Αμμωνία ως φορέας υδρογόνου: Τεχνο-Οικονομική αξιολόγηση επένδυσης στηριζόμενη σε μοντέλο προσομοίωσης διεργασιών αξιοποιώντας βιώσιμες στρατηγικές

Πατρίδας, Γεώργιος; Patridas, Georgios

dc.contributor.author	Πατρίδας, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Patridas, Georgios	en
dc.date.accessioned	2024-03-01T13:34:55Z
dc.date.available	2024-03-01T13:34:55Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58952
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26648
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Τεχνο-οικονομικά συστήματα”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Αμμωνία	el
dc.subject	Φορέας υδρογόνου	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Αξιολόγηση επένδυσης	el
dc.subject	Εκπομπές CO2	el
dc.subject	Ammonia	en
dc.subject	CO2 emissions	en
dc.subject	Investment evaluation	en
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Hydrogen carrier	en
dc.title	Αμμωνία ως φορέας υδρογόνου: Τεχνο-Οικονομική αξιολόγηση επένδυσης στηριζόμενη σε μοντέλο προσομοίωσης διεργασιών αξιοποιώντας βιώσιμες στρατηγικές	el
heal.type	masterThesis
heal.generalDescription	Στην παρούσα εργασία επιχειρείται να παρουσιαστεί μια ολοκληρωμένη πρόταση που αφορά σε επένδυση βιομηχανικής μονάδας παραγωγής αμμωνίας, στον ελληνικό χώρο, στηριζόμενη σε συμπεράσματα που προέρχονται από την μοντελοποίηση φυσικοχημικών διεργασιών και τεχνικές τεχνο-οικονομικής αξιολόγησης επενδύσεων. Προκειμένου να εξαχθούν τα τελικά συμπεράσματα αξιοποιήθηκαν βασικές αρχές της θεωρίας των διεργασιών, «καλών πρακτικών» και εμπειρικών μοντέλων που προέρχονται από τη βιομηχανία, αλλά και πρόσφατα δεδομένα της αγοράς ενέργειας και υλών. Η ανάλυση που λαμβάνει χώρα δεν είναι εξαντλητική, αλλά επιχειρείται να παρουσιαστούν απλοποιημένα και κατανοητά τα αποτελέσματα που αφορούν την επένδυση. Παράλληλα, η σύγκριση μιας συμβατικής τεχνικής με αναπτυσσόμενες, εναλλακτικές, διεργασίες προσφέρει μια σφαιρική αξιολόγηση των εναλλακτικών παραγωγής αμμωνίας, επισημαίνοντας πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα καθεμιάς. Θα πρέπει αξίζει να σημειωθεί, πως η επιλογή του αντικειμένου συγκεκριμένης μελέτης, συνδυάζοντας θέματα μηχανικής, ενέργειας και χρηματοοικονομικής, πετυχαίνει το σκοπό του εν λόγω μεταπτυχιακού προγράμματος. Η επιτυχία στηρίζεται στην αξιοποίηση γνώσεων και μεθοδολογιών που αποκτήθηκαν στη διάρκεια των δύο ετών, ώστε να προσεγγίσει και να απαντήσει σε θέματα και προκλήσεις του αντικειμένου δραστηριότητάς του.	el
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.classification	Τεχνο-Οικονομική Αξιολόγηση	el
heal.classification	Chemical Engineering	en
heal.classification	Techno-Economic Assessment	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-20
heal.abstract	Η μετάβαση προς σύγχρονες κοινωνίες με βιώσιμα χαρακτηριστικά προϋποθέτει την ορθή αξιοποίηση των ενεργειακών πόρων και προώθηση της αειφόρου ανάπτυξης. Στο πλαίσιο αυτό προωθούνται νέες περιβαλλοντικές πολιτικές και διεθνείς συμφωνίες, με σκοπό τον περιορισμό του περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Στον ενεργειακό τομέα οι δράσεις εστιάζονται στην υποκατάσταση ορυκτών καυσίμων από ανανεώσιμα καύσιμα, την αξιοποίηση των ΑΠΕ και τον περιορισμό ρύπων. Δεδομένου πως οι παραδοσιακές διαδικασίες παραγωγής και διαχείρισης ενέργειας, απαιτούν την κατανάλωση καυσίμων και συνοδεύονται από εκπομπές ρύπων, το ενδιαφέρον εστιάζεται στην αξιοποίηση ενεργειακά αποδοτικών και «πράσινων» καυσίμων. Το υδρογόνο (Η2) αποτελεί ένα καύσιμο που συνδυάζει υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο και μηδενική παραγωγή ρύπων κατά την καύση του, με ιδιαίτερη σημασία στην προώθηση της «πράσινης» ενεργειακής μετάβασης. Ωστόσο, η θέση του καυσίμου υποβαθμίζεται, λόγω του αυξημένου κόστους αποθήκευσης και διανομής του. Στην παρούσα φάση, σημαντικοί πόροι διατίθενται στην ανάπτυξη βιώσιμων διεργασιών παραγωγής Η2, ενώ ταυτόχρονα εξετάζονται εναλλακτικές ενώσεις που δύναται να λειτουργήσουν ως «φορείς Η2». Η αμμωνία (ΝΗ3) αποτελεί έναν ιδανικό υποψήφιο συνδυάζοντας σημαντική περιεκτικότητα σε Η2 και υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο. Η βιομηχανική της παραγωγή είναι ευρεία, το δίκτυο διανομής ανεπτυγμένο και οι ιδιότητές της κατάλληλες για οικονομική αποθήκευση. Παρόλα αυτά, η κύρια διαδικασία παραγωγής NH3 συνοδεύεται από έκλυση σημαντικής ποσότητας αέριων ρύπων. Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η παραγωγή ΝΗ3 προσομοιώνοντας τις βιομηχανικές διεργασίες σε εμπορικά λογισμικά μοντελοποίησης διεργασιών. Οι διεργασίες που μοντελοποιήθηκαν περιλάμβαναν την παραγωγή Η2 μέσω αναμόρφωσης φυσικού αερίου με ατμό (Steam Methane Reforming - SMR), καθαρισμό του μίγματος αερίων και σύνθεση ΝΗ3 με ατμοσφαιρικό Ν2, μέσω της διεργασίας Haber – Bosch. Αρχικά, αξιοποιώντας τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, υπολογίστηκαν τα κόστη κεφαλαίου και λειτουργίας, ώστε να προσδιοριστεί η βιωσιμότητα επένδυσης βιομηχανικής παραγωγής ΝΗ3 στην Ελλάδα. Τα αποτελέσματα της οικονομικής αξιολόγησης έδειξαν πως για ετήσια παραγωγή 145 kMT NH3 το εκτιμώμενο κόστος κεφαλαίου είναι 95 εκ.€ και το εκτιμώμενο λειτουργικό κόστος 110 εκ.€/έτος. Παράλληλα, υπολογίστηκε έκλυση 140 kMT¬ CO2,eq με εκτιμώμενο κόστος δικαιωμάτων εκπομπών CO2 στα 12 εκ.€, για τρέχοντα δεδομένα αγοράς. Τα αποτελέσματα της τεχνο-οικονομικής αξιολόγησης έδειξαν πως για μελέτη 20ετίας, η επένδυση κρίνεται βιώσιμη με ΚΠΑ περί τα 135 εκ. € και χρόνο αποπληρωμής 5,3 έτη. Ταυτόχρονα, η ανάλυση ευαισθησίας έδειξε πως αναμενόμενες μεταβολές κύριων μεταβλητών κόστους δεν απειλούν τη βιωσιμότητα αυτής. Τελικά, διερευνήθηκε το αποτέλεσμα της εφαρμογής περαιτέρω τεχνικών περιορισμού εκπομπών CO2 εξετάζοντας τα σενάρια δέσμευσης και αξιοποίησης CO2 και παραγωγής Η2 με ηλεκτρόλυση. Στην πρώτη περίπτωση μελετήθηκε η δέσμευση της ποσότητας CO2 που παράγονται κατά την καύση. Εκτιμήθηκε πως θα οδηγούσε σε μείωση του ετήσιου κόστους έως 12%, μειώνοντας το χρόνο αποπληρωμής στα 3,7 έτη, και αύξηση της ΚΠΑ στα 200 εκ.€. Ακολούθως, μελετήθηκε η παραγωγή Η2 με ηλεκτρόλυση που συνοδεύεται από μηδενική εκπομπή CO2, εφόσον συνδυαστεί με κατανάλωση ηλεκτρισμού που προέρχεται από ΑΠΕ. Η συγκεκριμένη διεργασία συγκρίθηκε με την SMR και διαπιστώθηκε πως συνοδεύεται από αύξηση 60%-140% του κόστους υλών και ενέργειας για παραγωγή Η2 και αύξηση κόστους 70%-95% στη συνολική παραγωγή NH3. Η υποκατάσταση της παραδοσιακής διεργασίας από ηλεκτρόλυση δεν κρίθηκε οικονομικά ωφέλιμη, ενώ παρουσιάστηκαν ορισμένα σενάρια στα οποία με μεταβολές σε πρώτες ύλες και ενέργεια θα μπορούσαν δυνητικά να την καταστήσουν ανταγωνιστική.	el
heal.abstract	The transition to modern societies with sustainable characteristics presupposes the correct use of energy resources and the promotion of sustainable development. In this context, new environmental policies and international agreements are promoted to limit the environmental footprint. In the energy sector, the actions are focused on the substitution of fossil fuels, utilization of energy, and limitation of resources consumption. Given that conventional processes of energy production and management require the consumption of materials and are accompanied by emissions, the interest is focused on energy-efficient and "green" materials. Hydrogen (Η2) is a fuel that combines a high energy content and zero emissions when it is burned, with particular importance in the promotion of the "green" energy transition. However, the value of the fuel is reduced due to the increased costs of storage and distribution. While significant resources are available for the development of viable Η2 production processes, alternative compounds that may function as «H2 carriers» are simultaneously being considered. Ammonia (ΝΗ3) constitutes an ideal candidate combining significant content of Η2 and high energy content. Its industrial production is broad, its distribution network is well-developed, and its properties are suitable for economic storage. However, the main pathway of NH3 production is accompanied by releasing a significant number of gaseous pollutants. In this paper, the production of NΗ3 was studied by simulating industrial processes in commercial process modelling software. The processes that have been simulated include the production of Η2 through steam reforming of natural gas (SMR), purification of the gas mixture and NH3 synthesis with atmospheric Ν2, through the Haber-Bosch process. Initially, using simulation’s results, capital and operating costs were calculated in order to determine the viability of the industrial production of NH3 investment in Greece. The results of the economic evaluation showed that for an annual production of 145 kMT NH3 the estimated capital cost was 95 m€, while estimated operating cost was 110 m€/year. At the same time, the release of 140 kMTCO2,eq was calculated with an estimated cost of CO2 emission rights at 12 m€, applying current market data. The results of the technical-economic assessment showed that for a 20-year study, the investment is sustainable with an NPV of 135 m€ and payback time of 5,3 years. At the same time, the sensitivity analysis showed that expected changes in main cost variables do not threaten its viability. Finally, the effect of applying CO2 emissions reduction techniques was investigated by considering the scenarios of CO2 capture and utilization and H2 production by electrolysis. In the first case, capturing CO2 produced during combustion of natural gas. It was estimated that it could lead to a reduction in annual costs by 25%, reducing the payback time to 3,7 years, and an increase in NPV to 200 m€. Next study included, the production of H2 by electrolysis accompanied by zero CO2 emission if combined with electricity coming from RES. This particular process was compared to SMR and found to be accompanied by a 60%-140% increase in material and energy costs for H2 production and a 70%-95% cost increase in total NH3 production. Substitution of the traditional process by electrolysis was not considered economically beneficial, while some scenarios were presented where in materials and energy costs could potentially make it competitive.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Ασκούνης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Ψαρράς, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	85 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false