¿Un nuevo combustible ecológico para el sector del transporte?
El amoníaco es la segunda molécula más producida (en términos de volumen anual) por las industrias químicas. Esta molécula clave, con importantes aplicaciones en el sector agrícola, también tiene la capacidad de almacenar energía (en particular, hidrógeno).
Además, el amoníaco en forma líquida también puede utilizarse como combustible para sustituir el GLP de origen fósil.
Como el amoníaco no es carbonoso, no emite CO2 en su fase de uso. Por este motivo, se presenta como una solución estratégica en los sectores del transporte marítimo y aéreo como sustituto de los fueles pesados y la parafina, respectivamente.
Aunque estos argumentos parecen tan beneficiosos e indiscutibles, hay que plantear varias cuestiones. En la actualidad, el amoníaco se produce a partir de recursos fósiles. Por tanto, ¿es técnicamente factible producir esta molécula a partir de recursos renovables? ¿Es el amoníaco realmente el «combustible del futuro» como defienden algunos fabricantes?
¿Estamos avanzando hacia una «economía del amoníaco»? Esta es la pregunta a la que queremos responder.
El amoníaco es una molécula de fórmula química NH3 que es un gas a temperatura ambiente y presión normal. También puede almacenarse como líquido a bajas temperaturas (por debajo de -33°C) y/o comprimido. En este caso, se llama amoníaco líquido.
El amoníaco es una base, irritante tanto para la piel como para las vías respiratorias, con un olor específico detectable en el aire a dosis de pocas ppm.
Este gas es muy soluble en agua, con solubilidades que disminuyen al aumentar la temperatura (la solubilidad en agua pasa así de 89,9 g de NH3/100 g de agua a 0°C a 7,4 g de NH3/100 g de agua a 96°C). Cuando el amoníaco se solubiliza en agua, tenemos una solución acuosa de amoníaco, que se llama amoníaco (NH4OH).
El amoníaco toma su nombre del dios Amón y, más concretamente, de los trozos de «salamoniaco« (también llamado «sal» o «sal» amoníaco), un mineral de olor característico y compuesto por cloruro de amonio (NH4Cl) recogido por los romanos en torno al templo de Júpiter-Amón en la antigua Libia.
Desde la antigüedad, se conoce la existencia de esta molécula y sus características «olfativas«. Molécula emblemática de ciertos planteamientos alquímicos, no fue hasta 1785 y las conclusiones del químico francés Berthollet ante la Academia de Ciencias que se comprendió la composición centesimal de esta molécula y se estableció que estaba compuesta por un átomo de nitrógeno sobre el que se fijaban tres átomos de hidrógeno.
Los conocimientos sobre el amoníaco aumentaron gradualmente hacia mediados del siglo XIX con el descubrimiento y la descripción del ciclo del nitrógeno. Fue durante este periodo cuando el amoníaco se convirtió en un componente de elección para la formulación de fertilizantes nitrogenados y cuando se empezó a plantear la cuestión de la producción a gran escala de esta molécula.
Abundancia natural y síntesis industrial
El amoníaco está omnipresente en las atmósferas y los suelos de muchos planetas (y satélites) de nuestro sistema solar, ya sea en forma gaseosa o sólida.
Un estudio publicado en agosto de 2020 describe la presencia en Júpiter de violentas tormentas eléctricas que generan granizo de amoníaco.
En la Tierra, en cambio, sólo se detecta en cantidades traza, principalmente a partir de materia animal o vegetal o por emisiones antropogénicas a través del sector industrial.
Sin embargo, el amoníaco se encuentra en las capas profundas de la tierra, atrapado en forma de sales, así como en algunas rocas o materia orgánica fósil.
El amoníaco también se detecta en las precipitaciones, en algunas regiones volcánicas, así como en los suelos fértiles.
Hasta el siglo XIX, el amoníaco se producía por destilación de estiércol y purines o por extracción de aguas negras domésticas. A partir de la segunda mitad del siglo XIX, se obtenía como subproducto de la industria del gas manufacturado (gas de ciudad)
No fue hasta principios del siglo XX (1909-1913) cuando se desarrolló la producción industrial masiva de amoníaco mediante el proceso Haber-Bosch, uno de los procesos más eficaces (de todas las categorías) de la industria química y que sigue utilizándose en la actualidad.
El proceso Haber-Bosch, que tiene una importancia económica considerable, combina cuantitativamente dos gases (hidrógeno H2 y nitrógeno N2) normalmente a presiones entre 100 y 300 bares, y a temperaturas en el rango de 300-550°C en presencia de un catalizador a base de hierro (Fe3O4) (Figura 1). La reacción es exotérmica, lo que significa que se libera energía en forma de calor. Al final del proceso, el amoníaco se separa del H2 y el N2 (que se reintroducen en el proceso) por licuefacción y se almacena.
El nitrógeno (N2), uno de los insumos del proceso, se fija catalíticamente a partir del aire atmosférico. El hidrógeno (H2) se obtiene a partir del reformado catalítico del gas natural (metano).
Según la base de datos tecnológica de eficiencia industrial del Instituto de Productividad Industrial, la producción industrial de amoníaco alcanzó un máximo de más de 164 millones de toneladas en 2011, lo que corresponde a una producción diaria de casi 450.000 toneladas.
La producción ha aumentado durante más de 20 años, con volúmenes anuales que aumentaron un 25% entre 2000 y 2010. El mayor aumento se ha producido en China en los últimos 15 años (65%), así como en países como India, Rusia e incluso Trinidad y Tobago.
El mercado del amoníaco está fragmentado con diferentes actores que ocupan la cuota de mercado. Se espera que el mercado crezca en torno al +2% para el periodo 2019-2023.
Entre el 75 y el 90% de la producción anual de amoníaco se destina al sector de los fertilizantes (se calcula que más del 50% de la producción de alimentos depende de los fertilizantes derivados del amoníaco)
El 10-25% restante se reparte entre los sectores farmacéutico, textil, de química fina y de plásticos.
Aunque el proceso Haber-Bosch es uno de los más eficientes y eficaces de la industria química, hay que mencionar que consume (debido a las altas presiones y temperaturas necesarias para la reacción) ¡casi el 1% de la producción mundial de energía!
Este proceso representaría así más del 17% de la energía consumida por el sector químico y petroquímico. En 2004, se estableció que la producción de NH3 utilizaba más de 5,6 EJ de combustibles fósiles, de los cuales 2,9 EJ correspondían al gas natural utilizado para producir H2 y 2,7 EJ al propio proceso de síntesis.
Además, la huella de carbono global del proceso es desfavorable, con las consiguientes emisiones de CO2 (la generación de H2 por reformado provoca más del 50% de las emisiones de carbono de toda la cadena de producción de amoníaco). Se calcula que por cada molécula de NH3 producida se emite una molécula de CO2 en toda la cadena de producción.
¿Hacia una producción industrial de amoníaco con menor huella de carbono?
Conscientes de las previsiones de aumento de la demanda de amoníaco y de los problemas medioambientales asociados a su producción industrial, los investigadores (académicos e industriales) se centran en la mejora constante del proceso y en métodos de producción más innovadores.
El uso de recursos renovables como insumos en los planes de producción podría ofrecer una solución a corto y medio plazo, por ejemplo, explotando la electrólisis del agua como proceso para la producción de H2.
El uso de la energía solar (paneles fotovoltaicos) por sí solo podría reducir las emisiones de CO2 asociadas a la producción de NH3 en más de un 50% en el proceso Haber-Bosch. Una planta piloto de este tipo está siendo evaluada actualmente por Yara (una empresa internacional que produce y distribuye derivados del nitrógeno, incluidos los fertilizantes) en Australia.
Sin embargo, cabe destacar que las plantas de amoníaco aprovechan las emisiones concomitantes de dióxido de carbono que explotan para producir urea (CO(NH2)2), una molécula cuya producción anual asciende a más de 120 millones de toneladas.
Esto se conoce como integración, es decir, combinar o aprovechar la producción química en el mismo sitio. La urea se sintetiza mediante una reacción entre el amoníaco y el CO2 a alta presión.
La urea se utiliza principalmente en la agricultura como fertilizante y como aditivo para piensos.
Amoníaco líquido: ¿propiedades competitivas de almacenamiento y uso?
Con la mejora constante de la eficiencia de la producción industrial, y con la reflexión cada vez más sobre el uso de recursos renovables para reducir la huella de carbono del proceso, el amoníaco es una molécula que se perfila cada vez más como una cuestión estratégica en el sector energético, ya sea directamente licuado para su aplicación como combustible en motores de combustión interna, o como portador para el almacenamiento de hidrógeno.
Así, el amoníaco líquido puede utilizarse como combustible para el transporte, pero también como combustible para la calefacción (doméstica o industrial).
El amoníaco puede dividirse para generar hidrógeno para su uso en pilas de combustible y otras aplicaciones específicas relacionadas con el transporte o la generación de calor y electricidad.
La combustión del amoníaco sólo genera agua y nitrógeno (N2) (y calor).
Por lo tanto, el amoníaco no produce ninguna emisión de carbono (CO2) como suele ocurrir con otros combustibles fósiles líquidos (hidrocarburos).
Las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) se notifican en determinadas condiciones de uso, pero esta información sigue siendo incompleta y debe documentarse mejor y anticiparse.
El amoníaco líquido tiene una densidad energética de 11,5 MJ/L, que es aproximadamente tres veces menor que la del gasóleo, o la mitad de la del etanol (un biocombustible que se añade a la gasolina).
El amoníaco líquido es, por tanto, más compacto que otros combustibles «tradicionales«, como la gasolina o la parafina, o que algunos «biocombustibles«, como el etanol o el butanol.
También se almacena fácilmente en forma líquida (mucho más que el hidrógeno).
Su temperatura de ebullición (Te) y su presión de condensación (Pc) se aproximan a las del propano (utilizado como GLP – gas licuado de petróleo – en el transporte) (Te NH3 = -33,4°C a 1 atm frente a -42,1°C del propano; Pc NH3 a 25°C = 9,9 atm frente a 9,4 del propano).
Esta analogía permitiría utilizar, para el amoníaco líquido, las infraestructuras de transporte y almacenamiento ya existentes para el GLP (buques de transporte, tanques de almacenamiento, tuberías, estructuras de distribución).
Sin embargo, se sabe que el amoníaco es más tóxico que otros combustibles convencionales. Sin embargo, es menos inflamable y, por tanto, presenta menos riesgo de explosión que el gas natural comprimido (GNC), el metanol, la gasolina, el hidrógeno o el GLP.
Utilización «tal cual» en motores de combustión
El uso del amoníaco como combustible no es nuevo. Se utiliza desde principios del siglo XIX como combustible en vehículos motorizados, en particular en locomotoras (Inglaterra) o en tranvías (Nueva Orleans*/*, EE.UU.).
Durante la Segunda Guerra Mundial, Bélgica (que estaba sometida a un embargo de gasóleo en ese momento) incluso decidió hacer funcionar sus autobuses con amoníaco líquido.
En la década de 1960, también se consideró la posibilidad de utilizar el amoníaco en motores alternativos, especialmente con fines militares.
El amoníaco se utilizó como propulsor de algunos aviones cohete en los años 50 y 60 en una serie de misiones suborbitales.
Más recientemente, el amoníaco ha vuelto a la palestra para «descarbonizar» varios sectores específicos, principalmente el del transporte marítimo como sustituto de ciertos fueles pesados (tipo HFO), que se sabe que contribuyen a las emisiones de gases de efecto invernadero.
Al generar menos riesgo que el hidrógeno durante las operaciones de almacenamiento, y emitir menos gases de efecto invernadero que el GLP o el GNC, el amoníaco es por tanto un combustible considerado económicamente viable para el sector del transporte marítimo.
No obstante, su impacto medioambiental global (desde la producción hasta el uso) debe evaluarse caso por caso. De hecho, el transporte de amoníaco desde su zona de producción hasta las zonas portuarias debe ser lo más corto posible (en términos de distancia). Poco a poco se van desarrollando diversas iniciativas para demostrar el potencial del amoníaco en el sector marítimo, sobre todo en los Países Bajos.
La eficiencia del amoníaco en los motores de combustión interna mejora cuando se mezcla con otros combustibles. El amoníaco tiene una baja velocidad de llama y una alta resistencia a la autoignición. Dopar el amoníaco con otros combustibles fósiles (especialmente el gasóleo) es la opción más eficiente desde el punto de vista técnico, ya que reduce las emisiones de CO2 y NOx si el contenido de NH3 de la mezcla no supera el 60% en peso.
Las mezclas de gasolina/NH3 o etanol/NH3 también ofrecen una elevada potencia en condiciones estables, aunque condicionada principalmente por las emisiones de NOx durante las fases de combustión.
Un portador de energía para el almacenamiento de hidrógeno
El amoníaco también puede utilizarse para almacenar hidrógeno. El porcentaje en masa de hidrógeno en el amoníaco es bastante elevado (17,6%) en comparación con otras soluciones de almacenamiento como el metanol (12,5%). Sin embargo, para producir hidrógeno (H2) a partir del amoníaco, mediante operaciones de craqueo, se requiere un importante aporte energético externo, así como reactores de gran capacidad (o tanques a bordo de vehículos).
El subproducto de la descomposición del NH3 en hidrógeno es el nitrógeno (N2), que puede emitirse a la atmósfera sin ningún riesgo medioambiental.
La reacción de descomposición del amoníaco es endotérmica, lo que significa que se requieren altos aportes de calor (> 600°C), en presencia de un catalizador (a menudo a base de níquel).
Estas temperaturas están muy por encima de las temperaturas de funcionamiento de las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones. El porcentaje de NH3 no convertido a 1 bar aumenta de 0,88% a 400°C a 0,10% a 600°C y se vuelve insignificante alrededor de 900°C (0,015%). Dado que las actuales membranas de las pilas de combustible son sensibles a las trazas residuales de amoníaco, es lógico favorecer las temperaturas de descomposición más altas posibles.
Por lo tanto, la elección de los materiales para la fabricación de los depósitos montados en los vehículos es crucial, ya que les permite soportar las elevadas variaciones de T° aplicadas (desde la T° ambiente cuando el vehículo no está en uso hasta la T° necesaria para la producción de hidrógeno). Además, el material debe ser capaz de soportar las variaciones de presión, así como ser resistente a la corrosión.
La utilización del amoníaco como portador de hidrógeno en los depósitos de a bordo está, por tanto, sujeta a ciertas limitaciones (técnicas y de seguridad), así como a barreras tecnológicas que aún deben ser superadas por los investigadores. Por lo tanto, es importante aumentar los aspectos de seguridad relacionados con el uso del amoníaco (recuerda que el amoníaco es tóxico).
Además, hay que estudiar el diseño de nuevos catalizadores para mejorar la conversión de amoníaco en hidrógeno a temperaturas más bajas.
Conclusión: ¿nos dirigimos hacia una «economía del amoníaco»?
El amoníaco es un producto importante del sector químico. Sin embargo, su coste de producción (en euros/tonelada) depende del precio del gas natural (materia prima).
De forma simplificada y prospectiva, para un precio del gas natural que pasa de 1,5 USD/millón de BTU (precio de febrero-marzo de 2020) a 4,1 USD/millón de BTU (noviembre de 2018), el precio del amoníaco oscila, pues, entre 25 USD/tonelada y 120 USD/tonelada.
Un aumento del precio del gas natural a 10,5 USD/millón de BTU daría lugar a un precio del amoníaco de 377 USD/tonelada, lo que proporcionaría un precio de mercado del H2 superior a 3 USD/kg (suponiendo una eficiencia del 75% para el craqueo de NH3-H2).
El valor de la transición a los recursos renovables como insumos en los esquemas de producción y/o como fuente de energía es, por tanto, una cuestión estratégica considerable en el despliegue del amoníaco como molécula de elección en el sector energético.
Japón fue uno de los primeros países en interesarse por el amoníaco como medio de almacenamiento de hidrógeno.
El programa «Amoníaco Verde«, que reúne a un consorcio del mundo académico y de la industria que incluye a Tokyo Gas, y que está financiado con fondos públicos, tiene como objetivo construir una cadena de valor del amoníaco de baja emisión de CO2 para aplicaciones de combustible y electricidad.
En Estados Unidos, el programa «Renewable Energy to Fuels through Utilisation of Energy-Dense Liquids» (REFUEL), financiado por el Departamento de Energía, pretende convertir la energía eléctrica procedente de recursos renovables en combustibles líquidos de alta densidad energética (incluido el amoníaco) que puedan utilizarse para generar electricidad o hidrógeno a demanda. Inglaterra también está interesada en el amoníaco (en colaboración con Siemens) y, más concretamente, en estudiar cómo se puede convertir la energía eólica en amoníaco para almacenarla y devolverla después como energía a través de un motor de combustión interna.
En Australia también se está investigando intensamente el amoníaco para el almacenamiento y la producción de energía. Se están realizando esfuerzos para reducir la huella de carbono del proceso de producción de amoníaco a través de la ruta Haber-Bosch (Figura 2) o promoviendo el desarrollo de técnicas de electrólisis.
En Europa, los Países Bajos están a la cabeza de la promoción del amoníaco debido a la gran cantidad de recursos renovables disponibles como resultado de las inversiones privadas y públicas de los últimos años. Así, el amoníaco se considera un portador de energía para el mercado nacional, pero también para la exportación. Empresas como NUON, Gasunie, Statoil y OCI Nitrogen están evaluando actualmente la conversión de uno de los tres gasificadores de 440 MW de la central Magnum Power para utilizar el hidrógeno, y posiblemente el amoníaco, en superpilas que alimentarán la central en 2023-2030.
El sector marítimo también está explorando la opción de utilizar el amoníaco como combustible para los buques mercantes con opciones mejoradas de almacenamiento en grandes contenedores de barcos que no sólo movilizan el amoníaco sino que también pueden utilizarlo para repostar. C-Job Naval y Proton Venture forman parte de un consorcio que busca oportunidades de financiación para desarrollar una nueva generación de superbarcos con capacidad de amoníaco para 2040.
Por último, la Agencia Internacional de la Energía (AIE), interesada en el uso del amoníaco para la generación de energía en todo el mundo, se ha convertido recientemente en uno de los defensores más activos del amoníaco, y de su producción a partir de recursos renovables (eólica, solar, mareomotriz, etc.).
Un estudio reciente de la AIE muestra que el amoníaco es mucho más barato de almacenar durante un largo periodo de tiempo que el hidrógeno – 0,5 dólares/kg-H2 para el amoníaco frente a 15 dólares/kg-H2 para el hidrógeno durante un periodo de seis meses – y al menos tres veces más barato de transportar en alta mar o en tierra.
Por lo tanto, la investigación sobre el amoníaco debe profundizarse, fundamentarse y argumentarse para posicionarse de forma aún más asertiva en la escena energética internacional.
