Green Ammonia Production for Maritime Transport

Abstract

På grunn av den verdensomspennende forpliktelsen om å redusere klimagassutslipp har ammoniakk fått oppmerksomhet som et karbonfritt drivstoff til bruk i maritim sektor. Denne oppgaven har som formål å ta for seg ammoniakkproduksjon fra et teknologisk- og økonomisk perspektiv. Hensikten med oppgaven er videre å undersøke om grønn ammoniakk er passende som et drivstoff både med hensyn på bærekraft og fra et forretningsperspektiv.

Forskjellige teknologier og løsninger knyttet til grønn ammoniakkproduksjon er presentert teoretisk før forskjellige aspekter med ammoniakk som et drivstoff diskuteres. Hovedpoenger inkluderer større utfordringer som dets giftighet og sikkerhetshensyn. Det lovende potensialet ammoniakk har med tanke på infrastruktur er evaluert. I tillegg er måter å oppskalere og innlemme ammoniakk som et grønt drivstoff i det maritime markedet gjort rede for.

For å konkretisere grønn ammoniakkproduksjon, er det gjennomført en situasjonsspesifikk studie om et forestilt produksjonsanlegg i Nærøysund. Dette anlegget er skalert med et utgangspunkt om hydrogenproduksjon på 8.3 tonn per dag. Med dagens tilgjengelige teknologi, ble det kommet fram til at optimale komponenter for anlegget innebærer en alkalisk elektrolysør, en PSA, Haber-Bosch-prosess, og nedkjølte lagertanker som lagringssystem.

Beregninger av NNV (netto nåverdi) og LCOA ble gjort for å undersøke den økonomiske gjennomførbarheten til produksjonsanlegget. Gjennom et definert basis-scenario hadde anlegget en liten profitt etter anleggets levetid på 15 år. Dersom dagens prisnivå på ammoniakk opprettholdes, er det derimot forventet større profitt.

Sensitivitetsanalyser ble gjennomført for å gi et bredere omfang av den økonomiske analysen. Dette ble gjort med bakgrunn av at flere viktige faktorer kan være vanskelige å forutse, slik som ammoniakkpris, energipris og antall produksjonsdager, som alle viste seg å være veldig avgjørende for lønnsomheten. En veldig høy ammoniakkpris vil resultere i god fortjeneste, men dette er sannsynligvis ikke bærekraftig for markedet. LCOA-verdien synker i tråd med synkende grønn energipris, noe som heldigvis er tilgjengelig i området til produksjonsanlegget.

Oppgaven konkluderer med at grønn ammoniakk er levedyktig som et karbonfritt alternativt drivstoff for maritim sektor, forutsatt at hovedutfordringene løses. Videre så er grønn småskala-produksjon både gjennomførbart og bærekraftig.

Ammonia has gained interest as an alternative carbon-free fuel to use in the maritime sector, as a result of the worldwide commitment to reduce greenhouse gas emissions. This thesis aims to assert the technological and economic aspects of green ammonia production. The objective of this thesis is also to investigate whether green ammonia is a suitable marine fuel, both in regard to sustainability and from a business perspective.

Different technologies and solutions linked to green ammonia production are presented theoretically before different aspects of ammonia as a fuel are discussed. Key facets include main challenges like its toxicity and safety considerations. The promising prospect ammonia holds in regard to infrastructure is assessed. Ways to upscale and incorporate ammonia as a green fuel into the maritime market are also evaluated.

To concretize green ammonia production, a case study is performed. This is limited to an envisioned production plant located in Nærøysund in Norway, where the plant is scaled on the basis of a hydrogen production of 8.3 tonnes per day. Of the currently available technology, an alkaline electrolyzer, a PSA unit, a Haber-Bosch unit, and a refrigerated storage system were found to be the optimal components for the production facility.

Calculations of NPV and LCOA were done to investigate the economic feasibility of the production plant. Through a defined baseline scenario, the case study was found to make a small profit at the end of its 15-year lifetime. If the current price level of ammonia proves to be maintained, larger profits are expected.

Sensitivity analyses were carried out to illustrate a broader scope of the economic case since several of the key factors are hard to predict. The price of ammonia, price of energy, and number of operational days proved to be very decisive for the final outcome. A very high ammonia price would result in a great profit, however, this is most likely not sustainable for the market. The LCOA benefits from a lower price of renewable energy, which luckily is available at the production plant.

The thesis concludes that green ammonia is a viable alternative as a carbon-free marine fuel, provided that the main challenges are overcome. Furthermore, green production at small-scale is both feasible and sustainable.