Korištenje energije amonijaka diljem svijeta

Mnogi ljudi su optimistični u pogledu potencijala amonijaka kao izvora energije i nosača vodika, i iako bi njegova primjena u velikim razmjerima zahtijevala velike promjene u načinu na koji se trenutno proizvodi, amonijak ima niz prednosti.

S jedne strane, amonijak je energetski gust i bez ugljika. Također se već proizvodi u velikim razmjerima i isporučuje diljem svijeta, prvenstveno za upotrebu u gnojivima.

Iako trenutni proizvodni procesi ostavljaju ogroman ugljični otisak, postoje čišći načini proizvodnje amonijaka. Bolje razumijevanje načina usmjeravanja kontinuiranog razvoja industrije amonijačnog goriva moglo bi poboljšati emisije ugljika, troškove energije i regionalne energetske bilance.

U novom radu, istraživači MIT Energy Initiative (MITEI) stvorili su najveći kombinirani skup podataka koji prikazuje ekonomski i ekološki utjecaj globalnih lanaca opskrbe amonijakom u različitim scenarijima. Ispitali su potencijalne tokove amonijaka u 63 zemlje i uzeli u obzir niz ekonomskih parametara specifičnih za zemlju, kao i tehnologije proizvodnje amonijaka s niskim i nultim udjelom ugljika. Rezultati bi trebali pomoći istraživačima, kreatorima politika i dionicima industrije da izračunaju troškove i emisije tijekom životnog ciklusa različitih tehnologija proizvodnje amonijaka i trgovinskih ruta.

„Ovo je najopsežniji rad o globalnom krajoliku amonijaka“, kaže glavni autor Guiyan Zang, znanstveni istraživač na MITEI-u. „Razvili smo mnoge od ovih okvira na MIT-u kako bismo mogli provesti bolje analize troškova i koristi. Vodik i amonijak jedine su dvije vrste goriva bez ugljika u velikim razmjerima. Ako želimo koristiti gorivo za proizvodnju energije i topline, ali ne i oslobađati ugljik, vodik i amonijak jedine su opcije, a amonijak je lakše transportirati i jeftiniji.“

Studija pruža dosad najjasniji uvid u kompromise povezane s različitim tehnologijama proizvodnje amonijaka. Istraživači su, na primjer, otkrili da bi potpuni prijelaz na amonijak proizveden konvencionalnim procesima u kombinaciji s hvatanjem ugljika mogao smanjiti globalne emisije stakleničkih plinova za gotovo 71 posto uz povećanje troškova od 23,2 posto. Prijelaz na elektrolizirani amonijak proizveden korištenjem obnovljive energije mogao bi smanjiti emisije stakleničkih plinova za 99,7 posto uz povećanje troškova od 46 posto.

„Prije ovoga nije bilo usklađenih skupova podataka koji kvantificiraju utjecaje ove tranzicije“, kaže glavni autor Woojae Shin, postdoktorand na MITEI-u. „Svi govore o amonijaku kao iznimno važnom nosaču vodika u budućnosti, a amonijak se također može izravno koristiti u proizvodnji energije ili gnojivima i drugim industrijskim primjenama. Ali trebao nam je ovaj skup podataka. On popunjava veliku prazninu u znanju.“

Danas se amonijak uglavnom proizvodi Haber-Boschovim postupkom, koji je 2020. godine bio odgovoran za oko 1,8 posto globalnih emisija stakleničkih plinova. Iako je trenutna proizvodnja amonijaka energetski intenzivna i zagađujuća (naziva se sivi amonijak), amonijak se također može održivo proizvoditi korištenjem obnovljivih izvora (zeleni amonijak) ili prirodnim plinom i sekvestracijom ugljika (plavi amonijak).

Kako amonijak privlači sve veći interes kao izvor energije bez ugljika i medij za transport vodika, postalo je važnije kvantificirati troškove i emisije tijekom životnog ciklusa povezane s različitim tehnologijama proizvodnje amonijaka, kao i rutama skladištenja i otpreme amonijaka. No, postojeće studije bile su preusko usmjerene.

Kako bi izgradili svoju bazu podataka, istraživači MIT-a kombinirali su podatke iz desetaka studija koje analiziraju specifične tehnologije, regije, ekonomske parametre i trgovinske tokove. Također su koristili okvire koje su prethodno razvili za izračun ukupnih troškova proizvodnje amonijaka u svakoj zemlji i procijenili emisije stakleničkih plinova tijekom životnog ciklusa u cijelom lancu opskrbe, uzimajući u obzir skladištenje i otpremu između različitih regija.

Izračuni emisija uključivali su aktivnosti povezane s ekstrakcijom sirovina, proizvodnjom, transportom i preradom uvoza. Glavni čimbenici troškova uključivali su cijene električne energije iz obnovljivih izvora i mreže u svakoj zemlji, cijene prirodnog plina i lokaciju. Uključeni su i drugi čimbenici poput kamatnih stopa i premija na kapital.

Istraživači su koristili svoje izračune kako bi pronašli troškove amonijaka i emisije tijekom životnog ciklusa u šest tehnologija proizvodnje amonijaka. U kontekstu američkog prosjeka, otkrili su da najniži trošak proizvodnje dolazi od korištenja popularnog oblika Haber Bosch procesa poznatog kao reformiranje parnog metana iz prirodnog plina (SMR) bez hvatanja i skladištenja ugljika (sivi amonijak), s 48 centi po kilogramu amonijaka. Nažalost, ta ekonomska prednost došla je s najvećim emisijama stakleničkih plinova, s 2,46 kilograma ekvivalenta CO2 po kilogramu amonijaka. Nasuprot tome, SMR s hvatanjem i skladištenjem ugljika postiže smanjenje emisija od približno 61 posto, a istovremeno uzrokuje povećanje troškova proizvodnje od 29 posto.

Druga metoda za proizvodnju amonijaka koja koristi prirodni plin kao sirovinu, nazvana autotermalno reformiranje (ATR) s izgaranjem zraka, u kombinaciji s hvatanjem i skladištenjem ugljika, pokazala je 10 posto veće troškove od konvencionalnog SMR-a, a istovremeno je generirala emisije od 0,75 kilograma ekvivalenta CO2 po kilogramu amonijaka, što predstavlja isplativiju opciju dekarbonizacije od SMR-a s hvatanjem i skladištenjem ugljika.

Među proizvodnim putevima koji uključuju hvatanje ugljika (plavi amonijak), varijacija ATR-a koja koristi izgaranje kisika i hvatanje ugljika imala je najniže emisije, s proizvodnim troškovima od oko 57 centi po kilogramu amonijaka. Proizvodnja amonijaka električnom energijom općenito je imala veće proizvodne troškove od puteva plavog amonijaka. Kada nuklearna energija pokreće proizvodnju amonijaka, za razliku od mreže, emisije stakleničkih plinova su blizu nule s 0,03 kilograma ekvivalenta CO2 po kilogramu proizvedenog amonijaka.

U 63 proučavane zemlje, glavne razlike u troškovima i emisijama bile su uzrokovane troškovima energije, izvorima energije za mrežu i financijskim okruženjem. Kina se pojavila kao optimalni budući dobavljač zelenog amonijaka mnogim zemljama, dok je Bliski istok također nudio konkurentne niskougljične proizvodne puteve amonijaka. Općenito, putevi plavog amonijaka najatraktivniji su za zemlje s jeftinim resursima prirodnog plina, a amonijak proizveden korištenjem električne energije iz mreže pokazao se skupljim i s većim udjelom ugljika od konvencionalno proizvedenog amonijaka.

Predviđa se da će upotreba amonijaka s niskim udjelom ugljika dramatično porasti do 2050. godine, a taj će se amonijak nabavljati putem globalne trgovine. Japan i Koreja, na primjer, uključili su amonijak u svoje nacionalne energetske strategije i proveli ispitivanja korištenja amonijaka za proizvodnju energije. Čak nude i ekonomske kredite za provjereno smanjenje CO2 iz projekata čistog amonijaka.

Autori također vjeruju da će dionici u industriji i drugi istraživači dobiti mnogo vrijednosti od njihove baze podataka, koja korisnicima omogućuje istraživanje utjecaja promjene određenih parametara.

„Surađujemo s tvrtkama, a one trebaju znati ukupne troškove i emisije tijekom životnog ciklusa povezane s različitim opcijama“, kaže Zang. „Vlade također mogu koristiti ovo za usporedbu opcija i postavljanje budućih politika. Svaka zemlja koja proizvodi amonijak mora znati kojim zemljama može isporučivati ​​​​isplativo.“