氨的生產是世界上最耗能的化學過程之一，這一過程為全球的肥料市場提供支持，惠及數十億人，但同時也帶來了沉重的氣候成本。現在，美國的研究人員正在探索小型模塊化核反應堆（SMRs）如何改變這一現狀，通過為下一代無碳氨廠提供動力，來減少對環境的影響。據報導，全球超過 40% 的氫氣生產用於氨的合成，而氮肥如尿素和硝酸銨則消耗了近 80% 的氨。這一結果導致了顯著的碳排放。
目前的氨生產方法主要依賴天然氣蒸汽重整，這一過程負責全球化石能源使用的 2% 和約 1.2% 的溫室氣體排放。隨著人口增長，氨的需求預計將持續上升，因此減少該行業的碳足跡變得愈加迫切。小型模塊化核反應堆被視為應對氨產業挑戰的解決方案，與風能或太陽能不同，SMRs 提供穩定的基載電力和熱能。這使得它們能夠建造在消費中心附近，避免了集中式工廠所帶來的運輸排放，同時也使氫氣和氮氣的生產能夠與氨的合成共址進行，從而提高了效率並降低了成本。
該項目由美國能源部的核能大學計劃資助，並由猶他州立大學研究人員主導，旨在為無碳氨廠創建兩個參考設計。一個設計使用淡水供應氫氣，另一個則通過包括海水或鹹水來源的海水淡化進行適應。這兩個設計都依賴於 NuScale SMR，該反應堆的熱功率為 250 MW，電功率為 77 MW。為了產生氫氣，系統利用高溫蒸汽電解的方式，該方法通過使用反應堆的熱量來提供蒸發能量，從而減少了電力需求。
研究人員使用 Aspen Plus 模擬了三種系統配置，以評估能量流動。每個設計測試了不同的電解供水預熱方法。第一種情況將來自 SMR 的蒸汽與氫氣產品熱量進行分流；第二種情況則添加了氨產品熱量和電加熱器；第三種情況則捕獲了多級壓縮機和氨產品流的廢熱。第三種配置的生產效率最高，因為更多的反應堆功率供應給電解過程，從而實現了最高的氨產量。通過將廢熱轉化為有用的能量，該設計更好地利用了 SMR 的輸出，並減少了對外部加熱的需求。
接下來的步驟將包括在單元和工廠層面優化每個系統，隨後進行技術經濟分析。研究團隊還計劃為使用海水的工廠整合冷凍海水淡化和冰能儲存技術。項目的目標是展示如何運行無碳排放的 SMR 驅動氨廠，同時交付具有競爭力的成本。如果成功，這些設計將有助於將一個在全球糧食供應基礎上至關重要的行業實現脫碳。隨著穩定的核能支持氨的生產，肥料行業可能會朝著更接近碳中和的未來邁進。
