يمكن أن يزيد إنتاج الأسمدة الأمونية اللامركزية القابلة للتنافس من حيث التكلفة من الأمن الغذائي Cost-competitive decentralized ammonia fertilizer production can increase food security
تجعل التهيئة المركزية الحالية لصناعة الأمونيا إنتاج الأسمدة النيتروجينية عرضة لتقلبات أسعار الوقود الأحفوري وتنطوي على سلاسل إمداد معقدة بتكاليف نقل لمسافات طويلة. يتكون البديل من إنتاج الأمونيا اللامركزي في الموقع باستخدام تقنيات وحدات صغيرة، مثل هابر-بوش الكهربائية أو الاختزال الكهروكيميائي. هنا نقيم تنافسية تكلفة إنتاج الأمونيا منخفضة الكربون على نطاق المزرعة، من نظام زراعي شمسي، أو باستخدام الكهرباء من الشبكة، ضمن صناعة الأسمدة العالمية الجديدة. يتم مقارنة التكاليف المتوقعة لإنتاج الأمونيا اللامركزية بأسعار السوق التاريخية من الإنتاج المركزي. نجد أن تنافسية تكلفة الإنتاج اللامركزي تعتمد على تكاليف النقل واضطرابات سلسلة الإمداد. مع الأخذ في الاعتبار كلا العاملين، يمكن أن تحقق الإنتاجية اللامركزية تنافسية التكلفة لما يصل إلى من الطلب العالمي على الأمونيا بحلول عام 2030. تظهر هذه النتائج إمكانيات تقنيات الأمونيا اللامركزية في إحداث ثورة في صناعة الأسمدة، لا سيما في المناطق التي تواجه انعدام الأمن الغذائي.
سيتطلب تحقيق انبعاثات صفرية صافية بحلول عام 2050 تحولات عبر عدة صناعات وقطاعات . من الجدير بالذكر أن الزراعة تلعب دورًا حيويًا في دعم السكان العالميين من خلال توفير العناصر الغذائية الأساسية مثل النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم من خلال الأسمدة . من بينها، يعتبر النيتروجين العنصر الغذائي الأكثر استهلاكًا في الزراعة , ويعتمد توافره على إما السماد (33%) أو الأمونيا المصنعة صناعيًا . يُقدّر أن الأسمدة النيتروجينية المشتقة من الأمونيا تنتج غذاءً يغذي 3.8 مليار شخص أو نصف سكان العالم . المتطلبات العالمية الحالية من الأمونيا في إنتاج الأسمدة هي 132 مليون طن متري (Mt) سنويًا (2021). ومع ذلك، تشير التوقعات إلى أن هذا الطلب من المتوقع أن يرتفع إلى (مرجع 10) بحلول عام 2050. يُعزى هذا الارتفاع إلى عوامل مثل النمو السكاني والتحولات في أنماط التغذية، والتي من المتوقع أن تزيد الطلب على الغذاء بنسبة لا تقل عن بحلول عام 2050. بخلاف إنتاج الأسمدة النيتروجينية، التي تغطي
استخدام الأمونيا , تُستخدم الأمونيا أيضًا في إنتاج البلاستيك والمتفجرات والألياف الاصطناعية . تاريخيًا، تطورت صناعة الأمونيا حول المنشآت المركزية , التي تعتمد على عملية هابر-بوش الحرارية التي تغذى بالغاز الطبيعي (72%)، الفحم ( ) أو زيت الوقود الثقيل ( . على الرغم من تحسينها خلال القرن العشرين، تظل عملية هابر-بوش عملية كثيفة الطاقة والكربون , تستخدم من الطاقة وتصدر . يتطلب الإنتاج في المنشآت المركزية تحويل الأمونيا إلى جزيئات وسيطة، مثل اليوريا، نترات الأمونيوم وحمض النيتريك، التي تحمل 55%، و ، على التوالي، من الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية العالمية الحالية وتسهيل نقل الأمونيا . بينما من الانبعاثات من المنشآت المركزية الحالية مرتبطة بإنتاج الأمونيا، من الانبعاثات يتم تخزينها مؤقتًا كمحتوى كربوني في جزيئات اليوريا وتحرر عند نقطة استخدام الأسمدة
. تبرز عملية إنتاج الأسمدة التقليدية، التي تتميز بكثافة عالية من الكربون والطاقة , التعرض لصدمة سلسلة الإمداد , الآثار التكلفة الناتجة عن النقل لمسافات طويلة واللوجستيات اللاحقة , والبصمة الكربونية الكبيرة لإنتاج اليوريا، الحاجة إلى الانتقال من الإنتاج الصناعي المركزي الحالي نحو تهيئة لامركزية.
في ظل التهيئة المركزية الحالية، يمكن تحقيق إنتاج الأسمدة ذات الانبعاثات الصفرية من خلال ترقية تقنيات الإنتاج الحالية بثلاث تدابير: (1) استخدام الوقود الأحفوري مع احتجاز الكربون وتخزينه (مسار احتجاز الكربون)، (2) استخدام التحليل الكهربائي للماء المدعوم بالكهرباء الخالية من الكربون ومصدر كربوني خارجي (مسار استخدام الكربون) و(3) تنفيذ العمليات البيوكيميائية (مسار الطاقة الحيوية) . في صناعة الأمونيا ذات الانبعاثات الصفرية المستندة إلى مصانع الإنتاج المركزية، ستظل جزيئات ثاني أكسيد الكربون مطلوبة لتحويل الأمونيا إلى يوريا لأغراض النقل . بينما يعد إزالة الكربون من إنتاج الأمونيا أمرًا ممكنًا، قد يؤدي ذلك إلى تنازلات من حيث الطاقة والأرض والمياه واستخدام الكتلة الحيوية، مما قد يؤدي إلى تفاقم مشاكل ندرة الأرض والمياه . في مسار احتجاز الكربون، ستتم ترقية مصانع الإنتاج الحالية المستندة إلى إصلاح الميثان بالبخار بتقنية احتجاز الكربون، حيث سيتم تخزين جزيئات ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم تحت الأرض أو التقاطها مؤقتًا في جزيئات اليوريا. نظرًا لأن الكربون المدمج في جزيء اليوريا سيتم تحريره عند نقطة الاستخدام، ستظل هناك حاجة إلى طريقة تعويض الكربون (على سبيل المثال، تعويض الكربون وإزالة ثاني أكسيد الكربون) لتحقيق أسمدة ذات انبعاثات صفرية باستخدام هذا الحل. بينما لا يؤثر احتجاز الكربون بشكل كبير على الموارد الطاقية المطلوبة لإنتاج اليوريا، من وجهة نظر اقتصادية، فإنه حل مكلف . بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن معدل احتجاز الكربون يحقق من انبعاثات المصنع ، فإن القيمة تنخفض إلى عند احتساب الانبعاثات من سلسلة إمداد الغاز الطبيعي upstream . بدلاً من ذلك، يمكن تحقيق إنتاج الأمونيا ذات الانبعاثات الصفرية من خلال التحليل الكهربائي للماء (مسار استخدام الكربون)، والذي يتطلب، مع ذلك، حوالي 25 مرة أكثر من الكهرباء والأرض، و50 مرة أكثر من المياه مقارنة بأساليب الإنتاج التقليدية . في هذه الحالة، سيتم تزويد ثاني أكسيد الكربون المطلوب لتحويل الأمونيا إلى يوريا من مصدر خارجي للعملية، مثل التقاط الهواء المباشر المدعوم بالكهرباء المتجددة، مما يزيد من الطلب على الطاقة. العمليات البيوكيميائية هي حل كثيف الأرض والمياه، حيث تتطلب ثلاثة وأربعة أوامر من حيث الحجم أكثر من الأرض والمياه، على التوالي، مقارنة بأساليب الإنتاج الحالية . في مسار الطاقة الحيوية، سيتم إنتاج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون من إصلاح الميثان بالبخار للميثان الحيوي، مع احتجاز كربوني إضافي . ومع ذلك، فإن كل من الهيدروجين الكهربائي والهيدروجين البيولوجي يخضعان لقيود من حيث توفر الموارد المتجددة المحلية ومدخلات التغذية . بالإضافة إلى ذلك، سيكون من الضروري ترقية البنية التحتية لنقل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون . في بعض البلدان، مع إمكانيات متجددة محدودة وأراضٍ، سيكون من الضروري استيراد حوامل منخفضة الكربون من مناطق ذات إمكانيات متجددة عالية للحفاظ على الإنتاج المركزي المدعوم بالطاقة منخفضة الكربون .
لقد أبرزت أزمة الطاقة لعام 2022 الترابط بين أنظمة الغذاء والطاقة، مع عدد قليل من البلدان التي تتحكم في الموارد اللازمة لإنتاج الأسمدة . علاوة على ذلك، فإن إنتاج الأمونيا المركزي يزيد من تكاليف النقل والانبعاثات الكربونية، مما يطرح تحديات إضافية لتوفير أسمدة ميسورة التكلفة للمناطق النائية والفقيرة التي تعاني بالفعل من نقص الغذاء . من خلال تبني الإنتاج اللامركزي، من الممكن التخفيف من هذه القضايا، وتقليل الاعتماد على الواردات وضمان توزيع أكثر مرونة وإنصافًا للعناصر الغذائية الزراعية الحيوية.
في ظل سيناريو إعادة هيكلة صناعية نحو اللامركزية، يمكن إنتاج أسمدة الأمونيا مباشرة في نقطة الطلب، كبديل كامل للمصانع المركزية أو تكميلاً للمصانع المركزية المعاد ترميمها . الإنتاج اللامركزي ذو صلة خاصة لتلبية الطلب في المناطق ذات الاتصالات البنية التحتية المحدودة من مصانع الإنتاج، مثل
أفريقيا جنوب الصحراء إن الإنتاج المباشر للأمونيا عند نقطة الطلب يقدم ميزة الاستقلال عن المنتجات المشتقة، مثل اليوريا، المطلوبة في حالة النقل لمسافات طويلة للأمونيا. يتطلب إنتاج الأمونيا اللامركزي على مستوى الأراضي الزراعية منشآت بقدرة إنتاجية متوسطة تقل عن 15 طنًا من الأمونيا يوميًا، مقارنةً بقدرة الإنتاج المتوسطة التي تتراوح بين 2000-3000 طن من الأمونيا يوميًا في المنشآت المركزية الكبيرة الحالية.النسخة الكهربائية من عملية هابر-بوش التقليدية تستبدل الخطوة الأولى من إنتاج الأمونيا المعتمدة على إصلاح الميثان بالبخار بخلية كهربائية تغذى بالكهرباء، مع الحفاظ على الخطوة الثانية من تخليق الأمونيا دون تغيير. بالإضافة إلى هابر-بوش الكهربائي، هناك تقنيات أخرى، ذات درجات حرارة وضغوط تشغيل منخفضة، مناسبة لإنتاج الأمونيا بشكل لامركزي.. تشمل هذه التقنيات تثبيت النيتروجين المنشط بالبلازما غير الحرارية، وتقليل النيتروجين الضوئي الحفاز، وتقليل النيتروجين الكهربائي المباشرتثبيت النيتروجين المنشط بالبلازما غير الحرارية يعتمد على تنشيط النيتروجين بدون محفز من خلال توليد إلكترونات عالية الطاقة.تشبه عملية اختزال النيتروجين الضوئي الاصطناعي لعملية التمثيل الضوئي للأمونيا مباشرة من ضوء الشمس والنيتروجين والماء.يمكن أن ينتج الاختزال الكهربائي المباشر للنيتروجين (التحفيز الكهربائي) الأمونيا من التحفيز القائم على التحويل المباشر للماء والنيتروجين..
تقوم هذه الدراسة بتحليل التكلفة المحددة مكانيًا لإنتاج الأمونيا في الموقع من تقنيات لامركزية مع الأخذ في الاعتبار الطلب المحلي المحدد مكانيًا على الأسمدة التي يمكن أن توفرها هذه التقنية. تتيح هذه المقاربة قياس النسبة العالمية المجمعة من الطلب التي يمكن تلبيتها بتكلفة تنافسية من خلال تقنيات إنتاج الأمونيا اللامركزية صغيرة النطاق، بالإضافة إلى المواقع الدقيقة المناسبة للنشر الأمثل. إن حجم هذه النسبة من الطلب هو مقياس لميزة تحويل صناعة إنتاج الأسمدة المركزية الحالية إلى إنتاج لامركزي. تبرز معظم التحليلات التقنية الاقتصادية في هندسة العمليات تكلفة إنتاج الأمونيا اللامركزية دون النظر في الطلب الزراعي.بينما يركز الآخرون على العوامل التقنية البيئيةفي الوقت نفسه، تركز تحليلات إنتاج الغذاء على طلب النيتروجين (أي المغذيات التي يمكن أن يتم إطلاقها من استخدام الأمونيا) في الزراعة.بشكل مستقل عن طرق إمداد النيتروجين الاصطناعي. يربط هذا العمل الفجوة بين التكلفة المحلية لنشر تقنيات إنتاج الأمونيا منخفضة الكربون بشكل لامركزي، وإمكانية استخدامها لتلبية الطلب على الأمونيا في الأراضي الزراعية، وتكلفة إنتاج الأمونيا في الصناعة المركزية الحالية. يمكن أن تكون نتائج هذا العمل مفيدة لصانعي القرار في تصميم حوافز مستهدفة لتعزيز اعتماد التقنيات اللامركزية في مواقع محددة. بالإضافة إلى ذلك، تؤسس نتائج هذه الدراسة معيارًا للاعبين الصناعيين في صناعة الأسمدة لاعتماد حلول تكنولوجية مختلفة للانتقال من تقنيات إنتاج الأمونيا ذات الكثافة الكربونية العالية إلى تقنيات إنتاج الأمونيا الصفرية.
النتائج
تكلفة تنافسية العرض والطلب على الأمونيا
لتقييم تنافسية إنتاج الأمونيا اللامركزي، نجمع بين الطلب المكاني المحدد على الأمونيا كسماد نيتروجيني صناعي (الشكل 1) مع تكلفة الأمونيا المكاني المحدد من تقنيات الإنتاج اللامركزي. نفترض أن تقنيات الإنتاج مدفوعة إما بالكهرباء من الشبكة، أي الكهرباء من مزيج من تقنيات إنتاج الطاقة، أو بالكهرباء من نظام زراعي ضوئي، أي الألواح الكهروضوئية المثبتة على الأراضي الزراعية، والتي تدمج بين توليد الكهرباء وإنتاج المحاصيل.. في حالة الكهرباء من الشبكة، يمكن إنتاج الأمونيا مع التشغيل المستمر، بينما في حالة الكهرباء من الزراعة الشمسية، يعتمد تشغيل النظام على عامل السعة المحلي للألواح الشمسية ويتطلب تخزينًا إضافيًا للهيدروجين للسماح بالتشغيل المستمر لدورة تخليق الأمونيا. من خلال النظر في النفقات الرأسمالية لمكونات
الشكل 1| تكلفة الطلب التراكمي على الأمونيا المزودة بشكل تنافسي من خلال إنتاج الأمونيا اللامركزي. أ، ب، يتم اشتقاق تكلفة الأمونيا للإنتاج اللامركزي من تكلفة الكهرباء على مستوى البكسل لتغذية عملية هابر-بوش الكهربائية (أ) والتحفيز الكهربائي (ب). يتم حساب التوزيع العالمي لتكلفة إنتاج الأمونيا على مستوى البكسل، مع تسليط الضوء على القيمة المتوسطة العالمية (الخطوط العمودية المتقطعة). ج، د، يتم دمج تكلفة الإنتاج اللامركزي للأمونيا المحلية مع الطلب المحلي على الأمونيا لاشتقاق النسبة العالمية من الطلب على الأمونيا التي يمكن تزويدها بشكل تنافسي من حيث التكلفة باستخدام عملية هابر-بوش الكهربائية (ج) والتحفيز الكهربائي (د). لكل تقنية، يتم اعتبار نظامين: متصلان بالشبكة مع الكهرباء من مزيج من تقنيات التحويل ومزودان بالكهرباء من الألواح الشمسية الزراعية. تكاليف مرجعية لإنتاج الأمونيا من الإنتاج المركزي هي و من، المختارة من الوسيط والنسبة المئوية 95. بالإضافة إلى ذلك، يتم إضافة تكلفة اللوجستيات لنقل الأمونيا إلى السعرين، مما يؤدي إلى زيادة مزدوجة في سعر الأمونيا عند نقطة الطلب: و منتختلف القدرة التنافسية من حيث التكلفة للإنتاج اللامركزي بشكل كبير اعتمادًا على افتراضات التكلفة للتقنيات الجديدة وسعر المرجع للأمونيا في نقطة الطلب. تكنولوجيات وتكلفة المتغيرة المجمعة مع تكلفة الكهرباء المحلية المستوية، نقوم بتحديد تكلفة إنتاج الأمونيا المحلية بناءً على تقنيات هابر-بوش الكهربائية والكهروكيميائية لإنتاج الأمونيا. بالإضافة إلى ذلك، نقارن تكلفة إنتاج الأمونيا المحلية مع السعر التاريخي لسوق الأمونيا لتحديد النسبة والموقع للأمونيا التي يمكن توفيرها بشكل تنافسي من الإنتاج اللامركزي. تم أخذ البيانات التاريخية لأسعار سوق الأمونيا من قاعدة بيانات أسعار السلع التابعة للبنك الدولي للفترة من 2008 إلى 2022. (القسم التكميلي 3). بينما تتأثر أسعار السلع المتداولة بأسواق النقاط الإقليمية، فإن أسعار الأسمدة للمستخدمين النهائيين محددة بالموقع وتعتمد على المسافة من مصانع الإنتاج المركزية في حالة النقل البري أو القرب من المحطات في حالة التجارة البحرية.تحدد التباينات الإضافية في أسعار الاستخدام النهائي من خلال الضرائب المحددة لكل بلد وهوامش الشركات المعنية.من خلال النظر في سيناريوهين متطرفين لتكاليف الإنتاج والنقل، نضمن تضمين الطيف الكامل لأسعار الأسمدة الممكنة عند نقطة الطلب. على وجه التحديد، نفترض أن أسعار الأسمدة عند نقطة الطلب تتراوح بين أسعار الإنتاج في غياب صدمات العرض مع تكاليف نقل ضئيلة (أي أن السعر الوسيط يساوي ) وأسعار الإنتاج تحت صدمات العرض مع تكاليف النقل المرتفعة (أي، النسبة المئوية 95 + سعر النقل يساوي ) (معلومات إضافية مقدمة في القسم التكميلي 3). بخلاف الحدود الدنيا والعليا لأسعار الأسمدة المذكورة، نعتبر حالة وسيطة تمثل سعر الأسمدة في غياب صدمات العرض مع تكلفة النقل (أي، الوسيط + سعر النقل يساوي ) وحالة تمثل سعر الأسمدة تحت صدمات العرض ولكن بتكاليف نقل ضئيلة (أي، النسبة المئوية 95) يساوي ). النص التالي يشير بشكل أساسي إلى السعر الأخير كمتوسط + سعر النقل.
تظهر الشكل 1 مقارنة تكلفة إنتاج الأمونيا من التقنيات اللامركزية مع ثلاثة أسعار تاريخية مختلفة للأمونيا من مصانع الإنتاج المركزية. مستمدة من تحليلنا الجغرافي المكاني، يقدم الشكل التوزيع العالمي لتكلفة إنتاج الأمونيا تحت الظروف الحالية (2020، لتجنب التشويه الناتج عن الغزو الروسي لأوكرانيا في 2022) والتطورات التكنولوجية المحتملة في 2030 و2050 لتقنية هابر-بوش الكهربائية (الشكل 1أ) والتحليل الكهربائي (الشكل 1ب). نعتبر تكوينين من أنظمة إنتاج الأمونيا: (1) متصل بالشبكة (الشبكة في الشكل 1) و(2) مع إمداد الكهرباء من الألواح الشمسية الزراعية (الألواح الزراعية في الشكل 1). تعتمد تكلفة الكهرباء المستخدمة في الحسابات على الإشعاع الشمسي المحلي على مستوى البكسل، بغض النظر عن أنظمة إنتاج الأمونيا. في حالة النظام الزراعي الشمسي، تعتمد تكلفة الأمونيا على عامل السعة المحلي، مما يؤثر على سعة المحلل الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد التكلفة النهائية لإنتاج الأمونيا على تكلفة تخزين الهيدروجين للسماح بالتشغيل المستمر لدورة تخليق الأمونيا في حالة النظام الزراعي الشمسي.يتم تسليط الضوء على تأثير عامل السعة وتكلفة التخزين من خلال التحول في توزيع متوسط سعر الأمونيا في عام 2020 و2030 و2050 (الخطوط المتقطعة الرأسية في الشكل 1a وb).
الطلب التراكمي على الأمونيا مقابل تكلفة الإنتاج اللامركزي في الشكل 1 يتيح لنا تحديد نسبة الطلب التي يمكن تزويدها بتكلفة تنافسية استنادًا إلى التقنيات اللامركزية. مستوى جاهزية التكنولوجيا المنخفض لعملية التحفيز الكهربائي (TRL1-3) يعني تكاليف إنتاج الأمونيا أعلى مقارنة بعملية هابر-بوش الكهربائية الأكثر نضجًا (TRL 6-7 في حالة)
الشكل 2 | موقع طلب الأمونيا في الأراضي الزراعية في السيناريو الحالي المقدم إما من خلال عملية هابر-بوش الكهربائية اللامركزية أو التحفيز الكهربائي اللامركزي في التكوين المتصل بالشبكة. لكل بكسل، يتم تحديد تكلفة إنتاج الأمونيا من التقنيات اللامركزية بناءً على أقرب سنة تحقق فيها التنافسية من حيث التكلفة بين 2020 (باللون الأحمر)، 2030 (باللون الأزرق) و2050 (باللون الأخضر). يتم مقارنة تكلفة الإنتاج اللامركزي بتكلفة إنتاج الأمونيا من الإنتاج المركزي وتكلفة الأمونيا عند نقطة الطلب، بما في ذلك تكلفة النقل. تكاليف مرجعية لإنتاج الأمونيا من الإنتاج المركزي هي و منتم اختيارها من المتوسط، والنسبة المئوية 95، والأسعار القصوى لسعر السوق التاريخي للأمونيا، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، يتم إضافة تكلفة اللوجستيات لنقل الأمونيا إلى الأسعار الثلاثة، مما يؤدي إلى زيادة مزدوجة في سعر الأمونيا عند نقطة الطلب. أ، د، إنتاج الأمونيا بواسطة هابر-بوش الكهربائي اللامركزي (أ) أو التحفيز الكهربائي اللامركزي (د) لا يكون أبداً تنافسياً من حيث التكلفة مع الإنتاج المركزي. الإنتاج القائم على الوقود الأحفوري تحت أسعار السوق المنخفضة من الإنتاج المركزي واستبعاد تكلفة نقل الأمونيا. ب، ج، يتم تحقيق القدرة التنافسية من حيث التكلفة بناءً على عملية هابر-بوش الكهربائية للتطور التكنولوجي المتوقع في عام 2030 و2050 ومقارنةً بالتكلفة المتوسطة للإنتاج المجمعة مع تكلفة النقل (ما يعادل التكلفة في النسبة المئوية 95 لإنتاج الأمونيا) (ب) وتكلفة الإنتاج في النسبة المئوية 95 مع تكلفة النقل الإضافية (ج). هـ، و، يتم تحقيق القدرة التنافسية من حيث التكلفة بناءً على التحفيز الكهربائي اللامركزي للتطور التكنولوجي المتوقع في عام 2030 و2050 ومقارنةً بالتكلفة المتوسطة للإنتاج المجمعة مع تكلفة النقل (ما يعادل التكلفة في النسبة المئوية 95 لإنتاج الأمونيا) (هـ) وتكلفة الإنتاج في النسبة المئوية 95 مع تكلفة النقل الإضافية (و). تمثل البكسلات الملونة باللون الأصفر المناطق التي لا يكون فيها الإنتاج اللامركزي تنافسيًا من حيث التكلفة. القيم بالنسبة لـمقدمة في الجدول 1 مجمعة على المستوى القاري. تم إنشاء الخرائط باستخدام حزم Matplotlib و Geopandas لبايثون.. غشاء تبادل البروتون الكهربائي و8-9 في حالة الإلكتروليز القلوي) في سيناريوهات نشر التكنولوجيا على المدى القصير إلى المتوسطتحت افتراضات زيادة الأداء التكنولوجي وتقليل النفقات الرأسمالية، تقدم عملية هابر-بوش الكهربائية والتحفيز الكهربائي تكاليف إنتاج مشابهة لكل وحدة من الأمونيا بحلول عام 2050. بغض النظر عن التكنولوجيا وتطورها، فإن عملية هابر-بوش الكهربائية والتحفيز الكهربائي لا تكون تنافسية من حيث التكلفة مع الأسعار التاريخية المتوسطة لإنتاج الأمونيا من المصانع المركزية في عمليات سلسلة التوريد دون صدمات (المتوسط في الشكل 1c، d). عند تضمين تكلفة النقل إلى التكلفة المتوسطة لإنتاج الأمونيا في عمليات سلسلة التوريد دون صدمات،يمكن تلبية الطلب على الأمونيا بشكل تنافسي من حيث التكلفة باستخدام نظام هابر-بوش الكهربائي اللامركزي بحلول عام 2030، فقط في حالة وجود نظام متصل بالشبكة، و بحلول عام 2050 في حالة الأنظمة المتصلة بالشبكة والتي تعتمد على الزراعة الكهروضوئية، على التوالي (الوسيط + النقل في الشكل 1c). يمكن أن توفر التحفيز الكهربائي المتصل بالشبكة بشكل تنافسي من حيث التكلفة ما يصل إلىبحلول عام 2050 (الوسيط + النقل في الشكل 1d). في حالة إنتاج الأمونيا من المصانع المركزية مع صدمات سلسلة التوريد (“سعر المرجع للأمونيا”، و يمكن تزويد الأمونيا بتكلفة تنافسية بحلول عام 2030 (بحلول عام 2050) مع نظام هابر-بوش الكهربائي ونظام متصل بالشبكة ونظام قائم على الزراعة الكهروضوئية، على التوالي (الشكل 1c). يمكن أن توفر التحفيز الكهربائي بتكلفة تنافسية ما يصل إلى و بواسطة سعر المرجع للأمونيا) في حالة الأنظمة المتصلة بالشبكة والأنظمة الزراعية الشمسية، على التوالي، مع الباقي بحلول عام 2050 (الشكل 1d). في الحالة التي تتساوى فيها أسعار الأمونيا مع النسبة المئوية 95 وتكاليف النقل الإضافية، و يمكن تلبية الطلب بشكل تنافسي من حيث التكلفة استنادًا إلى عملية هابر-بوش الكهربائية بحلول عام 2030 (النسبة المئوية 95 + النقل في الشكل 1c) في حالة نظام الزراعة الكهروضوئية ونظام متصل بالشبكة، على التوالي، بينما و يمكن توفيره بتكلفة تنافسية بناءً على التحفيز الكهربائي (النسبة المئوية 95 + النقل في الشكل 1d). حالة تكاليف الإنتاج تحت صدمات سلسلة التوريد مع التكلفة الإضافية للنقل (سعر المرجع للأمونيا) يحدد أعلى سعر للأمونيا عند نقطة الطلب. في ظل هذه الظروف، و يمكن تلبية 10% من الطلب العالمي على الأمونيا بواسطة عملية هابر-بوش الكهربائية بالفعل تحت تكاليف الإنتاج الحالية (2020)، من خلال الاعتماد على نظام متصل بالشبكة أو نظام زراعي شمسي، على التوالي (الشكل 1c). إن الكفاءة المنخفضة الحالية للتحفيز الكهربائي (2020) تحد من إمكانيته إلى 10% من الطلب العالمي بناءً على نظام متصل بالشبكة، حتى في هذه الحالة القصوى لسعر الأمونيا.سعر المرجع للأمونيا) عند نقطة الطلب (الشكل 1d).
استنادًا إلى الطلب المكاني المحدد على الأمونيا وتكلفة الإنتاج من عملية هابر-بوش الكهربائية الصغيرة النطاق والتحفيز الكهربائي،
الجدول 1 | الطلب والتنافسية من حيث التكلفة حسب القارة استنادًا إلى عملية هابر-بوش الكهربائية باستخدام الكهرباء من الشبكة
الطلب الحالي (مليون طن سنويًا) )
تكلفة مرجعية تقليدية هابر-بوش
الطلب الفعال من حيث التكلفة (% من الطلب الحالي)
٢٠٢٠
٢٠٣٠
٢٠٥٠
آسياطلب
الوسيط
–
–
–
الـ 95 بالمئة أو الوسيط + النقل
–
1%
93٪
النسبة المئوية 95+ النقل
–
99%
100%
أوروباطلب
الوسيط
–
–
–
الـ 95 بالمئة أو الوسيط + النقل
–
–
89%
النسبة المئوية 95+ النقل
–
100%
100%
أفريقياطلب
الوسيط
–
–
–
الـ 95 بالمئة أو الوسيط + النقل
–
40٪
100%
النسبة المئوية 95+النقل
–
100%
100%
أمريكا الجنوبيةطلب
الوسيط
–
–
–
الـ 95 بالمئة أو الوسيط + النقل
–
–
100%
النسبة المئوية 95+النقل
–
100%
100%
أوقيانوسياطلب
الوسيط
–
–
–
الـ 95 بالمئة أو الوسيط + النقل
–
50٪
100%
النسبة المئوية 95+النقل
–
100%
100%
أمريكا الشماليةطلب
الوسيط
–
–
–
الـ 95 بالمئة أو الوسيط + النقل
–
11%
100%
النسبة المئوية 95+ النقل
–
100%
100%
عالميطلب
الوسيط
–
–
–
الـ 95 بالمئة أو الوسيط + النقل
–
٥٪
94%
النسبة المئوية 95+النقل
–
100%
100%
تقدم الجدول تحليلًا للطلب الحالي على الأمونيا )، والتي تبلغ على مستوى العالم، مقسمة حسب القارة (العمود الأول). يتم تقسيم الطلب لكل قارة بناءً على النسبة التي يمكن تلبيتها بتكلفة تنافسية في عام 2020 و2030 و2050. تكاليف مرجعية لإنتاج الأمونيا من المصانع المركزية هي 390 يورو للطن و من ، مختارة من الوسيط والنسبة المئوية 95، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، يتم إضافة تكلفة اللوجستيات لنقل الأمونيا إلى السعرين، مما يؤدي إلى زيادة مضاعفة في سعر الأمونيا عند نقطة الطلب: و من .
نحدد المناطق في جميع أنحاء العالم حيث يمكن أن يكون إنتاج الأمونيا اللامركزي تنافسيًا من حيث التكلفة مقارنة بإنتاج الأمونيا التاريخي من المصانع الصناعية المركزية. توضح الشكل 2 التوزيع الجغرافي لنسبة الطلب على الأمونيا في أقرب عام تحقق فيه التنافسية من حيث التكلفة بسبب التطور التكنولوجي لتقنية هابر-بوش الكهربائية والكهروكيميائية. عند مقارنة تكلفة إنتاج الأمونيا مع الوسيط لسعر إنتاج الأمونيا المركزي التاريخي ( من )، لا تصل إمدادات الأمونيا اللامركزية إلى التنافسية من حيث التكلفة في أي مكان في العالم (الشكل 2أ، د). على العكس من ذلك، عندما تتم مقارنة التكلفة المحلية لإنتاج الأمونيا مع النسبة المئوية 95 من سعر إنتاج الأمونيا المركزي التاريخي، والذي يعادل الوسيط التاريخي مع تكلفة نقل الأمونيا الإضافية ( من ، الشكل 2ب، هـ)، يتم الوصول إلى التنافسية من حيث التكلفة في مناطق صغيرة في جنوب إفريقيا وأمريكا الشمالية بحلول عام 2030، في حالة الإنتاج من هابر-بوش الكهربائية. في بقية العالم، باستثناء شمال أوروبا وداخل الصين، لا يتم الوصول إلى التنافسية من حيث التكلفة إلا بحلول عام 2050 (الشكل 2ب، هـ). عندما تتم مقارنة تكلفة إنتاج الأمونيا مع النسبة المئوية 95 من سعر إنتاج الأمونيا المركزي التاريخي مع
تكلفة النقل الإضافية ( من )، يتم الوصول إلى التنافسية من حيث التكلفة بحلول عام 2030 بين و من الأراضي الزراعية في جميع أنحاء العالم، اعتمادًا على التكنولوجيا والنظام المعتمد. في هذه المقارنة التكلفة، تصل المناطق ذات أعلى تكلفة لإنتاج الأمونيا بناءً على الكهروكيميائية إلى التنافسية من حيث التكلفة فقط بحلول عام 2050. القيم المهمة الموضحة في الشكل 2أ-ج على مستوى القارة ملخصة في الجدول 1.
إمدادات لامركزية محددة حسب القارة والدولة
من خلال تجميع البيانات المكانية المحددة من وحدات البكسل إلى مستويات القارة والدولة، يمكننا تحديد النسبة المحددة حسب القارة والدولة من الطلب على الأمونيا التي يمكن تزويدها بتكلفة تنافسية من خلال الإنتاج اللامركزي بناءً على هابر-بوش الكهربائية أو الكهروكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، تحدد هذه التحليل النسبة المحددة حسب القارة والدولة من الأمونيا التي من المتوقع أن يكون الإنتاج المركزي هو الخيار الأكثر تنافسية، بغض النظر عن التطورات المستقبلية في تقنيات الإنتاج اللامركزي.
يقدم الجدول 1 النسبة من الطلب على الأمونيا التي يمكن أن تزودها هابر-بوش الكهربائية اللامركزية على نطاق صغير بتكلفة تنافسية على مستوى القارة. أكبر نسبة هي في إفريقيا حيث يمكن أن يوفر الإنتاج اللامركزي ما يصل إلى من الطلب القاري ( )، في حالة تكلفة إنتاج ونقل الأمونيا التي تصل إلى النسبة المئوية 95 من السعر التاريخي.
تظهر بيانات مستوى الدولة في الشكل 3، موضحة النسبة من الطلب التي لا يمكن تلبيتها بتكلفة تنافسية من خلال الإنتاج اللامركزي (باللون الأصفر)، إلى جانب السنوات المعنية عندما يتم تحقيق التنافسية من حيث التكلفة (باللون الأحمر لعام 2020، والأزرق لعام 2030 والأخضر لعام 2050). يظهر الشكل 3ب، هـ أن الإنتاج اللامركزي يمكن أن يكون تنافسيًا من حيث التكلفة مع الوسيط للسعر عندما يتم احتساب تكلفة النقل إلى نقطة الطلب في المقارنة، أو مع النسبة المئوية 95 من تكلفة الإنتاج وحدها، مع التطور التكنولوجي الذي تحقق بحلول عام 2050. ومع ذلك، حتى في هذه الحالات، لا تكون تقنيات إنتاج الأمونيا اللامركزية تنافسية من حيث التكلفة لـ 17% من الطلب في الصين، و36% في ألمانيا و100% في المملكة المتحدة على مستوى الدولة مع هابر-بوش الكهربائية (الشكل 3ب). الاتجاهات بالنسبة للكهروكيميائية مشابهة؛ ومع ذلك، فإن التطور التكنولوجي المتوقع لعام 2050 مطلوب لجعل الكهروكاتاليست خيارًا بديلاً لإنتاج الأمونيا المركزي (الشكل 3هـ).
نقاش
في جميع أنحاء العالم، استخدام الأسمدة غير متجانس، مع مناطق تتميز بنقص النيتروجين الذي يحد من إنتاج الغذاء ومناطق حيث يؤدي الاستخدام المفرط للنيتروجين إلى الإضرار بالتنوع البيولوجي وجودة المياه وصحة الإنسان، ويولد انبعاثات غازات الدفيئة . الحاجة إلى نقل الأمونيا من مصانع الإنتاج المركزية إلى نقاط الاستخدام النهائية اللامركزية في الأراضي الزراعية أدت إلى تحويل الأمونيا المتقلبة والسامة إلى منتجات كيميائية مستقرة، مثل اليوريا، نترات الأمونيوم وحمض النيتريك، والتي تمثل حاليًا 91% من استخدام الأسمدة النيتروجينية . بينما حوالي من الانبعاثات في إنتاج الأسمدة النيتروجينية تأتي من تخليق الأمونيا ، تأتي انبعاثات إضافية من استخدام اليوريا ( )، التي تم إنتاجها من تخليق الأمونيا و . عند نقطة الاستخدام، من خلال التفاعل مع الماء، توفر الأمونيا أو اليوريا النيتروجين التفاعلي كعنصر غذائي للنبات، مع إطلاق اليوريا أيضًا في الغلاف الجوي. حاليًا، يتم انبعاث حوالي 480 مليون طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون ( ) سنويًا من إنتاج الأسمدة النيتروجينية، بالإضافة إلى المدمجة في جزيئات اليوريا، والتي يتم إطلاقها لاحقًا في الغلاف الجوي عند نقطة استخدام السماد . على الرغم من أن معظم خسائر النيتروجين تحدث عند نقطة الطلب، مع عواقب بيئية غير مقصودة مثل ازدهار الطحالب ، فإن النقل لمسافات طويلة المطلوب مع الإنتاج المركزي للأمونيا يزيد من خطر خسائر النيتروجين على طول سلسلة الإمداد بين نقاط الإنتاج والطلب مقارنة بالإنتاج في الموقع .
إنتاج الأمونيا اللامركزي له الميزة المزدوجة بعدم الحاجة إلى التحويل إلى ناقل وسيط مثل اليوريا،
إنتاج الأمونيا غير التنافسي من حيث التكلفة
الشكل 3| الطلب المجمع على الأمونيا على مستوى الدولة لأعلى الدول من حيث الطلب على الأمونيا في التكوين المتصل بالشبكة.
a-f، مقارنة إنتاج الأمونيا تعتمد على تكلفة التكنولوجيا في عام 2020 (باللون الأحمر) وافتراضات التطور التكنولوجي لعام 2030 (باللون الأزرق) و2050 (باللون الأخضر) لتقنية هابر-بوش الكهربائية (أ-ج) والكهروكيميائية (د-و). تكاليف مرجعية لإنتاج الأمونيا من المصانع المركزية هي و
€1,560 للطن من ، مختارة من الوسيط (أ، د)، النسبة المئوية 95 (ب، هـ)، والنسبة المئوية 95 من تكلفة الإنتاج مع تكلفة النقل الإضافية (ج، ف)، على التوالي. تمثل الأعمدة الملونة باللون الأصفر الطلب الذي لا يكون فيه الإنتاج اللامركزي تنافسيًا من حيث التكلفة مقارنة بالإنتاج المركزي.
اعتمادًا على إمدادات ثاني أكسيد الكربون للتخليق. بدلاً من اليوريا، التي يتم تسويقها في شكل كريات صلبة ومخففة للتوزيع على الأراضي الزراعية، يمكن إنتاج الأسمدة الأمونية في الموقع في شكل أمونيا أنhydrous أو مائية. تسمح الأمونيا أنhydrous بالوصول إلى تركيزات عالية من الأمونيا ولكنها تتطلب ضغوطًا عالية للحفاظ عليها في شكل غازي وآلات متطورة للحقن في التربة . تحتوي الأمونيا المائية على تركيزات أقل من الأمونيا ولكن يمكن تخزينها في ظروف محيطة في شكل سائل ويمكن الاعتماد على أنظمة الري الحالية للتوزيع – تقنية تعرف باسم التسميد – أو الرشاشات الزراعية، مثل الرشاشات المحمولة على الظهر أو الرشاشات الكبيرة.
في حالة أنظمة الزراعة الكهروضوئية، يعتمد الأمر على ربط إنتاج الكهرباء من الألواح الشمسية مع تقنيات إنتاج الأمونيا، مما ي stabilizes تكلفة الأمونيا عند نقطة الطلب وتكون مستقلة عن تقلبات أسعار الوقود الأحفوري والأحداث الجيوسياسية. ومع ذلك، تحدد هذه التهيئة اعتمادًا على عامل السعة للوحة الشمسية، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف ثابتة بمقدار خمسة أضعاف، مما ينعكس في تكلفة وحدة أعلى لإنتاج الأمونيا. في حالة هابر-بوش الكهربائية، تتطلب تهيئة النظام القائم على الزراعة الكهروضوئية سعة إضافية لتخزين الهيدروجين لضمان التشغيل المستمر لدائرة تخليق الأمونيا، مما يزيد من التكاليف الثابتة للتكنولوجيا بأكثر من 20% (انظر أنظمة الزراعة الكهروضوئية في القسم التكميلي 2). تتضمن دائرة تخليق الأمونيا تفاعلات كيميائية تعتمد على درجة الحرارة والضغط. يقلل التشغيل المستمر من متطلبات الطاقة من خلال الحفاظ على ظروف التصميم التي optimize النشاط الحفاز ومعدل التفاعل الكيميائي لإنتاج الأمونيا.تتعلق أكبر نسبة من التكاليف الثابتة والمتغيرة بنفقات رأس المال للخلّاط الكهربائي والمواد المحفزة الكهربائية. يساهم ربط النظام بالشبكة في تجنب تأثير إنتاج الكهرباء المتقطع من مصادر الطاقة المتجددة. في هذه الحالة، يعتمد التكلفة النهائية للأمونيا وكثافة الكربون للكهرباء المستخدمة على سوق الطاقة ومزيج تقنيات التحويل المحددة لكل بلد. للحفاظ على استقلالية التحليل عن الاعتبارات المحددة لكل بلد وتوقعات أسعار في عامي 2030 و2050، استند تحليلنا إلى تكلفة الكهرباء المستوية المستمدة من الإشعاع الشمسي المحدد مكانيًا. ومن المزايا الإضافية الناتجة عن إنتاج الأسمدة اللامركزي هو الحد الأدنى من متطلبات التخزين للأسمدة. بينما في حالة الإنتاج المركزي، يتطلب توصيل الأمونيا بناءً على التجارة (عدة مرات في السنة) خزانات تخزين لتلبية أنماط استهلاك الزراعة، فإن الإنتاج اللامركزي يسمح بالإنتاج والتطبيق المستمر..
المقارنة بين إنتاج الأمونيا المركزي واللامركزي في هذا التحليل تستند إلى أسعار سوق الأمونيا التاريخية.بين عامي 2008 و2022 وتكلفة إنتاج الأمونيا في نقاط الطلب. ستتضمن الكمية الدقيقة لسعر الأمونيا للمستخدم النهائي من الإنتاج المركزي التكلفة الإضافية للنقل والتوزيع من مصانع الإنتاج إلى نقاط الطلب النهائية. تكاليف النقل للأسمدة تختلف من بلد لآخر، وتتراوح منفي تايلاند إلىفي موزمبيق لسعر الأسمدة عند نقطة الاستهلاك. في منطقة جنوب الصحراء الكبرى، تم تسجيل أغلى بيانات أسعار السوق المحلية في الدول غير الساحلية مثل بوروندي وأوغندا وبوركينا فاسو، حيث وصلت إلى من اليورياللحصول على تقييم أكثر دقة لتنافسية إنتاج الأمونيا اللامركزي، من الضروري أخذ الحوافز الخاصة بالتكنولوجيا والدولة في الاعتبار من أجل العمل المناخي، مثل قانون خفض التضخم في الولايات المتحدة.وقانون الصناعة لتحقيق صافي الصفر في الاتحاد الأوروبيتعتمد نتائج هذا التحليل على الافتراضات المتعلقة بالتكاليف المرتبطة بالتقنيات، المستمدة من الأدبيات ذات الصلة. هذه النتائج حساسة للتغيرات في بعض المعلمات الرئيسية. على وجه التحديد، فإن معدل الخصم، والنفقات الرأسمالية في تكلفة الكهرباء المستوية، وكفاءات المحلل الكهربائي والعامل الكهربائي هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على القيمة المتوسطة للتوزيع العالمي لإنتاج الأمونيا (انظر القسم التكميلي 4).
تحقيق سيناريو انبعاثات صفرية صافية يعتمد على إنتاج الأمونيا المركزي ممكن من خلال ترقية مصانع الإنتاج الحالية بتقنيات احتجاز الكربون أو من خلال التحليل الكهربائي للماء. لإنتاج الهيدروجين من الكهرباء المتجددة والكربون من مصدر خارجي لإنتاج اليوريا. في الحالة الأولى، لا يزال تكلفة إنتاج الأمونيا تعتمد على تكلفة الغاز الطبيعي. في الحالة الثانية، التكلفة الرئيسية للمواد الخام هي التكلفة المحلية للكهرباء من الشبكة أو المنتجة بتقنيات متجددة مخصصة. إن التقاط انبعاثات الكربون من إنتاج الأمونيا المستند إلى الغاز الطبيعي يعني تكلفة إضافية منمن، بناءً على افتراض معدل الاستحواذ على مستوى المصنع والنقلمنمن. هذه التكاليف الإضافية تقل تقريبًا إلى منفي حالة احتجاز الكربون القائم على الإصلاح الذاتي الحراري، والذي يسمح أيضًا بـمعدل التقاط النباتتختلف التكاليف التفاضلية المقدرة في إنتاج الأمونيا بين مصانع هابر-بوش التقليدية المركزية ومصانع التحليل الكهربائي للماء المركزية.تقريبًا بين – و من، اعتمادًا على تكلفة الغاز الطبيعي ( و ، على التوالي)، بتكلفة كهرباء قدرها ، مما يسمح بالوصول إلى نقطة التعادل بين التقنيتين عند تكلفة الغاز الطبيعي تبلغ حواليتختلف تكاليف الأسعار أيضًابين و ، اعتمادًا على تكلفة الكهرباء ( و ، على التوالي)، لتكلفة الغاز الطبيعي ، مما يسمح بالوصول إلى نقطة التعادل بين التقنيتين عند تكلفة كهرباءإنتاج الأمونيا من التحليل الكهربائي للماء يصبح تنافسيًا من حيث التكلفةمع مسار احتجاز الكربون لتكاليف الكهرباء التي تقل عن نقاط التعادل لـ و ، لتكاليف الغاز الطبيعي و ، على التوالي. تستثني هذه التقديرات تكلفة المعنية بتحويل الأمونيا إلى يوريا. تعتمد كثافة الكربون للأمونيا في مسار استخدام الكربون على كثافة الكربون لتكنولوجيا تغذية الكهرباء. القيم المرجعية هي 458 كجم منلكل ميغاوات ساعة من الكهرباء كمتوسط عالمي لشدة الكربونفي حالة الأنظمة المتصلة بالشبكة، تقليل إلى لكل ميغاوات ساعة في حالة الكهرباء من الألواح الشمسية الكهروضوئية (النطاق لكل ميغاوات ساعةإجمالي الكهرباء المطلوبة لتلبية الافتراضيُقدَّر أن يكون الطلب على الأمونيا استنادًا إلى التقنيات اللامركزية أقل من 10% من إجمالي استهلاك الكهرباء العالمي المسجل في عام 2019، والذي بلغإلىتتطلب التحليلات المحلية للشبكة تقييم تأثير هذه التقنيات على السلامة والموثوقية.
ستؤثر إعادة هيكلة صناعة إنتاج الأمونيا نحو الإنتاج الكهربائي واللامركزي على سلسلة إمداد الأسمدة بأكملها، التي تعتمد حاليًا على واردات الطاقة وتجارة المنتجات النهائية. في الواقع، في إنتاج الأمونيا المركزي القائم على الوقود الأحفوري الحالي،يعتمد جزء من الطلب العالمي على الغذاء على الأمونيا المنتجة من الغاز الطبيعي المستورد، بينما هناك المزيد منيعتمد بشكل مباشر على استيراد الأمونيالذلك، تعتمد أسعار المحاصيل الغذائية على أسعار الأسمدة التي تخضع لسوق الوقود الأحفوري المتقلب وغير المؤكد، والذي يعتمد في الغالب على الغاز الطبيعي.، والتكلفة الإضافية للنقل إلى نقاط الطلب النهائيةيمكن أن يؤدي الوصول المحدود إلى الأسمدة وزيادة التكلفة الهامشية للمحاصيل إلى تفاقم سوء التغذية وانعدام الأمن الغذائي.بينما تواجه مصانع الإنتاج المركزية خطر أن تصبح أصولًا عالقة بسبب كثافة رأس المال المطلوبة لبنائها والاستثمارات الإضافية اللازمة لتحديثها، يمكن أن يحدث الاستخدام الواسع للتقنيات المعيارية الصغيرة في فترة زمنية قصيرة بسبب نضوج عملية هابر-بوش الكهربائية والتطورات التكنولوجية المحتملة على المدى القصير (بحلول عام 2030) مثل التحفيز الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب هذه التقنيات ترقيات بسيطة في البنية التحتية، على عكس مصانع إنتاج الأمونيا المركزية الكبيرة.
طرق
طلب الأمونيا
نعتبر الطلب العالمي على الأمونيا من قاعدة بيانات محددة مكانيًاتوفير استخدام النيتروجين لكل محصول ونوع سماد في عام 2020. حسب علمنا، فإن هذه القاعدة البيانات هي المصدر الأكثر حداثة لبيانات تخصيب النيتروجين وتمثل إجمالي الطلب على الأمونيا.، وهو أقرب قيمة إلى إجمالي عالمي الطلب على الأمونيا للاستخدام الزراعي مستمد من تقديرات منظمة الأغذية والزراعةفي عام 2021. إن استخدام البيانات المكانية المحددة للطلب في هذه الدراسة ضروري للجمع بين تكلفة إنتاج الأمونيا المحددة بالموقع من التقنيات الموزعة، المستمدة من تكلفة الكهرباء المستوية المحددة بالموقع (أي، التكلفة المحلية لإنتاج الكهرباء المتجددة المعتمدة على الإشعاع الشمسي المحدد بالموقع وعامل السعة). نحن نعتبر الطلب على النيتروجين في الأسمدة لـ 18 محصولًا رئيسيًا، بما في ذلك الخضروات والفواكه والمحاصيل الأخرى (انظر الجدول التكميلي 1 في القسم التكميلي 1) ونستنتج الكمية المقابلة من الأمونيا بافتراض نسبة ستوكيومترية تبلغ 1.21 كجم من الأمونيا لكل كجم من النيتروجين. عند تقدير الطلب على النيتروجين، ندرج النيتروجين من أنواع مختلفة من الأسمدة الاصطناعية، مستبعدين النيتروجين من السماد ومخلفات المحاصيل. البيانات الأصلية لها دقة عند خط الاستواء)، والتي تم تجميعها على مقاييس عالمية وقارية وبلدية. على مستوى البكسل، فإن الحد الأقصى للطلب المحلي على الأمونيا في المناطق المحصودة (المفصلة في بكسلات من إلىفي الحجم) أقل من (يعادل وحدة القياس المستخدمة في المقال تشير إلى الأطنان المترية (طن).
إنتاج الطاقة
نعتبر تقنية هابر-بوش الكهربائية والتحفيز الكهربائي كمرشحين يمكن نشرهما لإنتاج الأمونيا الموزع. يتطلب الإنتاج منخفض الكربون للأمونيا أن يتم تغذية أي من هذه التقنيات بالكهرباء المتجددة، والتي يُفترض هنا أن يتم توفيرها إما من الشبكة أو من الألواح الشمسية الصغيرة. في الحالة الأخيرة، يُفترض أن يتم تزويد الكهرباء من نظام زراعي شمسي. هذا النوع من النظام يدمج إنتاج المحاصيل مع توليد الطاقة من الألواح الشمسية. يتم تثبيت الألواح الشمسية على الأرض مع مساحة كافية للسماح باستخدام معدات وعمليات الزراعة. يتم اختيار الأنظمة الزراعية الشمسية بسبب ميزتها المزدوجة في إنتاج الكهرباء المتجددة بينما توفر الظل للمحاصيل، مما يحد من تبخر الماء من التربة ويؤدي إلىتوفير المياهمتوسط إنتاج الطاقة الشمسية السنوي،هو معلم يعتمد على التكنولوجيا والوقت والفضاء والطقس. نقوم بتحديد هذا المعلم من خلال نهج تصاعدي، يعتمد على متوسط سنوي للتجزئة الجغرافية عنددقة الشبكة (حوالي عند خط الاستواء)، تم إعادة أخذ العينات إلى دقة الشبكة (حواليفي خط الاستواء). إنتاج الطاقة من الألواح الشمسية لجميع الخلايا،يتم حسابه على النحو التالي:
أينهو إنتاج الطاقة السنوي من الألواح الشمسية لكل كيلومتر مربع في خلية الشبكةهي كفاءة تحويل الألواح الشمسية و هو متوسط الإشعاع الأفقي العالمي السنويفي الخلية.
تكلفة إنتاج الكهرباء والأمونيا
يمكن اعتبار ثلاث تقنيات تمثل تطور إنتاج الأمونياتُعتبر عملية هابر-بوش التقليدية لإنتاج الأمونيا المركزية مرجعًا في هذه الدراسة استنادًا إلى البيانات التاريخية لسعر سوق الأمونيا (القسم التكميلي 3). نظرًا لمستوى جاهزيتها العالي، يمكن اعتبار عملية هابر-بوش الكهربائية الصغيرة النطاق لإنتاج الأمونيا الموزعة تقنية من الجيل الثاني.أخيرًا، نظرًا لانخفاض مستوى تطورها التكنولوجي، يمكن اعتبار التحويل المباشر للنيتروجين والماء لإنتاج الأمونيا الموزعة تقنية من الجيل الثالث.. هنا نستخرج تكلفة إنتاج الأمونيا من تقنيات الجيلين الثاني والثالث لإنتاج الأمونيا الموزعة، وهي عملية هابر-بوش الكهربائية والتقليل الكهربائي المباشر. في عملية هابر-بوش الكهربائية، نفترض إنتاج الهيدروجين من إلكتروليزر غشاء تبادل البروتون، وهي تقنية متاحة تجارياً وتقدم مزايا مرونة الحمل مقارنة بأنواع الإلكتروليزر الأخرى..
لإنتاج الأمونيا منخفضة الكربون، يجب أن تعمل كلا التقنيتين بالطاقة الكهربائية المتجددة. هنا نفترض الكهرباء من الشبكة أو المولدة من الألواح الشمسية في نظام زراعي ضوئي مثبت على الأراضي الزراعية. يتم حساب تكلفة إنتاج الأمونيا لكل تقنية على مرحلتين. أولاً، نحسب تكلفة الكهرباء المستوية بشكل مستقل عن التقنية المستخدمة في إنتاج الأمونيا وفقًا لافتراضات التكلفة لعام 2020 و2030 و2050. ثم نستنتج التكلفة النهائية للأمونيا بناءً على استهلاك الطاقة، وتكاليف رأس المال والتكاليف المتغيرة لكل تقنية. نظرًا لأن تحليلنا يعتمد على الجمع بين تكلفة إنتاج الأمونيا المحددة مكانيًا مع الطلب المحدد مكانيًا على الأمونيا، نفترض تكلفة الكهرباء المستوية كتكلفة متغيرة لكل من الأنظمة المتصلة بالشبكة والأنظمة المعتمدة على الطاقة الشمسية. في ما يلي، نلخص الخطوات اللازمة لاشتقاق التكلفة الحدية لإنتاج الأمونيا من التقنيات اللامركزية. مزيد من التفاصيل متاحة في القسم التكميلي 2.
نحسب تكلفة الطاقة اللازمة لتغذية تقنيات إنتاج الأمونيا بناءً على تكلفة الكهرباء المستوية.وفقًا للمصدر 61، في كل خلية :
أينهو الإنفاق الرأسمالي للألواح الشمسية، ( ) هي تكاليف التشغيل والصيانة الثابتة، هو معدل الخصم، هو معدل الانحلال، هي عمر الألواح الشمسية، هو إنتاج الطاقة الشمسية المستمد من المعادلة (1) و هو السعة المثبتة وفقًا للمعادلة (3). السعة المثبتة، يتم حسابه على النحو التالي:
أينهو عامل السعةفي الخلية. تم تحديد تكلفة إنتاج الأمونيا من الكهرباء الناتجة عن الألواح الشمسية التي تغذي عملية هابر-بوش الكهربائية والاختزال الكهروكيميائي المباشر في هذه الدراسة باستخدام منهجية مرجعية.بالنسبة للتكنولوجيتين، يتم حساب التكلفة الحدية للأمونيا على النحو التالي:
أينمن هو التكلفة الإجمالية لإنتاج الأمونيا في الخلية ، منهو التكلفة المتغيرة الناتجة عن إنتاج الأمونيا في الخلية و من هو التكلفة الثابتة للنظام في الخلية .
في حالة هابر-بوش الكهربائية، تشمل التكاليف المتغيرة الكهرباء التي تغذي الإلكتروليزر لإنتاج الهيدروجين، حلقة تخليق الأمونيا ووحدة فصل الهواء (ASU) لإنتاج النيتروجين من الهواء:
أينهو التكلفة المستوية من الطاقة الشمسية في الخلية، من هو القيمة الحرارية المنخفضة للهيدروجين، هي كفاءة التحليل الكهربائي بالنسبة للقيمة الحرارية المنخفضة للهيدروجين،من هو استهلاك الطاقة لتخليق الأمونيا من مادة الهيدروجين الأساسية و منهو استهلاك الطاقة لتشغيل وحدة فصل الهواء.
في حالة التحفيز الكهربائي، تتكون التكلفة المتغيرة من الطاقة المطلوبة في النظام (الكهربائي) التحفيزي لتزويد وحدة فصل الهواء:
أينهو تكلفة الكهرباء المستوية من الخلايا الكهروضوئيةمنهي إنثالبي تفاعل اختزال النيتروجين إلى الأمونيا،منهي الطاقة استهلاك لتشغيل وحدة فصل الهواءهي كفاءة التحويل في التحفيز الكهربائي.
بينما التكلفة المتغيرة هي كمية محددة لكل خلية، بسبب الاعتماد على تكلفة الكهرباء المستوية في الخليةيمكن أن تعتمد التكلفة الثابتة على عامل السعة المحلي، في حالة الكهرباء من نظام الزراعة الكهروضوئية، أو تكون مستقلة عن الدقة المكانية، في حالة الكهرباء الموردة من الشبكة. بالنسبة لعملية هابر-بوش الكهربائية، يتم اشتقاق التكلفة الثابتة من المحلل الكهربائي، وسعة تخزين الهيدروجين، ودائرة تخليق هابر-بوش، ووحدة فصل الهواء، وتكلفة صيانة المصنع:
أينمنهو رأس المال اللازم للالكتروليزر لكل وحدة من الأمونيا المنتجة في الخليةمن هو التكلفة الثابتة لتخليق الأمونيا، من هو التكلفة الثابتة للتشغيل والصيانة، منهو رأس المال الاستثماري لوحدة فصل الهواء،من.
في حالة الكهرباء الموردة من الشبكة، فإن تكلفة التخزين،يُفترض أن يكون مساوياً للصفر، وأن عامل السعة، الذي يؤثر على تكاليف رأس المال للكهروlysis، يُفترض أن يكون مساوياً للمعدل العالمي للألواح الشمسية في كل خلية..
بالنسبة للتفاعل الكهروكيميائي، يتم اشتقاق التكلفة الثابتة من مكونين من النظام، المحفز الكهربي ووحدة فصل الهواء، بالإضافة إلى تكلفة صيانة المصنع:
أينمن هو التكلفة الثابتة للتشغيل والصيانة، منهو رأس المال الاستثماري لوحدة فصل الهواءمنهو رأس المال الاستثماري للمحفز لكل وحدة من الأمونيا المنتجة في الخلية.
في حالة الكهرباء الموردة من الشبكة، يُفترض أن يكون عامل السعة الذي يؤثر على تكاليف رأس المال للمحفز مساوياً لعامل سعة الألواح الشمسية العالمي المتوسط في كل خلية..
تحذيرات
مع ظهور الكهرباء، قد تتقلص الحاجة إلى الإنتاج المركزي الواسع، مما يمهد الطريق للإنتاج اللامركزي المعتمد على الكهرباء.حالياً، تكمن الحاجة إلى عدد محدود من مصانع الإنتاج المركزية في الاستثمارات الرأسمالية الكبيرة المطلوبة للحفاظ على درجات الحرارة العالية.لإنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي) وضغوط (>250 بار لتخليق الأمونيا) من عملية هابر-بوش الحرارية التقليدية. في عملية هابر-بوش التقليدية، يتم التخفيف من هذه الاستثمارات من خلال الانتقال من الإنتاج اللامركزي إلى الإنتاج المركزي مع ما يصل إلىخفض في التكلفة النهائية للأمونيا. بدلاً من ذلك، في العمليات التي تتطلب درجات حرارة وضغوط أقل، فإن الانتقال إلى الإنتاج المركزي سيؤدي فقط إلى تقليل محدود في التكلفة النهائية للأمونيا (<15% في عملية هابر-بوش الكهربائية) .
إذا كانت إنتاجية الأسمدة المشتقة من الأمونيا ستظل تحتفظ بنفس كثافة الكربون الحاليةونفس نسبة تصنيع اليوريامع الطلب على الأمونيافيستصل انبعاثات الكربون الناتجة عن إنتاج الأمونيا في صناعة الأسمدة إلى، مع إضافة داخل جزيئات اليوريا. بدلاً من ذلك، إذا تم إنتاج جميع الأمونيا بحلول عام 2050 في تكوين لامركزي من الكهرباء المتجددة (أي، التحفيز الكهربائي أو عملية هابر-بوش الكهربائية المدعومة بالكهرباء المتجددة) مع كثافة كربونيةمنومن دون الحاجة لإنتاج اليوريا، ستكون الانبعاثات الناتجة عن إنتاج الأمونيا في صناعة الأسمدة حواليالتحول الكامل إلى إنتاج الأمونيا اللامركزي سيؤدي إلى توفير.
بينما يركز تحليلنا على تقديم مقارنة لتكاليف إنتاج الأمونيا المركزية واللامركزية استنادًا إلى المعلومات الحالية، تؤثر عوامل مختلفة على السعر المستقبلي للأمونيا في التكوينات المركزية واللامركزية. التجارة الدولية للأمونيا كسلعة، المطلوبة في حالة الإنتاج من تكوين مركزي، تعني أن أسعار الأمونيا المستقبلية ستحددها قوانين العرض والطلب. اعتمادًا على المسارات المستقبلية لإنتاج الأمونيا المركزي، ستعتمد أسعار الأمونيا إما على سعر الغاز الطبيعي لمسارات التقاط الكربون من سوق السلع أو على سعر الكهرباء لإنتاج الهيدروجين الكهربائي في مسار استخدام الكربون من سوق الطاقة. بينماالطلب العالمي الحالي على الأمونيا مرتبط بالأسمدةمن المتوقع أن يتضمن الطلب المستقبلي استخدام الأمونيا كوقود في قطاعات الشحن وإنتاج الطاقة، بالإضافة إلى الاستخدامات الحالية. يتراوح متوسط الزيادة في الطلب على الأمونيا حتى عام 2050 بين و في السنةاعتمادًا على سيناريوهات الطلب المستقبلية. يمكن أن ينمو عرض الأمونيا بمعدلات مماثلة، مما يؤدي إلى تأثير محدود على سعر السوق. ومع ذلك، قد يكون لترقية التكنولوجيا لإنتاج الأمونيا المركزي تأثير طويل الأمد على تكلفة إنتاج الأمونيا. في سياق التقنيات اللامركزية لإنتاج الأمونيا، لا يوجد سوق سلعي معني، حيث أن الموردين والمستهلكين للأمونيا هم نفسهم. في هذه الحالة، يساوي سعر الأمونيا تكلفة إنتاج الأمونيا ويعتمد بشكل كبير على تطوير وتسويق تقنيات هابر-بوش الكهربائية الصغيرة والتحفيز الكهربائي.
التركيب الكهربائي للأمونيا، القائم على عملية هابر-بوش الكهربائية أو التحفيز الكهربائي، هو من بين الحلول التي يمكن تنفيذها على مستوى المزرعة لتحقيق انبعاثات صفرية صافية في الزراعة مع الحفاظ على إنتاجية المحاصيل العالية.على الرغم من أن هذا التحليل يقتصر على نشر عملية هابر-بوش الكهربائية والكهروكيميائية، إلا أن هناك تقنيات أخرى موجودة لإنتاج الأمونيا الموزعة تعمل عند درجات حرارة منخفضة وضغط جوي.تسمح عملية تثبيت النيتروجين المنشط بالبلازما غير الحرارية بإنتاج الأمونيا باستهلاك طاقة نظري أقل من عملية هابر-بوش. ومع ذلك، لا تزال عمليات البلازما في مرحلة البحث كخطوة تكنولوجية تهدف إلى تقليل متطلبات الطاقة.يمكن تغذية اختزال النيتروجين الضوئي بشكل مباشر بالطاقة الشمسية. ومع ذلك، يتطلب استخدامه التجاري فهمًا أكثر تقدمًا لتأثير آليات التفاعل وتركيبات المحاليل ونشاط المواد على الأداء. بالإضافة إلى ذلك، تفتقر الأبحاث التجريبية الحالية إلى معايير قياس دقيقة، مما يحد من إمكانية تكرار النتائج.بعيدًا عن الحلول التكنولوجية، فإن تثبيت النيتروجين البيولوجي، القائم على إنتاج الأمونيا من البكتيريا، هو أقدم تقنية استخدمها المزارعون لزيادة مستوى النيتروجين كغذاء للنبات.البكتيريا الرئيسية لتثبيت النيتروجين موجودة في جذور البقوليات، ولكن يمكن العثور على بكتيريا أخرى مثبتة للنيتروجين في أشجار الحور وسرخس الماء.بينما يمكن حاليًا فقط للبقوليات مثل الفاصوليا والبازلاء استضافة بكتيريا تثبيت النيتروجين، قد يؤدي الهندسة الوراثية إلى تثبيت النيتروجين البيولوجي في محاصيل الحبوب.مصدر رئيسي للنيتروجين، لم يتم اعتباره في هذه الدراسة، هو السماد، الذي يوفر حواليمن النيتروجين على مستوى العالم، ما يعادلمن إجمالي الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية العالمية.
تؤدي المناقشة حول إنتاج الأمونيا الموزعة بشكل طبيعي إلى استفسارات حول سهولة تحويل الأمونيا إلى مواد قد تكون خطرة، مثل نترات الأمونيوم.ومع ذلك، فإن إنتاج الأمونيا في بيئات أقل تحكمًا قد يؤدي إلى احتمال إساءة استخدامها في إنتاج الذخائر. على الرغم من أن نطاق هذا العمل لا يغطي الجوانب المحددة لمخاطر الأمن، فإن الاعتراف بأهميتها يبرز الحاجة إلى أبحاث مستقبلية لاستكشاف هذا الجانب.
يمكن أن تؤدي التدابير السياسية الهادفة إلى تقليل الانبعاثات من صناعة الأمونيا إلى زيادة تكلفة الأمونيا. استنادًا إلى نتائج تحليلنا العالمي الشامل، الذي يبرز الإمكانية لإعادة تشكيل صناعة الأمونيا العالمية من خلال الإنتاج اللامركزي، قد يكون هناك انخفاض في تكلفة إمدادات الأمونيا. تحققت في المناطق التي تمثل فيها وسائل النقل من الإنتاج المركزي أكبر نسبة في توزيع سعر الأسمدة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على مقاييس جغرافية أصغر وإجراء مقارنة تكاليف بناءً على مصانع الإنتاج المركزي الحالية وتكلفة النقل لتوزيع الطلب على الأمونيا في الأراضي الزراعية. يجب إجراء تحليل شامل للتنافسية من حيث التكلفة مع الأخذ في الاعتبار المتطلبات البنية التحتية والتكنولوجية لحلول التحديث في مصانع إنتاج الأمونيا المركزية الحالية والحوافز السياسية الخاصة بكل دولة لتبني تقنيات منخفضة الكربون.
ملخص التقرير
معلومات إضافية حول تصميم البحث متاحة في ملخص تقارير مجموعة نيتشر المرتبط بهذه المقالة.
توفر البيانات
البيانات المعالجة متاحة علىhttps://doi.org/10.5281/زينودو. 8155141 (مرجع 69). تتضمن مجموعة البيانات هذه معلومات عن الطلب الخاص بكل دولة على الأمونيا وتنافسية تكلفة إنتاج الأمونيا اللامركزية. يتم توفير بيانات المصدر مع هذه الورقة.
توفر الشيفرة
يمكن الوصول إلى الشيفرات الكاملة بلغة بايثون المستخدمة في حساب النتائج وتصويرها عبر زينودو علىhttps://doi.org/10.5281/زينودو. 8155141 (مرجع 69). تم توفير وصف لمحتوى المستودع عبر الإنترنت.
References
Davis, S. J. et al. Net-zero emissions energy systems. Science 360, eaas9793 (2018).
Rosa, L. & Gabrielli, P. Achieving net-zero emissions in agriculture: a review. Environ. Res. Lett. 18, 063002 (2023).
Bergero, C. et al. Pathways to net-zero emissions from aviation. Nat. Sustain. 6, 404-414 (2023).
Gabrielli, P. et al. Net-zero emissions chemical industry in a world of limited resources. One Earth 6, 682-704 (2023).
Gao, Y. & Cabrera Serrenho, A. Greenhouse gas emissions from nitrogen fertilizers could be reduced by up to one-fifth of current levels by 2050 with combined interventions. Nat. Food 4, 170-178 (2023).
Rosa, L. & Gabrielli, P. Energy and food security implications of transitioning synthetic nitrogen fertilizers to net-zero emissions. Environ. Res. Lett. 18, 014008 (2022).
Ouikhalfan, M., Lakbita, O., Delhali, A., Assen, A. H. & Belmabkhout, Y. Toward net-zero emission fertilizers industry: greenhouse gas emission analyses and decarbonization solutions. Energy Fuels 36, 4198-4223 (2022).
FAOSTAT Fertilizers by Nutrient (FAO, 2022); http://www.fao.org/ faostat/en/#data/RFN
FAOSTAT Climate Change: Agrifood Systems Emissions, Emissions from Crops, Element: Synthetic Ferilizers (Agricultural Use), Item: Nutrient Nitrogen N (Total) (FAO, 2023); http://www.fao.org/ faostat/en/#data/GCE
Beltran-Peña, A., Rosa, L. & D’Odorico, P. Global food selfsufficiency in the 21st century under sustainable intensification of agriculture. Environ. Res. Lett. 15, 095004 (2020).
Van Dijk, M., Morley, T., Rau, M. L. & Saghai, Y. A meta-analysis of projected global food demand and population at risk of hunger for the period 2010-2050. Nat. Food 2, 494-501 (2021).
McArthur, J. W. & McCord, G. C. Fertilizing growth: agricultural inputs and their effects in economic development. J. Dev. Econ. 127, 133-152 (2017).
Lim, J., Fernández, C. A., Lee, S. W. & Hatzell, M. C. Ammonia and nitric acid demands for fertilizer use in 2050. ACS Energy Lett. 6, 3676-3685 (2021).
MacFarlane, D. R. et al. A roadmap to the ammonia economy. Joule 4, 1186-1205 (2020).
Fernandez, C. A. & Hatzell, M. C. Editors’ choice-economic considerations for low-temperature electrochemical ammonia production: achieving Haber-Bosch parity. J. Electrochem. Soc. 167, 143504 (2020).
Alexander, P. et al. High energy and fertilizer prices are more damaging than food export curtailment from Ukraine and Russia for food prices, health and the environment. Nat. Food 4, 84-95 (2023).
Srivastava, N. et al. Prospects of solar-powered nitrogenous fertilizers. Renew. Sustain. Energy Rev. 187, 113691 (2023).
Bonilla Cedrez, C., Chamberlin, J., Guo, Z. & Hijmans, R. J. Spatial variation in fertilizer prices in sub-Saharan Africa. PLoS ONE 15, e0227764 (2020).
Gabrielli, P., Gazzani, M. & Mazzotti, M. The role of carbon capture and utilization, carbon capture and storage, and biomass to enable a net-zero- emissions chemical industry. Ind. Eng. Chem. Res. 59, 7033-7045 (2020).
Terlouw, T., Bauer, C., Rosa, L. & Mazzotti, M. Life cycle assessment of carbon dioxide removal technologies: a critical review. Energy Environ. Sci. 14, 1701-1721 (2021).
Antonini, C. et al. Hydrogen production from natural gas and biomethane with carbon capture and storage-a technoenvironmental analysis. Sustain. Energy Fuels 4, 2967-2986 (2020).
Rosa, L. & Mazzotti, M. Potential for hydrogen production from sustainable biomass with carbon capture and storage. Renew. Sustain. Energy Rev. 157, 112123 (2022).
Feng, Y. & Rosa, L. Global biomethane and carbon dioxide removal potential through anaerobic digestion of waste biomass. Environ. Res. Lett. 19, 024024 (2024).
Gabrielli, P., Charbonnier, F., Guidolin, A. & Mazzotti, M. Enabling low-carbon hydrogen supply chains through use of biomass and carbon capture and storage: a Swiss case study. Appl. Energy 275, 115245 (2020).
Tonelli, D. et al. Global land and water limits to electrolytic hydrogen production using wind and solar resources. Nat. Commun. 14, 5532 (2023).
Morris M., Kelly V. A., Kopicki R. J. & Byerlee D. Fertilizer Use in African Agriculture, Lessons Learned and Good Practice Guidelines (World Bank, 2007); https://documents1.worldbank.org/curated/ en/498591468204546593/pdf/390370AFROFert101OFFICIALOUS EOONLY1.pdf
D’Angelo, S. C. et al. Environmental and economic potential of decentralized electrocatalytic ammonia synthesis powered by solar energy. Energy Environ. Sci. 16, 3314-3330 (2023).
Comer, B. M. et al. Prospects and challenges for solar fertilizers. Joule 3, 1578-1605 (2019).
Valera-Medina, A. et al. Review on ammonia as a potential fuel: from synthesis to economics. Energy Fuels 35, 6964-7029 (2021).
Chen, S., Perathoner, S., Ampelli, C. & Centi, G. Electrochemical dinitrogen activation: to find a sustainable way to produce ammonia. Stud. Surf. Sci. Catal. 178, 31-46 (2019).
Smith, C., Hill, A. K. & Torrente-Murciano, L. Current and future role of Haber-Bosch ammonia in a carbon-free energy landscape. Energy Environ. Sci. 13, 331-344 (2020).
Winter, L. R. & Chen, J. G. fixation by plasma-activated processes. Joule 5, 300-315 (2021).
Huang, P. W. & Hatzell, M. C. Prospects and good experimental practices for photocatalytic ammonia synthesis. Nat. Commun. 13, 7908 (2022).
Martín, A. J., Shinagawa, T. & Pérez-Ramírez, J. Electrocatalytic reduction of nitrogen: from Haber-Bosch to ammonia artificial leaf. Chem 5, 263-283 (2019).
Giddey, S., Badwal, S. P. S. & Kulkarni, A. Review of electrochemical ammonia production technologies and materials. Int. J. Hydrogen Energy 38, 14576-14594 (2013).
Wang, M. et al. Can sustainable ammonia synthesis pathways compete with fossil-fuel based Haber-Bosch processes? Energy Environ. Sci. 14, 2535-2548 (2021).
D’Angelo, S. C. et al. Planetary boundaries analysis of low-carbon ammonia production routes. ACS Sustain. Chem. Eng. 9, 97409749 (2021).
Mueller, N. D. et al. Closing yield gaps through nutrient and water management. Nature 490, 254-257 (2012).
Adalibieke, W., Cui, X., Cai, H., You, L. & Zhou, F. Global crop-specific nitrogen fertilization dataset in 1961-2020. Sci. Data 10, 617 (2023).
Adeh, E. H., Good, S. P., Calaf, M. & Higgins, C. W. Solar PV power potential is greatest over croplands. Sci. Rep. 9, 11442 (2019).
Dinesh, H. & Pearce, J. M. The potential of agrivoltaic systems. Renew. Sustain. Energy Rev. 54, 299-308 (2016).
Amaducci, S., Yin, X. & Colauzzi, M. Agrivoltaic systems to optimise land use for electric energy production. Appl. Energy 220, 545-561 (2018).
Barron-Gafford, G. A. et al. Agrivoltaics provide mutual benefits across the food-energy-water nexus in drylands. Nat. Sustain. 2, 848-855 (2019).
Ha, J., Ayhan Kose M. & Ohnsorge, F. One-Stop Source: A Global Database of Inflation Policy Research Working Paper 9737 (World Bank, 2021).
Stevens, C. J. Nitrogen in the environment. Science 363, 578-580 (2019).
Menegat, S., Ledo, A. & Tirado, R. Greenhouse gas emissions from global production and use of nitrogen synthetic fertilisers in agriculture. Sci. Rep. 12, 14490 (2022).
Bertagni, M. B. et al. Minimizing the impacts of the ammonia economy on the nitrogen cycle and climate. Proc. Natl Acad. Sci. USA 120, e2311728120 (2023).
Rouwenhorst, K. H., Van der Ham, A. G., Mul, G. & Kersten, S. R. Islanded ammonia power systems: technology review and conceptual process design. Renew. Sustain. Energy Rev. 114, 109339 (2019).
Text – H.R.5376-117th Congress (2021-2022): Inflation Reduction Act of 2022 (Library of Congress, 2022); https://www.congress. gov/bill/117th-congress/house-bill/5376/text
Cardoso, J. S. et al. Ammonia as an energy vector: current and future prospects for low-carbon fuel applications in internal combustion engines. J. Clean. Prod. 296, 126562 (2021).
Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the Climate Goal (International Renewable Energy Agency, 2020).
Yates, J. et al. Techno-economic analysis of hydrogen electrolysis from off-grid stand-alone photovoltaics incorporating uncertainty analysis. Cell Rep. Phys. Sci. 1, 100209 (2020).
Branker, K., Pathak, M. J. M. & Pearce, J. M. A review of solar photovoltaic levelized cost of electricity. Renew. Sustain. Energy Rev. 15, 4470-4482 (2011).
Hochman, G. et al. Potential economic feasibility of direct electrochemical nitrogen reduction as a route to ammonia. ACS Sustain. Chem. Eng. 8, 8938-8948 (2020).
Wolfram, P., Kyle, P., Zhang, X., Gkantonas, S. & Smith, S. Using ammonia as a shipping fuel could disturb the nitrogen cycle. Nat. Energy 7, 1112-1114 (2022).
Net Zero Roadmap: A Global Pathway to Keep the Goal in Reach (International Energy Agency, 2023); https://www.iea.org/ reports/net-zero-roadmap-a-global-pathway-to-keep-the-15-Oc-goal-in-reach
Northrup, D. L., Basso, B., Wang, M. Q., Morgan, C. L. & Benfey, P. N. Novel technologies for emission reduction complement conservation agriculture to achieve negative emissions from row-crop production. Proc. Natl Acad. Sci. USA 118, e2022666118 (2021).
Brill, W. J. Biological nitrogen fixation. Sci. Am. 236, 68-81 (1977).
Mus, F. et al. Symbiotic nitrogen fixation and the challenges to its extension to nonlegumes. Appl. Environ. Microbiol. 82, 36983710 (2016).
Tonelli, D., Rosa, L., Gabrielli, P., Parente, A. & Contino, F. Costcompetitiveness of distributed ammonia production for the global fertilizer industry. Zenodo https://doi.org/10.5281/ zenodo. 8155141 (2024).
Hunter, J. D. Matplotlib: a 2D graphics environment. Comput. Sci. Eng. 9, 90-95 (2007).
Jordahl, K. et al. geopandas/geopandas: v0.8.1. Zenodo https:// doi.org/10.5281/zenodo. 3946761 (2020).
شكر وتقدير
تم تمويل وتطوير هذا البحث خلال إقامة D.T. البحثية في مؤسسة كارنيجي للعلوم. تم تمويل بحث D.T. من قبل SPF Economie – Fonds de transition énergétique، مع تمويل إضافي من مؤسسة كارنيجي للعلوم لاستكمال هذا العمل.
مساهمات المؤلفين
D.T. و L.R. تصوروا، صمموا البحث وجمعوا البيانات. D.T. قام بالتحليل وكتب الورقة. L.R. ساعد في الكتابة. P.G. و A.P. و F.C. ساعدوا في تصميم البحث والكتابة.
ملاحظة الناشر تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو تنسيق، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا كانت هناك تغييرات قد أُجريت. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُذكر خلاف ذلك في سطر الائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة واستخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/.
(ج) المؤلفون 2024
natureportfolio
6 أبريل 2024
ملخص التقرير
تسعى Nature Portfolio لتحسين إمكانية إعادة إنتاج العمل الذي ننشره. يوفر هذا النموذج هيكلًا للاتساق والشفافية في التقرير. لمزيد من المعلومات حول سياسات Nature Portfolio، راجع سياسات التحرير وقائمة مراجعة سياسة التحرير.
الإحصائيات
لجميع التحليلات الإحصائية، تأكد من أن العناصر التالية موجودة في أسطورة الشكل، أسطورة الجدول، النص الرئيسي، أو قسم الطرق.
تم التأكيد
حجم العينة الدقيقة ( ) لكل مجموعة/شرط تجريبي، معطاة كرقم منفصل ووحدة قياس بيان حول ما إذا كانت القياسات قد أُخذت من عينات متميزة أو ما إذا كانت نفس العينة قد قُيست عدة مرات
اختبار(ات) الإحصائية المستخدمة وما إذا كانت أحادية أو ثنائية الجانب
يجب وصف الاختبارات الشائعة فقط بالاسم؛ وصف تقنيات أكثر تعقيدًا في قسم الطرق. وصف لجميع المتغيرات التي تم اختبارها وصف لأي افتراضات أو تصحيحات، مثل اختبارات الطبيعية والتعديل لمقارنات متعددة
وصف كامل للمعلمات الإحصائية بما في ذلك الاتجاه المركزي (مثل المتوسطات) أو تقديرات أساسية أخرى (مثل معامل الانحدار) والتباين (مثل الانحراف المعياري) أو تقديرات عدم اليقين المرتبطة (مثل فترات الثقة)
لإجراء اختبار الفرضية الصفرية، إحصائية الاختبار (مثل ) مع فترات الثقة، أحجام التأثير، درجات الحرية و القيمة المذكورة أعطِ القيم كقيم دقيقة كلما كان ذلك مناسبًا. لتحليل بايزي، معلومات حول اختيار الأوليات وإعدادات سلسلة ماركوف مونت كارلو للتصاميم الهرمية والمعقدة، تحديد المستوى المناسب للاختبارات والتقارير الكاملة للنتائج تقديرات أحجام التأثير (مثل Cohen’s , Pearson’s )، مشيرًا إلى كيفية حسابها
تحتوي مجموعتنا على الويب حول الإحصائيات لعلماء الأحياء على مقالات حول العديد من النقاط أعلاه.
البرمجيات والرموز
معلومات السياسة حول توفر كود الكمبيوتر
جمع البيانات
البيانات الخام المستخدمة في هذه الدراسة هي من الأدبيات العلمية ذات الوصول المفتوح ولم يتم استخدام أي برنامج لجمع البيانات.
تحليل البيانات
تم استخدام رموز مصنوعة خصيصًا لتطوير البيانات، التحليل والتصور. جميع السكربتات مكتوبة بلغة بايثون 3.9.12. تم إنشاء الخرائط باستخدام حزم Matplotlib وGeopandas. جميع الرموز مخزنة في مستودع Zenodo ذو الوصول المفتوح http://doi.org/10.5281/ zenodo. 8155141
للمخطوطات التي تستخدم خوارزميات أو برمجيات مخصصة تكون مركزية للبحث ولكن لم يتم وصفها بعد في الأدبيات المنشورة، يجب أن تكون البرمجيات متاحة للمحررين و
البيانات
معلومات السياسة حول توفر البيانات
يجب أن تتضمن جميع المخطوطات بيانًا حول توفر البيانات. يجب أن يوفر هذا البيان المعلومات التالية، حيثما ينطبق:
رموز الوصول، معرفات فريدة، أو روابط ويب لمجموعات البيانات المتاحة للجمهور
وصف لأي قيود على توفر البيانات
بالنسبة لمجموعات البيانات السريرية أو بيانات الطرف الثالث، يرجى التأكد من أن البيان يتماشى مع سياستنا
البيانات متاحة من المستودع ذو الوصول المفتوح http://doi.org/10.5281/zenodo.8155141. يحتوي المجلد “input_data” على السكربتات المستخدمة لمعالجة البيانات الخام المدخلة للدراسة. يحتوي المجلد الفرعي “input_raster” على ملفات الراستر ذات الدقة المكانية المحددة على نطاق عالمي التي بُنيت عليها الدراسة. البيانات الخام المستخدمة في الدراسة تأتي من مجموعات بيانات مفتوحة المصدر:
أسعار الأسمدة التاريخية: 47. ها، جونغريم، م. أيهان كوس، & فرانزيسكا أونزورغ. مصدر شامل: قاعدة بيانات عالمية لسياسة التضخم. ورقة عمل بحثية للبنك الدولي 9737 (2021).
الطلب على النيتروجين المحدد مكانيًا في 2020: 42. أداليبيكي، و.، كوي، إكس.، كاي، إتش.، يو، ل. & زو، ف. مجموعة بيانات تخصيب النيتروجين الخاصة بالمحاصيل العالمية في 1961-2020. بيانات علمية 10(1)، 617 (2023).
البحث الذي يشمل المشاركين البشريين، بياناتهم، أو المواد البيولوجية
معلومات السياسة حول الدراسات التي تشمل المشاركين البشريين أو البيانات البشرية. انظر أيضًا معلومات السياسة حول الجنس، الهوية/العرض، والتوجه الجنسي والعرق، الإثنية والعنصرية.
التقرير عن الجنس والجندر
لم يشارك أي مشارك بشري في هذا العمل.
التقرير عن العرق، الإثنية، أو مجموعات اجتماعية أخرى ذات صلة
لم يشارك أي مشارك بشري في هذا العمل.
خصائص السكان
لم يشارك أي مشارك بشري في هذا العمل.
التوظيف
لم يشارك أي مشارك بشري في هذا العمل.
الإشراف الأخلاقي
لم يشارك أي مشارك بشري في هذا العمل.
لاحظ أنه يجب أيضًا تقديم معلومات كاملة حول الموافقة على بروتوكول الدراسة في المخطوطة.
التقرير الخاص بالمجال
يرجى اختيار الخيار أدناه الذي يناسب بحثك بشكل أفضل. إذا لم تكن متأكدًا، اقرأ الأقسام المناسبة قبل اتخاذ اختيارك. علوم الحياة العلوم السلوكية والاجتماعية
العلوم البيئية والتطورية والإيكولوجية
يجب على جميع الدراسات الإفصاح عن هذه النقاط حتى عندما يكون الإفصاح سلبيًا.
وصف الدراسة
تعتمد الدراسة على بيانات مدخلة من منشورات علمية مفتوحة المصدر ولا تشمل أي قياسات مختبرية أو عمل ميداني.
عينة البحث
تأتي بيانات البحث عالية الدقة المحددة مكانيًا المستخدمة للتحليل من المنشور العلمي:
أداليبيكي، و.، كوي، إكس.، كاي، إتش.، يو، ل. وزو، ف. مجموعة بيانات تخصيب النيتروجين الخاصة بالمحاصيل العالمية في 1961-2020. بيانات علمية 10(1)، 617 (2023).
توفر هذه البيانات تقديرات حتمية للمواد الغذائية المطلوبة لإنتاج المحاصيل تحت سيناريوهات مختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، يتم حساب تكلفة إنتاج الأمونيا المحلية عالية الدقة المحددة مكانيًا من افتراضات التكلفة المستندة إلى الأدبيات والإشعاع الشمسي من:
– ESMAP. الأطلس الشمسي العالمي 2.0. تقرير فني، البنك الدولي. https://globalsolaratlas.info/map (2019).
استراتيجية أخذ العينات
تأتي البيانات المحددة مكانيًا من تقديرات حتمية، استنادًا إلى افتراضات محددة جيدًا.
جمع البيانات
تأتي جميع البيانات من الأدبيات الموثقة ذات المصدر المفتوح.
التوقيت والنطاق المكاني
لا ينطبق هذا النقطة حيث أن البيانات المستخدمة تأتي من حسابات عددية.
استبعاد البيانات
لم يتم إدخال أي تصحيح للبيانات بخلاف الحسابات المذكورة في المقال.
إمكانية التكرار
جميع الحسابات في المقال قابلة للتكرار بناءً على الأكواد في المجلد المفتوح الوصول.
العشوائية
التخصيصات الوحيدة للبيانات ضمن هذه الدراسة هي تجميع البيانات على مستوى البكسل إلى دول وقارات. يعتمد تخصيص البيانات، القابل للتكرار مع الأكواد المشتركة، على مضلعات تصف شكل الدول الفردية والبكسلات الموجودة داخل المضلعات.
التعمية
هذه النقطة لا تنطبق لأن البيانات المستخدمة تأتي من حسابات عددية.
هل شملت الدراسة عملًا ميدانيًا؟
نعم
التقارير عن مواد وأنظمة وطرق محددة
نحتاج إلى معلومات من المؤلفين حول بعض أنواع المواد والأنظمة التجريبية والطرق المستخدمة في العديد من الدراسات. هنا، حدد ما إذا كانت كل مادة أو نظام أو طريقة مدرجة ذات صلة بدراستك. إذا لم تكن متأكدًا مما إذا كان عنصر القائمة ينطبق على بحثك، اقرأ القسم المناسب قبل اختيار رد.
المواد والأنظمة التجريبية
الطرق
غير متاح
مشارك في الدراسة
غير متاح
مشارك في الدراسة
X
النباتات
مخزونات البذور
غير متاح
أنماط نباتية جديدة
غير متاح
التحقق
غير متاح
معهد الميكانيكا والمواد والهندسة المدنية، UCLouvain، أوتينيس-لوفان-لا-نيوف، بلجيكا.قسم الديناميكا الهوائية والحرارية، ULB، بروكسل، بلجيكا.قسم البيئة العالمية، مؤسسة كارنيجي للعلوم، ستانفورد، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية.معهد الطاقة وهندسة العمليات، ETH زيورخ، زيورخ، سويسرا.البريد الإلكتروني:davidetonelli@outlook.com; Irosa@carnegiescience.edu
The current centralized configuration of the ammonia industry makes the production of nitrogen fertilizers susceptible to the volatility of fossil fuel prices and involves complex supply chains with long-distance transport costs. An alternative consists of on-site decentralized ammonia production using small modular technologies, such as electric Haber-Bosch or electrocatalytic reduction. Here we evaluate the cost-competitiveness of producing low-carbon ammonia at the farm scale, from a solar agrivoltaic system, or using electricity from the grid, within a novel global fertilizer industry. Projected costs for decentralized ammonia production are compared with historical market prices from centralized production. We find that the cost-competitiveness of decentralized production relies on transport costs and supply chain disruptions. Taking both factors into account, decentralized production could achieve cost-competitiveness for up to of the global ammonia demand by 2030 . These results show the potential of decentralized ammonia technologies in revolutionizing the fertilizer industry, particularly in regions facing food insecurity.
Achieving net-zero emissions by 2050 will necessitate transformations across several industries and sectors . Notably, agriculture plays a vital role in supporting the global population by supplying essential nutrients such as nitrogen, phosphorus and potassium through fertilizers . Among them, nitrogen is the most consumed nutrient in agriculture , and its supply relies on either manure (33%) or industrially synthesized ammonia . Ammonia-derived nitrogen fertilizers are estimated to produce food that feeds 3.8 billion people or half of the global population . The current worldwide requirement for ammonia in fertilizer production is 132 million metric tons (Mt) per year (2021). However, projections indicate that this demand is expected to increase to (ref. 10) by 2050. This surge is attributed to factors such as population growth and shifts in dietary patterns, which are predicted to increase food demand by at least by 2050. Beyond the production of nitrogen fertilizers, which cover
of ammonia usage , ammonia is also used in the production of plastics, explosives and synthetic fibres . Historically, the ammonia industry has developed around centralized facilities , which rely on the thermocatalytic Haber-Bosch process fed with natural gas (72%), coal ( ) or heavy fuel oil ( . Despite being optimized during the twentieth century, the Haber-Bosch process remains an energy- and carbon-intensive process , using of energy and emitting . The production in centralized facilities requires the additional conversion of ammonia into intermediate molecules, such as urea, ammonium nitrate and nitric acid, which carry 55%, and , respectively, of the current global synthetic nitrogen fertilizers and facilitate the transport of ammonia . While of the emissions from the current centralized facilities are associated with ammonia production, of the emissions are temporarily stored as carbon content in urea molecules and released at the point of fertilizer
. The conventional fertilizer production process, marked by high carbon and energy intensity , exposure to supply chain shocks , cost implications arising from long-distance transportation and downstream logistics , and the substantial carbon footprint of urea production, emphasizes the need to transition from the current centralized industrial production towards a decentralized configuration.
Under the current centralized configuration, net-zero-emissions fertilizer production can be achieved by upgrading existing production technologies with three measures: (1) utilizing fossil fuels with carbon capture and storage (carbon capture route), (2) employing water electrolysis powered by carbon-free electricity and an external carbon source (carbon usage route) and (3) implementing biochemical processes (bioenergy route) . In a net-zero ammonia industry based on centralized production plants, carbon dioxide molecules would still be required for the conversion of ammonia into urea for transport purposes . While decarbonizing ammonia production is feasible, it may result in trade-offs in terms of energy, land, water and biomass utilization, potentially exacerbating land and water scarcity issues . In the carbon capture route, current production plants based on steam methane reforming would be retrofitted with carbon capture technology, where carbon dioxide molecules would be permanently stored underground or temporarily captured in urea molecules. Since the carbon embedded in the molecule of urea would be released at the point of use, a carbon compensation method (for example, carbon offsetting and carbon dioxide removal) would still be required to achieve net-zero-emissions fertilizers with this solution. While carbon capture does not substantially affect the energy resources required to produce urea, from an economic point of view it is a cost-intensive solution . In addition, despite the carbon capture rate achieving of plant emissions , the value drops to when accounting for emissions from the upstream natural gas supply chain . Alternatively, net-zero ammonia production can be achieved through water electrolysis (carbon usage route), which, however, requires about 25 times more electricity and land, and 50 times more water compared with conventional production methods . In this case, carbon dioxide required for the conversion of ammonia into urea would be supplied from an external source to the process, such as direct air capture fed with renewable electricity, increasing energy demand. Biochemical processes are a land- and water-intensive solution, requiring three and four orders of magnitude more land and water, respectively, than current production methods . In the bioenergy route, hydrogen and carbon dioxide would be produced from steam methane reforming of bio-methane, with additional carbon capture . However, both electrolytic and biogenic hydrogen are subject to constraints of local renewables and feedstock availability . In addition, an infrastructure upgrade would be required to transport hydrogen and carbon dioxide . In some countries, with limited renewable potential and land, the import of low-carbon carriers from regions with high renewable potential would be necessary to maintain centralized production fed with low-carbon energy .
The 2022 energy crisis has underscored the interconnectedness between food and energy systems, with a handful of countries controlling the resources necessary for fertilizer production . Moreover, centralized ammonia production exacerbates transportation costs and carbon emissions, posing additional challenges to providing affordable fertilizers to remote and impoverished regions already struggling with food shortages . By embracing decentralized production, it is possible to mitigate these issues, reduce reliance on imports and ensure a more resilient and equitable distribution of vital agricultural nutrients.
Under a scenario of industrial restructuring towards decentralization, ammonia fertilizers could be produced directly at the point of demand, as a full replacement of centralized plants or complementary to retrofitted centralized plants . Decentralized production is particularly relevant for meeting the demand in areas with limited infrastructural connections from production plants, such as
sub-Saharan Africa . The direct production of ammonia at the demand point presents the advantage of being independent of derived products, such as urea, required in the case of long-distance transport of ammonia. Decentralized ammonia production at the cropland level requires facilities with an average production capacity lower than 15 t of ammonia per day, compared with the average production capacity of 2,000-3,000 tof ammonia per day in current large centralized facilities . The electric version of the traditional Haber-Bosch process replaces the first step of ammonia production based on steam methane reforming with an electrolyser fed with electricity while keeping the second step of ammonia synthesis unaffected. Beyond the electric Haber-Bosch, other technologies, with low operating temperatures and pressures, are suitable for decentralized ammonia production . These technologies include non-thermal plasma-activated nitrogen fixation, photocatalytic nitrogen reduction and direct electrocatalytic nitrogen reduction . Non-thermal plasma-activated nitrogen fixation is based on the activation of nitrogen without a catalyst by generating highly energetic electrons . Photocatalytic nitrogen reduction resembles the artificial photosynthesis of ammonia directly from sunlight, nitrogen and water . Direct electrocatalytic nitrogen reduction (electrocatalysis) can produce ammonia from catalysis based on the direct conversion of water and nitrogen .
This study analyses the spatially explicit cost of on-site ammonia production from decentralized technologies while accounting for the spatially explicit local demand for fertilizers that this technology could supply. This approach enables the quantification of the aggregated global fraction of demand that can be cost-competitively satisfied by small-scale decentralized ammonia production technologies, along with the respective accurate locations for optimal deployment. The magnitude of this demand fraction is a measure of the advantage of shifting the current centralized fertilizer production industry to decentralized production. Most techno-economic analyses in process engineering underscore the cost of decentralized ammonia production without considering agricultural demand , whereas others focus on techno-environmental factors . Simultaneously, food production analyses focus on nitrogen demand (that is, the nutrient that can be released by ammonia use) in agriculture , independently from supply routes for synthetic nitrogen. This work bridges the gap between the local cost of deploying technologies for low-carbon ammonia decentralized production, their potential use to supply ammonia demand on croplands and the cost of ammonia production in the current centralized industry. The findings of this work can be instrumental for decision-makers in designing targeted incentives to promote the adoption of decentralized technologies in specific locations. In addition, the results of this study establish a benchmark for industrial players within the fertilizer industry in adopting different technological solutions to transition from carbon-intensive to net-zero ammonia production technologies.
Results
Ammonia supply-demand cost-competitiveness
To assess the competitiveness of decentralized ammonia production, we combine spatially explicit demand for ammonia as a synthetic nitrogen fertilizer (Fig. 1) with the spatially explicit cost of ammonia from decentralized production technologies. We assume that production technologies are driven either by electricity from the grid, that is, electricity from a mix of power production technologies, or by electricity from an agrivoltaic system, that is, photovoltaic panels installed on agricultural land, which integrate electricity generation and crop production . In the case of electricity from the grid, ammonia can be produced with continuous operation, whereas in the case of electricity from agrivoltaics, the operation of the system depends on the local capacity factor of the solar panels and requires additional storage of hydrogen to allow continuous operation of the ammonia synthesis loop. By considering the capital expenditure of the components of the
Fig. 1|Cumulative ammonia demand cost-competitively supplied with decentralized ammonia production. a,b, The cost of ammonia for decentralized production is derived from the pixel-level levelized cost of electricity-feeding electric Haber-Bosch (a) and electrocatalysis (b). The global distribution of the cost of ammonia production is calculated at the pixel level, highlighting the global average value (vertical dashed lines). c,d, The local cost of decentralized ammonia production is combined with the local demand for ammonia to derive the global fraction of ammonia demand that can be cost-competitively supplied with electric Haber-Bosch (c) and electrocatalysis (d). For each technology,
two systems are considered: connected to the grid with electricity from a mix of conversion technologies and fed with electricity from agrivoltaic solar panels. Reference costs of ammonia production from centralized production are and of , chosen from the median and 95th percentile. In addition, the cost of logistics for transporting ammonia is added to the two prices, resulting in a twofold increase in the price of ammonia at the demand point: and of . The cost-competitiveness of decentralized production varies substantially depending on the cost assumptions for the novel technologies and the reference price of ammonia at the demand point.
technologies and the variable cost combined with the local levelized cost of electricity, we quantify the local cost of ammonia production based on electric Haber-Bosch and electrocatalysis technologies for ammonia production. In addition, we compare the local cost of ammonia production with the historical ammonia market price to identify the fraction and location of ammonia that can be cost-competitively supplied from decentralized production. Historical data of ammonia market prices are taken from the World Bank commodity price database for 2008-2022 (Supplementary Section 3). While traded commodity prices are influenced by regional spot markets, end-user fertilizer prices are location-specific and contingent on the distance from centralized production plants in the case of land transport or the proximity to terminals in the case of overseas trade . Additional heterogeneity among end-use prices is determined by country-specific taxes and the margins of the companies involved . By considering two extreme scenarios of production and transport costs, we ensure to include the full spectrum of possible fertilizer prices at the demand point. Specifically, we assume fertilizer prices at the demand point to vary between prices of production in the absence of supply shocks with negligible transport cost (that is, median price equalling ) and prices of production under supply shocks with extreme transport costs (that is, 95 th percentile + transport price equalling ) (additional information provided in Supplementary Section 3). Beyond the lower and upper bounds of fertilizer prices mentioned, we consider an intermediate case representative of the fertilizer price in the absence of supply shocks with transport cost (that is, median + transport price equalling ) and a case representative of the fertilizer price under supply shocks but negligible transport cost (that is, 95th percentile
equalling ). The following text mainly refers to the latter price as the median + transport price.
Figure 1 shows the comparison of the cost of ammonia production from decentralized technologies with three different historical prices of ammonia from centralized production plants. Derived from our geospatial analysis, the figure presents the global distribution of ammonia production cost under current (2020, to avoid distortion from the Russian invasion of Ukraine in 2022) and prospective technological developments in 2030 and 2050 for electric Haber-Bosch (Fig. 1a) and electrocatalysis (Fig. 1b). We consider two configurations of ammonia production systems: (1) connected to the grid (grid in Fig.1) and (2) with electricity supply from agrivoltaic solar panels (agrivoltaics in Fig. 1). The cost of electricity used in the calculations depends on the local solar irradiation at a pixel level, independent of the ammonia production systems. In the case of the agrivoltaic system, the cost of ammonia depends on the local capacity factor, affecting the electrolyser capacity. In addition, the final cost of ammonia production depends on the cost of hydrogen storage to allow continuous operation of the ammonia synthesis loop in the case of an agrivoltaic system . The impact of the capacity factor and the cost of storage is highlighted by the shift in the average ammonia price distribution in 2020, 2030 and 2050 (vertical dashed lines in Fig. 1a,b).
The cumulative demand for ammonia over the cost of decentralized production in Fig. 1 allows us to quantify the demand fraction that could be cost-competitively supplied based on decentralized technologies. The lower technology readiness level of electrocataly (TRL1-3) implies higher ammonia production costs with respect to the more mature electric Haber-Bosch (TRL 6-7 in the case of a
Fig. 2 | Location of ammonia demand on croplands in the current scenario supplied by either decentralized electric Haber-Bosch or decentralized electrocatalysis in the grid-connected configuration. For each pixel, the cost of ammonia production from decentralized technologies is determined based on the earliest year that achieves cost-competitiveness among 2020 (red), 2030 (blue) and 2050 (green). The cost of decentralized production is compared with the cost of ammonia production from centralized production and the cost of ammonia at the demand point, inclusive of the cost of transport. Reference costs of ammonia production from centralized production are and of , chosen from the median, 95th percentile, and maximum prices of the historical ammonia market price, respectively. In addition, the cost of logistics for transporting ammonia is added to the three prices, resulting in a twofold increase in the price of ammonia at the demand point.a,d, Ammonia production by decentralized electric Haber-Bosch (a) or decentralized electrocatalysisis (d) is never cost-competitive with centralized
fossil-based production under low market prices from centralized production and excluding the cost of transport of ammonia. b,c, Cost-competitiveness based on electric Haber-Bosch is reached for the projected technological development in 2030 and 2050 and in comparison with the median cost of production combined with the cost of transport (equivalent to the 95th percentile cost of ammonia production) (b) and the 95th percentile cost of production with the additional cost of transport (c). e,f, Cost-competitiveness based on decentralized electrocatalysisis is reached for the projected technological development in 2030 and 2050 and in comparison with the median cost of production combined with the cost of transport (equivalent to the 95th percentile cost of ammonia production) (e) and the 95th percentile cost of production with the additional cost of transport (f). Yellow-coloured pixels represent regions where decentralized production is not cost-competitive. Values relative to are presented in Table1 clustered at the continental level. The maps are created with the Matplotlib and Geopandas packages for Python .
proton-exchange membrane electrolyser and 8-9 in the case of an alkaline electrolyser) in scenarios of short- to medium-term technology deployment . Under the assumptions of increased technological performance and reduced capital expenditure, electric Haber-Bosch and electrocatalysis present similar production costs per unit of ammonia by 2050. Independent of the technology and its development, electric Haber-Bosch and electrocatalysis are never cost-competitive with the median historical prices of ammonia production from centralized plants in supply chain operations without shocks (median in Fig. 1c,d). When including the cost of transport to the median cost of ammonia production in supply chain operations without shocks, of ammonia demand can be cost-competitively supplied with decentralized electric Haber-Bosch by 2030 , only in the case of a grid-connected system, and by 2050 in the case of grid-connected and agrivoltaic-based systems, respectively (median + transport in Fig. 1c). Grid-connected electrocatalysis can cost-competitively supply up to by 2050 (median + transport in Fig. 1d). In the case of ammonia production from centralized plants with supply chain shocks ( reference price of ammonia), and of ammonia can be cost-competitively supplied by 2030 ( by 2050 ) with electric Haber-Bosch with a grid-connected system and an agrivoltaic-based system, respectively (Fig. 1c). Electrocatalysis can cost-competitively supply up to and by
reference price of ammonia) in the case of grid-connected and agrivoltaic-based systems, respectively, with the remaining by 2050 (Fig. 1d). In the case where ammonia prices equal the 95th percentile and additional transport cost, and of the demand can be cost-competitively supplied based on electric Haber-Bosch by 2030 (95th percentile + transport in Fig. 1c) in the case of an agrivoltaic system and a grid connected system, respectively, while and can be cost-competitively supplied based on electrocatalysis (95th percentile + transport in Fig. 1d). The case of production costs under supply chain shocks with the additional cost of transport ( reference price of ammonia) determines the largest price of ammonia at the demand point. Under these conditions, and of the global demand for ammonia could be supplied by electric Haber-Bosch already under the current (2020) production costs, by relying on a grid-connected or an agrivoltaic system, respectively (Fig. 1c). The currently low efficiency of electrocatalysis (2020) limits its potential to 10% of the global demand based on a grid-connected system, even under this extreme case of ammonia price ( reference price of ammonia) at the demand point (Fig. 1d).
On the basis of a spatially explicit demand for ammonia and cost of production from small-scale electric Haber-Bosch and electrocatalysis,
Table 1 | Continent-specific demand and cost-competitiveness based on electric Haber-Bosch with electricity from the grid
Current demand (Mtyr )
Reference cost traditional Haber-Bosch
Cost-effective demand (% of current demand)
2020
2030
2050
Asia demand
median
–
–
–
95th percentile or median+transport
–
1%
93%
95th percentile+transport
–
99%
100%
Europe demand
median
–
–
–
95th percentile or median+transport
–
–
89%
95th percentile+transport
–
100%
100%
Africa demand
median
–
–
–
95th percentile or median+transport
–
40%
100%
95th percentile+transport
–
100%
100%
South America demand
median
–
–
–
95th percentile or median+transport
–
–
100%
95th percentile+transport
–
100%
100%
Oceania demand
median
–
–
–
95th percentile or median+transport
–
50%
100%
95th percentile+transport
–
100%
100%
North America demand
median
–
–
–
95th percentile or median+transport
–
11%
100%
95th percentile+transport
–
100%
100%
Global demand
median
–
–
–
95th percentile or median+transport
–
5%
94%
95th percentile+transport
–
100%
100%
The table presents a breakdown of the current demand for ammonia ( ), which totals globally, divided by continent (first column). The demand for each continent is segmented based on the percentage that can be met cost-competitively in 2020, 2030 and 2050. Reference costs of ammonia production from centralized plants are € 390t and of , chosen from the median and 95th percentile, respectively. In addition, the cost of logistics for transporting ammonia is added to the two prices, resulting in a twofold increase in the price of ammonia at the demand point: and of .
we identify regions worldwide where decentralized ammonia production can be cost-competitive with historical ammonia production from centralized industrial plants. Figure 2 shows the geographical distribution of the fraction of ammonia demand in the earliest year that achieves cost-competitiveness due to technological development for electric Haber-Bosch and electrocatalysis. When the production cost of ammonia is compared with the median of the historical price of centralized ammonia production ( of ), decentralized ammonia supply does not reach cost-competitiveness anywhere in the world (Fig. 2a,d). By contrast, when the local cost of ammonia production is compared with the 95th percentile of the historical price of centralized ammonia production, equivalent to the historical median with the additional ammonia transport cost ( of , Fig. 2b,e), cost-competitiveness is reached in small regions in South Africa and North America by 2030, in the case of production from electric HaberBosch. In the rest of the world, except for Northern Europe and inland China, cost-competitiveness is only reached by 2050 (Fig. 2b,e). When the production cost of ammonia is compared with the 95th percentile of the historical price of centralized ammonia production with the
additional cost of transport ( of ), cost-competitiveness is reached by 2030 between and of croplands worldwide, depending on the technology and system considered. In this cost comparison, regions with the highest cost of ammonia production based on electrocatalysis reach cost-competitiveness only by 2050. Significative values shown in Fig. 2a-c at the continent level are summarized in Table 1.
Continent- and country-specific decentralized supply
By aggregating spatially explicit data from pixels to continent and country levels, we can identify the continent- and country-specific fraction of ammonia demand that can be cost-competitively supplied with decentralized production based on electric Haber-Bosch or electrocatalysis. In addition, this analysis identifies the continent- and country-specific fraction of ammonia for which centralized production is expected to be the most competitive option, independent of future developments in technologies for decentralized production.
Table 1 presents the fraction of ammonia demand that small-scale decentralized electric Haber-Bosch can cost-competitively supply at the continent level. The largest fraction is in Africa where decentralized production can supply up to of the continental demand ( ), in the case of production and transport cost of ammonia summing up to the 95th percentile of the historical price.
Country-level data are shown in Fig. 3, showcasing the proportion of demand that cannot be met cost-competitively through decentralized production (yellow), along with the respective years when cost-competitiveness is achieved (red for 2020, blue for 2030 and green for 2050). Figure 3b, e shows that decentralized production can be cost-competitive with the median of the price when the transport cost to the demand point is accounted for in the comparison, or with the 95th percentile of the production cost alone, with the technological development achieved by 2050. However, even in these cases, technologies for decentralized ammonia production are never cost-competitive for 17% of demand in China, 36% in Germany and 100% in the United Kingdom at the country level with electric Haber-Bosch (Fig. 3b). Trends for electrocatalysis are similar; however, the technological development projected for 2050 is required to make electrocatalysts an alternative option to centralized ammonia production (Fig. 3e).
Discussion
Across the world, fertilizer use is heterogeneous, with regions characterized by nitrogen shortages that limit food production and regions where excessive use of nitrogen harms biodiversity, water quality and human health, and generates greenhouse gas emissions . The need to transport ammonia from centralized production plants to decentralized final points of use in croplands has led to the conversion of volatile and toxic ammonia into stable chemical products, such as urea, ammonium nitrate and nitric acid, currently representing 91% of nitrogen fertilizer use . While about of emissions in nitrogen fertilizer production derive from the synthesis of ammonia , additional emissions come from the use of urea ( ), produced from the synthesis of ammonia and . At the point of use, by reacting with water, ammonia or urea delivers reactive nitrogen as a plant nutrient, with urea additionally releasing into the atmosphere. Currently, ~480 Mt of carbon dioxide equivalent ( ) per year is emitted from the production of nitrogen fertilizers, in addition to embedded in urea molecules, later released into the atmosphere at the point of use of the fertilizer . Although most nitrogen losses occur at the demand point, with unintentional environmental consequences such as algaebloom , the long-distance transport required with centralized production of ammonia increases the risk of nitrogen losses along the supply chain between production and demand points compared with on-site productions .
Decentralized ammonia production has the double advantage of not requiring conversion into an intermediate carrier such as urea,
Non-cost-competitive ammonia production
Fig. 3|Aggregated demand for ammonia at the country level for the top countries for ammonia demand in the grid-connected configuration.
a-f, Comparison of ammonia production is based on technology cost in 2020 (red) and assumptions of technological development for 2030 (blue) and 2050 (green) for electric Haber-Bosch (a-c) and electrocatalysis (d-f). Reference costs of ammonia production from centralized plants are and
€1,560 t of , chosen from the median (a,d), the 95th percentile (b,e), and the 95th percentile cost of production with the additional cost of transport (c,f), respectively. Yellow-coloured stacks represent the demand for which decentralized production is not cost-competitive compared with centralized production.
relying on the supply of carbon dioxide for synthesis. Instead of urea, commercialized in the form of solid prills and diluted for distribution on croplands, ammonia fertilizers can be produced on-site in the form of anhydrous or aqueous ammonia. Anhydrous ammonia allows to reach high ammonia concentrations but requires high pressures for conservation in gaseous form and sophisticated machines for injection into the soil . Aqueous ammonia contains lower ammonia concentrations but can be stored under ambient conditions in liquid form and can rely on existing irrigation systems for distribution-a technique known as fertigation -or agricultural sprayers, such as backpack or boom sprayers.
In the case of agrivoltaic systems, relying on the coupling of electricity production from solar panels with technologies for ammonia production, the cost of ammonia at the demand point is stabilized and independent of fluctuations in the price of fossil fuels and geopolitical events. However, this configuration determines a dependence on the capacity factor of the solar panel, leading to a fivefold increase in fixed costs, reflected in a higher unit cost of ammonia production. In the case of electric Haber-Bosch, the system configuration based on agrivoltaic requires an additional capacity for hydrogen storage to guarantee the continuous operation of the ammonia synthesis loop, increasing the fixed costs of the technology by more than 20% (see agrivoltaic systems in Supplementary Section 2). The ammonia synthesis loop involves temperature- and pressure-dependent chemical reactions. Continuous operation minimizes energy requirements by maintaining design conditions that optimize catalytic activity and the chemical reaction rate for ammonia production . The largest fraction of fixed and variable costs is associated with the capital expenditure of the electrolyser and the electrocatalyst. The connection of the system to the grid avoids the impact of intermittent electricity production from renewables. In this case, the final cost of ammonia and the carbon intensity of the electricity used depend on the power market and the country-specific mix of conversion technologies. To keep the analysis independent from country-specific considerations and predictions of the price of
electricity in 2030 and 2050, we based our analysis on the levelized cost of electricity derived from spatially explicit solar irradiation. An additional advantage derived from decentralized fertilizer production is the minimal requirement of storage for fertilizers. While in the case of centralized production the delivery of ammonia based on trade (a couple of times per year) requires storage vessels to accommodate agricultural consumption patterns, decentralized production allows continuous production and application .
The comparison of centralized and decentralized ammonia production within this analysis is based on historical ammonia market prices between 2008 and 2022 and the cost of ammonia production at the demand points. The accurate quantification of the price of ammonia for the final user from centralized production would include the additional cost of transportation and distribution from the production plants to the final demand points. Transportation costs for fertilizers are country-specific, ranging from in Thailand to in Mozambique of the fertilizer price at the point of consumption . Within sub-Saharan Africa, the most expensive local market price data were recorded in the landlocked countries of Burundi, Uganda and Burkina Faso, reaching up to of urea . For a more precise assessment of decentralized ammonia production’s competitiveness, it is essential to consider technology- and country-specific incentives for climate action, such as the United States’ Inflation Reduction Act and the European Union’s Net Zero Industry Act . The results of this analysis depend on assumptions made about the costs associated with the technologies, derived from relevant literature. These results are sensitive to variations in certain key parameters. Specifically, the discount rate, capital expenditure in the levelized cost of electricity, and the efficiencies of the electrolyser and electrocatalyst are the main factors influencing the median value of the global distribution of ammonia production (see Supplementary Section 4).
Achieving a net-zero-emissions scenario based on centralized ammonia production is possible by upgrading existing production plants with carbon capture technologies or with water electrolysis
for hydrogen production from renewable electricity and carbon from an external source for urea production. In the former case, the cost of ammonia production is still dependent on the cost of natural gas. In the latter, the main cost of feedstocks is the local cost of electricity from the grid or produced with dedicated renewable technologies. Capturing carbon emissions from ammonia production based on natural gas implies an additional cost of of , under the assumption of a plant-level capture rate and a transport of of . These additional costs reduce approximately to of in the case of carbon capture based on autothermal reforming, which also allows a plant capture rate . Estimated differential costs in ammonia production between centralized traditional HaberBosch and centralized water electrolysis plants vary approximately between – and of , depending on the cost of natural gas ( and , respectively), for an electricity cost of , which allows reaching a breakeven point between the two technologies at a natural gas cost of approximately . Cost differences also vary between and , depending on the cost of electricity ( and , respectively), for a natural gas cost of , which allows reaching a breakeven point between the two technologies at an electricity cost of . Ammonia production from water electrolysis becomes cost-competitive with the carbon capture route for electricity costs lower than the breakeven points of and , for natural gas costs of and , respectively. These estimates exclude the cost of involved in the conversion of ammonia into urea. The carbon intensity of ammonia in the carbon usage route depends on the carbon intensity of the electricity-feeding technology. Reference values are 458 kg of per MWh of electricity as the world average carbon intensity in the case of grid-connected systems, reducing to per MWh in the case of electricity from solar photovoltaic panels (range per MWh. The total electricity required to supply the assumed of ammonia demand based on decentralized technologies is estimated to be less than 10% of the total global electricity consumption recorded in 2019, which amounted to . Local analyses of the grid are required to assess the impact of these technologies on safety and reliability.
The restructuring of the ammonia production industry towards electrified and decentralized production would affect the entire fertilizer supply chain, which currently depends on energy imports and trade of final products. In fact, in the current centralized fossil-based ammonia production, of global food demand relies on ammonia produced from imported natural gas, while an additional directly relies on ammonia import . Therefore, food crop prices depend on fertilizer prices subject to the highly volatile and uncertain market of fossil fuel feedstocks, mostly natural gas , and the additional cost of transportation to final demand points . Limited access to fertilizers and an increase in the marginal cost of crops can favour undernourishment and food insecurity . While centralized production plants face the risk of becoming stranded assets because of the capital intensiveness of their construction and additional investments required for their retrofitting, the widespread use of small-scale modular technologies can occur in a short time due to the maturity of electric Haber-Bosch and the potential short-term (by 2030) technological developments such as electrocatalysis. In addition, these technologies require minimal upgrades in infrastructure, contrary to large-scale centralized ammonia production plants.
Methods
Ammonia demand
We consider global demand for ammonia from a spatially explicit database providing nitrogen use per crop and per fertilizer type in 2020. To our knowledge, this database is the most up-to-date source of N fertilization data and representative of a total demand for ammonia of , which is the closest value to the total global
demand for ammonia for agricultural use derived from estimations by the Food and Agriculture Organization in 2021. The use of spatially explicit data of demand in this study is necessary for combining with the location-specific cost of ammonia production from distributed technologies, derived from the spatially explicit levelized cost of electricity (that is, the local cost of renewable electricity production dependent on location-specific solar irradiation and capacity factor). We consider the fertilizer nitrogen demand for 18 major crops, vegetables, fruits and other crops (see Supplementary Table 1 in Supplementary Section 1) and derive the corresponding amount of ammonia assuming a stoichiometric ratio of 1.21 kg of ammonia per kg of nitrogen. In estimating the demand for nitrogen, we include nitrogen from different types of synthetic fertilizer, excluding nitrogen from manure and crop residues. The original data have a resolution of at the Equator), which were aggregated at global, continental and country scales. At a pixel level, the maximum local demand for ammonia over harvested areas (discretized in pixels from to in size) is lower than (equivalent to ). The mass unit of measure used in article refers to metric tons ( t ).
Energy production
We consider electric Haber-Bosch and electrocatalysis as candidate technologies that could be deployed for distributed ammonia production. Low-carbon production of ammonia requires any of these technologies to be fed with renewable electricity, assumed here to be provided either from the grid or from small-scale solar panels. In the latter case, electricity is assumed to be supplied by an agrivoltaic system. This typology of system integrates crop production with power generation from photovoltaics. Photovoltaic panels are installed on the ground with sufficient space to allow the use of farming equipment and operations. Agrivoltaic systems are chosen due to their dual advantage of producing renewable electricity while providing shade for crops, limiting the evaporation of water from the soil and leading to water saving . The yearly average solar power production, , is a technology-,time-,space- and weather-dependent parameter. We quantify this parameter with a bottom-up approach, based on a yearly average geographical discretization at grid resolution (about at the Equator), resampled to grid resolution (about at the Equator). The energy production from solar photovoltaics for all cells, , is computed as:
where is the yearly energy production from solar panels per square kilometre in grid cell is the conversion efficiency of solar panels and is the yearly average global horizontal irradiation in cell .
Electricity and ammonia production cost
Three technologies can be assumed as representative of ammonia production evolution . The traditional Haber-Bosch process for centralized ammonia production is taken as a reference in this study based on historical data of ammonia market price (Supplementary Section 3). Given its high readiness level, the small-scale electrified Haber-Bosch process for distributed ammonia production can be considered a second-generation technology . Finally, due to its low technological development, the direct conversion of nitrogen and water for distributed ammonia production can be considered a third-generation technology . Here we derive the production cost of ammonia from the second- and third-generation technologies for distributed ammonia production, namely electric Haber-Bosch and direct electrochemical reduction. In the electric Haber-Bosch process, we assume hydrogen production from a proton-exchange membrane electrolyser, which is a commercially available technology and presents load flexibility advantages compared with other electrolyser types .
To produce low-carbon ammonia, both technologies have to be powered with renewable electricity. Here we assume electricity from the grid or generated from solar photovoltaics in an agrivoltaic system installed on croplands. The cost of ammonia production per technology is computed in two steps. First, we compute the levelized cost of electricity independently of the technology for ammonia production under cost assumptions for 2020, 2030 and 2050. Then, we derive the final cost of ammonia based on the energy consumption, capital and variable cost of each technology. Since our analysis is based on the combination of spatially explicit cost of ammonia production with spatially explicit demand for ammonia, we assume the levelized cost of electricity as the variable cost for both grid-connected and photovoltaics-based systems. In the following, we summarize the steps for the derivation of the marginal cost of ammonia production from decentralized technologies. Further details are provided in Supplementary Section 2.
We compute the cost of energy feeding the technologies for ammonia production based on the levelized cost of electricity, , according to ref. 61 , in every cell :
where is the capital expenditure for solar panels, ( ) is operation and maintenance fixed costs, is the discount rate, is the degradation rate, is the lifetime of solar panels, is the solar energy production derived from equation (1) and is the capacity installed according to equation (3). The installed capacity, , is computed as:
where is the capacity factor in cell .
The cost of producing ammonia from electricity from solar panels feeding the electric Haber-Bosch and the direct electrochemical reduction is determined in this study using a reference methodology . For both technologies, the marginal cost of ammonia is computed as:
where of is the total cost of ammonia production in cell , of is the variable cost due to the production of ammonia in cell and of is the fixed cost of the system in cell .
In the case of electric Haber-Bosch, the variable costs include the electricity feeding the electrolyser for hydrogen production, the ammonia synthesis loop and the air separation unit (ASU) for nitrogen production from air:
where is the levelized cost from photovoltaic in cell , of is the lower heating value of hydrogen, is the electrolyser efficiency with respect to the lower heating value of hydrogen, of is the energy consumption for ammonia synthesis from hydrogen feedstock and of is the energy consumption for the operation of the ASU.
In the case of electrocatalysis, the variable cost is composed of the energy required in the (electro)catalytic system to supply the ASU:
where is the levelized cost of electricity from photovoltaic in cell of is the enthalpy of reaction of nitrogen electroreduction to ammonia, of is the energy
consumption for the operation of the ASU and is the conversion efficiency of electrocatalysis.
While the variable cost is a cell-specific quantity, due to the dependence on the levelized cost of electricity in cell , the fixed cost can be dependent on the local capacity factor, in the case of electricity from an agrivoltaic system, or independent of spatial resolution, in the case of electricity supplied from the grid. For electric Haber-Bosch, the fixed cost is derived from the electrolyser, hydrogen storage capacity, the Haber-Bosch synthesis loop, the ASU and the cost of maintenance of the plant:
where of is the capex of the electrolyser per unit of ammonia produced in cell of is the fixed cost of ammonia synthesis, of is the fixed cost for operation and maintenance, of is the capex of the ASU, of .
In the case of electricity supplied from the grid, the cost of storage, , is assumed equal to zero, and the capacity factor, affecting the capex of the electrolyser, is assumed equal to the global average for solar panels in every cell .
For electrocatalysis, the fixed cost is derived from two components of the system, electrocatalyst and ASU, in addition to the cost of maintenance of the plant:
where of is the fixed cost for operation and maintenance, of is the capex of the ASU and of is the capex of catalyst per unit of ammonia produced in cell .
In the case of electricity supplied from the grid, the capacity factor affecting the capex of the catalyst is assumed to be equal to the global average solar panel capacity factor in every cell .
Caveats
With the advent of electrification, the necessity for extensive centralized production could diminish, thereby paving the path for electrified decentralized production . Currently, the need for a limited number of centralized production plants lies in the large capital investments required to sustain the high temperatures ( for hydrogen production from natural gas) and pressures (>250 bar for ammonia synthesis) of the traditional thermal Haber-Bosch process . In the traditional Haber-Bosch process, these investments are mitigated by a shift from decentralized to centralized production with up to reduction in the final cost of ammonia . Instead, in processes requiring lower temperatures and pressures, a shift to centralized production would only lead to limited reductions in the final cost of ammonia (<15% in the electric Haber-Bosch process) .
If the production of ammonia-derived fertilizers were to maintain the same current carbon intensity and the same proportion of urea manufacturing with the demand of ammonia in , carbon emissions for the production of ammonia in the fertilizer industry would reach , with an additional within urea molecules. Instead, if by 2050 all ammonia were produced in a decentralized configuration from renewable electricity (that is, electrocatalysis or electrified Haber-Bosch fed with renewable electricity) with a carbon intensity of and without the need for producing urea, emissions for ammonia production in the fertilizer industry would only be approximately . The complete shift to decentralized ammonia production would lead to savings of .
While our analysis focuses on providing a comparison of centralized and decentralized ammonia production costs based on current information, different factors affect the future price of ammonia in
centralized and decentralized configurations. The international trade of ammonia as a commodity, required in the case of production from a centralized configuration, implies that future ammonia prices will be determined by the law of supply and demand. Depending on the future routes of centralized ammonia production, ammonia price will depend on either the price of natural gas for carbon capture routes from the commodity market or the price of electricity for electrolytic hydrogen production in the carbon usage route from the power market. While of current global demand for ammonia is associated with fertilizers , future demand is predicted to involve the use of ammonia as a fuel in shipping and power production sectors , in addition to the current uses. The average increase in ammonia demand until 2050 varies between and per year , depending on future demand scenarios. Supply of ammonia can grow at similar rates, thus having a limited impact on market price. However, the technology upgrade for centralized ammonia production could have a long-term impact on the cost of ammonia production. In the context of decentralized technologies for ammonia production, there is no commodity market involved, as suppliers and consumers of ammonia are the same. In this case, the price of ammonia equals the cost of ammonia production and is highly dependent on the development and commercialization of small-scale electric Haber-Bosch and electrocatalysis.
The electrical synthesis of ammonia, based on electric HaberBosch or electrocatalysis, is among the solutions that can be implemented at a farm level to achieve net-zero emissions in agriculture while maintaining high crop productivity . Although this analysis is limited to the deployment of electric Haber-Bosch and electrocatalysis, other technologies exist for distributed ammonia production operating at low temperatures and atmospheric pressure . Non-thermal plasma-activated nitrogen fixation allows the production of ammonia with theoretical energy consumption lower than the Haber-Bosch process. However, plasma processes are still in the research stage as a technological advancement aimed at reducing energy requirements . Photocatalytic nitrogen reduction can be fed directly with solar energy. However, its commercial use requires a more advanced understanding of the effect of reaction mechanisms, solution compositions and material activity on performance. In addition, current experimental research lacks accurate measurement standards, limiting the reproducibility of results . Beyond technological solutions, biological nitrogen fixation, based on ammonia production from bacteria, is the oldest technique used by farmers to increase the level of nitrogen as a plant nutrient . The main bacteria for nitrogen fixation are present in the roots of legumes, but other nitrogen-fixing bacteria can be found in alder trees and aquatic ferns . While currently only legumes such as beans and peas can host nitrogen-fixing bacteria, genetic engineering could lead to biological nitrogen fixation in cereal crops . A major source of nitrogen, not considered in this study, is manure, which supplies approximately of nitrogen globally, equivalent to of the total global synthetic nitrogen fertilizers .
The discussion surrounding distributed ammonia production naturally leads to enquiries regarding the ease of converting ammonia into potentially hazardous substances, such as ammonium nitrate ( ), and the corresponding risk management strategies. However, ammonia is a chemical already largely produced without creating national security issues. Nonetheless, the production of ammonia in less controlled environments might lead to potential misuse for munition production. Although the scope of this work does not cover the specific aspects of security risks, recognizing its significance highlights the need for future research to explore this aspect.
Political measures aimed at curbing emissions from the ammonia industry could increase the cost of ammonia. Based on the findings of our extensive global analysis, which underscores the potential for a reconfiguration of the global ammonia industry through decentralized production, a reduction in the supply cost of ammonia could be
achieved in regions where transportation from centralized production represents the largest fraction in the breakdown of fertilizer price. Future research should concentrate on smaller geographical scales and conduct a cost comparison based on existing centralized production plants and the cost of transportation to distribute ammonia demand on croplands. An extensive cost-competitiveness analysis should be carried out considering infrastructural and technological requirements for retrofitting solutions in existing centralized ammonia production plants and country-specific political incentives for the adoption of low-carbon technologies.
Reporting summary
Further information on research design is available in the Nature Portfolio Reporting Summary linked to this article.
Data availability
The processed data are available at https://doi.org/10.5281/ zenodo. 8155141 (ref. 69). This dataset includes information on the country-specific demand for ammonia and cost-competitiveness of decentralized ammonia production. Source data are provided with this paper.
Code availability
The complete Python codes used for the calculation and visualization of the results can be accessed via Zenodo at https://doi.org/10.5281/ zenodo. 8155141 (ref. 69). A description of the content of the repository is provided online.
References
Davis, S. J. et al. Net-zero emissions energy systems. Science 360, eaas9793 (2018).
Rosa, L. & Gabrielli, P. Achieving net-zero emissions in agriculture: a review. Environ. Res. Lett. 18, 063002 (2023).
Bergero, C. et al. Pathways to net-zero emissions from aviation. Nat. Sustain. 6, 404-414 (2023).
Gabrielli, P. et al. Net-zero emissions chemical industry in a world of limited resources. One Earth 6, 682-704 (2023).
Gao, Y. & Cabrera Serrenho, A. Greenhouse gas emissions from nitrogen fertilizers could be reduced by up to one-fifth of current levels by 2050 with combined interventions. Nat. Food 4, 170-178 (2023).
Rosa, L. & Gabrielli, P. Energy and food security implications of transitioning synthetic nitrogen fertilizers to net-zero emissions. Environ. Res. Lett. 18, 014008 (2022).
Ouikhalfan, M., Lakbita, O., Delhali, A., Assen, A. H. & Belmabkhout, Y. Toward net-zero emission fertilizers industry: greenhouse gas emission analyses and decarbonization solutions. Energy Fuels 36, 4198-4223 (2022).
FAOSTAT Fertilizers by Nutrient (FAO, 2022); http://www.fao.org/ faostat/en/#data/RFN
FAOSTAT Climate Change: Agrifood Systems Emissions, Emissions from Crops, Element: Synthetic Ferilizers (Agricultural Use), Item: Nutrient Nitrogen N (Total) (FAO, 2023); http://www.fao.org/ faostat/en/#data/GCE
Beltran-Peña, A., Rosa, L. & D’Odorico, P. Global food selfsufficiency in the 21st century under sustainable intensification of agriculture. Environ. Res. Lett. 15, 095004 (2020).
Van Dijk, M., Morley, T., Rau, M. L. & Saghai, Y. A meta-analysis of projected global food demand and population at risk of hunger for the period 2010-2050. Nat. Food 2, 494-501 (2021).
McArthur, J. W. & McCord, G. C. Fertilizing growth: agricultural inputs and their effects in economic development. J. Dev. Econ. 127, 133-152 (2017).
Lim, J., Fernández, C. A., Lee, S. W. & Hatzell, M. C. Ammonia and nitric acid demands for fertilizer use in 2050. ACS Energy Lett. 6, 3676-3685 (2021).
MacFarlane, D. R. et al. A roadmap to the ammonia economy. Joule 4, 1186-1205 (2020).
Fernandez, C. A. & Hatzell, M. C. Editors’ choice-economic considerations for low-temperature electrochemical ammonia production: achieving Haber-Bosch parity. J. Electrochem. Soc. 167, 143504 (2020).
Alexander, P. et al. High energy and fertilizer prices are more damaging than food export curtailment from Ukraine and Russia for food prices, health and the environment. Nat. Food 4, 84-95 (2023).
Srivastava, N. et al. Prospects of solar-powered nitrogenous fertilizers. Renew. Sustain. Energy Rev. 187, 113691 (2023).
Bonilla Cedrez, C., Chamberlin, J., Guo, Z. & Hijmans, R. J. Spatial variation in fertilizer prices in sub-Saharan Africa. PLoS ONE 15, e0227764 (2020).
Gabrielli, P., Gazzani, M. & Mazzotti, M. The role of carbon capture and utilization, carbon capture and storage, and biomass to enable a net-zero- emissions chemical industry. Ind. Eng. Chem. Res. 59, 7033-7045 (2020).
Terlouw, T., Bauer, C., Rosa, L. & Mazzotti, M. Life cycle assessment of carbon dioxide removal technologies: a critical review. Energy Environ. Sci. 14, 1701-1721 (2021).
Antonini, C. et al. Hydrogen production from natural gas and biomethane with carbon capture and storage-a technoenvironmental analysis. Sustain. Energy Fuels 4, 2967-2986 (2020).
Rosa, L. & Mazzotti, M. Potential for hydrogen production from sustainable biomass with carbon capture and storage. Renew. Sustain. Energy Rev. 157, 112123 (2022).
Feng, Y. & Rosa, L. Global biomethane and carbon dioxide removal potential through anaerobic digestion of waste biomass. Environ. Res. Lett. 19, 024024 (2024).
Gabrielli, P., Charbonnier, F., Guidolin, A. & Mazzotti, M. Enabling low-carbon hydrogen supply chains through use of biomass and carbon capture and storage: a Swiss case study. Appl. Energy 275, 115245 (2020).
Tonelli, D. et al. Global land and water limits to electrolytic hydrogen production using wind and solar resources. Nat. Commun. 14, 5532 (2023).
Morris M., Kelly V. A., Kopicki R. J. & Byerlee D. Fertilizer Use in African Agriculture, Lessons Learned and Good Practice Guidelines (World Bank, 2007); https://documents1.worldbank.org/curated/ en/498591468204546593/pdf/390370AFROFert101OFFICIALOUS EOONLY1.pdf
D’Angelo, S. C. et al. Environmental and economic potential of decentralized electrocatalytic ammonia synthesis powered by solar energy. Energy Environ. Sci. 16, 3314-3330 (2023).
Comer, B. M. et al. Prospects and challenges for solar fertilizers. Joule 3, 1578-1605 (2019).
Valera-Medina, A. et al. Review on ammonia as a potential fuel: from synthesis to economics. Energy Fuels 35, 6964-7029 (2021).
Chen, S., Perathoner, S., Ampelli, C. & Centi, G. Electrochemical dinitrogen activation: to find a sustainable way to produce ammonia. Stud. Surf. Sci. Catal. 178, 31-46 (2019).
Smith, C., Hill, A. K. & Torrente-Murciano, L. Current and future role of Haber-Bosch ammonia in a carbon-free energy landscape. Energy Environ. Sci. 13, 331-344 (2020).
Winter, L. R. & Chen, J. G. fixation by plasma-activated processes. Joule 5, 300-315 (2021).
Huang, P. W. & Hatzell, M. C. Prospects and good experimental practices for photocatalytic ammonia synthesis. Nat. Commun. 13, 7908 (2022).
Martín, A. J., Shinagawa, T. & Pérez-Ramírez, J. Electrocatalytic reduction of nitrogen: from Haber-Bosch to ammonia artificial leaf. Chem 5, 263-283 (2019).
Giddey, S., Badwal, S. P. S. & Kulkarni, A. Review of electrochemical ammonia production technologies and materials. Int. J. Hydrogen Energy 38, 14576-14594 (2013).
Wang, M. et al. Can sustainable ammonia synthesis pathways compete with fossil-fuel based Haber-Bosch processes? Energy Environ. Sci. 14, 2535-2548 (2021).
D’Angelo, S. C. et al. Planetary boundaries analysis of low-carbon ammonia production routes. ACS Sustain. Chem. Eng. 9, 97409749 (2021).
Mueller, N. D. et al. Closing yield gaps through nutrient and water management. Nature 490, 254-257 (2012).
Adalibieke, W., Cui, X., Cai, H., You, L. & Zhou, F. Global crop-specific nitrogen fertilization dataset in 1961-2020. Sci. Data 10, 617 (2023).
Adeh, E. H., Good, S. P., Calaf, M. & Higgins, C. W. Solar PV power potential is greatest over croplands. Sci. Rep. 9, 11442 (2019).
Dinesh, H. & Pearce, J. M. The potential of agrivoltaic systems. Renew. Sustain. Energy Rev. 54, 299-308 (2016).
Amaducci, S., Yin, X. & Colauzzi, M. Agrivoltaic systems to optimise land use for electric energy production. Appl. Energy 220, 545-561 (2018).
Barron-Gafford, G. A. et al. Agrivoltaics provide mutual benefits across the food-energy-water nexus in drylands. Nat. Sustain. 2, 848-855 (2019).
Ha, J., Ayhan Kose M. & Ohnsorge, F. One-Stop Source: A Global Database of Inflation Policy Research Working Paper 9737 (World Bank, 2021).
Stevens, C. J. Nitrogen in the environment. Science 363, 578-580 (2019).
Menegat, S., Ledo, A. & Tirado, R. Greenhouse gas emissions from global production and use of nitrogen synthetic fertilisers in agriculture. Sci. Rep. 12, 14490 (2022).
Bertagni, M. B. et al. Minimizing the impacts of the ammonia economy on the nitrogen cycle and climate. Proc. Natl Acad. Sci. USA 120, e2311728120 (2023).
Rouwenhorst, K. H., Van der Ham, A. G., Mul, G. & Kersten, S. R. Islanded ammonia power systems: technology review and conceptual process design. Renew. Sustain. Energy Rev. 114, 109339 (2019).
Text – H.R.5376-117th Congress (2021-2022): Inflation Reduction Act of 2022 (Library of Congress, 2022); https://www.congress. gov/bill/117th-congress/house-bill/5376/text
Cardoso, J. S. et al. Ammonia as an energy vector: current and future prospects for low-carbon fuel applications in internal combustion engines. J. Clean. Prod. 296, 126562 (2021).
Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the Climate Goal (International Renewable Energy Agency, 2020).
Yates, J. et al. Techno-economic analysis of hydrogen electrolysis from off-grid stand-alone photovoltaics incorporating uncertainty analysis. Cell Rep. Phys. Sci. 1, 100209 (2020).
Branker, K., Pathak, M. J. M. & Pearce, J. M. A review of solar photovoltaic levelized cost of electricity. Renew. Sustain. Energy Rev. 15, 4470-4482 (2011).
Hochman, G. et al. Potential economic feasibility of direct electrochemical nitrogen reduction as a route to ammonia. ACS Sustain. Chem. Eng. 8, 8938-8948 (2020).
Wolfram, P., Kyle, P., Zhang, X., Gkantonas, S. & Smith, S. Using ammonia as a shipping fuel could disturb the nitrogen cycle. Nat. Energy 7, 1112-1114 (2022).
Net Zero Roadmap: A Global Pathway to Keep the Goal in Reach (International Energy Agency, 2023); https://www.iea.org/ reports/net-zero-roadmap-a-global-pathway-to-keep-the-15-Oc-goal-in-reach
Northrup, D. L., Basso, B., Wang, M. Q., Morgan, C. L. & Benfey, P. N. Novel technologies for emission reduction complement conservation agriculture to achieve negative emissions from row-crop production. Proc. Natl Acad. Sci. USA 118, e2022666118 (2021).
Brill, W. J. Biological nitrogen fixation. Sci. Am. 236, 68-81 (1977).
Mus, F. et al. Symbiotic nitrogen fixation and the challenges to its extension to nonlegumes. Appl. Environ. Microbiol. 82, 36983710 (2016).
Tonelli, D., Rosa, L., Gabrielli, P., Parente, A. & Contino, F. Costcompetitiveness of distributed ammonia production for the global fertilizer industry. Zenodo https://doi.org/10.5281/ zenodo. 8155141 (2024).
Hunter, J. D. Matplotlib: a 2D graphics environment. Comput. Sci. Eng. 9, 90-95 (2007).
Jordahl, K. et al. geopandas/geopandas: v0.8.1. Zenodo https:// doi.org/10.5281/zenodo. 3946761 (2020).
Acknowledgements
This research was funded and developed during D.T.’s research stay at the Carnegie Institution for Science. The research of D.T. was funded by SPF Economie – Fonds de transition énergétique, with supplemental funding by the Carnegie Institution for Science for the completion of this work.
Author contributions
D.T. and L.R. conceived, designed research and collected data. D.T. performed analysis and wrote the paper. L.R. assisted with writing. P.G., A.P. and F.C. assisted with research design and writing.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024
natureportfolio
Apr 6, 2024
Reporting Summary
Nature Portfolio wishes to improve the reproducibility of the work that we publish. This form provides structure for consistency and transparency in reporting. For further information on Nature Portfolio policies, see our Editorial Policies and the Editorial Policy Checklist.
Statistics
For all statistical analyses, confirm that the following items are present in the figure legend, table legend, main text, or Methods section.
Confirmed
The exact sample size ( ) for each experimental group/condition, given as a discrete number and unit of measurement A statement on whether measurements were taken from distinct samples or whether the same sample was measured repeatedly
The statistical test(s) used AND whether they are one- or two-sided
Only common tests should be described solely by name; describe more complex techniques in the Methods section. A description of all covariates tested A description of any assumptions or corrections, such as tests of normality and adjustment for multiple comparisons
A full description of the statistical parameters including central tendency (e.g. means) or other basic estimates (e.g. regression coefficient) AND variation (e.g. standard deviation) or associated estimates of uncertainty (e.g. confidence intervals)
For null hypothesis testing, the test statistic (e.g. ) with confidence intervals, effect sizes, degrees of freedom and value noted Give values as exact values whenever suitable. For Bayesian analysis, information on the choice of priors and Markov chain Monte Carlo settings For hierarchical and complex designs, identification of the appropriate level for tests and full reporting of outcomes Estimates of effect sizes (e.g. Cohen’s , Pearson’s ), indicating how they were calculated
Our web collection on statistics for biologists contains articles on many of the points above.
Software and code
Policy information about availability of computer code
Data collection
The raw data used in this study are from open access scientific literature and no software was used for data collection.
Data analysis
Custom made codes were used for data elaboration, analysis and visualization. All the scripts are written in Python 3.9.12. Maps were created with Matplotlib and Geopandas packages. All the codes are stored in the open access Zenodo repository http://doi.org/10.5281/ zenodo. 8155141
For manuscripts utilizing custom algorithms or software that are central to the research but not yet described in published literature, software must be made available to editors and
Data
Policy information about availability of data
All manuscripts must include a data availability statement. This statement should provide the following information, where applicable:
Accession codes, unique identifiers, or web links for publicly available datasets
A description of any restrictions on data availability
For clinical datasets or third party data, please ensure that the statement adheres to our policy
Data are available from the open access repository http://doi.org/10.5281/zenodo.8155141. The folder “input_data” contains the scripts used to process the raw input data of the study. The subfolder “input_raster” contains the raster files with spatially-explicit resolution at global scale upon which the study is built. The raw
data used in the study come from open-source datasets:
Historical fertilizer prices: 47. Ha, Jongrim, M. Ayhan Kose, & Franziska Ohnsorge. One-Stop Source: A Global Database of Inflation Policy. World Bank Research Working Paper 9737 (2021).
Spatially-explicit nitrogen demand in 2020: 42. Adalibieke, W., Cui, X., Cai, H., You, L. & Zhou, F. Global crop-specific nitrogen fertilization dataset in 1961-2020. Scientific Data 10(1), 617 (2023).
Spatially-explicit solar irradiation: ESMAP. Global Solar Atlas 2.0. Technical Report, World Bank. https://globalsolaratlas.info/map (2019).
Research involving human participants, their data, or biological material
Policy information about studies with human participants or human data. See also policy information about sex, gender (identity/presentation), and sexual orientation and race, ethnicity and racism.
Reporting on sex and gender
No human research participant was involved in this work.
Reporting on race, ethnicity, or other socially relevant groupings
No human research participant was involved in this work.
Population characteristics
No human research participant was involved in this work.
Recruitment
No human research participant was involved in this work.
Ethics oversight
No human research participant was involved in this work.
Note that full information on the approval of the study protocol must also be provided in the manuscript.
Field-specific reporting
Please select the one below that is the best fit for your research. If you are not sure, read the appropriate sections before making your selection. Life sciences Behavioural & social sciences
Ecological, evolutionary & environmental sciences
Ecological, evolutionary & environmental sciences study design
All studies must disclose on these points even when the disclosure is negative.
Study description
The study relies on input data from open source scientific publications and do not involve any laboratory measurements or field work.
Research sample
The spatially-explicit high-resolution research data used for the analysis comes the scientific publication:
Adalibieke, W., Cui, X., Cai, H., You, L. and Zhou, F. Global crop-specific nitrogen fertilization dataset in 1961-2020. Scientific Data 10(1), 617 (2023).
These data provide deterministic estimations of the nutrients required for crops production under different scenarios.
Additionally, the calculation of the spatially-explicit high-resolution local cost of ammonia production is derived from cost assumptions based on literature and the solar irradiation from:
– ESMAP. Global Solar Atlas 2.0. Technical Report, World Bank. https://globalsolaratlas.info/map (2019).
Sampling strategy
The spatially-explicit data comes from deterministic estimations, based on well defined assumptions.
Data collection
All the data comes from open-source documented literature.
Timing and spatial scale
This point does not apply since the data used comes from numerical calculations.
Data exclusions
No data correction was introduced beyond the calculations stated in the article.
Reproducibility
All the calculations in the article are reproducible based on the codes in the folder open-access.
Randomization
The only allocations of data within this study is the aggregation of data at pixel-level into countries and continents. Data allocation, reproducible with the shared codes, is based on polygons describing the shape of single countries and the pixels contained within the polygons.
Blinding
This point does not apply since the data used comes from numerical calculations.
Did the study involve field work?
Yes
Reporting for specific materials, systems and methods
We require information from authors about some types of materials, experimental systems and methods used in many studies. Here, indicate whether each material, system or method listed is relevant to your study. If you are not sure if a list item applies to your research, read the appropriate section before selecting a response.
Materials & experimental systems
Methods
n/a
Involved in the study
n/a
Involved in the study
X
Plants
Seed stocks
n/a
Novel plant genotypes
n/a
Authentication
n/a
Institute of Mechanics, Materials and Civil Engineering, UCLouvain, Ottignies-Louvain-la-Neuve, Belgium. Aero-Thermo-Mechanics Department, ULB, Brussels, Belgium. Department of Global Ecology, Carnegie Institution for Science, Stanford, CA, USA. Institute of Energy and Process Engineering, ETH Zurich, Zurich, Switzerland. e-mail: davidetonelli@outlook.com; Irosa@carnegiescience.edu
