Energia
Produzione di ammoniaca: un metodo elettrochimico potrebbe ridurre le emissioni
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Ammoniaca: da fonte di emissioni a possibile vettore energetico
L’ammoniaca è studiata come alternativa ai combustibili fossili in settori difficili da elettrificare, come il trasporto marittimo e l’accumulo energetico di lunga durata. Può anche trasportare idrogeno, da recuperare successivamente per l’uso nelle celle a combustibile. La sua tossicità richiede comunque sistemi di gestione adeguati.
Il processo Haber-Bosch combina azoto e idrogeno a pressione e temperatura elevate. Le emissioni della produzione convenzionale dipendono soprattutto dall’origine fossile dell’idrogeno e dell’energia impiegata; non significa che ogni impianto Haber-Bosch abbia lo stesso impatto.
Fonte: Research Gate
Un gruppo di ricercatori della University of Illinois Chicago, Texas Tech University, e della General Ammonia Company ha studiato un metodo elettrochimico per produrre ammoniaca usando litio e un donatore di protoni, come l’etanolo.
Il gruppo aveva già studiato reti elettrocatalitiche di rame per la produzione di ammoniaca, oltre a sistemi che sfruttano la luce solare e i nitrati presenti nelle acque reflue.
La «sinfonia» del litio nella sintesi dell’ammoniaca
Il metodo combina azoto, un liquido donatore di protoni e litio depositato elettrochimicamente sull’elettrodo.
La sintesi dell’ammoniaca mediata dal litio (LiMAS) comprende tre fasi principali:
- Deposizione elettrochimica del litio a partire da ioni Li+. La modulazione della corrente aiuta a controllare l’interfase solido-elettrolita (SEI) e la stabilità del processo.
- Reazione dell’azoto con il litio, con formazione di nitruro di litio.
- Protonolisi del nitruro di litio (Li3N): il donatore di protoni consente di formare ammoniaca (NH3).
Fonte: ACS Publications
I ricercatori paragonano le reazioni coordinate a una «sinfonia»: regolare i passaggi e i cicli di rigenerazione può migliorare l’efficienza del sistema.
«Avvengono due cicli: la rigenerazione della fonte di idrogeno e quella del litio. La natura ciclica delle reazioni ricorda una sinfonia.
Abbiamo cercato di comprenderla e regolarla meglio, per rendere il processo più efficiente e più rapido». — Meenesh Singh, docente di ingegneria chimica alla UIC.
Il controllo della deposizione del litio è uno degli aspetti centrali del lavoro, perché influenza la selettività verso la produzione di ammoniaca.
Negli esperimenti sono stati esaminati altri fattori che influenzano la produzione:
- L’aumento della pressione dell’azoto fino a 20 bar.
- L’impiego di alcoli come donatori di protoni.
- Tra i donatori esaminati, l’1-butanolo ha dato risultati particolarmente favorevoli.
- Nelle condizioni sperimentali studiate, l’acqua è risultata meno efficace di alcuni alcoli. Questo risultato non va esteso automaticamente a tutti i processi di sintesi dell’ammoniaca.
I risultati indicano possibili miglioramenti della LiMAS ad alta pressione rispetto alle condizioni a bassa pressione esaminate. Non dimostrano che un impianto industriale LiMAS sia già più produttivo o economico degli impianti Haber-Bosch commerciali.
Fonte: UIC Today
Le emissioni legate alla produzione di ammoniaca
Ammoniaca verde
L’ammoniaca prodotta con energia a basse emissioni potrebbe contribuire alla decarbonizzazione di alcuni settori e al trasporto dell’idrogeno. Ne abbiamo parlato nell’articolo «Decarbonizzare il trasporto marittimo con l’ammoniaca verde».
Il potenziale beneficio dipende dall’origine dell’energia e dell’idrogeno, oltre che dalle emissioni dell’intero ciclo di vita.
Le denominazioni cromatiche descrivono, in modo non sempre uniforme, diverse vie di produzione:
- Ammoniaca grigia o bruna: prodotta usando materie prime ed energia fossili, senza cattura delle emissioni.
- Ammoniaca blu: produzione da fonti fossili con cattura di una parte della CO2. L’impatto dipende anche dal tasso di cattura e dalle emissioni a monte.
- Ammoniaca rosa: produzione che utilizza energia nucleare. Il termine «gialla» non è un sinonimo universalmente condiviso.
- Ammoniaca turchese: utilizza idrogeno ottenuto dalla pirolisi del metano, che produce anche carbonio solido. Il vantaggio ambientale dipende dall’energia impiegata e dalla gestione del carbonio e delle emissioni a monte.
La maggior parte dell’ammoniaca viene impiegata nei fertilizzanti e nell’industria chimica. La produzione convenzionale utilizza soprattutto gas naturale e, in alcune regioni, carbone.
La produzione di ammoniaca contribuisce in modo significativo alle emissioni industriali di CO2. Le stime citate nel dibattito sono dell’ordine dell’1–2% delle emissioni globali, ma dipendono dall’anno e dal perimetro del calcolo; non stabiliscono una classifica valida per ogni confronto con altri settori.
Le temperature elevate del processo Haber-Bosch richiedono energia. Se questa proviene da fonti fossili, si aggiungono emissioni a quelle associate alla produzione dell’idrogeno.
Portare la LiMAS su scala industriale
Il litio partecipa a un ciclo elettrochimico e può essere rigenerato. In un impianto reale devono comunque essere valutati perdite di materiale, durata dei componenti, consumi energetici e costi di gestione.
Il metodo potrebbe diventare competitivo, ma i risultati di laboratorio e le stime economiche non costituiscono una dimostrazione di produzione industriale a basso costo.
I ricercatori della University of Illinois Chicago hanno stimato il costo di un eventuale processo su scala maggiore:
«Il processo potrebbe produrre ammoniaca a circa 450 dollari statunitensi per tonnellata, un costo stimato inferiore del 60% rispetto ad alcuni precedenti approcci al litio e ad altri metodi verdi proposti». Si tratta di una proiezione, non di un prezzo industriale già conseguito.
Meenesh Singh, docente di ingegneria chimica alla UIC.
Questa stima può essere confrontata con gli obiettivi di altre tecnologie in sviluppo, come il sistema modulare di Fuel Positive che ha indicato un obiettivo di circa 560 dollari canadesi per tonnellata. AmmPower ha invece citato circa 360 dollari statunitensi per tonnellata per la sola elettricità. Valute e voci di costo diverse impediscono un confronto diretto senza ulteriori aggiustamenti.
(Queste aziende sono trattate anche nell’articolo «L’altro combustibile a idrogeno: cinque aziende dell’ammoniaca verde»)
La competitività rispetto all’ammoniaca convenzionale dipenderebbe dai prezzi regionali, dalle materie prime, dall’energia e dai costi dell’impianto, oltre che dall’effettiva scalabilità del processo.
Il prezzo dell’ammoniaca può oscillare molto con quello del gas naturale, come accadde nel 2022 all’inizio dell’invasione russa dell’Ucraina.
Fonte: BusinessAnalitIQ
Secondo l’annuncio di ricerca del 2024, il gruppo collaborava con General Ammonia Co. per sviluppare e sperimentare la LiMAS su scala maggiore. Erano previsti un impianto pilota nell’area di Chicago e iniziative di tutela brevettuale tramite l’università; non si trattava ancora di produzione commerciale dimostrata.
Aziende attive nell’ammoniaca verde
1. General Ammonia Company
General Ammonia Company, collaboratrice dei ricercatori della UIC, non è quotata in borsa. All’epoca dell’articolo dichiarava di essere alla ricerca di investimenti.
Eventuali investimenti privati dipendono dalla disponibilità di un’offerta, dai requisiti dell’investitore e dai documenti dell’operazione. Il progetto pilota non garantisce rendimenti.
2. NitroVolt
NitroVolt è una società danese che sviluppa la sintesi elettrochimica dell’ammoniaca mediata dal litio e ha descritto attività di tutela brevettuale della propria tecnologia.
Fonte: NitroVolt
La società combina la sintesi mediata dal litio con celle a flusso per sviluppare un processo continuo. Le prestazioni commerciali richiedono una verifica su scala maggiore.
L’attività scientifica alla base della tecnologia comprende, tra gli altri, i seguenti lavori:
- Science:
- Nature: Un protocollo rigoroso per la sintesi elettrochimica dell’ammoniaca con misure isotopiche quantitative
Fonte: NitroVolt
La società ha annunciato un primo investimento nel marzo del 2024 da parte della società di venture capital BackingMinds.
3. FuelPositive Corporation (NHHHF)
FuelPositive sviluppa sistemi modulari e containerizzati per produrre ammoniaca sul posto con energia locale. Per il modello FP300, nel 2024 indicava una capacità di progetto fino a 300 kg al giorno, circa 100 tonnellate l’anno, e un prezzo di circa 950.000 dollari canadesi. Questi dati descrivono l’offerta e gli obiettivi di progetto, non prestazioni garantite in ogni installazione.
Fonte: Fuel Positive
L’azienda presentava il sistema come adatto a un’azienda agricola fino a circa 1.800 acri, ossia 728 ettari, secondo ipotesi specifiche sul fabbisogno di fertilizzante. Il terreno e la potenza necessari per alimentarlo con il solare dipendono dall’irraggiamento, dalla continuità di funzionamento e dall’accumulo: non esiste un fabbisogno universale di appena 1,5 acri di pannelli.
Fonte: Fuel Positive
FuelPositive indicava un obiettivo di costo di circa 560 dollari canadesi per tonnellata.
Nel contesto del 2024, la società era nella fase iniziale di commercializzazione. Il riferimento a produzione su scala maggiore nel 2025, ordini e consegne programmate descriveva aspettative aziendali; non va interpretato come conferma che tutte le consegne o i volumi siano stati realizzati.
La modularità è uno degli aspetti centrali del progetto: potrebbe favorire installazioni distribuite e una produzione più standardizzata delle unità.
L’azienda ha descritto una collaborazione con Cipher Neutron, che sviluppa elettrolizzatori per produrre idrogeno senza metalli del gruppo del platino.
Un’eventuale integrazione della LiMAS sarebbe una possibilità da valutare, non un accordo già annunciato o una caratteristica confermata del sistema FuelPositive.
Oltre ai fertilizzanti, l’ammoniaca potrebbe essere utilizzata come vettore energetico. L’impiego nei mezzi agricoli dipenderebbe da motori e infrastrutture compatibili, oltre che dalla gestione della sicurezza e delle emissioni.
Sistemi distribuiti potrebbero trovare un ruolo in una futura filiera dell’ammoniaca a basse emissioni. Il mercato dei fertilizzanti è un possibile punto di partenza; la crescita in altri usi resta condizionata allo sviluppo della tecnologia e della domanda.
4. AmmPower Corp. (AMMPF)
AmmPower sviluppa anch’essa sistemi modulari, con una capacità di progetto dichiarata fino a quattro tonnellate al giorno per il modulo di base. Si rivolge quindi ad aziende agricole molto grandi, ad esempio oltre 10.000 acri, circa 4.047 ettari, e ad applicazioni industriali.
Fonte: AmmPower
L’azienda citava un potenziale commerciale a breve termine di circa 30 milioni di dollari e contatti per 690 unità in 52 paesi. Prospettive di vendita e contatti non equivalgono a ordini vincolanti o ricavi realizzati.
AmmPower stimava circa 360 dollari statunitensi per tonnellata per la sola elettricità. La cifra esclude investimenti, manutenzione e altre voci di costo.
Secondo l’azienda, la modularità avrebbe potuto abbreviare i tempi di consegna rispetto agli impianti tradizionali. Tempi inferiori a un anno rappresentavano obiettivi dipendenti dal progetto, non una garanzia per ogni cliente.
La società aveva inoltre descritto attività per trasformare rifiuti in ammoniaca, tramite una collaborazione con CTEC Energy Sales USA.
Anche per AmmPower, l’eventuale integrazione della LiMAS sarebbe una prospettiva ipotetica, non un accordo confermato da questo articolo.
Nel quadro dei suoi progetti per l’idrogeno, l’azienda aveva annunciato di sviluppare attività dedicate al cracking dell’ammoniaca per ricavarne idrogeno, con una possibile raccolta di fondi separata.
Con sistemi destinati all’industria e ad aziende agricole di grandi dimensioni, AmmPower si rivolge a clienti con fabbisogni e capacità di investimento consistenti.
L’integrazione con il cracking dell’ammoniaca potrebbe ampliare gli usi del sistema. La crescita dipenderebbe però da costi, prestazioni, domanda e politiche energetiche; non è un risultato garantito.
