El amoniaco renovable: mercado potencial y ventajas
El amoníaco es uno de los principales productos químicos necesarios en nuestra sociedad y actualmente su producción no sostenible hace que suponga el ~1% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero
Con una producción anual de ~185 megatoneladas (Mt), el amoníaco (NH₃) es uno de los productos químicos de mayor volumen producido globalmente
El amoníaco se produce principalmente mediante reformado de metano (gas natural) con vapor (SMR) (80%, 147 Mt en 2020) o derivados del carbón (20%, 38 Mt en 2020)
Además de las emisiones en la producción por la utilización de combustibles fósiles, una gran parte de las emisiones derivadas del uso del amoníaco se producen aguas abajo en la aplicación de fertilizantes nitrogenados al suelo, produciendo grandes volúmenes de emisiones de óxido nitroso (N₂O) y CO₂.
Para 2050, si no se mitigan, estas emisiones podrían aumentar sustancialmente.
El amoníaco renovable
El amoniaco producido a partir de la conversión de hidrógeno renovable es considerado limpio y tiene, como ventaja, el necesitar de condiciones menos costosas para su transporte y almacenamiento (11,72 bar de presión o – 33 ˚C) que el hidrógeno (700 bar o -235 ºC)
En el transporte marítimo del hidrógeno renovable, su conversión a amoniaco permite el acceso a las terminales de carga o recepción ya existentes para el amoniaco, ahorrando costes de infraestructura.
Este es un compuesto para el que ya existe un comercio internacional bien desarrollado, con lo que se cuenta con la experiencia e infraestructura para su manejo, reduciendo costes y aportando seguridad.
Además, el amoniaco cuenta con una densidad energética mayor que el hidrógeno, resulta muy poco inflamable y las fugas son más fáciles de detectar.
Además del papel del amoniaco renovable en el transporte, este va a jugar un papel clave en la sustitución del amoniaco gris actual en el resto de sus usos.
El proceso de producción de amoníaco renovable, basado en la síntesis directa de hidrógeno y nitrógeno (llamado proceso Haber-Bosch, H-B), es poco probable que cambie dramáticamente en el futuro.
La clave para posibilitar el amoniaco sostenible es producir hidrógeno con cero emisiones, lo que se puede hacer a través de:
• Hidrógeno verde a través de la electrólisis del agua, alimentado por energía renovable
• Hidrógeno azul de varias variantes de SMR o reformado autotérmico (ATR), al cual la captura de carbono y se aplica utilización o almacenamiento (CCUS)
• Hidrógeno a partir de biomasa mediante gasificación de biomasa
• Reformado autotérmico bioetanol
• Pirólisis de metano, alimentada por electricidad renovable
Explorar el ritmo al que se puede lograr la producción y analizar la complementariedad y el equilibrio entre las diversas alternativas tecnológicas de producción (incluido el hidrogeno azul) será necesario al igual que considerar los nuevos usos del amoníaco en conjunción con otros ecocombustibles que puedan apoyar la descarbonización del transporte. El objetivo de alcanzar una reducción del 92 % al 99 % en las emisiones de CO₂ para 2050 solo podrá ser alcanzado si no se limitan las opciones tecnológicas disponibles y se intenta buscar la óptima combinación de recursos renovables para satisfacer las crecientes necesidades..
Amoniaco esencial para la productividad agraria
A principios del siglo XX, la presión demográfica del planeta era tal que resultaba casi imposible alimentar a toda la Tierra contando únicamente con los fertilizantes naturales. El químico alemán Fritz Haber dio con la solución en 1907 al sintetizar amoniaco a partir del nitrógeno del aire.
Con la ayuda de Carl Bosch desarrolló un proceso para hacer reaccionar el hidrógeno y el nitrógeno del aire para fabricar amoníaco, que se empezó a utilizar para paliar la escasez de fertilizantes naturales.
Hoy, lo que se conoce como el proceso Haber-Bosch permite la producción de casi todo el amoníaco del mundo, así como de derivados como la urea (que se usa en los aditivos tipo Ad Blue, por ejemplo) y el nitrato de amonio.
Los fertilizantes a base de nitrógeno requieren el 70% de producción de amoníaco. El resto de la producción actual de amoníaco se utiliza como materia prima química (30%) en docenas de aplicaciones, plásticos, productos de limpieza, textiles, etc…
El uso de amoniaco como precursor de fertilizantes seguirán siendo esencial para garantizar la creciente población mundial, lo que requerirá en 2050 24 Mt adicionales de amoniaco para los usos químicos y 44 Mt para fertilizantes
Un combustible neutro en carbono
Un combustible sostenible o ecocombustible es un combustible que, debido a su composición o a la manera en que se ha obtenido, resulta en emisiones nulas de gases de efecto invernadero cuando se utiliza. O dicho de otra forma, que no tiene huella de carbono, bien porque sus materias primas han absorbido el CO2 que luego se emite al utilizarlo o bien por que el carbono no forma parte de su composición molecular y no emite ningún tipo de gas de efecto invernadero en su combustión.
Hay dos tipos de combustibles neutros en carbono: los que no llevan carbono (C), como el hidrógeno (H2) o el amoníaco (NH3), y los que sí lo llevan, como el biometano (CH4) o el bioetanol (C2H6O). Los del segundo tipo son neutros en carbono porque al producirlos, el carbono que llevan se extrae del dióxido de carbono (CO2) capturado del aire, del CO2 de los gases de combustión o fermentación en un proceso industrial o del ácido carbónico (H2CO3) del agua de mar.
Los electrocombustibles o electrocarburantes son combustibles sintéticos que serán neutros en carbono si se fabrican almacenando la energía eléctrica de fuentes sostenibles o renovables en los enlaces químicos de sus moléculas.
El amoníaco renovable es un combustible neutro en carbono que no tiene carbono en su molécula, estaría englobado dentro de los conocidos como combustibles sintéticos, producido a partir de hidrógeno de origen biogénico o procedente de la electrólisis del agua
En el caso de que la electrólisis del agua sea el primer paso en la producción de amoníaco estamos hablando de un electrocombustible. El amoniaco como electrocombustible será neutro en carbono si se producen a partir de energía eléctrica de origen renovable o nuclear sin emisión de gases de efecto invernadero.
En los electrocombustibles como el amoníaco renovable, la energía eléctrica renovable se emplea para electrolizar el agua (H2O) separando el hidrógeno (H2) del oxígeno (O2) y combinando ese hidrógeno con el nitrógeno (N2) del aire.
Lamentablemente la producción actual de amoníaco es intensiva en CO₂ y depende de los combustibles fósiles.
El uso de amoníaco se incrementará en un futuro
Es probable que crezca la producción de fertilizantes y la demanda industrial constantemente en consonancia con el crecimiento demográfico y el desarrollo económico en terceros países. Los usos agrícolas del amoníaco seguirán siendo esenciales para atender a la creciente población mundial.
Actuaciones clave:
• Aumentar la eficiencia en el uso de nutrientes a través de mejora de la adopción de prácticas de gestión agrícola como la agricultura de precisión y la agricultura regenerativa
• Reducir la demanda de cultivos a través de cambios en la dieta global a dietas menos intensivas en tierra y a una fuerte acción para reducir desechos alimentarios
Adicionalmente, en un mundo descarbonizado, los usos del amoníaco como portador de energía podría crecer en el transporte marítimo, la generación de energía, y como portador de hidrógeno. Estos usos podrían acelerarse de 2030 en un entorno político y de inversión muy ambicioso.
Una producción de amoniaco libre de emisiones posibilitaría:
Menor limitación para aumentar la producción agraria lo que posibilitaría la introducción de cultivos energéticos y biocombustibles como coadyuvantes en el proceso de descarbonización del transporte
Combustibles líquidos renovable sencillos como el amoníaco renovable o el metanol podrían usarse en el transporte de larga distancia de energía limpia en todo el mundo.
Los combustibles líquidos renovable aportan ventajas indudables en el transporte y almacenamiento en comparación con la electricidad y el hidrógeno, con experiencia e infraestructura existentes a nivel mundial.
Probables usos del amoníaco renovable serían:
• Como combustible marítimo el amoníaco podrían alimentar el 50% de las flotas de transporte de larga distancia.
• Generación de energía, una opción viable en países con limitaciones de crecimiento en renovables. Hasta el 100% de las centrales térmicas de carbón en países con recursos renovables limitados como Japón y Corea del Sur podría requerir amoníaco para descarbonizar la generación de energía eléctrica.
• El uso de amoníaco como portador de hidrógeno para el transporte de energía a grandes distancias podría representar hasta el 10% del total mundial hidrógeno producido siendo transportado a grandes distancias en forma de amoníaco, dado el menor costo de envío amoníaco en comparación con el hidrógeno.
Cualquier escenario que se plantee deberá considerar:
1. Medidas de evaluación de las emisiones en la cadena de producción, transporte y utilización de la energía. Lo relevante es la descarbonización efectiva y medidas de soporte a tecnologías que no emiten el en punto de consumo pero si en la cadena no son efectivas ante un problema global como el del cambio climático.
2. Medidas de economía circular, analizar la cadena de emisiones por el cambio tecnológico y los costes económicos y medioambientales de la transición
3. Medidas de eficiencia, cambio de hábitos de consumo y utilización del transporte y la energia, mejora de las técnicas de cultivo, reducir la demanda de fertilizantes al tiempo que las emisiones del uso y producción
Emisiones cero en 2050 solo serán posible mediante:
Una política y una inversión altamente coordinadas y ambiciosas esfuerzo proporciona la combinación necesaria de regulación y incentivos para catalizar la nueva demanda de amoníaco de cero emisiones.
Las modernizaciones comienzan de inmediato con emisiones más bajas mediante tecnologías de transición, captura y almacenamiento permanente o uso de las emisiones de CO₂ del proceso, la instalación de pequeños electrolizadores en plantas existentes para producir un % de amoníaco verde junto con amoníaco gris convencional.
Las tecnologías de amoníaco azul con altas tasas de captura, podrían estar madura en el próximo lustro. Desarrollar a corto plazo una infraestructura de transporte y almacenamiento de CO₂ sera necesario en la transición.
Para alcanzar la paridad de costos con el amoníaco azul el amoníaco verde necesitará una década, será necesario el aumento previo de la generación renovable y bajada de precios de la energía eléctrica así como inversiones en grandes electrolizadores (escala de gigavatios).
Tanto el amoníaco verde como el azul tienen un papel que desempeñar
El panorama de la producción de amoníaco podría pasar de ser principalmente gas natural (80%, 147 Mt en 2020) y carbón (20%, 38 Mt en 2020) a múltiples rutas de producción para 2050 con emisiones netas cero.
Se debe tender al amoníaco verde pero se requiere escalamiento rápido (economías de escala y crecimiento de la capacidad de fabricación) esta década para asegurar su competitividad de costos a largo plazo.
Algunos estudios estimas que para 2030, la parte de la producción de amoníaco verde podría representan del 12% al 38% de la producción total de amoníaco, aumentando a 69%–94% para 2050.
Los argumentos para sostener estos porcentajes se apoyan en:
1. La mejora de la competitividad esperada por la continua disminución de los costes de generación renovable (la energía eólica y solar han reducido sus costes en más de un 80% desde 2010) y suponiendo un entorno normativo propicio,
2. La caída de los gastos de capital de electrolizadores impulsada por economías de escala.
Se estima que en una década la combinación de ambas medidas puede reducir los costes del amoníaco renovable hasta en un 50%, en relación con 2022.
El amoníaco azul ofrece una opción de reducción de transición para activos existentes y nuevos hasta llegar a los costes competitivos del amoníaco verde.
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