Hydrogen and Ammonia: complementary path beyond fossil fuels

Abstract

This master’s thesis explores hydrogen and ammonia as complementary low-carbon energy carriers to replace fossil fuels. It begins by reviewing the growing global energy demand and the urgent need to reduce greenhouse-gas emissions, highlighting hydrogen’s high gravimetric energy density, versatility (e.g., fuel cells, industrial applications, aerospace), and zero-emission potential when produced via water electrolysis . Chapter 1 surveys major hydrogen production methods—steam methane reforming (SMR) and green electrolysis—outlining their efficiencies, costs, and technical challenges. Chapter 2 examines hydrogen’s limitations (low volumetric density, storage/transport costs, infrastructure gaps) and introduces ammonia as an energy vector, detailing the Haber–Bosch process, green-ammonia routes, and the advantages of ammonia’s higher volumetric density and established distribution networks. Chapter 3 presents a technoeconomic analysis comparing levelized costs for small (20 MW), medium (200 MW), and large (1 000 MW) green-H₂ and green-NH₃ plants, as well as break-even distances for pipeline, shipping, and truck transport. The results show that while green hydrogen is cheaper at the plant gate, ammonia overtakes it in delivered cost once storage and transport are included, and that ammonia is more economical over long distances in all transport modes. The general conclusion demonstrates that a hybrid “H₂→NH₃” supply chain—co-locating electrolyzers with renewables to produce green ammonia for long-term storage and transport, then cracking back to hydrogen or direct combustion at end-use—offers a cost-effective, low-carbon pathway to a global hydrogen economy without building an entirely new distribution network

تستعرض هذه الرسالة استخدام الهيدروجين والأمونيا كحاملين للطاقة منخفضي الانبعاثات معاً كبدائل للوقود الأحفوري. تبدأ بملاحظة تزايد الطلب العالمي على الطاقة والحاجة الملحة لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، مسلطةً الضوء على كثافة الهيدروجين العالية للطاقة، وتعدد استخداماته (خلايا الوقود، التطبيقات الصناعية، الفضاء)، وإمكاناته في تحقيق انبعاث صفري عند إنتاجه عبر التحليل الكهربائي للماء . يراجع الفصل الأول طرق إنتاج الهيدروجين الرئيسية—إصلاح الميثان بالبخار (SMR) والتحليل الكهربائي الصديق للبيئة—موضحاً كفاءاتها وتكاليفها والتحديات التقنية. يفحص الفصل الثاني قيود الهيدروجين (انخفاض الكثافة الحجمية، تكلفة التخزين والنقل، نقص البنية التحتية) ويقدم الأمونيا كناقل للطاقة، مع شرح عملية هابر–بوش لإنتاجها وطرق الإنتاج الصديقة للبيئة، وفوائد كثافتها الحجمية الأعلى وشبكات التوزيع القائمة. يعرض الفصل الثالث تحليلًا تقنيًا-اقتصاديًا يقارن التكاليف المستوية لمحطات إنتاج الهيدروجين والأمونيا بمقادير 20 ميغاواط، 200 ميغاواط، و1000 ميغاواط، بالإضافة إلى مسافات التعادل الاقتصادي للنقل بالأنابيب والشحن والشاحنات. تشير النتائج إلى أن الهيدروجين الأخضر أرخص عند بوابة المصنع، لكن الأمونيا تتفوق بمجرد احتساب تكاليف التخزين والنقل، وتكون أكثر اقتصادية لمسافات طويلة في جميع أوضاع النقل. تُبرهن الخلاصة العامة أن سلسلة التوريد الهجينة “هيدروجين→أمونيا”—عبر إنتاج الأمونيا الخضراء من الهيدروجين الأخضر عند مواقع الطاقة المتجددة لتخزينها ونقلها لمسافات طويلة، ثم إعادة تكسيرها إلى هيدروجين أو الاحتراق المباشر عند الاستخدام النهائي—تمثل مساراً فعالاً من حيث التكلفة ومنخفض الانبعاثات نحو اقتصاد هيدروجيني عالمي دون الحاجة لبناء شبكة توزيع جديدة بالكامل