El amoníaco verde: una solución para el almacenamiento y transporte

El amoníaco verde constituye una solución muy conveniente al problema del almacenamiento y transporte del hidrógeno combustible. Y es que este último se presenta hoy como una promisoria alternativa, pero su principal inconveniente es que es muy volátil y su densidad energética por unidad de volumen es baja, lo que lo hace difícil de almacenar y transportar.

Hidrógeno verde: lo pendiente

En la actualidad, el hidrógeno combustible es una interesante opción que permitiría continuar con el desarrollo de tecnologías sustentables. Puede ser un factor crítico en lograr una sociedad con menores emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en el largo plazo. Sin embargo, aún quedan varios desafíos por resolver. Uno de ellos es la competitividad económica de la electrólisis, la cual depende fuertemente de la disponibilidad de fuentes de energía renovables.

Hoy se producen anualmente cerca de 70 millones de toneladas de hidrógeno (H2), siendo su origen principalmente la reformación de gas natural (76%) y de la gasificación del carbón (23%). Estos procesos son de menor costo (con un costo nivelado de alrededor de US$ 2/kg H2), pero utilizan recursos no renovables con emisiones de GEI relacionadas con su producción.

La electrólisis es otra alternativa de producción de hidrógeno bastante menos común. Consiste en que a través de un electrolizador separa las moléculas del agua (H2O) con electricidad. Dependiendo del tipo de membrana utilizada, se distinguen distintas variantes, entre las que se destacan: las celdas alcalinas, las membranas de intercambio protónico (PEM), membrana de intercambio aniónico (AEM) y las emergentes electrólisis de óxido-sólido. La primera es la más utilizada y madura tecnológicamente.

 

Electrólisis un poco más competitiva

Actualmente la electrólisis se ha vuelto un poco más competitiva por la introducción de las energías renovables intermitentes, que permiten la generación de combustible limpio y han logrado disminuir los precios de la energía eléctrica, que es uno de los principales costos operacionales. No obstante, de todas formas, el costo nivelado (la división entre la suma de todos los costos en valor presente y la suma de toda la producción de hidrógeno en valor presente) de la producción de hidrógeno en Chile hoy es cercano a los US$ 4,5/kg H2 (más del doble del precio del H2 sacado a partir del gas natural).

A pesar de que la producción de hidrógeno mediante la electrólisis aún no es económica, este aspecto tiene buenas proyecciones de mejorar en el tiempo, debido al bajo costo de las energías renovables. Sin embargo, otros aspectos de la cadena de suministro del hidrógeno no tienen tan buenas perspectivas, como lo son el almacenamiento y el transporte de hidrógeno.

 

De hidrógeno verde a amoníaco verde

El principal problema es que el H2 es muy volátil y su densidad energética por unidad de volumen es relativamente baja. Esto quiere decir que se necesita bastante espacio para almacenarlo en forma gaseosa, por lo que es mejor almacenarlo en forma líquida. Pero para almacenar H2 en forma líquida se requiere ya sea de grandes presiones o de temperaturas muy bajas, lo que lo hace bastante inviable desde el punto de vista económico hoy.

Una posible solución al problema antes planteado es transformar el hidrógeno en amoníaco (NH3) al momento de producirlo, de modo de almacenarlo y transportarlo en forma de amoníaco. Esto tiene la ventaja de que el almacenamiento y transporte de amoníaco, que ha sido desarrollado desde hace muchas décadas, ya es un tema relativamente resuelto de manera económica y segura.

En la última década, el amoníaco verde se ha visualizado como una forma de almacenar energía renovable de manera simple y segura, y como una fuente renovable de hidrógeno verde. La economía del amoníaco verde se basa en el alto potencial del amoníaco para reemplazar los combustibles fósiles en muchas aplicaciones, puesto que actúa como un vector energético, igual que el hidrógeno. También, como el hidrógeno, puede usarse directamente en vehículos pesados, buques, equipamiento pesado de minería, etc.

 

Producción de amoníaco verde

La producción de amoníaco se basa hoy en un proceso llamado Haber-Bosh (llamado así por los científicos que lo descubrieron), el que es intensivo en consumo de energía eléctrica. De allí que el desarrollo de las energías renovables juega un rol fundamental en la producción, almacenamiento y transporte económico del amoníaco.

Hay otros procesos para producir amoníaco, los que se encuentran en etapa de estudio. Estos en general intentan reemplazar el proceso Haber-Bosh por otro que requiera un uso menos intensivo de electricidad. Por ejemplo, se ha intentado un proceso de reducción directa del nitrógeno a amoníaco de manera electroquímica. Sin embargo, aún no se vislumbra su uso comercial.

 

Hay que entender cada uno de los procesos…

Para entender la producción de amoníaco se requiere no solo estimar los costos de producción, almacenamiento y transporte, sino también entender cada uno de los procesos involucrados. La producción de amoníaco mediante el proceso Haber-Bosh no puede ser interrumpida (o intermitente) como lo es la producción de hidrógeno verde mediante electrólisis. Entonces, esto requiere que el hidrógeno que se inyecta al proceso Haber-Bosh se almacene en un buffer que permita la mezcla continua de hidrógeno y nitrógeno.

Por su parte, el nitrógeno que alimenta el proceso Haber-Bosh suele provenir de un separador de aire, el cual no presenta problemas de intermitencia, pero debe ser dimensionado coherentemente con el buffer de hidrógeno. Comprender todo este proceso es muy importante para no sobreestimar la potencial producción y uso de hidrógeno y amoníaco, y no subestimar el costo de abastecer la demanda de hidrógeno y amoníaco.

 

Las cifras del amoníaco

En 2020, la producción de amoníaco representó 8,6 EJ de consumo de energía, equivalente al 2% del consumo total de energía final a nivel mundial. De esta energía, el 40% se consumió como materia prima y el resto, como energía de proceso. El gas natural representa el 70% del consumo total de energía de la industria del amoníaco, el carbón el 26%, el petróleo el 1% y la electricidad el 3% restante.

Reemplazar el gas natural como materia prima para la producción de amoníaco por hidrógeno producido a partir de fuentes de energía renovable ofrece, en teoría, el potencial para producir fertilizantes nitrogenados libres de carbono.

 

Amoníaco, insumo clave para la producción de fertilizantes

El amoníaco es un producto fundamental para la industria de los fertilizantes, ya que es la materia prima clave para el suministro de fertilizantes nitrogenados, que, a su vez, es un insumo crucial para la producción de alimentos.

Hoy, más de la mitad de la producción mundial de alimentos es posible gracias a los fertilizantes sintéticos. La producción actual de fertilizantes nitrogenados consume mucha energía, dado que la producción de amoníaco se basa principalmente en el gas natural como materia prima y el reformado de metano con vapor, como tecnología principal. Esta forma de producción de fertilizantes nitrogenados es responsable de entre el 1% y 2% de las emisiones globales de GEI, casi comparable con los niveles de la industria del transporte marítimo.

Un poco más del 2% de la demanda total de amoníaco es destinado a la aplicación directa a los cultivos. Sin embargo, la mayor parte se combina con otros insumos para producir otros fertilizantes y productos industriales a base de nitrógeno, principalmente urea. La producción de urea representa alrededor del 55% de la demanda de amoníaco, que, a su vez, se utiliza directamente como fertilizante (alrededor del 75%) y para producir nitrato amónico de urea (5%), siendo el resto para una variedad de aplicaciones industriales. El otro uso principal del amoníaco es para la producción de ácido nítrico y nitrato de amonio.

 

Enzo Sauma

Miembro del Consejo Académico del Centro de Energía UC

Académico del Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas

Pontificia Universidad Católica de Chile

 

Este artículo se publicó originalmente en la página del programa Clase Ejecutiva UC en el diario El Mercurio de Santiago.