Energía
La producción de amoníaco es enormemente perjudicial para el medio ambiente – Ingenieros acaban de desarrollar un método más limpio
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Amoníaco: De contaminante a alternativa verde
El amoníaco se ha discutido como una alternativa a los combustibles fósiles para aplicaciones difíciles de electrificar, como el transporte marítimo, el transporte por carretera o el almacenamiento de energía a largo plazo. También se ha propuesto como un paso intermedio para el transporte seguro de hidrógeno que luego puede usarse en pilas de combustible.
Normalmente, la producción de amoníaco depende de combinar hidrógeno con gas nitrógeno bajo alta presión y temperaturas, un proceso llamado proceso Haber-Bosch. Desafortunadamente, este método es contaminante y no muy eficiente energéticamente.
Fuente: Research Gate
En su lugar, investigadores de la Universidad de Illinois, la Universidad Texas Tech y General Ammonia Company han optimizado un nuevo método para producir amoníaco que aprovecha el etanol con un electrodo de litio cargado.
Este no es su primer avance, con trabajos previos sobre pantallas electrocatalíticas (una malla de cobre) para la producción de amoníaco, así como generadores de amoníaco “solar a combustible”.
“Sinfonía” de litio para la producción de amoníaco verde
El nuevo método de producción de amoníaco funciona combinando gas nitrógeno y un fluido donador de hidrógeno como el etanol con un electrodo de litio cargado.
Esta “síntesis de amoníaco mediada por litio” (LiMAS) funciona en 3 pasos sucesivos:
- Primero, un paso llamado electrodeposición de Li+. Esto se realiza con oscilaciones de corriente para asegurar una interfaz electrolito-sólido (SEI) de alta calidad y estabilidad de voltaje.
- En segundo lugar, la molécula de nitrógeno se adhiere al litio en un proceso llamado nitruración de Li.
- En tercer lugar, la protólisis de Li3N añade los átomos de hidrógeno al nitrógeno, creando amoníaco (NH3)
Fuente: ACS Publications
Los investigadores describen el proceso como una “sinfonía”, ya que cada paso está regulado de tal manera que el proceso se mantiene eficiente y mantiene el material en ciclo para el siguiente bucle de reacciones químicas.
“Hay dos ciclos que ocurren. Uno es la regeneración de la fuente de hidrógeno y el segundo es la regeneración del litio. Hay una sinfonía en esta reacción, debido al proceso cíclico.
Lo que hicimos fue comprender mejor esta sinfonía y tratar de modularla de una manera muy eficiente, de modo que podamos crear una resonancia y hacerla moverse más rápido.” – Singh, profesor asociado de ingeniería química en UIC.
El paso de electrodeposición es la innovación más importante realizada en esta investigación, ya que mejora enormemente la selectividad del NH3.
También encontraron dos factores adicionales que aumentan la productividad de la generación de amoníaco:
- Aumentar la presión del gas nitrógeno hasta 20 bar.
- Utilizar alcohol como fuente de hidrógeno.
- 1-butanol como donador de hidrógeno logró el mayor rendimiento
- El agua es un donador de hidrógeno mucho menos eficiente, contrario a lo que la comunidad científica había creído hasta ahora.
En conjunto, estos conocimientos hacen que la LiMAS a alta presión (“síntesis de amoníaco mediada por litio”) sea más productiva que tanto la LiMAS a baja presión como la reacción Haber-Bosch.
Fuente: UIC Today
Los problemas de la producción de amoníaco
Amoníaco verde
Mencionamos cómo la producción de amoníaco probablemente sea un paso crucial para descarbonizar todo el sector de la economía y crear una economía del hidrógeno. Lo discutimos en nuestro artículo “Descarbonizando las rutas de envío globales mediante amoníaco verde”.
Esto es especialmente cierto si el proceso se alimenta con energía verde (incluyendo el uso de hidrógeno verde), ya que otras formas de amoníaco son menos ecológicas.
Esto distingue al amoníaco verde de otros tipos de amoníaco:
- Amoníaco gris/marrón: producido a partir de combustibles fósiles.
- Amoníaco azul: producido a partir de combustibles fósiles pero con captura de carbono.
- Amoníaco rosa (a veces también llamado amoníaco amarillo): producido a partir de energía nuclear.
- Amoníaco turquesa: producido a partir de la pirólisis del metano. Esto descompone el metano en hidrógeno y carbono sólido, que luego se convierte en amoníaco. El carbono sólido puede almacenarse o usarse en aplicaciones como fibras de carbono.
Hoy en día, la mayor parte del amoníaco se produce para aplicaciones como la producción de fertilizantes y la industria química (tintes, explosivos, etc.). Se fabrica principalmente usando combustibles fósiles, especialmente gas natural.
Como resultado, el amoníaco ocupa el segundo lugar, solo detrás del cemento, entre los procesos industriales en términos de emisiones de carbono, representando el 1,5 % de las emisiones totales de carbono.
Las altas temperaturas requeridas por el proceso Haber-Bosch tampoco ayudan a reducir la factura energética de la producción de amoníaco, ya que esa energía a menudo proviene de combustibles fósiles, incluido el carbón de altas emisiones de carbono.
Industrializando LiMAs
Aunque el litio no es el material más barato, tampoco es extraordinariamente caro y no se consume en la generación de amoníaco mediante LiMAS a alta presión.
Por lo tanto, combinada con la alta eficiencia energética, este método es una fuente de amoníaco de bajo costo.
Los investigadores de la Universidad de Illinois estiman que, si se escala, sería económicamente viable
“el proceso produciría amoníaco a $456 por tonelada, lo que es un 60 % más barato que los enfoques basados en litio anteriores y otros métodos verdes propuestos”.
Singh, profesor asociado de ingeniería química en UIC.
Esto situaría ese método de producción en el mismo rango que otras alternativas verdes aún en desarrollo, como, por ejemplo, el sistema de generación de amoníaco contenedorizado de Fuel Positive, que apunta a CA$560/ton, o el sistema modular de amoníaco de AmmPower con $360/ton solo en costo eléctrico (sin contar mantenimiento y gastos de capital).
(Discutimos estas 2 empresas y otras en nuestro artículo “El otro combustible de hidrógeno – Las 5 principales acciones de amoníaco verde”)
$456 por tonelada también estaría en línea con la mayoría de los precios regionales mundiales del amoníaco, actualmente impulsados por la producción basada en combustibles fósiles.
Los precios del amoníaco también están expuestos a fluctuaciones bruscas cuando los precios del gas natural suben, como en 2022 al comienzo de la guerra en Ucrania.
Fuente: BusinessAnalitIQ
Los científicos ya están asociándose con General Ammonia Co. para pilotar y escalar su proceso de síntesis de amoníaco mediada por litio. Se construirá una planta piloto en el área de Chicago y la Oficina de Gestión Tecnológica de la Universidad de Illinois ha presentado una patente para el proceso.
Empresas de amoníaco verde
1. General Ammonia Company
La empresa que se asocia con los investigadores de la Universidad de Illinois no cotiza en bolsa, pero está “activamente buscando inversión”.
Los inversores acreditados podrían estar interesados en contactarlos directamente y discutir los posibles términos de inversión en la empresa y su planta piloto de LiMAS a alta presión.
2. NitroVolt
NitroVolt es otra empresa que busca crear amoníaco usando LiMAS, con una patente pendiente para el proceso de síntesis de amoníaco mediada por litio.
Fuente: NitroVolt
La empresa danesa está combinando el proceso LiMAS con su sistema de celda de flujo propietario, lo que permite una reacción continua y de alta eficiencia.
La investigación de la empresa ha sido publicada en prestigiosas publicaciones científicas, notablemente:
- Science:
- Nature: Nature: Un protocolo riguroso de síntesis electroquímica de amoníaco con mediciones isotópicas cuantitativas
Fuente: NitroVolt
La empresa recibió su primera inversión el 6 de marzo de 2024 de la firma de capital de riesgo BackingMinds.
3. FuelPositive Corporation (NHHHF)
FuelPositive ha creado un sistema modular/contenerizado de generación de amoníaco verde. Su primer objetivo es el sector agrícola, permitiendo la producción de amoníaco in situ con energía producida localmente. El sistema puede generar hasta 300 kg/día, 100 toneladas al año de amoníaco por CA$950,000.
Fuente: Fuel Positive
Esto lo convierte en un sistema adecuado para granjas de hasta 1 800 acres. Con solo 1,5 acres de terreno cubiertos con paneles solares, es suficiente para alimentar la generación de amoníaco.
Fuente: Fuel Positive
FuelPositive afirma que su sistema puede producir amoníaco por CA$560/ton,
La startup está en una etapa temprana, con producción a gran escala programada para 2025, y 30 pedidos confirmados hasta ahora, con la primera entrega programada para marzo de 2024.
La principal fortaleza de FuelPositive es la modularidad de su tecnología, lo que permite un enfoque más distribuido y una producción masiva estandarizada de su módulo de generación de amoníaco.
La empresa está construiendo una asociación con Cipher Neutron, que puede producir hidrógeno sin ningún metal del grupo del platino.
Se podría establecer una asociación similar para usar/licenciar el método LiMAS para la producción de amoníaco, ya que la fortaleza de la empresa radica en su diseño modular, más que en una tecnología propietaria de generación de amoníaco.
Aunque el enfoque principal es la producción de fertilizantes, el amoníaco podría usarse para alimentar motores agrícolas con energía producida in situ, dependiendo de la velocidad de adopción de herramientas agrícolas impulsadas por amoníaco/hidrógeno.
La naturaleza descentralizada y modular de los sistemas de FuelPositive también podría convertirlos en un elemento clave de una futura economía del amoníaco. El mercado de fertilizantes puede proporcionar el espacio para que la empresa crezca hasta que el uso de hidrógeno y amoníaco sea más generalizado.
4. AmmPower Corp. (AMMPF)
AmmPower es similar a FuelPositive en que ofrece sistemas modulares de generación de amoníaco, pero a mayor escala, con su módulo base capaz de producir 4 toneladas/día. Esto sitúa a la empresa más en el campo de granjas muy grandes (más de 10 000 acres) u operaciones industriales como textiles, refrigeración, minería, farmacéuticos o semiconductores.
Fuente: AmmPower
La empresa está en proceso de construir su libro de pedidos, con un potencial de reservas a corto plazo estimado en $30 M, y perspectivas de venta para 690 unidades de 52 países.
La empresa estima que el costo de la electricidad sea alrededor de $360/ton de amoníaco.
La modularidad del sistema permite una rápida puesta en marcha y entregas, con menos de un año en comparación con los 3‑4 años de proyectos similares sin el enfoque modular.
También está trabajando en tecnología para transformar residuos en amoníaco, en una empresa conjunta con CTEC Energy Sales USA.
Aquí también, podrían establecerse otras asociaciones para integrar el proceso de amoníaco LiMAS en el diseño modular.
Para avanzar en la incorporación del amoníaco a una economía de hidrógeno‑amoníaco, está creando una subsidiaria dedicada al craqueo del amoníaco en hidrógeno, que buscará financiación adicional por separado.
Al alcanzar la escala que podría adaptarse a la mayoría de los usos industriales, así como a granjas muy grandes, AmmPower apunta a clientes y empresas con mayor acceso a capital que la mayoría.
Combinado con la tecnología de craqueo de amoníaco, esto podría permitirle escalar rápidamente siguiendo políticas que impulsen el desarrollo del hidrógeno como portador de energía.
