Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

För att försörja väldens växande befolkning med mat krävs höga skördar på jordbruksmark. Ett viktigt inslag för att uppnå detta är användningen av mineralgödsel som innehåller de tre huvudsakliga näringsämnena för grödor: kväve (N), fosfor (P) och kalium (K). Av dessa näringsämnen är kväve det mest efterfrågade av grödor. Traditionellt framställs kvävemineralgödsel genom att reagera vätgas (H2) med kvävgas (N2) för att producera ammoniak (NH3). En utmaning med denna process är att vätgasen vanligtvis produceras genom ångreformering av naturgas, vilket har negativ klimatpåverkan.
Företaget N2-Applied har utvecklat en plasmamaskin som använder elektricitet för att tillgodose grödor med kväve, N2-Applied kallar sin maskin för NEO (Nitrogen Enriched Organic Fertilizer), vilket kommer göras fortsättningsvis i rapporten. Genom att bryta bindningarna mellan kväve och syre i luften kan NEO producera nitrater (NOx). Dessa nitrater absorberas sedan i rötrest, vilket bildar nitratkväve (HNO3) eller nitrat i vatten (H+ + NO− 3 ). Växter kan använda nitrat som näring på samma sätt som ammoniak. Dessutom har tillsatsen av extra väte i rötresten en försurande effekt, vilket minskar utsläppen av metangas och lustgas, som i sin tur minskar klimatpåverkan från rötresten. Försurningen hjälper även till att minska oavsiktlig ammoniakförlust från rötresten, som annars skulle kunna nå grödorna. För att använda NEO krävs tillgång till rötrest, vilket är anledningen till att den installeras på en biogasanläggning.
Denna förstudie syftade till att dimensionera installationen av NEO på en biogasanläggning i Lövsta, Uppsala. Målet var att beräkna den lägsta produktionskostnaden för kväve med den eldrivna NEO-maskinen genom att kvantifiera både de fasta och rörliga kostnaderna för installation och drift av maskinen. Potentiella intäkter, såsom minskade inköp av kvävemineralgödsel, inkluderades också i kostnadskalkylen. Elpriset var den mest avg¨orande faktorn för produktionskostnaden, varför spotpriset på el för biogasanläggningen användes under en ettårig tidsperiod. Resultatet inkluderade den lägsta produktionskostnaden, antalet drifttimmar det motsvarade, det specifika elpriset och minskningen av koldioxidavtrycket som NEO medförde.
Den lägsta produktionskostnaden uppgick till 4.04 €/kg kväve producerat, vilket motsvarade 4507 drifttimmar och ett elpris på upp till 0.0942 €/kWh eller 1.04 SEK/kWh. Jämfört med priset på kväve från mineralgödsel som Lövsta betalade (2.37 €/kg kväve) var produktionskostnaden med NEO högre. Klimatavtrycket minskade med 33.72 kgCO2/ton kväveanrikad rötrest. Spotpriset på el var extremt högt under den undersökta tidsperioden. Vid ett annat timprisintervall, med ett spotpris som motsvarade elpriserna under 2019 och 2020, skulle produktionskostnaden kunna minska till 1.13 €/kg kväve. Observera att detta resultat endast är ett exempel på hur produktionskostnaden kan se ut med NEO och bör inte användas som ett beslutsunderlag. Ytterligare analys av kostnader och intäkter bör genomföras genom fältförsök för att utvärdera utsläpp av klimatgaser och förluster av ammoniak. Det är också viktigt att notera att kostnads- och intäktsberäkningarna baseras på befintlig data och antaganden, vilket innebär att de kan skilja sig från en verklig installationsmiljö.

Nitrogen is essential for modern agriculture and is commonly obtained through the production of ammonia from hydrogen gas and nitrogen gas. However, this process is not climate neutral as hydrogen gas is typically produced using steam reforming of natural gas. N2-Applied has developed a plasma unit that uses electricity to split the bonds of nitrogen and oxygen in the air, creating NOx. This NOx is then injected into digestate, enhancing the available nitrogen and reducing the need for mineral fertilizers. In this prefeasibility study, an installation of N2-Applied’s plasma unit with additional equipment was dimensioned at the Lövsta Uppsala biogas plant. The aim was to calculate the cost of nitrogen production using the plasma unit by determining both fixed and variable costs associated with installation and operation. The study also investigated the climate impact advantage of using plasma-enriched digestate compared to mineral fertilizers, and whether this advantage could affect production costs. The results gave the lowest cost for plasma production of nitrogen as 4.04 €/kg, achieved at 4507 operational hours when considering all costs and earnings. However, compared to the cost of mineral nitrogen fertilizer at Lövsta (2.36 €), the plasma unit appeared to be more expensive. It is important to note that the results were heavily influenced by the electricity price, with the time interval having an electricity price more than 6 times higher than the mean price of 2020 (1.42 SEK/kWh or 0.128 €/kWh compared to 0.221 SEK/kWh or 0.02 €/kWh). Additionally, the use of plasma-enriched digestate resulted in a reduction of 33.72 kg CO2 per ton compared to ordinary digestate. It is important to consider the electricity price and its impact on the overall production cost. Further analysis and consideration of various factors would be necessary to determine the feasibility and economic viability of implementing the plasma unit in practice.