Energía
La producción de amoníaco es enormemente perjudicial para el medio ambiente – Los ingenieros acaban de desarrollar un método más limpio
Amoníaco: De contaminante a alternativa verde
El amoníaco ha sido discutido como una alternativa a los combustibles fósiles para aplicaciones difíciles de electrificar, como la navegación, 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 se puede utilizar en celdas de combustible.
Normalmente, la producción de amoníaco depende de la combinación de hidrógeno con nitrógeno gaseoso bajo alta presión y temperaturas, un proceso llamado Proceso Haber-Bosch. Desafortunadamente, este método es contaminante y no muy eficiente en términos de energía.
Fuente: Research Gate
En lugar de eso, los investigadores de la Universidad de Illinois, Universidad Tecnológica de Texas y Compañía General de Amoníaco 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 “sol a combustible”.
“Sinfonía” de litio para la producción de amoníaco verde
El nuevo método de producción de amoníaco funciona combinando nitrógeno gaseoso 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 deposición de electrodo de Li+. Esto se hace con oscilaciones de corriente para asegurar una interfaz de 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 nitridación de Li.
- En tercer lugar, la protólisis de Li3N agrega los átomos de hidrógeno al nitrógeno, creando amoníaco (NH3)
Fuente: ACS Publications
Los investigadores describen el proceso como una “sinfonía”, ya que cada paso se regula de tal manera que el proceso se mantiene eficiente y mantiene el material en ciclo para el siguiente bucle de reacciones químicas.
“Hay dos bucles 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 entender esta sinfonía de una mejor manera y tratar de modularla de una manera muy eficiente, para que podamos crear una resonancia y hacer que se mueva más rápido.” – Singh, profesor asociado de ingeniería química en la UIC.
El paso de deposición de electrodo es la innovación más importante realizada en esta investigación, ya que mejora enormemente la selectividad de NH3.
También encontraron dos factores que aumentan la productividad de la generación de amoníaco:
- Aumentar la presión del gas nitrógeno hasta 20 bar.
- Usar alcohol como fuente de hidrógeno.
- 1-butanolas un donador de hidrógeno que logró el rendimiento más alto
- El agua es un donador de hidrógeno mucho menos eficiente, contrario a lo que se creía en la comunidad científica hasta ahora.
En conjunto, estas ideas hacen que el LiMAS de alta presión sea más productivo que el LiMAS de baja presión y la reacción de Haber-Bosch.
Fuente: UIC Today
Los problemas de la producción de amoníaco
Amoníaco verde
Mencionamos cómo la producción de amoníaco es probablemente un paso crucial para descarbonizar todo el sector de la economía y crear una economía de hidrógeno. Discutimos esto en nuestro artículo “Descarbonizando las rutas de navegación global a través del amoníaco verde”.
Esto es especialmente cierto si el proceso está impulsado por 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 es 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 se puede almacenar o utilizar para aplicaciones como fibras de carbono.
Hoy en día, la mayoría del amoníaco se produce para aplicaciones como la producción de fertilizantes y la industria química (colorantes, explosivos, etc.). Se produce principalmente utilizando combustibles fósiles, especialmente gas natural.
Como resultado, el amoníaco ocupa el segundo lugar, después del cemento, entre los procesos industriales en términos de emisiones de carbono, y representa el 1,5% de las emisiones de carbono totales.
Las altas temperaturas requeridas por el proceso Haber-Bosch también no ayudan a reducir la factura de energía de la producción de amoníaco, y esta energía a menudo proviene de combustibles fósiles, incluyendo carbón de alta emisión de carbono.
Industrializando LiMAs
Aunque el litio no es el material más barato, no es extraordinariamente caro y no se consume en la generación de amoníaco utilizando LiMAS de alta presión.
Así, combinado 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 escalara, sería viable económicamente
“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 la UIC.
Esto haría que el método de producción esté en el mismo rango que otras alternativas verdes que aún están en desarrollo, como por ejemplo Fuel Positive, que busca producir amoníaco por CA$560/tonelada, o AmmPower, con un sistema modular de amoníaco con $360/tonelada solo por el costo de electricidad (sin contar los gastos de mantenimiento y capital).
(Analizamos estas 2 empresas y otras en nuestro artículo “El otro combustible de hidrógeno – Las 5 mejores acciones de amoníaco verde”)
$456 por tonelada también estaría en línea con la mayoría de los precios regionales del mundo para el amoníaco, actualmente impulsados por la producción basada en combustibles fósiles.
Los precios del amoníaco también están expuestos a fluctuaciones salvajes cuando los precios del gas natural aumentan, como en 2022 al comienzo de la guerra en Ucrania.
Fuente: BusinessAnalitIQ
Los científicos ya están colaborando con la Compañía General de Amoníaco 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 de Tecnología de la Universidad de Illinois ha presentado una patente para el proceso.
Empresas de amoníaco verde
1. Compañía General de Amoníaco
La empresa que colabora con los investigadores de la Universidad de Illinois no es pública, pero está “buscando activamente inversión“.
Los inversores acreditados pueden estar interesados en contactarlos directamente y discutir los posibles términos de inversión en la empresa y su planta piloto de LiMAS de alta presión.
2. NitroVolt
NitroVolt es otra empresa que busca crear amoníaco utilizando LiMAS, con una patente pendiente para el proceso de síntesis de amoníaco mediada por litio.
Fuente: NitroVolt
La empresa danesa combina 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 se ha publicado en publicaciones científicas prestigiosas, notablemente:
- Ciencia:
- Naturaleza: Un protocolo estricto de síntesis de amoníaco electroquímico con mediciones de isótopos cuantitativos
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 de generación de amoníaco verde modular y contenedorizado. Su primer objetivo es el sector agrícola, lo que permite la producción de amoníaco en el lugar con energía producida localmente. El sistema puede generar hasta 300 kg/día, 100 toneladas por año de amoníaco por CA$950,000.
Fuente: Fuel Positive
Esto lo hace un sistema adecuado para granjas de hasta 1,800 acres. Con solo 1,5 acres de tierra cubiertos con paneles solares, suficientes para alimentar la generación de amoníaco.
Fuente: Fuel Positive
FuelPositive afirma que su sistema puede producir amoníaco por CA$560/tonelada.
La empresa de inicio es de 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 en masa estandarizada de su módulo de generación de amoníaco.
La empresa está construyendo una asociación con Cipher Neutron, que puede producir hidrógeno sin ningún metal del grupo del platino.
Una asociación similar se podría establecer para utilizar o licenciar el método LiMAS para la producción de amoníaco, ya que la fuerza de la empresa está en su diseño modular, más que en una tecnología de generación de amoníaco propietaria.
Aunque el enfoque principal es la producción de fertilizantes, el amoníaco se podría utilizar para alimentar motores de agricultura con energía producida en el lugar, dependiendo de la velocidad de adopción de herramientas de agricultura alimentadas con amoníaco/hidrógeno.
La naturaleza descentralizada y modular de los sistemas de FuelPositive también podría hacer que sean un elemento clave de una futura economía de amoníaco. El mercado de fertilizantes puede proporcionar la brecha 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 proporciona sistemas de generación de amoníaco modulares, pero a una escala mayor, con su módulo base capaz de producir 4 toneladas/día. Esto coloca a la empresa más en el campo de granjas muy grandes (10,000+ acres) o operaciones industriales como textiles, refrigeración, minería, farmacéuticos o semiconductores.
Fuente: AmmPower
La empresa está en el proceso de construir su libro de pedidos, con el potencial de reserva a corto plazo estimado en $30M, y prospectos de venta para 690 unidades de 52 países.
La empresa estima que el costo de electricidad es de alrededor de $360/tonelada de amoníaco.
La modularidad del sistema permite un rápido cambio 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 joint venture con CTEC Energy Sales USA.
Aquí también se podrían establecer otras asociaciones para integrar el proceso de amoníaco LiMAS en el diseño modular.
Para avanzar en el progreso del amoníaco hacia una economía de hidrógeno-ammoníaco, está creando una filial dedicada a dividir el amoníaco en hidrógeno, que buscará financiamiento 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 un acceso más profundo al capital que la mayoría.
Combinado con la tecnología de división de amoníaco, esto podría permitirle escalar rápidamente después de las políticas para impulsar el desarrollo del hidrógeno como portador de energía.
