Investigaciones recientes sobre fijación solar de nitrógeno

Autor: Alejandro Herrero, IMDEA Energía

La situación geopolítica en 2022 ha provocado un repunte en los precios del gas natural, combustible principal en la producción de amoníaco en el proceso Haber-Bosch, lo que se ha traducido en el alza del precio de los fertilizantes y, por extensión, de los alimentos y otros productos de primera necesidad.

Dicho proceso consume entre el 3% y el 5% del gas natural producido anualmente a nivel mundial, emitiendo cerca de dos toneladas de CO2 por cada una de amoníaco. Los precios de amoníaco varían entre los 170 $/ton e incluso más de 600 $/ton en situaciones de crisis como la actual. La mayor parte del amoníaco producido, alrededor de un 80% [1], se emplea en la fabricación de fertilizantes, entre los cuales el más consumido a nivel mundial es la urea [2].

En los últimos años se han desarrollado plantas de producción de “amoníaco verde” en las que el hidrógeno consumido en el proceso es obtenido mediante electrólisis con energías renovables. Sin embargo, el precio a día de hoy no es competitivo con el proceso Haber-Bosch en plantas de gran producción [3]. Según algunas estimaciones, la síntesis de hidrógeno y nitrógeno como vectores energéticos mediante energías renovables podría reemplazar a otros combustibles fósiles en un importante porcentaje para 2040-2050 [4, 5]. En los últimos años se ha tratado de mejorar la síntesis de amoníaco mediante el mismo proceso Haber-Bosch a condiciones de presión y temperatura más bajas, con el empleo de distintos tipos de catalizadores que contienen en su estructura Ru, Co, Ni o Mo [5].

La situación actual pone de manifiesto la vulnerabilidad del sistema de producción centralizado en el que el transporte de mercancías se ve, a su vez, comprometido en situaciones de excepcionalidad.

En los últimos años se han desarrollado tecnologías de fijación de nitrógeno alternativas que podrían ser competitivas en modelos de producción descentralizada en un plazo temporal no muy lejano. Pese a que aún no están plenamente desarrolladas, en el futuro permitirían amortiguar subidas en los precios durante épocas de crisis, reduciendo la dependencia exterior, costes de transporte y mejorando la capacidad de respuesta de cada país.

Figura 1. Esquema de los tipos de amoníaco producidos. Adaptado con permiso de [6].

La fijación de nitrógeno puede conseguirse en condiciones de baja presión y temperatura con otras tecnologías novedosas en las que se emplea energía solar o eléctrica renovable, obteniendo el hidrógeno necesario mediante electrólisis. Entre las tecnologías que pueden utilizar fuentes de energía renovables destacan los procesos de electrocatálisis, fotocatálisis, fotoelectrocatálisis, fototermocatálisis o la fijación de N2 por plasma. En todos estos casos, el nivel de madurez tecnológica es aún bajo y requiere de más años de investigación y desarrollo para su implantación comercial. Sin embargo, los primeros estudios económicos sugieren que en determinadas circunstancias se podrían alcanzar precios competitivos en un futuro no muy lejano.

Entre las tecnologías referidas, aquellos procesos que permiten la obtención de amoníaco mediante energía solar directa requieren aún mejoras sustanciales que permitan reducir los costes de producción. Entre ellas, las principales radican en la obtención de catalizadores estables con alta actividad catalítica y el empleo de las condiciones de operación más favorables. La configuración de las plantas solares, la combinación con otros procesos de producción y la ordenación del territorio pueden jugar también un importante papel en el desarrollo e implantación de este tipo de tecnologías.

Recientemente, se han comparado distintas configuraciones en algunas de estas tecnologías. En sistemas electrocatalíticos se ha planteado la conveniencia de emplear dos etapas en las que se produce hidrógeno y amoníaco respectivamente de forma secuencial, o bien una sola etapa en la que se sintetiza amoníaco directamente a partir de nitrógeno y agua, consiguiéndose costes estimados en 600 $/ton [3].

En fotocatálisis en fase acuosa se ha planteado el uso de aire y agua como mezcla inicial de reacción. Se ha evaluado la conveniencia del uso de sistemas de separación de nitrógeno del aire como paso previo a la síntesis en fase acuosa, donde se sacrificaría parte de la actividad catalítica debido a la presencia de oxígeno disuelto, pero consiguiendo importantes reducciones en los costes de producción [7].

Se ha evaluado recientemente un sistema de obtención de hidrógeno mediante foto-electro-catálisis que posteriormente es usado como reactivo en una segunda etapa de obtención de amoníaco mediante síntesis electroquímica, estimándose un coste de producción de 840 $/ton de amoníaco [8].

En conclusión, invertir en tecnologías alternativas a la producción de amoniaco por Haber-Bosh es una necesidad acuciada por la crisis actual de los combustibles. Aunque estas tecnologías son incipientes se ha evaluado que su coste podrá ser asumible en un futuro no muy lejano. En este contexto, las tecnologías relacionadas con la producción de amoniaco como combustible, fertilizante o reactivo de alto valor añadido de origen solar, son unas de las mas interesantes.

Referencias

[1] G. Chehade y I. Dincer. Progress in green ammonia production as potential carbon-free fuel. Fuel 299. 120845.

[2] https://www.fertilizerseurope.com/fertilizers-in-europe/facts-figures/

[3] C.A. Fernández y M. C. Hatzell. Editors’ Choice—Economic Considerations for Low-Temperature Electrochemical Ammonia Production: Achieving Haber-Bosch Parity. Journal of The Electrochemical Society 167 (2020). 143504.

[4] A. E. Yüzbaşıoğlu, C. Avşar, A. O. Gezerman. The current situation in the use of ammonia as a sustainable energy source and its industrial potential. Current Research in Green and Sustainable Chemistry 5 (2022). 100307.

[5] J. Humphreys, R. Lan, S. Tao. Development and recent progress on ammonia synthesis catalyst for Haber-Bosch process. Advanced Energy & Sustainability Research. 2 (2021). 2000043.

[6] K. Smart. Review of Recent Progress in Green Ammonia Synthesis. Johnson Matthey Technol. Rev., 2022, 66, (3), 230–244. https://doi.org/10.1595/205651322X16334238659301.

[7] Y.-H. Liu, C. A. Fernández, S. A. Varanasi, N. N. Bui, L. Song, and M. C. Hatzell. Prospects for Aerobic Photocatalytic Nitrogen Fixation. ACS Energy Lett. 2022, 7, 24−29.

[8] Y. Bicer and I. Dincer. Exergoeconomic analysis and optimization of a concentrated sunlight-driven integrated photoelectrochemical hydrogen and ammonia production system. International Journal of Hydrogen Energy 44 (2019).

Contacto
Alejandro Herrero, investigador de la Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía.
Víctor A. de la Peña O´Shea, coordinador del proyecto FotoArt-CM.

Compartir:

Deja un comentario