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Techno-economic optimization of renewable urea production for sustainable agriculture and CO2 utilization

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作者
Matthew J. Palys,Pródromos Daoutidis
出处
期刊:JPhys energy [IOP Publishing]
卷期号:6 (1): 015013-015013 被引量:4
标识
DOI:10.1088/2515-7655/ad0ee6
摘要

Abstract Urea is the most used nitrogen fertilizer due to its ease of storage, transportation, and application. It is made by combining ammonia and carbon dioxide (CO 2 ), both of which are produced predominantly from fossil fuels at present. The recent momentum behind ammonia production using renewable-powered electrolysis offers an opportunity to both make urea in a more sustainable way and utilize CO 2 from external sources. In this work, we present a techno-economic optimization model to minimize the cost of making urea in this way. The model allows for time-varying chemical production in response to renewable variability by simultaneously optimizing production facility design and hourly operation. We performed a case study for Minnesota considering the use of byproduct CO 2 from bioethanol production. We found that the present-day levelized cost of renewable urea is between $268 mt −1 and $413 mt −1 at likely implementable production scales up to 250 000 mt yr −1 . This is within the range of historical conventional urea prices while offering at least 78% carbon intensity reduction. Projecting to 2030, there is a clear economic case for renewable urea production with levelized cost as low as $135 mt −1 due to technology improvement and electrolysis manufacturing expansion, facilitating a urea production scale increase to 525 000 mt yr −1 . Optimal facilities use wind energy, with hydrogen and ammonia production operating in a flexible, time-varying way to minimize battery and hydrogen storage capacities. Urea production operates near steady state due to the relatively low cost of intermediate ammonia buffer storage. A mix of imported methane and locally produced hydrogen are used to provide heat for steam consumed in the urea synthesis.
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