Produktion av kvävegödsel baserad på förnybar energi - En översikt av teknik, miljöeffekter och ekonomi för några alternativ

Abstract

Mineral nitrogen fertilizer is one of the main reasons for the high yields in modern, industrial agriculture. There is currently no production of mineral nitrogen fertilizer in Sweden – the entire demand is met by imports from abroad. Global production is at present based on fossil resources, which are used both as raw materials for the production and as energy to fuel the process. We are thus dependent on foreign fossil resources – as fuel and fertilizer – for our agricultural production. However, nitrogen fertilizers could be produced using renewable resources, which could pave the way for a more sustainable production of food and bioenergy.

This report aims to describe and compare different production process options for the production of nitrogen fertilizers based on renewable energy sources. The report presents estimated production costs based on techno-economic modelling, environmental impact of renewable fertilizer based on life cycle assessments, and an overview of potential risks and benefits of renewable fertilizers. The report can be read as a feasibility study, which can be used to provide information for actors who are interested in supporting the development of renewable fertilizers.

The results show that the cost of producing nitrogen fertilizer depends on the choice of production process technology and that some technologies benefit from economies of scale. Among the studied options, the production cost for renewable nitrogen fertilizer was lowest when produced through thermochemical gasification of biomass. The cost for this option was estimated to 11-14 SEK/kg N, which can be compared with the current price of about 10 SEK/kg N. However, gasification of biomass is not yet a commercially available technology but rather a future possibility.

The report also shows that there are options that could be realized in the near future. For these options the needed technologies for nitrogen fertilizer based on renewable energy is commercially available. It is "only" a matter of putting together the various elements that is needed. These options are expected to be about 2-3 times more expensive than conventionally produced nitrogen fertilizers. One of the most promising alternatives is to make urea of biogas, which is estimated to cost approx. 20 SEK/kg N. Another option is to produce ammonium nitrate from wind power, which is estimated to cost approx. 24 SEK/kg N.

The different technology options – different renewable energy sources – each have their pros and cons. When comparing processes based on wind powered electrolysis and reforming of biogas, production costs are similar. Biogas has however a lower investment cost and a lower proportion of fixed costs. Biogas is also a less intermittent energy source, which is a clear advantage over wind that becomes heavily dependent on a hydrogen storage system or the regional energy system to equalize variations in electricity production. Being dependent on the regional energy system means greater risk for cost variation. Reliance on the regional energy system can also be important for the climate impact assessment, depending on how electric power is generated in the region.

Regarding the choice of the final nitrogen fertilizer product, we can conclude that ammonia is the cheapest to produce. However, there is no infrastructure or experience of handling anhydrous ammonia in Sweden, indicating that distribution, storage, handling and use would all require extra investment costs. There are however large risks connected to the handling of anhydrous ammonia as it is dangerous for the environment and to human health in case of leakage. In the comparison between ammonium nitrate and urea, we can see that the estimated production costs are quite similar, with a slight advantage for urea. Urea does however need a source of carbon dioxide, making it an unsuitable option in combination with wind power. Ammonium nitrate is also associated with large risks in storage and distribution, as it is highly explosive.

One of the purposes of producing nitrogen fertilizer based on renewable energy is to reduce the greenhouse gas emissions that are associated with agricultural production. In this report, a summary is made of results from previous life cycle assessment studies. Emissions of greenhouse gases for the production of nitrogen fertilizer based on renewable energy was found to vary between 0.1 to 1.5 kg CO2-eq / kg N, compared with production based on fossil energy that varies between 2.2 to 14.2 kg CO2-eq / kg N. Thus, the nitrogen fertilizers based on renewable energy would yield significant climate benefits compared to conventional, fossil alternatives.

Using renewable energy for fertilizer production is thus an opportunity to utilize renewable resources in a new way to mitigate climate change, while at the same time reducing the dependency of agricultural production on fossil energy market volatility. We conclude that in the short term biogas-to-urea seems like a very promising option that should be studied further. In the longer term, biomass gasification becomes more interesting, given that the technology of gasification proves itself successful in commercial applications. Although there are actors showing interest in renewable fertilizers, there is yet no market for such products. Articulating a demand pull for renewable fertilizers, as well as formulating policy instruments for a technology push are important aspects that need to be investigated further.

Abstract (Swedish)

Mineralkvävegödsel är en av förutsättningarna för de höga skördenivåer som uppnåtts i det industrialiserade, moderna jordbruket. I Sverige finns idag ingen inhemsk produktion av mineralkvävegödsel, utan hela efterfrågan tillgodoses med import från utlandet. Produktionen är idag baserad på fossila resurser, vilka används både som råvara för produktionen och som energi för att driva processerna. Vi är alltså beroende av utländska fossila resurser – som bränsle och mineralgödsel – för vår livsmedelsproduktion. Möjligheter finns dock att producera kvävegödsel med på förnybara resurser, vilket banar väg för en mer hållbar produktion av livsmedel och bioenergi.

Denna rapport syftar till att beskriva och jämföra olika tekniska alternativ för produktion av kvävegödsel baserad på förnybara energikällor. Rapporten presenterar produktionskostnader som beräknats utifrån tekno-ekonomiska modeller av produktionsprocesserna, miljöpåverkan av förnybara gödselmedel enligt ett flertal livscykelanalyser, samt en översikt av potentiella nyttor och risker. Rapporten kan läsas som en förstudie, vilken kan användas som informationsunderlag för aktörer och intressenter som har intresse av att stödja utvecklingen av förnybara gödselmedel.

Resultaten visar att kostnaden för att producera förnybara kvävegödselmedel varierar beroende på vald teknik och tillverkningsskala. Bland de förnybara alternativen som studerades, gav förgasning av biomassa den lägsta produktionskostnaden. För detta alternativ beräknades produktionskostnaden till 11-14 kr/kg N, vilket kan jämföras med dagens pris på ca 10 kr/kg N. Förgasning av biomassa är dock ännu inte en fullt kommersiellt tillgänglig teknik, utan en framtida möjlighet.

Studien visar också att det finns alternativ som kan förverkligas inom en snar framtid, där all teknik för kvävegödsel baserad på förnybar energi finns tillgänglig. Det är ”bara” att sätta ihop de olika delarna som behövs. Dessa alternativ uppskattas bli 2-3 gånger så dyra som dagens kvävegödselmedel. Ett av de mest lovande alternativen är att göra urea av biogas, vilket uppskattas kosta ungefär 20 kr/kg N. Ett annat alternativ är att producera ammoniumnitrat från vindkraft, vilket beräknas kosta runt 24 kr/kg N.

De olika tekniska alternativen har sina för- och nackdelar. Vid en jämförelse mellan processer som bygger på vindkraftsbaserad elektrolys och reformering av biogas är produktionskostnaderna liknande. Biogasalternativet har dock en lägre investeringskostnad och lägre andel fasta kostnader. Biogas är också en mindre intermittent energikälla, vilket är en klar fördel jämfört med vindkraft som blir starkt beroende av ett vätgaslager eller det regionala energisystemet som utjämning för variationer i elproduktion. Att vara beroende av det regionala energisystemet innebär större kostnadsrisk och det blir även viktigt när klimatpåverkan beräknas hur övrig el produceras i systemet.

Vad gäller val av slutprodukt kan vi konstatera att ammoniak är billigast att producera. Vi har dock ingen infrastruktur eller vana av att hantera vattenfri ammoniak i Sverige. Det betyder att distribution, lagring, hantering och användning skulle kräva många extra investeringar. Då koncentrerad ammoniak är miljö- och hälsofarligt är hantering av ammoniak också kopplat till stora risker vid läckage. I jämförelse mellan ammoniumnitrat och urea, uppskattas produktionskostnaderna bli relativt likvärdiga, med en liten fördel för urea. Urea kräver dock en koldioxidkälla för produktionen, vilket gör att det inte är ett lämpligt val att kombinera med vindkraftsbaserade processer. Ammoniumnitrat är också förknippat med stora risker vid lagring och distribution då det är mycket brandfarligt.

Ett av syftena för att producera kvävegödsel baserad på förnybar energi är att minska utsläpp av växthusgaser från odling. Inom ramen för detta projekt gjordes en sammanställning av resultat från tidigare genomföra livscykelanalyser. Utsläpp av växthusgaser för produktion av kvävegödsel baserad på förnybar energi visade sig variera mellan 0,1 – 1,5 kg CO2-ekv/kg N, vilket kan jämföras med produktion baserad på fossil energi som varierar mellan 2,2 – 14,2 kg CO2-ekv/kg N. Alltså ger grönt kväve en avsevärd klimatnytta jämfört med fossila alternativ.

Att använda förnybar energi till kvävegödselproduktion utgör alltså en möjlighet att utnyttja förnybara resurser på ett nytt, klimateffektivt sätt, samtidigt det minskar jordbruksproduktionen beroende av den fossila energimarknadens instabilitet. Vår samlade bedömning är att på kort sikt verkar biogas till urea som ett mycket lovande alternativ som bör studeras vidare. På längre sikt är förgasning av biomassa mer intressant, förutsatt att tekniken för förgasning lyckas slå igenom på kommersiell skala. Även om det finns aktörer som visar intresse för förnybara kvävegödselmedel finns ännu ingen marknad för dessa produkter. Att skapa efterfrågan hos konsumenter, samt att driva på utvecklingen hos producenter genom olika typer att styrmedel är viktiga aspekter som bör studeras vidare.

• author: Ahlgren, Serina ; Bauer, Fredric and Hulteberg, Christian
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2015
• type: Book/Report
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• in: Rapport vid Institutionen för energi och teknik
• pages: 52 pages
• publisher: Sveriges Lantbruksuniversitet
• report number: 082
• ISSN: 1654-9406
• ISBN: 978-91-576-9305-1
• language: Swedish
• LU publication?: yes
• id: 3fd31a41-b258-441b-993a-bd585dc4ca89 (old id 5268279)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:42:22
• date last changed: 2018-11-21 20:19:03