Impulsando la sostenibilidad mediante la producción de amoníaco ecológico

El amoníaco es un compuesto formado únicamente por nitrógeno e hidrógeno y es esencial para numerosas aplicaciones cotidianas. El amoníaco desempeña un papel fundamental en la producción de alimentos. Es la principal fuente de nitrógeno para los fertilizantes, de modo que hace posible una agricultura capaz de alimentar a la creciente población mundial.

Más allá de la agricultura, el amoníaco se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones de procesos industriales, entre ellas:

• Es un elemento básico para la fabricación de una amplia variedad de productos químicos, como, por ejemplo, plásticos, fibras, tintes y explosivos.
• En la industria farmacéutica se utiliza como materia prima para diversos principios activos y para controlar el pH.
• En la HVAC se utiliza como refrigerante dadas sus eficientes propiedades de transferencia de calor.
• En la industria alimentaria se utiliza como aditivo y conservante.
• En el tratamiento del agua, permite purificar el suministros de agua mediante la creación de cloraminas, que contribuyen a facilitar la desinfección orgánica.
• En los productos de limpieza es un ingrediente clave en muchos productos domésticos gracias a sus propiedades desengrasantes y desinfectantes.
• En la fabricación de textiles se aplica durante el proceso de acabado para mejorar la suavidad del tejido y la afinidad del tinte.

Si bien el amoníaco es un químico indispensable para muchas industrias, los métodos convencionales de producción tienen un impacto ambiental significativo, de modo que es necesario buscar alternativas más ecológicas.

El amoníaco se produce principalmente mediante el proceso Haber-Bosch, en el cual el nitrógeno se combina con hidrógeno a una presión y temperatura elevadas en presencia de un catalizador.

Algunos pasos de este proceso son:

• Extracción de nitrógeno: El nitrógeno (N₂) se obtiene del aire mediante una unidad de separación de aire, que utiliza un proceso de licuefacción y destilación. Otra opción es utilizar la adsorción por oscilación de presión, que emplea materiales adsorbentes especializados para capturar selectivamente las moléculas de nitrógeno.
• Producción de hidrógeno: El hidrógeno (H₂) se obtiene normalmente a partir del reformado del metano por vapor o el reformado autotérmico.
• Síntesis de amoníaco: Los gases de nitrógeno e hidrógeno purificados se mezclan y pasan sobre un catalizador, generalmente de hierro, a una presión (> 200 atm/2.940 psi) y temperatura (> 450 °C/842 °F) elevadas. Bajo estas condiciones, se forman nitrógeno e hidrógeno elementales, que se combinan para producir amoníaco (NH₃).
• Refrigeración del amoníaco e hidrógeno y nitrógeno residuales: Los gases salen del reactor a una temperatura > 450 °C/842 °F y se enfrían mediante un intercambiador de calor que también funciona como caldera de calor residual. Esto produce vapor sobrecalentado, que posteriormente se utiliza en una unidad de generación de energía.
• Separación del amoníaco: La mezcla de gases se enfría a aproximadamente -40 °C (-40 °F), lo que provoca la condensación del amoníaco. Esto permite su separación, ya que su punto de ebullición es superior al del nitrógeno e hidrógeno gas que no ha reaccionado. Estos gases que no han reaccionado se reciclan nuevamente en el proceso para completar su reacción.

El proceso global se representa como: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3

El método Haber-Bosch requiere una gran cantidad de energía y los procesos de producción de hidrógeno marrón, negro y gris generan emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Este impacto ambiental está fomentando una preferencia por el hidrógeno verde, que se obtiene de fuentes sostenibles, así como por utilizar energías renovables en la producción de nitrógeno.

La producción de hidrógeno para crear amoníaco contribuye aproximadamente al 1,8 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono, una cantidad similar a la generada por toda la industria de la aviación. En respuesta a las inquietudes ambientales, el concepto de "amoníaco verde" busca reducir de manera significativa la huella de carbono en la producción de amoníaco, obteniendo los gases necesarios mediante procesos basados en las cero emisiones netas llevados a cabo con energía procedente de fuentes renovables.

Para producir amoníaco verde se necesitan tres materias primas: aire, agua y energía renovable para llevar a cabo los diversos procesos.

Mediante destilación criogénica o adsorción por cambio de presión, las unidades de separación de aire extraen nitrógeno de la atmósfera. La destilación criogénica enfría el aire a temperaturas muy bajas y separa sus gases componentes, incluido el nitrógeno necesario para producir amoníaco, según sus distintos puntos de ebullición. Otra opción es utilizar la adsorción por oscilación de presión, que emplea materiales adsorbentes especializados para capturar selectivamente las moléculas de nitrógeno.

El principal elemento que distingue al amoníaco verde es el uso de hidrógeno verde, el cual se produce mediante la electrólisis del agua utilizando energías renovables, y por lo tanto, sin generar emisiones de carbono. Este proceso divide las moléculas de agua en sus átomos de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se recoge como materia prima para la síntesis de amoníaco, y el oxígeno se libera al aire de forma inocua. La electrólisis se lleva a cabo principalmente mediante electrolizadores alcalinos (una tecnología consolidada y contrastada) o electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM), que son conocidos por su mayor eficiencia y tiempos de respuesta más rápidos, si bien suponen un coste más elevado.
A continuación, el nitrógeno y el hidrógeno reaccionan siguiendo el proceso Haber-Bosch, generando una menor huella de carbono. Para que el amoníaco resultante pueda ser considerado “verde,” todos los procesos involucrados deben realizarse con energías renovables.

El amoníaco también se puede descomponer en hidrógeno mediante el proceso de craqueo. Sin embargo, esta reacción consume una gran cantidad de energía debe realizarse una temperatura de 600 °C (1112 °F) en presencia de un catalizador. Este proceso se utiliza para algunas aplicaciones que requieren hidrógeno porque el amoníaco es más fácil de manipular y almacenar a granel que el hidrógeno puro.

Al igual que muchos otros procesos de bajas emisiones de carbono, el escalamiento de la producción de amoníaco verde debe hacer frente a importantes desafíos como consecuencia de las limitaciones de infraestructura existentes y los elevados costes de producción. En primer lugar, aunque el sector de las energías renovables está creciendo rápidamente, todavía no ha alcanzado el nivel de integración en la red ni la capacidad de almacenamiento energético de los sistemas convencionales, algo necesario para satisfacer las demandas de productos industriales y de consumo. De manera similar, los electrolizadores necesarios para producir hidrógeno verde aún requieren inversiones considerables para escalar su capacidad.

No obstante, a medida que las tecnologías sostenibles se desarrollen y se alcancen economías de escala, la producción de amoníaco verde será cada vez más competitiva en cuanto a costes. El coste de la energía renovable ha disminuido en los últimos años, y se espera que esta tendencia se mantenga, lo que hará que el hidrógeno y el nitrógeno verdes sean más asequibles económicamente.

El amoníaco también se está evaluando como un vector energético que no genera emisiones de carbono y, en algunas aplicaciones, incluso para ser empleado para su combustión directa para contribuir a resolver los desafíos de la intermitencia en la energía solar y eólica. Además, su alta densidad energética ha promovido la investigación del amoníaco como un combustible viable para el transporte marítimo y de larga distancia, sectores tradicionalmente asociados con altas emisiones de carbono.

Independientemente de su valor, el amoníaco es una sustancia química peligrosa y debe manipularse con precaución. La inhalación de aire con una concentración de amoníaco de tan solo el 0,5 % puede resultar mortal para los humanos. Su naturaleza altamente corrosiva y tóxica exige seguir unos estrictos protocolos de seguridad durante su producción, transporte y uso.

Además del uso de equipo de protección personal estándar y la formación exhaustiva de los empleados, es esencial utilizar sistemas de detección de fugas para mitigar los peligros en caso de que se produzca un escape no previsto. Estos sistemas están formados por detectores de gases electroquímicos, transmisores de presión y otros componentes e instrumentación de seguridad avanzados.

Además, las unidades de separación de aire utilizadas para extraer nitrógeno del aire para producir amoníaco dependen de instrumentos como los analizadores TDLAS para el análisis de pureza y sensores de presión para el control de procesos. En el proceso de electrólisis del agua, los sensores de conductividad monitorizan la calidad del electrolito, garantizando un rendimiento óptimo y la longevidad del electrolizador, mientras que los caudalímetros ayudan a regular la producción de hidrógeno y oxígeno.

El circuito de síntesis de amoníaco depende de una amplia gama de instrumentación, que incluye sensores de temperatura, transmisores de presión y analizadores de gases, para optimizar las condiciones de reacción y asegurar la calidad del producto. Estos instrumentos proporcionan datos continuos tanto para el control en tiempo real como para el análisis histórico, lo que permite al personal optimizar el proceso y maximizar la eficiencia, manteniendo a la vez unas condiciones de operación seguras.

La descomposición del amoníaco requiere caudalímetros másicos para garantizar un suministro preciso de gas y unas velocidades de reacción óptimas; termopares para una medición precisa de la temperatura y analizadores de gas para monitorizar la composición de la corriente de hidrógeno del producto para asegurar su pureza.

Aunque el amoníaco es extremadamente valioso en una amplia variedad de procesos industriales que los consumidores suelen dar por sentados, el uso generalizado de amoníaco verde todavía tiene que hacer frente a importantes desafíos. La infraestructura de energías renovables y de electrólisis sigue siendo limitada y los costes de inversión son elevados. Además, debido a la naturaleza peligrosa del amoníaco, su transporte y almacenamiento seguros requieren un control riguroso. Afortunadamente, ya existen métodos consolidados y contrastados para garantizar su seguridad.

El principal beneficio que ofrece el amoníaco verde radica en que permite desvincular la producción de amoníaco de la dependencia de los combustibles fósiles, lo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Es por ello que ha captado la atención tanto de los gobiernos como de la industria. Estas partes interesadas están incorporando estratégicamente este producto en sus planes de sostenibilidad. El amoníaco verde ofrece una solución eficaz para disminuir la huella de carbono en la industria de fertilizantes, así como en diversos sectores que dependen considerablemente del amoníaco.

Para fomentar el uso generalizado del amoníaco verde, es esencial continuar investigándolo y desarrollándolo, así como innovar en tecnologías sobre su producción y sus aplicaciones. Estas iniciativas son esenciales mientras el mundo lucha para alcanzar las cero emisiones netas a mediados de siglo.