشغيلية. من الجدير بالذكر أن SOEC عالي الضغط (HP-SOEC) من المتوقع أن ينتج تكاليف إنتاج أمونيا أقل بحلول عام 2050، على الرغم من ارتفاع CAPEX الأولي، بسبب انخفاض نفقات الكهرباء لضغط المواد الخام ومقاومة داخلية أقل. يُقدّر أقل تكلفة للأمونيا بحلول عام 2050 بـ 495 يورو/طن، وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام تقنية HP-SOEC.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة الإطار النظري ونمذجة نظام إنتاج الأمونيا الخضراء الذي يتكون من مكونات رئيسية: المحلل الكهربائي (إما خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC) أو خلية التحليل الكهربائي القلوي (AEC))، حلقة هابر-بوش (HBL)، ووحدة فصل الهواء (ASU). يُقدّر استهلاك الطاقة لوحدة ASU بـ 108 كيلووات ساعة/طن نيتروجين، بينما تتميز المحللات الكهربائية بكفاءاتها التشغيلية وتقدمها، وخاصةً AEC عالية الحرارة (HTP-AEC) وSOEC عالي الضغط (HP-SOEC)، التي تظهر أداءً محسنًا مقارنةً بالتقنيات التقليدية. يتم تسليط الضوء على تكامل الحرارة المهدرة من HBL في عملية SOEC كوسيلة لتعزيز كفاءة النظام الكلية، مما يقلل الاعتماد على التسخين الكهربائي.
كما يتناول القسم التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل المحللات الكهربائية وHBL، مؤكدًا على أهمية تحسين ظروف التشغيل لتعظيم كفاءة إنتاج الأمونيا. يُقدّر التحليل التقني والاقتصادي المقدم النفقات الرأسمالية (CAPEX) والنفقات التشغيلية (OPEX) للنظام، مشيرًا إلى أنه بينما من المتوقع أن تنخفض تكاليف AEC وSOEC بشكل كبير بحلول عام 2030 و2050، فإن HBL وASU تعتبر تقنيات ناضجة بتكاليف مستقرة. تختتم التحليل بمناقشة حول ديناميات تكلفة إنتاج الأمونيا الرمادية من الوقود الأحفوري، وآثار ضرائب CO₂، والشروط اللازمة لتحقيق الأمونيا الخضراء التكافؤ في التكلفة مع الأمونيا الرمادية في المستقبل.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114517
Publication Date: 2024-05-10
Author(s): Hossein Nami et al.
Primary Topic: Ammonia Synthesis and Nitrogen Reduction
Overview
This research investigates various systems for producing green ammonia through electrolytic hydrogen generation using alkaline electrolyzers (AEC) and solid oxide electrolyzers (SOEC) under steady-state conditions. The study models both low-temperature (80 °C) and high-temperature (200 °C) AEC, as well as low-pressure (atmospheric) and high-pressure (30 bar) SOEC configurations. The overall efficiencies achieved were 56.4%, 66.0%, 72.5%, and 73.4% for LTP-AEC, HTP-AEC, LP-SOEC, and HP-SOEC systems, respectively. Economic analysis indicates that while SOEC is more efficient, it is currently not cost-competitive with AEC unless its capital expenditure (CAPEX) falls to €1500/kW. Projections suggest that by 2050, with a levelized cost of electricity (LCOE) of €30/MWh, the cost of green ammonia produced via SOEC could be competitive with grey and blue ammonia, contingent on further reductions in LCOE and CO2 taxes.
The findings also highlight the significant impact of capacity factor on production costs, with an increase from 30% to 90% potentially reducing costs by nearly 80%. A sensitivity analysis reveals that even with higher CAPEX for SOEC, it could still yield cheaper ammonia by 2050 under certain conditions. The study emphasizes the importance of emerging electrolysis technologies for green ammonia production and outlines the necessary CO2 tax levels to achieve cost parity with fossil-derived ammonia. It concludes that while the economic assessments provide valuable insights, they should be contextualized with site-specific factors and future technological advancements.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the necessity for the chemical and transportation sectors to transition towards green ammonia production to meet climate policy targets. Ammonia, a critical chemical in fertilizers and a promising green fuel for shipping, has historically been produced using fossil hydrogen from natural gas. However, rising environmental concerns and advancements in renewable energy technologies have renewed interest in green ammonia production methods. The paper highlights the advantages of ammonia over hydrogen, including easier liquefaction and lower transportation costs, and discusses the economic viability of green ammonia in comparison to traditional fossil fuel methods.
Several studies are reviewed, showcasing various techno-economic assessments of green ammonia production pathways. Key findings indicate that while green ammonia production can be cost-competitive under certain conditions, such as low electricity prices and high CO2 taxes, the current costs remain high. The research also identifies the electrolyzer as a significant cost driver in the production process. The paper proposes a comprehensive analysis comparing alkaline electrolysis (AEC) and solid oxide electrolysis (SOEC) technologies, considering future advancements and their implications for production costs. The authors underscore the importance of site-specific economic analyses to refine the understanding of green ammonia’s competitiveness in diverse contexts.
Results
The results of the thermodynamic analysis indicate that systems designed for the production of 430 kton of green ammonia annually exhibit varying efficiencies based on the electrolysis technology employed. Specifically, high-temperature alkaline electrolysis (HTP-AEC) demonstrates superior performance compared to low-temperature alkaline electrolysis (LTP-AEC), attributed to enhanced electrochemical reaction rates and increased ionic conductivity, leading to reduced power consumption. Additionally, solid oxide electrolysis cells (SOEC) outperform alkaline electrolysis (AEC) in efficiency, particularly when heat integration with hydrogen-based liquefaction (HBL) is implemented. However, the increased operational power requirement for SOEC at higher pressures slightly diminishes its apparent efficiency, although it simultaneously reduces the power needed for feedstock pressurization.
From a techno-economic perspective, the analysis highlights that the cost of green ammonia production varies significantly based on location-specific factors such as levelized cost of electricity (LCOE) and capacity factors. The findings suggest that while AEC systems are currently the most cost-effective, SOEC technology is projected to become more economically viable by 2030 and 2050 due to anticipated reductions in capital expenditures (CAPEX) and improved operational efficiencies. Notably, high-pressure SOEC (HP-SOEC) is expected to yield lower ammonia production costs by 2050, despite a higher initial CAPEX, due to its reduced electricity expenses for feedstock compression and lower internal resistance. The projected lowest ammonia cost by 2050 is estimated at 495 €/ton, achievable with HP-SOEC technology.
Discussion
In this section, the research discusses the theoretical framework and modeling of a green ammonia production system comprising key components: the electrolyzer (either Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC) or Alkaline Electrolyzer Cell (AEC)), the Haber-Bosch loop (HBL), and the air separation unit (ASU). The ASU’s energy consumption is estimated at 108 kWh/tN₂, while the electrolyzers are characterized by their operational efficiencies and advancements, particularly the high-temperature AEC (HTP-AEC) and high-pressure SOEC (HP-SOEC), which demonstrate improved performance over conventional technologies. The integration of waste heat from the HBL into the SOEC process is highlighted as a means to enhance overall system efficiency, reducing reliance on electrical heating.
The section also details the chemical reactions occurring within the electrolyzers and the HBL, emphasizing the importance of optimizing operating conditions to maximize ammonia production efficiency. The techno-economic analysis presented estimates the capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX) for the system, indicating that while the costs of AEC and SOEC are expected to decrease significantly by 2030 and 2050, the HBL and ASU are considered mature technologies with stable costs. The analysis concludes with a discussion on the cost dynamics of grey ammonia production from fossil fuels, the implications of CO₂ taxes, and the necessary conditions for green ammonia to achieve cost parity with grey ammonia in the future.