Sources, technologies and life cycle assessment of ammonia production

Abstract

Ammoniakki on lannoitetuotannon perus raaka-aine. Vihreää ammoniakkia halutaan käyttää tulevissa polttomoottoreissa fossiilisten polttoaineiden sijaan. Monia kokeita ammoniakin moottorikäytöstä on tehty, ja tulosten perusteella ammoniakki on lupaava vaihtoehtoinen polttoaine erityisesti merenkulkuun. Sitä käytetään usein myös tekstiiliteollisuudessa. Am-moniakilla on useita erilaisia tuotantomenetelmiä. Maakaasu on tärkein raaka-aine maailmanlaajuisessa ammoniakin tuotannossa, mutta tuotannon ympäristövaikutusten vähentämiseksi tarvitaan vihreän ammoniakin tuotantomenetelmiä. Elinkaariarviointi (Life Cycle Assessment, LCA) on tärkeä väline ammoniakin tuotannon mahdollisten ympäristövaikutusten tutkimiseen. Diplomityön tavoitteena oli tutkia ammoniakin neljän erilaisen tuotantomenetelmän ympäristövaikutuksia. Valitut tuotantomenetelmät olivat sinisen, harmaan, ja kahden eri tavalla valmistetun vihreän (elektrolyysin kautta sekä biomassasta valmistetun) ammoniakin tuotantotavat. Ympäristövaikutusten arviointimenetelmänä käytettiin elinkaarilaskelmia, jotka noudattivat IMO:n (International Maritime Organization) ohjeistusta. Ammoniakin tuotannossa mahdollisesti esiintyvien kasvihuonekaasujen pitoisuudet laskettiin. Laskelmat osoittivat, että pienimmät kasvihuonekaasupäästöt saatiin uusiutuvasta vedystä elektrolyysin avulla tuotetusta vihreästä ammoniakista ja toiseksi pienimmät päästöt biomassasta tuotetusta vihreästä ammoniakista. Suurimmat kasvihuonekaasupäästöt syntyivät harmaan ammoniakin tuotannossa ja toiseksi suurimmat sinisen ammoniakin tuotannossa. Tulosten perusteella on selvää, että fossiilisten polttoaineiden käytön vähentämiselle ammoniakin tuotannossa on valtava tarve. Kestävien biomassojen ja uusiutuvalla energialla toimivan elektrolyysipohjaisen vedyn käytöllä ammoniakin tuotannossa voidaan vähentää merkittävästi ammoniakin tuotannon ilmastovaikutuksia.

Ammonia is the most basic feedstock in fertilizer production. At the same time, it is aimed to be used in future internal combustion engines to reduce the use of fossil fuels. Many trials have been carried out in testing ammonia in engines and it is found to be a promising alternative fuel especially in marine industry. In addition, it is also frequently used in the textile industry. Ammonia has many different methods for production. Natural gas is the most important source to produce ammonia globally but in order to reduce the environmental impact of the production, green ammonia production methods are required. Life Cycle Assessment (LCA) is an important tool for examining potential environmental impacts from ammonia production. The aim of this study was to examine the environmental impact of four different production methods of ammonia. They were blue, grey, green (via electrolysis) and green (biomass based) ammonia. The method for evaluating the impact of the production methods was LCA calculations which was conducted in line with the International Maritime Organization (IMO) LCA guidelines. The greenhouse gas (GHG) emission values that may occur in ammonia production were calculated. The calculations show that the lowest GHG emissions from ammonia production are obtained from green ammonia produced from renewable hydrogen via electrolysis, and the second lowest emissions come from green ammonia produced from biomass. The highest GHG emissions are formed in grey ammonia production and the second highest from blue ammonia production. Based on the findings of this thesis, it is clear that there is a huge need to reduce the use of fossil fuels in ammonia production. The use of sustainable biomasses and renewable energy-powered electrolysis-based hydrogen in ammonia production can significantly reduce the climate impacts of ammonia production.