Reactor de plasma electroquímico inspirado en los rayos podría resolver nuestras necesidades de amoníaco con cero huella de carbono

Encontrar el camino hacia una economía del amoníaco

A medida que avanzan las energías renovables, algunas limitaciones se vuelven más claras. La intermitencia de las renovables requiere almacenamiento de energía, que podría ser baterías, como exploramos en nuestro artículo “El futuro del almacenamiento de energía—Baterías a escala de servicios públicos.”

Sin embargo, algunas formas de consumo energético son muy resistentes a la electrificación. Por ejemplo, el transporte marítimo naval de larga distancia o el transporte aéreo de carga.

Para estas aplicaciones, el combustible líquido denso es preferible y probablemente la opción más viable para la aviación. Por lo tanto, para reemplazar los combustibles fósiles, se ha considerado el amoníaco como una alternativa sólida. El amoníaco también es un compuesto clave en la producción de fertilizantes y productos químicos como explosivos.

Actualmente, el amoníaco representa el 1,8 % del consumo energético global y de las emisiones de carbono, y eso es antes de intentar usarlo para el transporte. Se produce hoy en día quemando metano, creando el llamado amoníaco gris. Una alternativa mejor sería el llamado amoníaco verde, producido a partir de energía renovable.

El problema es que, por ahora, el amoníaco verde es mucho más caro que los combustibles basados en petróleo o el amoníaco gris. En gran parte, esto se debe a que el amoníaco se produce usando hidrógeno, que a su vez es costoso de generar mediante electrólisis.

Alternativas como la catálisis mediada por litio podrían ser posibles y más baratas, pero quizá aún no lo suficientemente económicas.

Sin embargo, podría existir una alternativa al hidrógeno, al menos según investigadores de la Universidad Estatal de Buffalo (Nueva York) y la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda). Recientemente publicaron sus hallazgos sobre cómo producir amoníaco con plasma en la Journal of the American Chemical Society bajo el título “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis”.

Los muchos caminos para la producción de amoníaco

Nitrogen (N₂) es muy abundante en la Tierra, constituyendo el 78 % de la atmósfera. Pero para ser útil para las plantas o como químico, lo necesitamos en forma de amoníaco (NH₃) o nitrato (NO₃). Añadir estos átomos de hidrógeno al átomo de nitrógeno es un proceso que consume mucha energía.

Una forma de hacerlo es mediante bacterias especiales, llamadas bacterias fijadoras de nitrógeno. Esta es una de las mayores fuentes de nitrógeno natural (100–300 teragramos de nitrógeno al año a nivel global), pero generalmente insuficiente para la agricultura intensiva.

Como se mencionó, otra es usar hidrógeno (H₂), pero producir hidrógeno verde es costoso.

Sin embargo, existe una tercera manera de producir amoníaco, que ocurre ocasionalmente en la naturaleza. Cuando los rayos caen, la intensidad de la corriente eléctrica rompe el N₂, creando varias formas de óxidos de nitrógeno.

Fuente: Britannica

En la naturaleza, estos óxidos de nitrógeno son luego convertidos en amoníaco por bacterias. Esto representa solo una pequeña porción de la producción natural de amoníaco, en el rango de 3‑10 teragramos. Esto es algo que podría replicarse artificialmente, evitando por completo la necesidad de hidrógeno.

Plasma artificial que reemplaza los rayos

Los investigadores inyectaron aire en un reactor de plasma, un contenedor con un electrodo y un tubo de vidrio. Las descargas de plasma replican el efecto de los rayos, creando una mezcla compleja de óxidos de nitrógeno en la cámara de reacción.

Fuente: ACS Publication

Estos gases mezclados se envían luego a un reactor catalítico que contiene una aleación de cobre‑paladio estructurada como una espuma. Este catalizador se encarga de absorber primero los óxidos de nitrógeno del aire residual y luego reemplazar a las bacterias que, en la naturaleza, habrían convertido los óxidos en amoníaco.

Ajuste fino de la catálisis

El segundo paso de convertir óxidos de nitrógeno en amoníaco no es nada simple.

“Cuando la energía del plasma o un rayo activa el nitrógeno, se genera una sopa de compuestos de óxido de nitrógeno. Convertir simultáneamente, en nuestro caso, hasta ocho compuestos químicos diferentes en amoníaco es increíblemente difícil.”
Xiaoli Ge – Postdoctoral researcher at the University at Buffalo

Esto significa que no solo se necesitan 8 reacciones químicas para transformar los óxidos en amoníaco, sino en realidad muchos más pasos intermedios, cada uno potencialmente creando un cuello de botella y reduciendo la eficiencia global del sistema.

También es un problema porque los óxidos de nitrógeno son algo contaminantes, y cualquier producción a gran escala de amoníaco con este método debe contener la menor cantidad posible de óxidos residuales.

Por lo tanto, los investigadores tuvieron que crear una serie de catalizadores bimetálicos que luego fueron afinados para apuntar “a la adsorción y conversión óptimas del intermedio limitante en la ruta NOx-to-NH3”.

Utilizaron un proceso matemático llamado teoría de grafos para mapear todas las diferentes rutas de reacción. De esta forma, pudieron identificar desde el principio dónde estaban los cuellos de botella y cómo mejorar la eficiencia de conversión.

Al hacerlo, descubrieron que la mayoría de los compuestos de óxido de nitrógeno deben pasar por óxido nítrico o amina como paso intermedio antes de convertirse en amoníaco. Así, diseñaron un catalizador que se une favorablemente a esos dos compuestos.

Escalado

El diseño final logró una tasa de producción de amoníaco de 81,2 mg/h/cm². La cámara de plasma y el catalizador de cobre‑paladio fueron estables después de más de 1 000 horas de funcionamiento con una corriente aplicada de 2 amperios.

El equipo de investigación ahora está investigando el siguiente paso para escalar su reactor experimental, considerando tanto una startup como la concesión de licencias de la tecnología a socios industriales. La Universidad de Buffalo también ha presentado una solicitud de patente para el reactor.

En contraste con la producción actual basada en combustibles fósiles, esta producción de amoníaco basada en plasma presentaría algunas ventajas clave:

• Al estar totalmente impulsado por electricidad para la generación del plasma, puede alimentarse con energía 100 % verde.
• Podría incorporarse en un contenedor de tamaño medio y conectarse a paneles solares, sin requerir la escala masiva de las plantas de amoníaco actuales.
• Un mayor avance en la ciencia de catalizadores podría ayudar a reducir los costos del sistema, así como la continua disminución de los costos de la energía verde, especialmente la solar.

“Puedes imaginar nuestros reactores en algo como un contenedor de envío de tamaño medio con paneles solares en el techo. Esto podría colocarse en cualquier parte del mundo y generar amoníaco bajo demanda para esa región.
Eso es una ventaja muy emocionante de nuestro sistema, y nos permitirá producir amoníaco para regiones subdesarrolladas con acceso limitado al proceso Haber‑Bosch.”
Chris Li – Assistant professor of chemistry

Potencialmente, investigar otras opciones que no requieran paladio costoso, como un biorreactor que contenga las bacterias adecuadas, también podría ser una vía de desarrollo, aunque podría ser difícil escalarla al volumen necesario para que el amoníaco se convierta en una fuente de combustible global.

Invertir en amoníaco

Ya cubrimos algunas posibilidades de inversión en amoníaco verde en artículos anteriores, así como la ciencia detrás de ello, notablemente “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” y “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Sin embargo, respecto al surgimiento de este nuevo proceso de producción de amoníaco basado en plasma, una acción más relevante para invertir podría ser una minera de paladio, ya que cualquier producción a gran escala necesitaría un volumen masivo del catalizador usado por los investigadores.

El paladio se produjo mayormente en 2023 en Rusia y Sudáfrica, seguido por Canadá y Zimbabue.

Fuente: Statista

Y, por supuesto, la inversión directa en paladio, en forma de monedas o lingotes, también es posible a través de vendedores de metales preciosos.

Fuente: US State Mint

Los precios del paladio han sido muy volátiles en los últimos años, con un fuerte aumento como consecuencia de la guerra en Ucrania y la importancia del suministro ruso en este mercado. Desde entonces han vuelto a bajar.

Fuente: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Por mucho, la compañía más grande centrada en paladio y platino, Sibanye Stillwater (SBSW ), es líder en su industria. También es el mayor productor mundial de rodio.

Además de estos metales, también produce otros metales del grupo del platino, como iridio y rutenio. En gran parte, esto se debe a que los metales del Grupo del Platino (PGM) tienden a encontrarse y extraerse juntos en los mismos yacimientos.

Stillwater

En septiembre de 2024, Sibanye Stillwater anunció que reestructuraría su mina Montana Stillwater, reduciendo la producción de esa mina en un 45 % para disminuir costos. La mina, que contiene más paladio que platino, ha sufrido por los bajos precios del paladio.

Esto provocó un cargo por deterioro masivo de 435 M USD, lo que llevó a la compañía a registrar una pérdida en el primer semestre de 2024.

Esto también la convertiría en un activo latente valioso en caso de que el paladio se convierta en un “metal energético” importante para producir amoníaco a gran escala con plasma.

También vale la pena señalar que los precios actuales apenas cubren los costos de producción en la mayoría de las regiones ricas en platino, lo que representa una meseta baja para la industria antes del cierre de minas.

Fuente: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater está actualmente diversificando de una minera pura de PGM para entrar en los mercados de oro y metales para baterías, notablemente con un proyecto de extracción de litio en Finlandia.

Fuente: Sibanye Stillwater

La compañía también tiene presencia en la minería de uranio con el proyecto de uranio Beisa en Sudáfrica. Recientemente lo vendió a Neo Energy a cambio de una participación del 40 % en Neo Energy, así como regalías sobre todo el uranio vendido, con pagos limitados a 5 USD por libra, según el precio spot del uranio.

“La venta de la mina Beatrix 4 y del proyecto de uranio Beisa está alineada con la estrategia de Sibanye‑Stillwater de desbloquear valor de nuestros activos de uranio.”
Neal Froneman – Director ejecutivo de Sibanye‑Stillwater

En conjunto, Sibanye‑Stillwater es la mayor compañía minera internacional de PGM del mundo, y sus accionistas se beneficiarían enormemente del giro del sector energético hacia el hidrógeno o el amoníaco como combustible de transporte. Esto se debe a que casi todas las tecnologías posibles en este segmento requieren platino, paladio o rodio para la electrólisis del hidrógeno, la producción de amoníaco o las pilas de combustible, debido a la física fundamental de la catálisis de reacciones de hidrógeno que necesita estos metales especiales.

También está expandiéndose en energía baja en carbono, desde litio hasta uranio, lo que la convierte en una de las compañías mineras con mayor probabilidad de beneficiarse del giro hacia una economía verde impulsada por renovables y por hidrógeno/amoniaco.

Referencia del estudio:

^{1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). Controlling the reaction pathways of mixed NOxHy reactants in plasma-electrochemical ammonia synthesis. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858}