Buscando un vector energético químico adecuado
Un candidato prometedor para este papel es el amoníaco; una molécula de amoníaco está formada por un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno (en comparación, una molécula de metano tiene un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno). El amoníaco puede sintetizarse a partir de materias primas que tenemos en abundancia, a saber, el agua y el aire, utilizando energía renovable.
Amoníaco, NH3
La atmósfera terrestre está compuesta aproximadamente por un 78% de nitrógeno y éste puede separarse fácilmente del aire. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua, mediante un proceso llamado electrólisis. Una vez producidos el hidrógeno y el nitrógeno, pueden combinarse en una reacción estándar de la industria llamada proceso Haber-Bosch para producir amoníaco. Si se utiliza energía renovable para alimentar estos procesos, esa energía queda atrapada en la molécula de amoníaco, sin que se produzcan emisiones directas de carbono.
La producción de amoníaco ya alcanza los 180 millones de toneladas anuales, con un valor de 80.000 millones de euros
El amoníaco, o NH3 para darle su nombre químico correcto, ya es una sustancia química importante. La producción mundial actual es de unos 180 millones de toneladas al año, con un valor de mercado de unos 80.000 millones de euros anuales.
Actualmente, más del 80% de este amoníaco se utiliza en la industria de los fertilizantes, pero hay otros usos mucho más amplios para él dentro de la transición energética. Sus propiedades de almacenamiento son similares a las del gas licuado de petróleo (GLP), ya que se licua a -33 grados centígrados a presión ambiente y a unos 10 bares a temperatura ambiente. Aunque el amoníaco conlleva un importante riesgo de toxicidad, durante décadas de producción a escala industrial se han establecido equipos adecuados y procedimientos de manipulación seguros.
El amoníaco se produce en grandes cantidades en todo el mundo para los fertilizantes agrícolas, pero en la actualidad utiliza gas natural u otros combustibles fósiles para suministrar tanto la materia prima de hidrógeno como la energía para el proceso de síntesis. Las actuales plantas de producción de amoníaco son un importante emisor de CO2, que representa alrededor del 1,6% de las actuales emisiones mundiales.
El hidrógeno verde impulsa el potencial del amoníaco
Aunque es rentable para los actuales usos industriales del amoníaco, el uso de materias primas y fuentes de energía fósiles significa que el amoníaco aún no ha desempeñado un papel como vector energético, pero eso está cambiando. Al pasar al hidrógeno verde, es decir, al hidrógeno producido con energía renovable a través de la electrólisis del agua, se pueden anular las emisiones de carbono derivadas de la producción de amoníaco.
Demostrador de amoníaco verde de Siemens
El demostrador de amoníaco verde de Siemens, ubicado en el Laboratorio Rutherford Appleton del Reino Unido, reúne todas las tecnologías necesarias para demostrar el ciclo energético completo del amoníaco. El hidrógeno verde se produce con un electrolizador de 13 kilovatios (kW), que produce 2,4 metros cúbicos normales por hora (Nm3/h) de hidrógeno. El nitrógeno se obtiene de una unidad de separación de aire de 7kW, que aprovecha el principio de absorción por cambio de presión para producir 9 Nm3/h de nitrógeno. El hidrógeno y el nitrógeno se combinan para producir amoníaco a través de una unidad de síntesis Haber-Bosch construida a medida con una capacidad de 30 kg de amoníaco al día. El amoníaco se almacena como líquido presurizado en un tanque de 350 kg de capacidad y luego se utiliza para alimentar un grupo electrógeno alternativo de encendido por chispa de 30kWe. Todo el sistema está gestionado por un sistema de control PCS7 de Siemens instalado a medida para un funcionamiento desatendido.
El objetivo del demostrador es mostrar que este proceso no sólo podría utilizarse para reducir drásticamente las emisiones de la producción de amoníaco para usos convencionales, sino que el amoníaco también puede ser un práctico vector energético de hidrógeno, reduciendo aún más las emisiones de CO2 en nuestros sistemas energéticos al proporcionar el almacenamiento de energía renovable a escala.
La tecnología de escalado ya ha sido probada
Una ventaja particular del amoníaco es que la tecnología necesaria para desplegarlo como vector energético ya existe a la escala necesaria: los procesos industriales de separación del aire para producir nitrógeno son rutinarios; la electrólisis del agua se llevó a cabo de forma industrial antes de que el reformado del metano con vapor se convirtiera en una fuente de hidrógeno más barata; los tanques y camiones cisterna de amoníaco a gran escala han estado en servicio rutinario durante décadas. Fritz Haber ganó el Premio Nobel por la síntesis de amoníaco a partir de sus elementos en 1918; Carl Bosch fue reconocido por sus esfuerzos para desarrollar este proceso a escala industrial con un Premio Nobel en 1931; y la infraestructura de apoyo a la industria del amoníaco se ha optimizado de forma continua desde entonces.
Energía química frente a baterías
A menudo me preguntan qué tecnología de almacenamiento es la «mejor» solución para la energía renovable, mi respuesta es que necesitamos desplegar una gama de tecnologías de almacenamiento que sean apropiadas para una aplicación determinada. Las baterías tienen un papel importante que desempeñar, pero un inconveniente es que el coste de almacenamiento con las baterías es lineal: si se necesita el doble de capacidad, entonces son dos baterías.
Cuando se trata de almacenamiento de energía química, primero se puede desacoplar la potencia y la energía. Usted puede elegir la turbina de gas para proporcionar la potencia necesaria, a continuación, el tiempo que desea ejecutar ese motor para determinar el tamaño del tanque que necesita. Si se desea una gran capacidad energética, basta con hacer el depósito más grande, lo que resulta relativamente barato, sobre todo a gran escala.
El futuro del amoníaco
Para almacenar grandes cantidades de energía, los combustibles químicos ofrecen un medio energéticamente denso y conveniente; por eso son omnipresentes hoy en día. El reto de los combustibles que utilizamos ahora son las emisiones de carbono que se derivan de su combustión. Una forma de pensar en el amoníaco es que resuelve el dilema de sustituir los combustibles de hidrocarburos por algo que no contenga carbono, al tiempo que supera los retos de almacenar y distribuir hidrógeno a granel. Uno de los atractivos del amoníaco es que ya existe una industria muy consolidada.
Se han realizado muchos estudios sobre nuestro futuro sistema energético y, aunque son útiles e informativos, llega un momento en el que hay que empezar a construir y probar los sistemas para conocer los problemas del mundo real al desplegarlos. Y para el amoníaco como vector de energía verde creo que ese momento es ahora.
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Ian Wilkinson es director de programa en Siemens Gas & Power