Investigadores de EEUU han diseñado un nuevo proceso productivo de “amoniaco verde”

Autores: Dr. Alberto de la Calle (Investigador Titular de ASU Lightworks®, Arizona, EE.UU.) y Dr. Alicia Bayon (Investigadora del ICP-CSIC)

El amoníaco (NH3) es el segundo químico industrial más producido en el mundo, siendo un componente esencial en la producción de fertilizantes. Su producción anual ronda los 180 millones de toneladas métricas y casi el 90% de esta producción se destina a satisfacer la demanda mundial de producción agrícola. El amoníaco también se ve cada vez más como un combustible verde y, en algunos sectores difíciles de descarbonizar como el transporte marítimo, ofrece muchas ventajas sobre el hidrógeno verde como combustible alternativo. Pero la forma en que se produce el amoníaco actualmente es insostenible. El proceso Haber-Bosch es el más utilizado para la producción de amoniaco. En él, el amoníaco se sintetiza a partir de hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2) mediante una reacción catalítica exotérmica a alta presión (150-300 bar) y a 350-500 °C. En este proceso, las materias primas esenciales (H2 y N2) se obtienen a partir de hidrocarburos: el H2 generalmente se deriva del metano (CH4) a través del reformado con vapor, y el N2 se obtiene del aire después de la eliminación del oxígeno (O2) a través de la combustión de CH4. Además, se queman combustibles fósiles adicionales para producir el calor y la energía mecánica necesarios en el proceso, lo que aumenta aún más las emisiones de dióxido de carbono (CO2). A nivel mundial, se genera una media de casi tres toneladas de CO2 por cada tonelada de amoniaco producida.

Pero, ¿y si el amoníaco pudiera fabricarse de manera sostenible a partir de fuentes de energía renovables? ¿Y cómo podría este nuevo proceso aprovechar el calor solar además de la electricidad? Para diseñar procesos tan fundamentalmente nuevos, es necesario invertir una gran cantidad de financiación en I+D a nivel internacional. Sin embargo, hasta la fecha, la mayoría de los investigadores han buscado vías para convertir el proceso Haber-Bosch en verde (sin combustible fósil) o azul (combustible fósil, con captura y almacenamiento de carbono). Estos métodos aún manejan presiones muy altas para producir el amoníaco lo que dificulta su integración con fuentes de energía renovables e intermitentes.

Entre las instituciones de investigación que trabajan en la producción de amoníaco verde, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE por sus siglas en inglés) ha financiado un proyecto multi-institucional que propone un proceso alternativo al Haber-Bosch. En este proyecto trabajan los Laboratorios Nacionales Sandia, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Estatal de Arizona (ASU) y proponen utilizar energía solar concentrada como única fuente de energía en la producción de amoniaco. En este proceso sostenible para la producción de amoníaco se separan el nitrógeno del aire usando calor de energía solar de concentración en lugar de los combustibles fósiles y reduciendo la presión necesaria para la síntesis del NH3. Esta tecnología encadena dos ciclos termoquímicos que se dividen a su vez en dos etapas más como se puede ver en la Figura 1. El primer ciclo sirve para separar el nitrógeno del aire con un oxido metálico en dos etapas. En la primera etapa se reduce térmicamente el óxido metálico, liberando parte del oxígeno contenido en su estructura. Esta reacción de reducción es endotérmica y el calor de la radiación solar concentrada proporciona la energía suficiente para que la reacción tenga lugar. En la segunda etapa, el óxido metálico reducido se re-oxida en aire, consumiendo el O2, lo que da como resultado una corriente de N2 de alta pureza. Una vez que se completa la reacción, el óxido de metal vuelve al primer paso, cerrando el ciclo.

Figura 1: Esquema de las etapas del proceso de producción de amoniaco mediante ciclos termoquímicos. Etapa 1 – reducción solar del óxido metálico; Etapa 2 – separación del nitrógeno del aire y reoxidación del óxido metálico; Etapa 3 – síntesis de amoníaco por reacción de gas H2 con un nitruro metálico*; y Etapa 4: renitrurar el nitruro ahora deficiente en nitrógeno con el nitrógeno producido. *Tenga en cuenta que de arriba a abajo el orden de los pasos es: 1, 2, 4 y 3.

El segundo ciclo produce amoníaco con un nitruro metálico en dos pasos. El primer paso es la reacción de síntesis de amoníaco (Etapa 4). En este paso, se reduce un nitruro metálico (se elimina el nitrógeno) con H2, lo que produce directamente NH3. En el segundo paso (Etapa 3), el nitruro metálico deficiente en nitrógeno se vuelve a nitrurar con el N2 purificado del primer ciclo, regenerando el nitruro. Una vez que se completa la reacción, el nitruro regenerado se puede volver a reducir, cerrando el ciclo, donde la entrada de reactivos sería aire e hidrógeno y la salida sería amoniaco y oxígeno. La investigación de un nitruro de trabajo efectivo para este proceso está actualmente en curso.

Se pretende obtener un proceso que sustituya al Haber-Bosch. Las altas presiones de Haber-Bosch incrementan el coste de todos los componentes del proceso: reactor, intercambiadores de calor, tuberías y etapas de compresión. Además, el coste derivado de la energía requerida en la compresión es significativo, representando alrededor del 20% del consumo total. Si se puede producir amoníaco a presiones mucho más bajas, se evitan muchos costos y emisiones de CO2.

Por otro lado, estas reacciones requerirían temperaturas más altas que el proceso de Haber-Bosch, que solo requiere entre 350 y 500 °C y el equipo de ASU todavía está trabajando en la selección de materiales para este ciclo termoquímico. El objetivo es alcanzar una temperatura cercana a los 500 °C tanto para la síntesis de amoníaco como para las reacciones de renitruración y un objetivo de presión máxima de 30 bares. Un sistema de recuperación de calor bien diseñado puede satisfacer toda la demanda de calor reutilizando el rechazo de calor en el subproceso de producción de nitrógeno.

Las reacciones propuestas en este proyecto (reducción de óxido de metal, producción de nitrógeno, síntesis de amoníaco y renitruración) se encuentran en una etapa temprana de madurez técnica, y el equipo de ASU ha comenzado ahora el modelado del sistema y el análisis termodinámico y técnico-económico detallado para encontrar las condiciones óptimas de funcionamiento o el tamaño. El proyecto se ha extendido hasta finales de este 2022 y será entonces cuando veamos sus primeros resultados tanto experimentales como económicos.

Contacto

Alicia Bayón, Investigadora del grupo CSIC-ECI del Programa ACES2030-CM
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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