Impacto económico del combustible de amoniaco líquido en la Unión Europea

El combustible de amoniaco líquido gana importancia en Europa para contribuir a la descarbonización del transporte. La segunda molécula producida con mayor frecuencia en las industrias químicas en términos de volumen anual es el amoníaco. El sector agrícola utiliza esta molécula como medio de almacenamiento de energía, particularmente hidrógeno.  Además, el amoníaco líquido se puede utilizar como sustituto del gas licuado de petróleo glp de origen fósil.

El amoníaco no es una molécula carbonosa, es decir, no libera co2 durante su fase de uso como combustible.  Por lo tanto, se considera una opción estratégica en los ámbitos del transporte marítimo y aéreo. Se investiga como sustituto de los combustibles pesados y el queroseno, respectivamente.

Las propiedades de la molécula de amoniaco

La fórmula química del amoníaco es NH3 y se encuentra en forma de gas a temperatura ambiente y presión normal. La compresión puede conservarlo como líquido a temperaturas inferiores a -33 °C. Entonces, se denomina amoníaco líquido.

El amoníaco como base irrita el tracto respiratorio y la piel. Su olor característico se reconoce el aire desde muy bajas dosis. La solubilidad de este gas en agua es alta y puede disolverse en agua, con niveles que disminuyen con la temperatura desde 89,9 g de NH₃ 100 g de agua a 0ºC hasta 7,4 g de NH₃ 100 g de agua a 96 ºC. Cuando el amoníaco es soluble en agua, obtenemos una solución de NH₄OH^-1 en agua.

El combustible de amoniaco líquido

A pesar de ser uno de los procesos más eficientes y eficaces de la industria química, el proceso Haber-bosch consume casi el 1 de toda la producción mundial de energía debido a las altas presiones y temperaturas de la reacción Esto representa más del 17 por ciento de la energía utilizada por las industrias química y petroquímica En el año 2004 se descubrió que el amoniaco se producía utilizando más de 5,6 EJ (exojulios) de combustibles fósiles, de los cuales 2,9 EJ se utilizaban para la producción de h y 2,7 EJ para la síntesis.

Sin embargo, conscientes de las proyecciones cada vez mayores de la demanda de amoníaco y los problemas ambientales asociados con su producción industrial, los investigadores (tanto académicos como industriales) se centran en mejoras continuas del proceso y rutas de producción más innovadoras.

 El amoniaco como combustible cada vez es más verde

El uso de energías renovables como energía primaria en los esquemas de producción podría ofrecer una solución a corto o mediano plazo. Por ejemplo, mediante la electrólisis del agua como proceso de producción de H₂. El uso exclusivo de energía solar con paneles fotovoltaicos podría reducir las emisiones de CO₂ asociadas con la producción de NH₃ en más del 50% en el proceso de Haber-Bosch. También se están estudiando otros enfoques disruptivos, como la electrólisis y la combinación de H₂ y N₂ a baja presión y baja temperatura, alimentados por energía solar y eólica.

Es importante señalar que las plantas que fabrican combustible de amoniaco líquido aprovechan las emisiones concomitantes de dióxido de carbono (CO₂) para producir urea (CO(NH₂)₂), una molécula cuya producción anual supera los 120 millones de toneladas. A este proceso se le llama integración, que consiste en 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 agricultura como fertilizante y como aditivo alimentario.

Las propiedades competitivas del combustible de amoniaco líquido

Con una producción industrial eficiente, que mejora constantemente, y un creciente énfasis en el uso de recursos renovables para reducir la huella de carbono del proceso, el amoníaco es una molécula que cada vez cobra más importancia en el sector energético. Puede utilizarse directamente como combustible en motores de combustión interna o como portador para almacenar hidrógeno.

El combustible de amoniaco líquido puede emplearse para el transporte y también para calefacción (tanto doméstica como industrial). Además, se puede descomponer el amoníaco para generar hidrógeno, utilizado en celdas de combustible y otras aplicaciones relacionadas con el transporte, la generación de calor y energía.

La combustión del amoníaco produce únicamente agua y nitrógeno (N₂) (junto con calor):

4 NH3 + 3 O2 → 2 N2 + 6 H2O + energía térmica

Almacenamiento del amoniaco líquido

El amoníaco líquido tiene una densidad de energía volumétrica de 11.5 MJ/L, aproximadamente tres veces menor que el diésel o la mitad que el etanol (un biocombustible añadido a la gasolina). Por lo tanto, el amoníaco líquido es más compacto que algunos otros combustibles “tradicionales”, como la gasolina o el queroseno, o algunos “biocombustibles”, como el etanol o el butanol.

Además, se almacena fácilmente en forma líquida (mucho más que el hidrógeno). Su temperatura de ebullición (bp) y su presión de condensación (Pc) son similares a las del propano (utilizado como GLP – Gas Licuado de Petróleo – en el transporte) (bp NH₃ = -33.4°C a 1 atm frente a -42.1°C para el propano; Pc NH₃ a 25°C = 9.9 atm frente a 9.4 para el 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, el combustible de amoniaco líquido es más tóxico que otros combustibles convencionales. A pesar de ello, es menos inflamable y, por lo tanto, presenta menos riesgo de explosión que el gas natural comprimido (CNG), el metanol, la gasolina, el hidrógeno o el GLP.

El uso del amoniaco líquido

El uso del amoníaco como combustible no es reciente. Ya se utilizaba desde principios del siglo XIX como combustible en vehículos motorizados, especialmente en locomotoras (Inglaterra) o tranvías (Nueva Orleans, EE. UU.). Durante la Segunda Guerra Mundial, Bélgica (entonces víctima de un embargo de diesel) incluso decidió alimentar sus autobuses con amoníaco líquido. En la década de 1960, el amoníaco también se consideró para su uso en motores alternativos, especialmente con fines militares. Se utilizó como propelente en algunos aviones cohete en las décadas de 1950 y 1960 en una serie de misiones suborbitales.

Más recientemente, el amoníaco ha vuelto a la vanguardia con el objetivo de “descarbonizar” diversos sectores específicos, principalmente el sector del transporte marítimo como reemplazo de ciertos combustibles pesados (tipo HFO), conocidos por sus emisiones de gases de efecto invernadero1. El amoníaco es menos arriesgado que el hidrógeno durante las operaciones de almacenamiento y emite menos gases de efecto invernadero que el GLP o el GNC. Por lo tanto, se considera un combustible económicamente viable para el sector del transporte marítimo.

Sin embargo, su impacto ambiental general (desde la producción hasta el uso) debe evaluarse caso por caso. De hecho, el transporte de amoníaco desde su área de producción hasta las áreas portuarias debe ser lo más corto posible (en términos de distancia). Se están implementando diversas iniciativas para demostrar el potencial del amoníaco en el sector marítimo, especialmente en los Países Bajos.

La eficiencia del combustible de amoniaco líquido

La eficiencia del amoníaco en motores de combustión interna mejora cuando se mezcla con otros combustibles. El amoníaco tiene una velocidad de llama baja y alta resistencia a la autoignición. La adición de amoníaco a otros combustibles fósiles (especialmente diésel) es la opción técnicamente más eficiente, reduciendo las emisiones de CO₂ y NOx si el contenido de NH₃ en la mezcla no supera el 60% en peso. Las mezclas de gasolina/NH₃ o etanol/NH₃ también ofrecen una alta potencia de salida en condiciones estables, aunque principalmente condicionadas por las emisiones de NOx durante las fases de combustión.

El amoníaco también puede utilizarse para almacenar hidrógeno. El porcentaje en masa de hidrógeno en el amoníaco es bastante alto (17.6%) en comparación con otras soluciones de almacenamiento como el metanol (12.5%). Sin embargo, para producir hidrógeno (H₂) a partir de amoníaco mediante operaciones de craqueo, se requiere una entrada significativa de energía externa, así como reactores de gran capacidad (o tanques a bordo de vehículos). El subproducto de la descomposición del NH₃ en hidrógeno es nitrógeno (N₂), que puede emitirse a la atmósfera sin riesgo ambiental.

La reacción generada por el amoniaco líquido

La reacción de descomposición del amoníaco es endotérmica, es decir, se requieren altas entradas de temperatura (> 600°C). En presencia de un catalizador (generalmente a base de níquel). Estas temperaturas están muy por encima de las temperaturas de operación de las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. El porcentaje de NH3 no convertido a 1 bar varía desde 0.88% a 400°C hasta 0.10% a 600°C y se vuelve insignificante alrededor de 900°C (0.015%). Las membranas actuales de las celdas de combustible son sensibles a los rastros residuales de amoníaco, por lo que es lógico favorecer las temperaturas de descomposición más altas posibles. La elección de materiales para la fabricación de tanques a bordo es crucial, permitiéndoles resistir las altas variaciones de temperatura aplicadas (desde la temperatura ambiente cuando el vehículo no está en uso hasta la temperatura requerida para la producción de hidrógeno). Además, el material debe ser capaz de soportar variaciones de presión y ser resistente a la corrosión.

El uso del amoníaco como portador de hidrógeno en tanques a bordo está sujeto a ciertas restricciones (técnicas y de seguridad), así como a barreras tecnológicas que aún deben superar 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, se debe estudiar el diseño de nuevos catalizadores para mejorar la conversión del amoníaco en hidrógeno a temperaturas más bajas.

La importancia dentro del sector químico

El amoníaco es un producto importante en el sector químico. Sin embargo, su coste de producción (en euros por tonelada) depende del precio del gas natural (materia prima). De manera simplificada y prospectiva, si el precio del gas natural aumenta 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 entre 25 USD/tonelada y 120 USD/tonelada. Un aumento en el precio del gas natural a 10.5 USD/millón de BTU resultaría en un precio del amoníaco de 377 USD/tonelada, lo que proporcionaría un precio de mercado de H2 superior a 3 USD/kg (asumiendo una eficiencia del 75% para la fisión NH3-H2). El valor de la transición a recursos renovables como insumos en los esquemas de producción y/o como fuente de energía es, por lo tanto, un importante problema estratégico en la implementación del amoníaco como molécula de elección en el sector energético.

Ámbito internacional

Japón fue uno de los primeros países en considerar el amoníaco como un medio de almacenamiento de hidrógeno. El programa “Amoníaco Verde” reúne a un consorcio de académicos e industrias, incluido Tokyo Gas. Está financiado con fondos públicos. Su objetivo es construir una cadena de valor de amoníaco de bajas emisiones de CO2 para aplicaciones de combustible y energía.

En los Estados Unidos, el programa Renewable Energy to Fuels through Utilisation of Energy-Dense Liquids (REFUEL), financiado por el Departamento de Energía, tiene como objetivo convertir la energía eléctrica de fuentes renovables en combustibles líquidos de alta densidad energética (incluido el amoníaco) que puedan, bajo demanda, suministrar electricidad o hidrógeno.

Inglaterra, también existe interés en el combustible de amoniaco líquido. De forma más específica, destacan con estudios sobre cómo la energía eólica puede convertirse en amoníaco. Investigan su almacenamiento y posterior uso como energía a través de un motor de combustión interna. Siemens está desarrollando un interesante proyecto.

En Australia, el amoníaco también se investiga intensamente para el almacenamiento y la producción de energía. Se están realizando esfuerzos para reducir la huella de carbono del proceso de producción de amoníaco mediante la ruta de Haber-Bosch o promoviendo el desarrollo de técnicas de electrólisis.

En Europa, los Países Bajos lideran la promoción del amoníaco debido a las grandes cantidades de recursos renovables disponibles como resultado de inversiones privadas y públicas en los últimos años. El combustible de amoniaco líquido se presenta como un portador de energía para el mercado doméstico, pero también puede exportarse. Empresas como NUON, Gasunie, Statoil y OCI Nitrogen están evaluando actualmente la conversión de uno de los tres gasificadores de 440 MW en la planta de energía Magnum para utilizar hidrógeno y posiblemente amoníaco en super baterías que alimentarán la planta entre 2023 y 2030.

El combustible de amoniaco líquido en el transporte marítimo

Los actores marítimos también están explorando la opción de utilizar amoníaco como combustible para buques mercantes, con opciones de almacenamiento mejoradas en grandes contenedores de barcos que no solo movilizan amoníaco, sino que también lo utilizan para repostar. C-Job Naval y Proton Venture forman parte de un consorcio que busca oportunidades de financiación para desarrollar una nueva generación de superbuques capaces de utilizar amoníaco para 2040.

Finalmente, la Agencia Internacional de Energía (IEA), interesada en el uso del amoníaco para la generación de energía a nivel mundial, se ha convertido recientemente en uno de los defensores más activos del amoníaco y su producción a partir de recursos renovables (eólicos, solares, mareomotrices, etc.). Un estudio reciente de la IEA muestra que el amoníaco es mucho más barato de almacenar durante un largo período de tiempo que el hidrógeno, con un costo de $0.5/kg-H2 para el amoníaco frente a $15/kg-H2 para el hidrógeno durante un período de seis meses, y al menos tres veces más barato para su transporte en alta mar o en tierra.

Por lo tanto, es necesario profundizar, fundamentar y argumentar la investigación sobre el combustible de amoniaco líquido para posicionarse de manera aún más contundente en la vanguardia del panorama energético internacional.