Resulta que el amoníaco podría ser el combustible del futuro

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El amoníaco (fórmula química NH3) se puede encontrar de forma natural en el medio ambiente, pero también se usa ampliamente en la industria y el comercio.

Para los seres vivos, es un precursor esencial para sintetizar aminoácidos y nucleótidos y es necesario para numerosas actividades biológicas. El amoníaco también es un producto de la actividad bacteriana en el suelo y se crea como parte del ciclo del nitrógeno en el medio ambiente.

Pero, para uso humano, es fundamental como ingrediente principal en la fabricación de fertilizantes para la producción de alimentos. De hecho, se ha argumentado que desarrollar su síntesis a escala es uno de los descubrimientos más importantes de todos los tiempos. Aunque también se ha señalado que el uso excesivo generalizado de fertilizantes a base de amoníaco ha degradado el ciclo del nitrógeno y ha contribuido al daño ambiental.

Si bien existen serias preocupaciones ambientales sobre su uso generalizado, ¡el amoníaco podría estar en condiciones de salvar los motores de combustión y hacer que las tecnologías renovables sean verdaderamente sostenibles de una sola vez!

¿Pero cómo? Vamos a averiguar.

En resumen, ciertamente puede. Al menos, eso es lo que un creciente cuerpo de expertos en el tema está comenzando a explorar.

El amoníaco se ha utilizado ampliamente durante muchos años como refrigerante en los sistemas de refrigeración y en la fabricación de productos como fertilizantes, productos de limpieza para el hogar y desinfectantes, por nombrar solo algunos productos.

Sin embargo, debido a su naturaleza libre de carbono y su uso potencial como combustible para reducir las emisiones de CO2, el amoníaco recientemente comenzó a atraer la atención de investigadores, científicos, ingenieros y tecnólogos. Como medio especial de almacenamiento de hidrógeno (con tres átomos de hidrógeno) y método de transporte y distribución, puede ser extremadamente útil para resolver varios problemas relacionados con las opciones de energía del hidrógeno y la economía del hidrógeno.

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Esto se debe a que utiliza los mismos métodos de transporte y distribución existentes que las industrias ya utilizan sin necesidad de cambios en la infraestructura. En los últimos diez años, han aumentado significativamente los intentos de emplear amoníaco en turbinas de gas y motores de combustión interna.

Como fuente potencial de combustible, el amoníaco tiene algunas ventajas significativas: -

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Se estima que alrededor de 1/3 del consumo total de energía del mundo proviene del sector del transporte, donde los combustibles fósiles se utilizan predominantemente para fabricar combustibles comunes para el transporte como diesel, gasolina, combustible para aviones, etc.

Si bien es una de las fuentes de combustible más utilitarias jamás descubierta por los humanos, su uso extensivo ha resultado en cantidades muy altas de emisiones de efecto invernadero, que se cree que causan daños ambientales severos. Aunque los fabricantes y los gobiernos están haciendo esfuerzos significativos para pasar a los vehículos eléctricos e híbridos, una preocupación es que este cambio no se puede completar rápidamente debido a los desafíos de infraestructura, económicos y de materias primas.

Según muchos estudios, no se está haciendo lo suficiente ni lo suficientemente rápido.

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Además, el uso de generadores diésel y de gasolina en aplicaciones residenciales, comerciales, de servicios públicos y fuera de la red aumenta el consumo de combustibles fósiles y las emisiones de CO2. Para pasar más rápidamente a una economía basada en el hidrógeno, el uso de amoníaco en procesos de combustión como turbinas de gas y motores de combustión interna puede resultar crítico.

Se han realizado varios intentos en los últimos años para usar amoníaco en turbinas de gas y motores de combustión interna.

Por ejemplo, como parte de un procedimiento de microrred en curso, la Comisión de Servicios Públicos de California se reunió con las partes interesadas de la industria para discutir alternativas a los generadores diésel y está considerando reemplazar los generadores diésel con generadores impulsados ​​por amoníaco para 2021.

Bajo este plan, se destinan 350 MW de generadores diésel utilizados en 63 subestaciones para ser reemplazados por generadores alimentados con amoníaco.

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Japón también ha iniciado un plan de acción integral para el uso de amoníaco en la fabricación, principalmente en la producción de energía. Una compañía marina japonesa ha anunciado el inicio de un proyecto sobre barcos alimentados con amoníaco y sistemas de suministro de combustible para ellos.

Muchas más aplicaciones de amoníaco se presentan con más detalle en las siguientes secciones. Se anticipa que los sistemas impulsados ​​por amoníaco cubrirán pronto el 1 por ciento del consumo de electricidad de Japón.

También se ha iniciado un programa de turbinas de gas alimentadas con amoníaco para la generación de energía en Japón.

Sin embargo, como muchas cosas en la vida, no hay soluciones, solo compromisos. A pesar de las claras ventajas del amoníaco, presenta algunos desafíos únicos relacionados con su toxicidad, inflamabilidad y combustión en motores, turbinas y generadores de energía tradicionales.

Además, aunque el amoníaco no contiene carbono, el proceso más común utilizado para fabricarlo es increíblemente intensivo en carbono. No solo eso, sino que la liberación de amoníaco y óxidos de nitrógeno a la atmósfera es tan perjudicial para el calentamiento global como el CO2, si no peor. Claramente, para usar el amoníaco de manera efectiva, será necesario desarrollar métodos de fabricación ecológicos.

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Dicho esto, los beneficios potenciales de usar amoníaco como combustible pueden superar sus inconvenientes. Estos incluyen, pero no se limitan a: -

Ya hemos cubierto algunas razones anteriormente, pero uno de los beneficios clave del amoníaco es que puede considerarse una "moneda energética" no biológica. Este término deriva de su uso para una molécula en cada célula viva llamada trifosfato de adenosina (ATP).

En su cuerpo, esta sustancia es una especie de fuente de energía única para varias funciones biológicas del cuerpo.

Algunos consideran que el amoníaco anhidro (NH3) es la mejor "moneda energética" para la electricidad verde, ya que puede usarse para almacenar y distribuir energía con gran facilidad. En términos de energía renovable, la capacidad de almacenar electricidad 'en una botella' para que pueda usarse en tiempos de escasez es increíblemente beneficiosa.

Principalmente, como hemos comentado anteriormente, su ventaja es su contenido en hidrógeno.

Durante mucho tiempo, algunos han considerado que el hidrógeno es el santo grial del combustible "verde", a pesar de ser extremadamente raro en su forma pura en la Tierra. Es respetuoso con el medio ambiente porque está hecho de recursos renovables, el más popular de los cuales es el craqueo electrolítico del agua.

Además, las fuentes "marrones", como el refinamiento del petróleo, también se utilizan para producir hidrógeno. Hasta la fecha, la gran mayoría del hidrógeno sintético en el mundo se crea como subproductos de la refinación del petróleo o mediante reformado con vapor de gas natural. Ambos procesos contribuyen a las emisiones de carbono a la atmósfera.

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Entonces, ¿por qué alguien consideraría usar amoníaco anhidro en lugar de hidrógeno?

Después de todo, en peso por peso, el hidrógeno tiene un contenido de energía LHV (poder calorífico inferior) más alto que el amoníaco (51590,7 BTU/lb o 120 MJ/kg frente a 8082,5 BTU/lb o 18,8 MJ/kg).

Sin embargo, esto ignora el hecho de que el amoníaco es un portador de hidrógeno muy superior en términos de volumen que incluso el hidrógeno licuado. Esto se debe a que el hidrógeno líquido tiene una densidad de energía de alrededor de 8,491 MJ/litro en comparación con los 11,5 MJ/litro, muy superiores, del amoníaco.

A pesar de tener un 17,65 % de hidrógeno en peso, el amoníaco tiene alrededor de un 48 % más de hidrógeno en volumen que incluso el hidrógeno líquido debido al hecho de que tiene tres átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de nitrógeno.

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El hidrógeno se considera con frecuencia como un producto energético, aunque en última instancia puede ser inviable por varias razones.

Uno de los principales problemas es que el gas de hidrógeno comprimido tiene una baja densidad energética, lo que dificulta los gastos de transporte y almacenamiento. Se puede necesitar más energía en el combustible que la que genera el hidrógeno para transportar gas de hidrógeno comprimido a largas distancias, según el método utilizado.

Obviamente, el hidrógeno licuado tiene una mayor densidad energética que el hidrógeno gaseoso comprimido. Aún así, dado que el hidrógeno tiene un punto de ebullición bajo (-423 oF/-253 oC), requiere mucha energía para licuar y mantener la refrigeración.

Se necesita alrededor del 30 por ciento de la energía contenida en el hidrógeno líquido para la licuefacción, y solo se necesita del 10 al 15 por ciento para comprimir el hidrógeno a 800 bar.

Otro factor es que las moléculas de hidrógeno son difíciles de contener, ya que son muy pequeñas. A diferencia de los gases con moléculas más gigantes como el amoníaco y el propano, el hidrógeno se filtrará lentamente por las mangueras a un ritmo mucho más rápido. Los metales también pueden volverse quebradizos por el hidrógeno, lo que requiere el reemplazo rutinario de tanques, válvulas y tuberías metálicas.

Debido al peso de los tanques de hidrógeno a alta presión, el hidrógeno comprimido solo se puede entregar en pequeñas cantidades, alrededor de 400 kg (0,4 toneladas).

El amoníaco, para muchos, tiene más sentido.

Para empezar, el amoníaco se comporta y almacena de manera bastante similar al GLP, con un punto de ebullición de -28,03 °F (-33,35 °C). Por el contrario, el ingrediente principal del GLP, el propano, tiene un punto de ebullición de -43,73 °F (-42,07 °C).

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Otro beneficio del amoníaco sobre el hidrógeno es que el riesgo de explosión o incendio es tan bajo que las etiquetas MSDS lo enumeran como un gas no inflamable con una clasificación de inflamabilidad NFPA de 1. Además, debido al aroma del amoníaco, incluso las tasas de fuga extremadamente modestas son fácilmente detectables por la nariz humana.

Si se producen fugas de amoníaco, se difunden fácilmente a la atmósfera, donde finalmente se eliminan por fotodisociación. Además, dado que el amoníaco no causa fragilidad, los tanques metálicos, las válvulas y las tuberías no necesitan reemplazarse con regularidad.

En resumen, sí pueden (en teoría).

Llamada conversión de vehículo de amoníaco de combustible dual, es físicamente idéntica a una conversión de vehículo de gas natural comprimido en su forma básica.

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Sin embargo, solo se retienen 150 PSI de amoníaco líquido en un nuevo tanque a bordo. Una vez que el motor ha arrancado y calentado con gasolina, etanol, etc., los reguladores, válvulas y un sistema de control electrónico miden el flujo de amoníaco al motor según sea necesario.

Cuando se licua, el amoníaco tiene aproximadamente la mitad de la energía volumétrica de la gasolina. Cuando se tiene en cuenta la contribución energética de la energía de la gasolina, esto indica que un tanque de amoníaco del tamaño de su tanque de gasolina existente le llevará más de 2/3 de la distancia de funcionamiento solo con gasolina entre repostajes.

El motor se pone en marcha con una pequeña cantidad de gasolina y, a medida que aumenta la carga, se agrega amoníaco para generar más energía. El módulo electrónico de control del motor se encarga de todo automáticamente.

Con buena pinta.

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Sin embargo, no hay muchos kits de conversión disponibles públicamente, si los hay. Actualmente, los automóviles de flota y otras aplicaciones importantes del mercado son el foco de cualquier desarrollo de conversión. Sin embargo, es probable que las conversiones de automóviles privados estén en camino debido al aumento de los precios de la gasolina.

En cuanto a los costos para realizar una conversión, esto es un poco complicado de responder.

Sin embargo, cambiar un vehículo para que funcione principalmente con gas natural comprimido es idéntico a convertirlo para que funcione principalmente con amoníaco. Por lo tanto, para los automóviles privados, las piezas y la mano de obra probablemente costarían unos miles de dólares (o menos, según el país).

Pero, la inversión probablemente valdría la pena.

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Cualquier ahorro de costos se basaría en cuánto cuestan la gasolina y el amoníaco (al igual que el GLP y la gasolina). El amoníaco actualmente cuesta alrededor de $0.23 por litro, o $0.85 por galón. Sin embargo, no es probable que lo encuentre en su estación de servicio local en el corto plazo.

Pero, incluso un vehículo convertido aún puede funcionar con gasolina regular si una recarga de amoníaco es escasa y esporádica. Al igual que un vehículo de combustible dual de GLP, podría operarlo normalmente con 100% de gasolina simplemente presionando un interruptor, a diferencia de los autos convertidos a GLP; para muchos vehículos de gas natural, esto no es factible.

Una de las reacciones químicas industriales más importantes jamás creadas es el proceso Haber-Bosch, que convierte el hidrógeno y el nitrógeno en amoníaco. Debido a este método, el fertilizante de amoníaco estuvo ampliamente disponible, lo que contribuyó a un aumento de la población mundial al acelerar la tasa de aumento de los rendimientos agrícolas.

Según Statista, en 2022 se produjeron alrededor de 150 millones de toneladas métricas de amoníaco. Alrededor del 50 % de la producción mundial de alimentos depende del fertilizante de amoníaco, que representa alrededor del 80 % del amoníaco que se fabrica actualmente.

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El amoníaco restante se usa para crear otros compuestos, como explosivos, polímeros, textiles y medicamentos.

Según el ingeniero químico Karthish Manthiram del Instituto de Tecnología de Massachusetts, el proceso Haber-Bosch está involucrado en la creación de casi todas las sustancias sintéticas que usamos que contienen átomos de nitrógeno. Todos esos átomos de nitrógeno se originaron a partir del amoníaco, por lo que cada una de las cosas que usamos tiene una huella significativa de dióxido de carbono.

Si bien el proceso Haber-Bosch es un avance tecnológico importante, siempre ha consumido mucha energía, lo que genera una enorme huella de carbono.

La reacción consume alrededor del 1 por ciento de la producción total de energía del mundo mientras opera a temperaturas de alrededor de 500 °C y presiones de hasta 20 MPa. Según el Instituto para la Productividad Industrial, emite hasta 450 millones de toneladas de CO2, más o menos, al año.

Eso es más que cualquier otra reacción industrial de fabricación de productos químicos y se estima que totaliza alrededor del 1,8 por ciento de las emisiones anuales de CO2 en todo el mundo. Esto se debe principalmente a que la producción de amoníaco actualmente depende en gran medida del uso de combustibles fósiles para obtener materias primas y energía.

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La Agencia Internacional de Energía, el Consejo Internacional de Asociaciones Químicas y la Sociedad de Ingeniería Química y Biotecnología publicaron un informe conjunto en 2013 que encontró que las emisiones de CO2 de la producción de hidrógeno representan más de la mitad de las de todo el proceso de producción de amoníaco.

Y esta tendencia solo crecerá (literal y figurativamente) a medida que crezca nuestra necesidad de fertilizante de amoníaco. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación proyecta que para 2020, la demanda de fertilizantes nitrogenados habrá aumentado de 110 millones de toneladas en 2015 a más de 119 millones de toneladas.

Pero, hay algo de luz al final del túnel, en cuanto a la sostenibilidad.

En todo el mundo, químicos e ingenieros están trabajando para desarrollar métodos sostenibles de producción de amoníaco. Algunos están intentando crear hidrógeno sin utilizar combustibles fósiles y potenciar la reacción con fuentes de energía renovable.

Otros están buscando una alternativa de Haber-Bosch que produzca amoníaco de manera más eficiente, con menos emisiones. Los investigadores reconocen que, aunque el progreso ha sido lento, ha valido la pena.

En una entrevista con Chemical and Engineering News en junio de 2019, Douglas MacFarlane, electroquímico de la Universidad de Monash, "tal como se produce hoy en día para fertilizantes, el amoníaco es efectivamente un producto de combustible fósil".

"La mayor parte de nuestra comida proviene de fertilizantes. Por lo tanto, nuestra comida es efectivamente un producto de combustible fósil. Y eso no es sostenible", explicó.

Los investigadores han estado experimentando con el uso de energía renovable y materias primas para crear el lucrativo químico en tamaños modestos en fábricas de amoníaco verde en todo el mundo, incluso en Japón, Inglaterra, Australia y los EE. UU.

Estas empresas emplean principalmente el proceso Haber-Bosch estándar, pero producen hidrógeno y alimentan las reacciones utilizando electrólisis de agua y fuentes de energía alternativas en lugar de combustibles fósiles.

Estas estrategias han sido probadas desde el año pasado en una instalación piloto en el Instituto de Energía Renovable de Fukushima a cargo de la empresa japonesa JGC. Se han asociado con el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) para lanzar la planta de demostración de amoníaco verde a través de un programa federal conocido como SIP Energy Carriers.

La planta puede funcionar con energía solar, electroliza el agua para producir hidrógeno y realiza una reacción de tipo Haber-Bosch utilizando un nuevo catalizador de rutenio creado por JGC y AIST.

Según Mototaka Kai, director de proyectos de la fábrica, "la principal ventaja de nuestro proceso es que el hidrógeno se produce a una presión mucho más baja que el proceso convencional".

Según Mototaka, la presión de hidrógeno es de aproximadamente 5 MPa, que es aproximadamente 1/3 a 1/4 de la de una planta Haber-Bosch convencional. Hay dos beneficios de esta disminución de la presión. Una es que es más seguro porque la reacción se lleva a cabo a una presión más baja.

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Además, utiliza menos energía para presurizar el sistema. Actualmente, la fábrica produce entre 20 y 50 kg de amoníaco por día.

Otro enfoque interesante está siendo desarrollado por Siemens en el Reino Unido en colaboración con investigadores de la Universidad de Oxford, el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido y la Universidad de Cardiff. Este proyecto tiene como objetivo hacer funcionar una planta de demostración utilizando el proceso típico de Haber-Bosch, impulsándola con el viento.

Siemens primero tiene como objetivo demostrar que puede producir amoníaco de manera sostenible y con una rápida ampliación. La corporación también ve la instalación como un campo de pruebas para los avances tecnológicos en curso, como la creación de catalizadores Haber-Bosch y las pruebas de combustión de amoníaco.

Hasta ahora, la estrategia ha sido exitosa.

La pequeña instalación, alojada en contenedores de transporte, utiliza electricidad generada por el viento para alimentar una unidad de electrólisis de hidrógeno, que produce hidrógeno que se utiliza para crear amoníaco. Esta podría ser una solución potencial para resolver uno de los principales problemas con las fuentes de energía renovables; son, por su propia naturaleza, intermitentes.

Sin embargo, la combinación de parques eólicos con la síntesis de amoníaco podría ser una muy buena forma de "bancarizar" la energía generada.

Según Wilkinson, la quema de amoníaco a partir de fuentes renovables podría ser una solución. Además de producir fertilizantes, Siemens y JGC están interesados ​​en la producción de amoníaco verde, ya que puede usarse para crear combustible libre de carbono.

El amoníaco puede transportarse y almacenarse de manera similar a la gasolina, y su manipulación es menos peligrosa que el hidrógeno gaseoso, otro posible combustible libre de carbono.

"El amoníaco es lo que me gusta llamar una molécula de nexo", explicó Manthiram. "Es útil como fertilizante. Es útil para la alimentación. Es útil para el almacenamiento de energía".

Todo muy interesante, pero estas empresas todavía usan principalmente Haber-Bosch para sintetizar el químico, independientemente de cómo pretendan usar el amoníaco generado por sus plantas verdes.

La reacción consiste en mezclar gas hidrógeno y nitrógeno sobre un catalizador de hierro, a altas temperaturas y presiones. El proceso también es bastante ineficiente.

Cada tonelada métrica de amoníaco contiene alrededor de 5 MW h de energía. "Las mejores y más eficientes plantas de Haber-Bosch funcionan a alrededor de 10 MWh por tonelada métrica de amoníaco", explicó MacFarlane. "Por lo tanto, solo tenemos aproximadamente un 50 % de eficiencia. Se está desperdiciando mucha energía por lo que se obtiene".

Por lo tanto, si el amoníaco alguna vez se considera un reemplazo sostenible de los combustibles convencionales, primero se debe desarrollar completamente una alternativa al proceso Haver-Bosch.

Pero, ese es un tema para otro momento.

El amoníaco ciertamente tiene alguna promesa como combustible "verde" para el futuro. Tiene muchos beneficios sobre los combustibles existentes y está ampliamente disponible.

Sin embargo, solo se convertirá realmente en una alternativa viable una vez que se pueda encontrar un proceso menos intensivo en energía para sintetizarlo. Pero, con el rápido aumento de los costos de los combustibles fósiles en todo el mundo, puede ser solo cuestión de tiempo antes de que se desarrolle una solución en poco tiempo.