Reator Plasma-Eletroquímico Inspirado em Raios Pode Resolver Nossas Necessidades de Amônia com Pegada de Carbono Zero

Encontrando o Caminho para uma Economia de Amônia

À medida que as energias renováveis avançam, algumas limitações estão se tornando mais claras. A intermitência das renováveis requer armazenamento de energia, que pode ser baterias, como exploramos em nosso artigo “O Futuro do Armazenamento de Energia — Baterias em Escala de Utilidade.”

No entanto, algumas formas de consumo de energia são muito resistentes à eletrificação. Por exemplo, transporte marítimo naval de longa distância ou frete aéreo.

Para essas aplicações, combustível líquido denso é preferível e provavelmente a opção mais provável para viagens aéreas. Portanto, para substituir os combustíveis fósseis, a amônia tem sido considerada como uma alternativa sólida. A amônia também é um composto chave na produção de fertilizantes e produtos químicos como explosivos.

Atualmente, a amônia é responsável por 1,8% do consumo global de energia e das emissões de carbono, e isso antes de tentarmos usá‑la para transporte. Ela é produzida atualmente pela queima de metano, criando a chamada amônia cinza. Uma alternativa melhor seria a chamada amônia verde, produzida a partir de energia renovável.

O problema é que, por enquanto, a amônia verde é muito mais cara que os combustíveis à base de petróleo ou a amônia cinza. Em grande parte, isso se deve ao fato de que a amônia é produzida usando hidrogênio, que por si só é caro de produzir por eletrólise.

Alternativas como catálise mediada por lítio podem ser possíveis e mais baratas, mas talvez ainda não sejam suficientemente econômicas.

Mas pode haver uma alternativa ao hidrogênio, ao menos segundo pesquisadores da Buffalo State University of New York e da University of Auckland (Nova Zelândia). Eles publicaram recentemente suas descobertas sobre como produzir amônia com plasma no Journal of the American Chemical Society sob o título “Controlando as Vias de Reação de Reagentes Mistos NOxHy na Síntese de Amônia Plasma‑Eletroquímica¹”.

Os Muitos Caminhos para a Produção de Amônia

O nitrogênio (N₂) é muito abundante na Terra, compondo 78% da atmosfera. Mas para ser útil para plantas ou como produto químico, precisamos dele na forma de amônia (NH₃) ou nitrato (NO₃). Adicionar esses átomos de hidrogênio ao átomo de nitrogênio é um processo que consome muita energia.

Uma maneira de fazer isso é através de bactérias especiais, chamadas bactérias fixadoras de nitrogênio. Esta é uma das maiores fontes de nitrogênio natural (100–300 Teragramas de nitrogênio por ano globalmente), mas geralmente insuficiente para a agricultura intensiva.

Como mencionado, outra é usar hidrogênio (H₂), mas produzir hidrogênio verde é caro.

Existe, porém, uma terceira forma de produzir amônia, que ocorre ocasionalmente na natureza. Quando um raio atinge, a intensidade da corrente elétrica rompe o N₂, criando várias formas de óxidos de nitrogênio.

Fonte: Britannica

Na natureza, esses óxidos de nitrogênio são então convertidos em amônia por bactérias. Isso representa apenas uma pequena parte da produção natural de amônia, na faixa de 3-10 teragramas. Isso é algo que poderia ser replicado artificialmente, contornando totalmente a necessidade de hidrogênio.

Plasma Artificial Substituindo o Raio

Os pesquisadores injetaram ar em um reator de plasma, um recipiente com um eletrodo e um tubo de vidro. As descargas de plasma replicam o efeito do raio, criando uma mistura complexa de óxidos de nitrogênio na câmara de reação.

Fonte: ACS Publication

Esses gases mistos são então enviados para um reator catalítico contendo uma liga cobre‑páladio estruturada como espuma. Este catalisador é responsável por primeiro absorver os óxidos de nitrogênio do ar residual e depois substituir as bactérias que, na natureza, teriam convertido os óxidos em amônia.

Ajustando a Catálise

A segunda etapa de transformar óxidos de nitrogênio em amônia não é nada simples.

“Quando a energia do plasma ou um raio ativa o nitrogênio, você gera uma sopa de compostos de óxido de nitrogênio. Converter simultaneamente, no nosso caso, até oito diferentes compostos químicos em amônia é incrivelmente difícil.”

Xiaoli Ge – Pesquisadora de pós‑doutorado na University at Buffalo

É também um problema, pois os óxidos de nitrogênio são um tanto poluentes, e qualquer produção em larga escala de amônia com este método precisa ter o mínimo possível de óxidos de nitrogênio residuais.

Portanto, os pesquisadores tiveram que criar uma série de catalisadores bimetálicos que foram então afinados para focar “a adsorção e conversão ótimas do intermediário limitante na via NOx-para-NH3”.

Eles usaram um processo matemático chamado teoria dos grafos para mapear todos os diferentes caminhos de reação. Dessa forma, puderam identificar desde o início onde estavam os gargalos e como melhorar a eficiência de conversão.

Ao fazer isso, descobriram que a maioria dos compostos de óxido de nitrogênio precisa passar por óxido nítrico ou amina como etapa intermediária antes de se tornar amônia. Portanto, criaram um catalisador que se liga favoravelmente a esses dois compostos.

Escalando

O design finalizado atingiu uma taxa de produção de amônia de 81,2 mg/h/cm². A câmara de plasma e o catalisador cobre‑páladio permaneceram estáveis após mais de 1.000 horas de operação com uma corrente aplicada de 2 amperes.

A equipe de pesquisa está agora investigando o próximo passo para escalar seu reator experimental, considerando tanto uma startup quanto o licenciamento da tecnologia para parceiros industriais. A Universidade de Buffalo também registrou um pedido de patente para o reator.

Ao contrário da produção atual baseada em combustíveis fósseis, esta produção de amônia baseada em plasma apresentaria algumas vantagens principais:

• Sendo totalmente alimentada por eletricidade para a geração de plasma, pode ser alimentada por energia 100% verde.
• Pode ser incorporada em um contêiner de tamanho médio e conectada a painéis solares, não exigindo a escala massiva das plantas de amônia atuais.
• Avanços adicionais na ciência dos catalisadores podem ajudar a melhorar os custos do sistema, bem como a contínua redução dos custos da energia verde, especialmente solar.

“Você pode imaginar nossos reatores em algo como um contêiner de transporte de tamanho médio com painéis solares no telhado. Isso pode então ser colocado em qualquer lugar do mundo e gerar amônia sob demanda para aquela região.

Essa é uma vantagem muito empolgante do nosso sistema, e permitirá que produzamos amônia para regiões subdesenvolvidas com acesso limitado ao processo Haber‑Bosch.”

Chris Li – Professor assistente de química

Potencialmente, investigar outras opções que não requerem palladium caro, como um biorreator contendo as bactérias adequadas, também poderia ser uma alternativa para desenvolvimento futuro, mas pode ser difícil escalar para o volume necessário para que a amônia se torne uma fonte de combustível global.

Investindo em Amônia

Já abordamos algumas possibilidades de investimento em amônia verde em artigos anteriores, bem como a ciência por trás disso, notavelmente “O Outro Combustível de Hidrogênio – Top 5 Ações de Amônia Verde” e “Descarbonizando Rotas de Navegação Globais através da Amônia Verde”.

Entretanto, em relação ao surgimento deste novo processo de produção de amônia baseado em plasma, uma ação mais relevante para investir poderia ser uma mineradora de paládio, já que qualquer produção em escala exigiria um volume massivo do catalisador usado pelos pesquisadores.

O paládio foi produzido principalmente em 2023 pela Rússia e África do Sul, seguido por Canadá e Zimbábue.

Fonte: Statista

E, claro, o investimento direto em paládio, na forma de moedas ou barras de metal, também é possível por meio de vendedores de lingotes de metais preciosos.

Fonte: US State Mint

Os preços do paládio têm sido muito voláteis nos últimos anos, com um enorme aumento de preço como consequência da guerra na Ucrânia e da importância do fornecimento da Rússia neste mercado. Desde então, eles caíram novamente.

Fonte: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

De longe a maior empresa focada em paládio e platina, a Sibanye Stillwater (SBSW ), é líder em seu setor. Também é a maior produtora mundial de ródio.

Além desses metais, também produz outros metais do grupo da platina, como irídio e rutênio. Em grande parte, isso ocorre porque os metais do Grupo dos Metais da Platina (PGM) tendem a ser encontrados e extraídos juntos nos mesmos minérios.

Stillwater

Em setembro de 2024, Sibanye Stillwater anunciou que reestruturaria sua mina Montana Stillwater, reduzindo a produção dessa mina em 45% para cortar custos. A mina, que contém mais paládio do que platina, tem sofrido com os baixos preços do paládio.

Isso resultou em uma enorme perda por desvalorização de US$ 435 milhões, fazendo com que a empresa registrasse um prejuízo no primeiro semestre de 2024.

Isso também a tornaria um ativo valioso em estado latente caso o paládio se torne um “metal energético” importante para produzir amônia em massa com plasma.

Vale também notar que os preços atuais mal cobrem os custos de produção na maioria das regiões ricas em platina, tornando-se um platô inferior para a indústria antes do fechamento da mina.

Fonte: Sibanye Stillwater

A Sibanye Stillwater está atualmente diversificando de uma mineradora pura de PGM para entrar nos mercados de ouro e metais para baterias, notavelmente com um projeto de mineração de lítio na Finlândia.

Fonte: Sibanye Stillwater

A empresa também tem presença na mineração de urânio com o projeto de urânio Beisa na África do Sul. Recentemente o vendeu para a Neo Energy em troca de uma participação acionária de 40% na Neo Energy, bem como royalties sobre todo o urânio vendido, com pagamentos limitados a US$ 5 por libra, dependendo do preço spot do urânio.

“A venda da mina Beatrix 4 e do projeto de urânio Beisa está alinhada com a estratégia da Sibanye‑Stillwater de desbloquear valor de nossos ativos de urânio.”

Neal Froneman – CEO da Sibanye‑Stillwater

No geral, a Sibanye‑Stillwater é a maior empresa internacional de mineração de PGM do mundo, e seus acionistas se beneficiariam enormemente com parte do setor de energia migrando para hidrogênio ou amônia como combustível de transporte. Isso ocorre porque quase todas as tecnologias possíveis neste segmento exigem platina, paládio ou ródio para eletrólise de hidrogênio, produção de amônia ou células de combustível, devido à física fundamental das reações de catálise de hidrogênio que necessitam desses metais especiais.

Também está expandindo em energia de baixo carbono, do lítio ao urânio, tornando‑a uma das empresas de mineração mais propensas a se beneficiar da transição para uma economia verde alimentada por renováveis e hidrogênio/amônia.

Referência do Estudo:

^{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}