Procurar um vetor de energia química adequado
Um candidato promissor para este papel é o amoníaco; uma molécula de amônia compreende um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio (para comparação, uma molécula de metano tem um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio). O amoníaco pode ser sintetizado a partir de matérias-primas que temos em abundância, nomeadamente água e ar, utilizando energia renovável.
Amoníaco, NH3
Atmosfera da Terra é aproximadamente 78 por cento de azoto e este pode ser facilmente separado do ar. O hidrogênio pode ser obtido da água, através de um processo chamado eletrólise. Uma vez que o hidrogênio e o nitrogênio são produzidos, eles podem ser combinados em uma reação padrão da indústria chamada de processo Haber-Bosch para produzir amônia. Se a energia renovável é utilizada para alimentar estes processos, então essa energia fica presa na molécula de amoníaco, sem qualquer emissão directa de carbono.
A produção de amoníaco já é de 180m toneladas/ano no valor de 80 mil milhões de euros
Amoníaco, ou NH3 para lhe dar o nome químico correcto, já é um produto químico significativo. A produção global anual actual é de cerca de 180 milhões de toneladas por ano, com um valor de mercado de cerca de 80 mil milhões de euros por ano.
Currentemente, mais de 80% deste amoníaco é utilizado na indústria de fertilizantes, mas existem outras utilizações muito mais vastas para ele no âmbito da transição energética. Goza de propriedades de armazenamento semelhantes ao Gás Liquefeito de Petróleo (GPL), na medida em que se liquefaz a -33 graus Celsius sob pressão ambiente, e a cerca de 10 bar à temperatura ambiente. Embora o amoníaco carregue um risco de toxicidade significativo, equipamentos adequados e procedimentos de manuseio seguros foram bem estabelecidos ao longo de décadas de produção em escala industrial.
Amoníaco é produzido em grandes quantidades em todo o mundo para fertilizantes agrícolas, mas atualmente utiliza gás natural ou outros combustíveis fósseis para fornecer tanto a matéria-prima do hidrogênio quanto a energia para alimentar o processo de síntese. As instalações de produção de amoníaco existentes são um grande emissor de CO2, representando cerca de 1,6% das actuais emissões globais.
O hidrogénio verde aumenta o potencial do amoníaco
Embora seja rentável para os actuais usos industriais do amoníaco, o uso de matérias-primas fósseis e fontes de energia significa que o amoníaco ainda tem de desempenhar um papel como vector energético – mas isso está agora a mudar. Ao passar para o hidrogénio verde, ou seja, o hidrogénio que é produzido com energia renovável através da electrólise da água, as emissões de carbono resultantes da produção de amoníaco podem ser anuladas.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Baseado no Laboratório Rutherford Appleton no Reino Unido, o Siemens Green Ammonia Demonstrator reúne todas as tecnologias necessárias para demonstrar o ciclo energético completo do amoníaco. O hidrogênio verde é produzido utilizando um Eletrolisador de 13 kilowatts (kW), produzindo 2,4 metros cúbicos normais por hora (Nm3/h) de hidrogênio. O nitrogênio é obtido de uma Unidade de Separação de Ar de 7kW, explorando o princípio de Absorção de Swing de Pressão para produzir 9 Nm3/hr de nitrogênio. A eletricidade renovável é fornecida por uma turbina eólica de 20kW situada no local de teste.
O hidrogênio e o nitrogênio são combinados para produzir amônia através de uma unidade de síntese Haber-Bosch construída sob encomenda com uma capacidade de 30kg de amônia por dia. O amoníaco é armazenado como um líquido pressurizado num tanque de 350kg de capacidade, e depois utilizado para alimentar um conjunto Gerador de ignição por faísca alternativo de 30kWe. Todo o sistema é gerido por um Sistema de Controlo PCS7 da Siemens, de implementação personalizada, para funcionamento sem vigilância.
O objectivo do demonstrador é mostrar que este processo não só poderia ser utilizado para reduzir drasticamente as emissões da produção de amoníaco para utilizações convencionais, mas que o amoníaco também pode ser um prático vector de energia de hidrogénio, reduzindo ainda mais as emissões de CO2 nos nossos sistemas de energia, proporcionando o armazenamento de energia renovável à escala.
Tecnologia de ampliação já está experimentada e testada
Uma vantagem particular do amoníaco é que a tecnologia necessária para implantá-lo como um vetor energético já existe na escala necessária: os processos industriais de separação de ar para produzir nitrogênio são rotineiros; a eletrólise da água foi realizada em base industrial antes que a reforma do metano a vapor se tornasse uma fonte mais barata de hidrogênio; tanques e navios-tanque de amônia em larga escala estão em serviço de rotina há décadas. Fritz Haber ganhou seu Prêmio Nobel pela síntese de amônia de seus elementos em 1918; Carl Bosch foi reconhecido por seus esforços para desenvolver isso em um processo em escala industrial com um Prêmio Nobel em 1931; e a infra-estrutura para apoiar a indústria de amônia tem sido otimizada continuamente desde então.
Energia Química v Baterias
É-me perguntado frequentemente qual tecnologia de armazenamento é a “melhor” solução para energia renovável, minha resposta é que precisamos implantar uma gama de tecnologias de armazenamento que sejam apropriadas para uma determinada aplicação. As baterias têm um papel importante a desempenhar, mas uma desvantagem é que o custo de armazenamento com baterias é linear: se você precisa do dobro da capacidade, então são duas baterias.
Quando se trata de armazenamento de energia química, primeiro você pode desacoplar energia e energia. Você pode escolher a turbina a gás para fornecer a energia necessária, depois quanto tempo você quer operar esse motor para determinar o tamanho do tanque que você precisa. Se quiser uma grande capacidade de energia, basta fazer o tanque maior, o que é relativamente barato – particularmente em grandes escalas.
O futuro do amoníaco
Para armazenar grandes quantidades de energia, os combustíveis químicos fornecem um meio de energia denso e conveniente – é por isso que eles estão omnipresentes hoje em dia. O desafio com os combustíveis que usamos agora são as emissões de carbono que resultam da sua queima. Uma maneira de pensar sobre o amoníaco é que ele resolve o enigma da substituição dos combustíveis hidrocarbonetos por algo que não contém carbono, ao mesmo tempo em que supera os desafios do armazenamento e distribuição de hidrogênio a granel. Uma das coisas sedutoras sobre o amoníaco é que existe hoje uma indústria de amoníaco muito estabelecida.
Há muitos estudos realizados sobre o nosso futuro sistema energético e, embora estes sejam úteis e informativos, chega um momento em que é necessário começar a construir e testar sistemas, a fim de aprender sobre as questões do mundo real ao implementá-los. E para o amoníaco como um vector de energia verde penso que o tempo é agora.
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Ian Wilkinson é um Gestor de Programas na Siemens Gas & Energia