2023-03-30 / Autor: Dominik Wójcicki
Czy do 2030 r. jest możliwe, by emisje dwutlenku węgla z produkcji amoniaku spadły o prawie jedną piątą? Eksperci przekonują, że taki rewolucyjny scenariusz może się ziścić.
W trakcie ubiegłorocznych targów Achema we Frankfurcie niemiecka organizacja branżowa DECHEMA, której celem jest wspieranie rozwoju technologii chemicznych, biotechnologii i ochrony środowiska, przedstawiła szczegółowy raport dotyczący opcji technologicznych w zakresie redukcji emisji CO2 z wsadu wodoru w produkcji amoniaku. Analiza, którą streszczamy w poniższym artykule, odpowiada na jeden z najistotniejszych problemów współczesnego przemysłu nawozowego.
Eksperci organizacji DECHEMA zaprezentowali wyniki badań nad różnymi sposobami dostosowania produkcji amoniaku w istniejących europejskich zakładach do 2030 r. w taki sposób, aby emisje dwutlenku węgla zostały znacznie zmniejszone. Przekonywali, że nowe technologie wodorowe oferują duży potencjał w zakresie doprowadzenia do produkcji bardziej przyjaznej dla klimatu. Badanie zostało zlecone DECHEMIE przez Fertilizers Europe, to jest organizację zrzeszającą europejskich producentów nawozów. Tym samym potwierdza ono wagę dla dzisiejszego przemysłu nawozowego i wyzwań przed jakim on stoi w zakresie swojej emisyjności.
Wnioski z badania
Jest tak, gdyż produkcja amoniaku stanowi jedno z podstawowych źródeł emisji dwutlenku węgla w sektorze przemysłowym. Do produkcji amoniaku używany jest wodór, który jest pozyskiwany w konwencjonalny sposób poprzez przetwarzanie surowców kopalnych. Jednak dzięki nowym technologiom wodorowym emisje z produkcji amoniaku mogą zostać zmniejszone o 4,9 mln ton do 2030 roku. Inaczej mówiąc: w porównaniu z aktualnym stanem zaoszczędzić można nawet 19% emisji wytwarzanych podczas produkcji amoniaku.
Autorzy badania przeanalizowali różne technologie, które w niedalekiej przyszłości mogłyby częściowo zastąpić tradycyjną produkcję wodoru. Na przykład możliwe byłoby konwencjonalne wytwarzanie wodoru i magazynowanie powstałego dwutlenku węgla, tak zwane wychwytywanie i składowanie węgla (CCS, niebieski wodór). Wodór można byłoby również uzyskać poprzez elektrolizę wody przy użyciu konwencjonalnej energii elektrycznej (żółty wodór) lub zielonej energii (zielony wodór), przy czym zielony wodór byłby wytwarzany na miejscu lub pochodziłby z rurociągu. Możliwe jest także wytwarzanie wodoru przez pirolizę metanową (wodór turkusowy).
Badanie uwzględniło różne koszty produkcji, a także wymagania energetyczne i infrastrukturalne, które są niezbędne dla poszczególnych technologii. Na tej podstawie oceniono możliwe wdrożenie opcji technologicznych w różnych regionach Europy. Przeanalizowano przewidywaną dostępność i koszty energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii, dostępność infrastruktury (energia elektryczna, wodór, CO2) oraz ograniczenia polityczne związane z CCS. Aby oszacować maksymalne emisje, które można zaoszczędzić dzięki produkcji amoniaku, naukowcy opracowali punkt odniesienia i optymalny scenariusz, a następnie porównali je z konwencjonalną metodą produkcji.
Z analizy wynika, że emisje dwutlenku węgla z produkcji amoniaku spadłyby do 2030 r. przy zastosowaniu błękitnego wodoru (minus 3 mln ton emisji CO2 rocznie). Jeszcze większe oszczędności są możliwe w przypadku częściowego (10%) zastąpienia konwencjonalnie produkowanego wodoru wodorem zielonym lub żółtym wytwarzanym na miejscu. Oznacza to, że rocznie emisji podlegałoby 900 tys. ton lub 200 tys. ton mniej dwutlenku węgla. Zastosowanie zielonego wodoru dostarczanego rurociągiem zmniejszyłoby emisje gazów cieplarnianych o dodatkowe 500 tys. ton, a wykorzystanie turkusowego wodoru o 300 tys. ton rocznie.
Ponadto badanie podjęło kwestię kosztów tych technologii. W porównaniu do metod konwencjonalnych zastosowanie nowych technologii wodorowych wiąże się z wyższymi kosztami produkcji. Wybiegając w przyszłość, zespół założył, jaki będzie prawdopodobny rozwój energii odnawialnej, import zielonego wodoru i koszt CO2. Autorzy spodziewają się, że produkcja amoniaku konwencjonalnie i przy użyciu błękitnego wodoru będzie kosztować mniej więcej tyle samo w 2030 r. Natomiast wykorzystanie żółtego i zielonego wodoru produkowanego na miejscu, a także zielonego i turkusowego wodoru rurociągowego pociągnie za sobą znacznie wyższe koszty produkcji.
Metodologia badania
Amoniak jest centralnym punktem rozwoju gospodarki wodorowej. Jako główny półprodukt wykorzystywany do produkcji nawozów, amoniak jest również głównym budulcem nawozów mineralnych. Niemniej europejski przemysł nawozowy emituje znaczne ilości CO2 i pozostaje przemysłem energochłonnym i emisyjnym. Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat nastąpił jednak znaczny spadek emisji CO2 spowodowany poprawą efektywności energetycznej dzięki zastosowaniu technologii redukcji emisji. Mimo to produkcja amoniaku pozostaje odpowiedzialna za około 440 Mt/rok globalnej emisji gazów cieplarnianych.
W ramach ogólnego celu, jakim jest osiągnięcie neutralności gazów cieplarnianych w Europie do 2050 r., różne warianty wdrażania nowych technologii, koncentrujące się na horyzoncie czasowym do 2030 r., zostały przez ekspertów DECHEMY porównane z dotychczasową konwencjonalną produkcją amoniaku i ocenione pod kątem odpowiednich redukcji emisji, zapotrzebowania na energię, wykorzystania surowców i specyficznych kosztów produkcji amoniaku. Nie wzięto natomiast pod uwagę różnorodności zużycia energii, struktury wiekowej europejskich zakładów amoniaku ani dużej zmienności warunków brzegowych w różnych lokalizacjach w Europie.
Zamiast tego, jako punkt odniesienia przyjęto tzw. przeciętny europejski zakład amoniaku i porównano go z nowymi technologiami, wykorzystując jako granice systemowe ograniczenia procesu produkcji amoniaku.
Oceniono różne parametry procesu i kosztów w celu uwzględnienia istotnych i realistycznych aspektów procesu produkcji nawozów. Przedmiotem badania było określenie potencjału redukcji emisji CO2 przeciętnej europejskiej instalacji amoniaku wraz z przeglądem energetycznych i ekonomicznych skutków stosowania różnych technologii produkcji wodoru. Chociaż analiza dotyczyła procesu Haber-Bosch (synteza amoniaku), mocznika i kwasu azotowego, to nie pochylała się nad technologicznymi możliwościami ograniczenia emisji w tych procesach.
Przedstawiony podczas targów Achema dokument stanowić będzie podstawę do oceny różnych opcji technologicznych produkcji wodoru, wykorzystywanego jako surowiec do produkcji amoniaku, w porównaniu z produkcją konwencjonalną oraz do mapowania potencjalnych ścieżek przyszłego rozwoju przemysłu. Ramy czasowe badania koncentrują się na wydarzeniach możliwych do osiągnięcia do 2030 r., z perspektywą do 2050 r.
Oceniane technologie
Amoniak jest obecnie wytwarzany z azotu i wodoru uzyskiwanych głównie w procesie reformingu parowego gazu ziemnego w procesie Habera-Boscha. Jako wiodąca technologia produkcji wodoru, proces reformowania metanu parowego (SMR) nadal generuje duże ilości emisji, pomimo dostępnych opcji poprawy wydajności, które mogą zmniejszyć emisje CO2 po wdrożeniu najlepszych dostępnych technologii (BAT). Technologia wykorzystywana do bardziej zrównoważonej produkcji wodoru do syntezy amoniaku może odegrać ważną rolę w dekarbonizacji przemysłu nawozowego. W tym celu ocenia się alternatywne technologie produkcji wodoru, koncentrując się na ich emisji CO2, zapotrzebowaniu na energię oraz kosztach produkcji.
Ocenione w tym badaniu metody wytwarzania wodoru, a następnie amoniaku są następujące:
Kluczowe rekomendacje dla danych technologii z perspektywą roku 2030
Eksperci DECHEMA zawarli w swoim raporcie przekonanie, iż wodór wytwarzany za pomocą metody SMR, oznaczany jako wodór szary, wiąże się z określonymi kosztami produkcji około 330 euro za tonę amoniaku w 2020 r. i 450 euro za tonę amoniaku w 2030 r. ze względu na rosnącą cenę uprawnień do emisji CO2. Istniejące instalacje amoniaku, które wdrażają BAT, mogą zmniejszyć zużycie energii o 7%, a emisje o 8% w 2030 r. Nowe instalacje szarego amoniaku, które są zgodne z BAT, mogą również zaoszczędzić do 20% emisji CO2 w 2030 r. Jednak pozostała ilość niezaoszczędzonych emisji CO2 będzie nadal emitowana do atmosfery przez cały cykl życia nowej instalacji. Ponieważ ostatecznym celem jest osiągnięcie neutralności emisyjnej w 2050 roku, to dalsze inwestycje w poprawę konwencjonalnych jednostek SMR wydają się mało zasadne i mało prawdopodobne.
Z kolei dzięki produkcji niebieskiego wodoru poprzez wychwytywanie i przechowywanie CO2 emitowanego z procesu SMR, emisje CO2 są mniejsze w porównaniu z szarym wodorem. Główną wadą tej opcji jest jednak trudność w wychwytywaniu emisji CO2 pochodzących ze spalania gazu ziemnego wykorzystywanego jako paliwo, ponieważ są to emisje trudne do rozdzielenia ze względu na ich niskie stężenie. Amoniak wyprodukowany w całości z błękitnego wodoru miałby do 60% oszczędności emisji CO2 w porównaniu z konwencjonalnym szarym amoniakiem. Jego koszty produkcji wyniosłyby 450 euro na tonę amoniaku, osiągając ten sam poziom kosztów, co konwencjonalny amoniak w tym samym roku. Oznacza to, że koszty wdrożenia CCS zostałyby zrekompensowane ceną CO2, którą należałoby zapłacić, gdyby CO2 został uwolniony do atmosfery. Aby osiągnąć większe oszczędności CO2 , paliwo do SMR można byłoby zastąpić paliwem niskoemisyjnym (paliwo bio- lub syntetyczne). Dodatkową złożoność powoduje jednak ograniczona dostępność obszarów CCS, które zależą od dostępności i opcji transportu do odpowiednich formacji geologicznych. Produkcja błękitnego wodoru jest jednak odpowiednią opcją do produkcji amoniaku, ponieważ rozdział emisji CO2 z procesu SMR jest już znany od wielu lat i wdrażany w konwencjonalnych instalacjach amoniaku.
Jeśli chodzi natomiast o żółty wodór, to jest on wytwarzany przez wykorzystanie energii elektrycznej z sieci do zasilania elektrolizy; w związku z tym jego koszty i emisje są ustalane przez miks energetyczny danego kraju. W 2030 r., przy założeniach przyjętych dla przeciętnej sieci elektroenergetycznej w Europie, koszty produkcji żółtego amoniaku (1290 euro za tonę amoniaku) byłyby 2,8 razy wyższe niż konwencjonalnego szarego amoniaku. Metoda ta emituje również o 39% więcej CO2 ze względu na duży udział paliw kopalnych w sieci elektroenergetycznej. Wyniki te zależą jednak od lokalnego współczynnika emisji energii elektrycznej, który wykazuje znaczną rozbieżność w różnych regionach UE. Wykorzystanie energii elektrycznej z sieci do produkcji amoniaku prowadziłoby do niższych emisji tylko wtedy, gdyby współczynnik emisji energii elektrycznej był niższy niż 150 g CO2/kWh. Przy wyższych współczynnikach emisji całkowite emisje z żółtego amoniaku będą wyższe niż z szarego amoniaku.
Dalsza analiza dotyczy zielonego wodoru, który jest wytwarzany wyłącznie przy użyciu odnawialnej energii elektrycznej w elektrolizie. Wymaga to ogromnego wzrostu produkcji zielonej energii elektrycznej, która nie jest obecnie dostępna w wystarczającej ilości dla przemysłu amoniaku. Aby zsyntetyzować amoniak, zielony wodór można wytwarzać na miejscu za pomocą odnawialnej energii elektrycznej lub transportować na miejsce rurociągiem, czyli spoza zakładu. W tym celu kraje UE zostały podzielone na cztery regiony: Europa Południowa, Zachodnia, Północna i Środkowa, prezentując różne koszty energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.
"Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.
WięcejSklep
Książka: Surfaktanty i ich zastosowanie w produktach kosmetycznych
95.00 zł
“Chemia i Biznes” nr 5/2024
30.00 zł
"Kosmetyki i Detergenty" nr 3/2024
30.00 zł
Książka: Atlas Mikrobiologii Kosmetyków
94.00 zł
Książka: Zagęstniki (modyfikatory reologii) w produktach kosmetycznych
78.00 zł
Emulsje i inne formy fizykochemiczne produktów kosmetycznych. Wprowadzenie do recepturowania
108.00 zł
WięcejNajnowsze
WięcejNajpopularniejsze
WięcejPolecane
WięcejW obiektywie
Targi Packaging Innovations stałym punktem w branży opakowaniowej
W dniach 9-10 października br. w EXPO Kraków, odbyła się 16. edycja Międzynarodowych Targów...
Targi Warsaw Pack ważne dla sektora opakowań
Warsaw Pack to wydarzenie, gdzie liderzy branży prezentują najnowsze technologie pakowania i...
Workshops&Networking PIPC „Cyfrowa i Bezpieczna Chemia” – podsumowanie II edycji
19-20 września 2024 r. w Hotelu Novotel City West w Krakowie odbyło się wydarzenie Polskiej Izby Przemysłu...
Wpływ zmian legislacyjnych na strategię rozwoju produktu
W Warszawie odbyła się konferencja „Wpływ zmian legislacyjnych na strategię rozwoju produktu – o...