Att navigera i den sammankopplade, tekniska och kommersiella komplexiteten i produktionen av e-ammoniak

E-ammoniak, ammoniak producerad med hjälp av elektrolys och förnybar energi, är en avgörande del av de framväxande Power-to-X-marknaderna och står i centrum för denna omvandling. När gödselproducenter kliver in på detta område möter de ett komplext nät av tekniska och kommersiella hinder som kräver innovativa lösningar och strategisk framsynthet.

AFRYs experter undersöker fem kritiska områden som gödselproducenter måste navigera i övergången till e-ammoniak:

• Hantera variationen av förnybar energi
• Val och finansiering av elektrolysteknologier
• Hantering av koldioxidförlust (CO2) vid ureaproduktion
• Anpassning till, och inträde på nya energimarknader
• Överbrygga kostnadsgapet
  

Genom att förstå dessa utmaningar och utforska framgångsstrategier kan producenter positionera sig i det föränderliga landskapet inom e-ammoniak och bana väg för en mer hållbar framtid.

Variation av förnybar energi

En av de största utmaningarna med att integrera förnybara energikällor (RES) i e-ammoniakproduktion är att hantera variabiliteten och ojämnhet i energitillförseln. Energifluktuationer sker inte bara timvis, utan även säsongsmässigt, vilket direkt påverkar den kontinuerliga driften av e-ammoniakfabriker. Att säkerställa stabil drift trots sådana oförutsägbara fluktuationer är avgörande.

Moderna e-ammoniakfabriker opererar vanligtvis med en minimibelastning på 20–40%, beroende på teknikleverantören. Frekventa belastningsjusteringar kan dock orsaka slitage på utrustningen, katalysatornedbrytning och inkonsekvent produktkvalitet. För att hantera detta har AFRY och andra ingenjörsföretag utvecklat lösningar för att koppla bort elektrolysören från ammoniakfabriken, vilket gör att elektrolysören kan hantera energifluktuationer medan ammoniakfabriken körs med en jämnare belastning.

Vätgaslagring

För att mildra variationen i energitillförseln kan vätgaslagring buffra överskottsvätgas som genereras under topp-produktion av RES, vilket stödjer ammoniaksyntesen när förnybara insatser är låga och/eller dyra. Vätgas- eller ammoniaklagring kräver dock betydande investeringar och noggrann hantering av säkerhetsåtgärder. Batterilagringssystem (BESS) erbjuder kortsiktig belastningsutjämning, men dess höga kostnad och begränsade livscykel, gör dem lämpliga endast för kortsiktiga fluktuationer. Hybridsystem som kombinerar flera förnybara källor eller nätkraft erbjuder en mer stabil energitillförsel men ökar komplexiteten i fabriksdesign, koldioxidavtrycksberäkning och produktcertifiering.

Flexibilitetslösningar måste anpassas till varje projekts specifika behov och lokala regler. Enligt EU:s förnybarhetsdirektiv (RED) II måste förnybar vätgas uppfylla vissa krav för att vara berättigad till EU:s mål. Dessa krav påverkar om vätgasen kan tas från nätet eller om nya förnybara energikällor måste byggas, samt hur vätgasen lagras och används. Att följa dessa regler gör det viktigt för producenter att hålla sig uppdaterade om förändringar i regelverket. Efterlevnad av dessa regler tillför ytterligare ett lager av komplexitet, vilket gör det viktigt för producenter att hålla sig informerade om det föränderliga regleringslandskapet.

Alla denna komplexitet innebär att teknikval i ett tidigt skede, samt optimeringsövningar för fabrikens och lagringens storlek, är avgörande för att mildra utmaningar med Power-to-X-projekt. På AFRY minimerar vår grundliga modelleringsmetod initiala kapitalutgifter (CAPEX) med upp till 20%, samtidigt som vi etablerar en robust operativ filosofi för långsiktig framgång.

Trenden går från alkaliska till PEM-system, med förväntningar att SOEC kommer att spela en större roll när tekniken mognar. Denna övergång kräver kvalificerad teknisk personal för drift och underhåll, vilket belyser behovet av arbetskraftsutbildning.

Finansieringen av de betydande CAPEX-åtaganden som krävs för e-ammoniakfabriker, inklusive integration med ammoniaksyntes och annan utrustning, samt projektimplementeringskostnader, är ett stort hinder, särskilt för projekt som använder mindre mogna teknologier eller nystartade teknikleverantörer. Utvecklare måste överväga teknikleverantörernas meritlista och prestationsgarantier för att minska den upplevda risken från investerare och långivare.

I framtiden bör de totala CAPEX-kraven minska. Nya framsteg, såsom uppskalning av elektrolysstackar till 20 MW, minskat beroende av ädelmetaller och automatisering, förväntas sänka kostnaderna med 44 % till 2030. Ändå krävs kontinuerlig innovation för att uppnå kostnadskonkurrenskraftigt grönt väte - och därmed e-ammoniak.

Anskaffning av CO2

Övergången till e-ammoniakproduktion eliminerar en viktig biprodukt - CO₂, som är nödvändig för ureasyntes*. Traditionell ammoniakproduktion med gas eller kol genererar CO₂, som fångas upp och används i ureagödselproduktion. E-ammoniak, som förlitar sig på förnybar energi, producerar dock inte denna biprodukt, vilket tvingar gödselproducenter att anskaffa CO₂ externt.

(*Urea är en kväverik förening som främst används i gödningsmedel.)

En lösning är biogen CO₂, koldioxid som fångas upp från förbränning av biomassa och nedbrytning, vilket vid användning i ureaproduktion kan ge ett mer hållbart gödselmedel, "grön urea". Även om biogen CO₂ är koldioxidneutral, varierar dess tillgänglighet och kostnad beroende på region. Konkurrensen om biogen CO₂ förväntas intensifieras när produktionen av e-bränslen växer för att möta den ökande efterfrågan på förnybara transportbränslen, och mer biogen CO₂ lagras permanent, vilket genererar koldioxidkrediter. Till exempel kräver EU användning av biogen CO₂ eller CO₂ från direkt luftfångst (DAC) för produktion av e-bränslen från 2041.

DAC, som extraherar CO₂ direkt från atmosfären, erbjuder ett annat alternativ för CO₂-källor, men dess höga kostnader begränsar för närvarande den utbredda användningen. Både biogen CO₂ och DAC representerar högre framtida CO₂-kostnader för ureaproduktion, vilket kan leda till en övergång från urea till nitratbaserade gödselmedel.

Anpassning till och inträde på nya energimarknader

Ammoniaks potential som en global energibärare utgör en betydande möjlighet för gödselproducenter. Ammoniaks höga energitäthet (12,7 MJ/L jämfört med flytande vätes 8,5 MJ/L), tillsammans med dess befintliga globala transportinfrastruktur, gör den särskilt lämplig för att transportera energi över långa avstånd. AFRY uppskattar att den globala ammoniakhandeln kommer att fyrdubblas till 2050, eftersom den fungerar som en primär vätebärare, med ammoniak som omvandlas tillbaka till väte för användning i olika energimarknader och råvarumarknader, inklusive elproduktion, transportbränsle, uppvärmning och industri.

Global transport av ammoniak kommer att kräva investeringar i sjöfartsinfrastruktur (inklusive specialiserade fartyg och terminaler) och logistiksystem som säkerställer säker och effektiv transport av ammoniak. Gödselproducenter med befintlig ammoniaklogistik eller handelskapacitet, är väl positionerade för nya marknader. Brownfield-investeringar i ytterligare ammoniakinfrastruktur bör vara billigare jämfört med nya aktörer. Till exempel öppnade Yara, leverantör av kvävebaserade mineralgödselmedel och industriprodukter, under hösten 2024, sin ammoniakimportterminal i Brunsbüttel, Tyskland, där de redan hade befintlig exportinfrastruktur. Strategiska partnerskap mellan gödselföretag, hamnar, teknikleverantörer och energilogistik- och handelsföretag i stora ammoniakinfrastrukturprojekt är viktiga för att dela de associerade kostnaderna och riskerna.

Ammoniak har även potential att nyttjas i elproduktion men nyttan är större att nyttja ammoniak som bränsle inom sjöfarten, där det alltmer ses som ett skalbart renare alternativ till traditionella bränslen. Gödselproducenter står inför utmaningen att komma in på nya energisektorer, som har olika drivkrafter för efterfrågan jämfört med traditionella gödselmarknader. Vissa gödselproducenter har redan kopplingar till bränslemarknader, till exempel via AdBlue-försäljning, men andra är mer obekanta med dessa nya marknader. Producenter måste anpassa sina produktions- och affärsprocesser och utveckla nya färdigheter, samtidigt som de bygger relationer på dessa nya marknader.

Logistiken för lagring, import och export av e-ammoniak kommer att variera beroende på dess slutliga användning, vilket kräver skräddarsydd infrastruktur och distributionsstrategier. Till exempel kräver elproduktion storskalig lagring nära anläggningar, men de levererade ammoniakvolymerna kan vara små och sällsynta om anläggningen fungerar som reservkraft och endast används en liten del av året. Däremot kräver maritima tillämpningar specialiserad hamninfrastruktur med bunkringskapacitet och kan kräva regelbunden ammoniakleverans för att möta bränslebehovet.

Att överbrygga kostnadsglappet

Att uppnå lönsamhet i produktionen av e-ammoniak är en betydande utmaning på grund av de högre kostnaderna jämfört med konventionell grå ammoniak. Vi uppskattar att produktionskostnaderna för e-ammoniak för närvarande är långt över 1 000 USD per metriskt ton (mt) för många projekt i Europa, mer än dubbelt så mycket som priset på grå ammoniak, som i genomsnitt ligger runt 500 USD per mt hittills under 2024 (baserat på Northwest Europe CFR), vilket skapar betydande hinder för marknadsinträde.

Produktionskostnaderna kan vara ännu högre för vissa. AFRYs erfarenhet av storskaliga e-ammoniakprojekt visar på frekventa kostnadsöverskridanden, ofta drivna av integrationen av ny teknik och uppskalning av produktionen. Den senaste ökningen av kapitalkostnaderna för elektrolyssystem förvärrar utmaningen ytterligare på grund av begränsningar i leveranskedjan och ökad efterfrågan. Projektutvecklare behöver genomtänkta implementeringsstrategier med stark kostnads- och förändringskontroll samt förprojektering.

Flukterande energipriser

Fluktuerande energipriser tillför ytterligare ett lager av osäkerhet. Även om kostnaderna för förnybar energi minskar kan variationen på elpriset driva oförutsägbara produktionskostnader om de är anslutna till nätet, vilket gör kraftupphandlingsstrategier avgörande. Lösningar som “Power Purchase Agreements (PPAs)” ger större prisstabilitet över långa perioder (vanligtvis 10–15 år), men måste också anpassas till reglerings- och kundkrav för att säkerställa att den producerade e-ammoniaken har önskade gröna egenskaper.

Medan vissa har lyckats säkra långsiktiga avtal för e-ammoniak som täcker kostnaderna, rapporterar många e-ammoniakprojekt låg betalningsvilja för e-ammoniak, t.ex. kan de inte överföra de extra kostnaderna för e-ammoniak jämfört med grå ammoniak till slutanvändare. För att överbrygga gapet behöver e-ammoniakproducenter rikta in sig på de länder och slutanvändarsektorer där det finns antingen incitament eller påföljder som kan överbrygga kostnadsgapet.

Statliga incitament som amerikanska “Inflation Reduction Act:s” produktionsskatteavdrag, kan förbättra ekonomin för e-ammoniak på kort sikt. Projekt behöver driva en rad olika subventionsprogram på lokal, nationell och internationell nivå. Regulatoriska påföljder, till exempel EU:s RED III-mandatmål, kan resultera i nationella påföljder för bristande efterlevnad av mål för förnybar vätgas, medan koldioxidprissättning lägger till extra kostnader på grå ammoniak.

E-ammoniakproducenter behöver också rikta sig mot de slutanvändare som kan vara villiga att betala för det extra värdet som uppfattas för låga koldioxidprodukter – t.ex. en "grön premie". För gödselproducenter kan detta ofta begränsas av den motsvarande påverkan på livsmedelspriser och säkerhet. E-ammoniak kan ha större framgång när den används i specialgödsel som erbjuder ytterligare agronomiska fördelar, och/eller för användning i varumärken med aggressiva koldioxidminskningsmål och där ammoniak inte bidrar till en stor del av produktkostnaden. Fertiberia har till exempel tecknat avtal med Heineken och PepsiCo för sitt Impact Zero premiumgödsel som använder e-ammoniak.

Slutsats

Resan mot produktion av e-ammoniak innebär ett komplext samspel av tekniska och kommersiella utmaningar som gödselproducenter måste navigera för att blomstra i det utvecklande Power-to-X-landskapet. Som nämnts är hantering av variabiliteten i förnybar energi, val av lämpliga elektrolysteknologier och teknisk expertis, proaktiv riskhantering och innovation kritiska steg i denna övergång. Med noggrann ingenjörskonst och optimering av anläggningar, strategiska partnerskap, riktade subventioner och avtal med köpare, samt ett proaktivt förhållningssätt till regleringsefterlevnad och marknadsanpassning - kan gödselproducenter positionera sig i framkant av Power-to-X-revolutionen, kapitalisera på nya intäktsströmmar samtidigt som de bidrar till den globala agendan för dekarbonisering.

Denna artikel är skriven av AFRY experter, Abubakar Sohail, Josie Armstrong och Mitchum Bates, och är tidigare publicerad i magasinet World Fertilizer Magazine, Nov-Dec 2024.