Como componente vital de los fertilizantes, el amoníaco (NH3) es el segundo químico industrial más producido en el mundo. La producción anual ronda los 180 millones de toneladas métricas y casi el 90% de esta producción se destina a satisfacer la demanda mundial de producción agrícola.

El amoníaco también se ve cada vez más como un combustible verde potencial para la producción de energía y algunos sectores difíciles de descarbonizar como el transporte marítimo, con muchas ventajas sobre el hidrógeno verde, el otro competidor. Pero la forma en que se fabrica el amoniaco actualmente es incompatible con un clima seguro: el proceso Haber-Bosch.

En el proceso Haber-Bosch (HB), el amoníaco se produce a partir de hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2) a través de una reacción catalítica exotérmica de alta presión (150-300 bar) a 350-500 ° C. En el proceso industrial de HB, las materias primas esenciales para este proceso de producción de NH3 se obtienen consumiendo hidrocarburos: el H2 generalmente se deriva del metano (CH4) a través del reformado con vapor, y el N2 se obtiene del aire después de la eliminación del oxígeno (O2) a través de la combustión. de CH4. Se queman combustibles de hidrocarburos adicionales para producir el calor y la energía mecánica necesarios en el proceso, lo que aumenta aún más las emisiones de dióxido de carbono (CO2). A nivel mundial, se genera un promedio de casi tres toneladas de CO2 por cada tonelada de amoníaco producida.

Pero, ¿y si el amoníaco pudiera fabricarse de manera respetuosa con el medio ambiente a partir de fuentes de energía renovables? ¿Y cómo podría aprovechar un nuevo enfoque el calor solar?

Para diseñar procesos tan fundamentalmente nuevos, los gobiernos a nivel internacional han financiado una gran cantidad de investigación sobre energía sostenible. Sin embargo, hasta la fecha, la mayoría de los investigadores han investigado cómo convertir el proceso de HB en verde (sin combustible fósil) o azul (combustible fósil, con captura y almacenamiento de carbono). Estos métodos todavía se ocupan de presiones muy altas para producir amoníaco. Entre las instituciones de investigación que trabajan en la producción de amoníaco neutro en carbono, el DOE de EE. UU. Ha financiado un proyecto multiinstitucional que involucra a los Laboratorios Nacionales Sandia, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Estatal de Arizona para usar energía solar concentrada como única fuente de energía.

Cómo funcionaría el nuevo proceso de amoníaco

Un equipo multiinstitucional dirigido por el Dr. Andrea Ambrosini en Sandia National Laboratories está trabajando en un camino diferente hacia el amoníaco carbono neutral, que no involucra en absoluto el proceso de HB. Este equipo está evaluando la viabilidad de un proceso de producción de amoníaco termoquímico solar único sin emisiones de CO2.

Dr. Alberto de la Calle, científico asistente de investigación en el equipo de ASU, coautor del proceso de separación de nitrógeno del aire impulsado por energía solar basado en un ciclo termoquímico de dos pasos: análisis termodinámico y un diseño de reactor de baja presión para la producción de amoníaco termoquímico solar , explicó el razonamiento detrás del nuevo enfoque en una llamada reciente desde Arizona.

“Proponemos una vía sostenible para la producción de amoníaco utilizando irradiación solar concentrada para procesar el calor que separa el nitrógeno del aire en lugar de los combustibles fósiles y reduce los requisitos de presión para sintetizar el NH3. Para ello, estamos desarrollando una avanzada tecnología de bucle termoquímico solar para producir (y almacenar) N2 del aire para la posterior producción de NH3 a través de un proceso avanzado de dos etapas ”, dijo.

Paso 1: reducción del óxido metálico; Paso 2: separación del nitrógeno del aire y reoxidación del óxido metálico; Paso 3: síntesis de amoniaco haciendo reaccionar gas H2 con un nitruro metálico *; y Paso 4 – re-nitruración del nitruro ahora deficiente en nitrógeno con el nitrógeno producido.
* Nótese que de arriba hacia abajo el orden de los pasos es: 1, 2 4 y 3 IMAGEN @ Alberto de la Calle

Su proceso propuesto se divide en dos etapas, con dos pasos en cada etapa.

En la primera etapa, el equipo separará el nitrógeno del aire mediante un ciclo termoquímico de óxido metálico de dos pasos. El primer paso es la reducción térmica del óxido metálico, que libera algo de oxígeno de su estructura. Dado que esta reacción de reducción es endotérmica (consume calor), la concentración de la radiación solar proporciona la energía en forma de calor. En el segundo paso, este óxido metálico reducido se re-oxida en el aire, consumiendo el O2, lo que da como resultado una corriente de N2 de alta pureza. Una vez que se completa la reacción, el óxido metálico vuelve al primer paso, cerrando el ciclo.

En la segunda etapa propuesta, producirían el amoníaco con un ciclo de nitruro metálico termoquímico de dos etapas. El primer paso de este segundo ciclo es la reacción de síntesis de amoniaco. En este paso, un nitruro metálico se reduce (se elimina el nitrógeno) por H2, produciendo directamente NH3. En el segundo paso, el nitruro metálico deficiente en nitrógeno es re-nitrurado por el N2 purificado de la primera etapa, regenerando el nitruro. Una vez que se completa la reacción, el nitruro regenerado se puede volver a reducir, cerrando el ciclo. Actualmente se está investigando un nitruro de trabajo eficaz para este ciclo tan novedoso.

Haciendo que el nitrógeno esté libre de emisiones

“La separación del nitrógeno del aire en el proceso tradicional de HB produce mucho CO2”, explicó de la Calle. “El proceso tradicional obtiene N2 del aire eliminando el O2 a través de la combustión de CH4, este calor se utiliza para producir más H2 mediante reformado con vapor, pero las emisiones de CO2 aumentan. Proponemos utilizar el sol para reducir un óxido metálico que posteriormente consume el oxígeno del aire sin producir CO2. Esta tecnología es capaz de producir nitrógeno de alta pureza sin necesidad de posprocesamiento (separación del CO2) como en el proceso HB ”.

Otra ventaja de este método novedoso es que pueden almacenar las partículas reducidas de óxido metálico (los sólidos son mucho más fáciles de almacenar que los gases), lo que hace posible producir nitrógeno bajo demanda. Al almacenar las partículas reducidas en lugar de un gas, no hay necesidad de un costoso trabajo de compresión y almacenamiento presurizado para introducir el gas dentro del recipiente a presión.

El equipo realizó una presentación sobre un reactor de amoníaco en la conferencia en línea SolarPACES 2020 con un análisis de las condiciones para el proceso de separación de nitrógeno del aire basado en un ciclo termoquímico solar.

“Potencialmente, creemos que podríamos impulsar la reducción solar del óxido metálico a 800 ° C barriendo el O2 liberado del óxido metálico fuera del reactor con aire y ejecutar el paso de separación de nitrógeno cerca de 500 ° C”, comentó.

Los helióstatos en forma de polígono de Heliogen en un campo solar muestran cómo enfocan los “soles” hasta un receptor en lo alto de una torre para procesos termoquímicos.

Al igual que con otros reactores termoquímicos solares, este calor sería suministrado por un campo solar de helióstatos que enfocarían miles de “soles” de luz solar altamente concentrada hacia un receptor / reactor de torre. Una planta termoquímica solar como la propuesta por el equipo, dedicada a la producción de amoníaco, se parecería un poco a una planta de CSP, excepto que, debido a que no es necesaria para generar electricidad, no habría bloque de energía con un generador o ciclo de vapor, solo el campo solar. y el receptor / reactor donde se realizaría el primer paso (donde se requiere calor) del proceso termoquímico.

Un enfoque novedoso parte de Haber-Bosch

La segunda etapa del proceso es la producción de amoníaco a través de un ciclo termoquímico con requisitos de presión significativamente más bajos que HB. Haber-Bosch requiere 150-300 bar para impulsar la reacción, pero de la Calle cree que el nuevo proceso podría funcionar a una presión de 30 bar o menos.

“Las altas presiones de HB añaden costos a todos los componentes del proceso: reactor, intercambiadores de calor, tuberías y etapas de compresión. Además, el costo derivado de la energía requerida en la compresión es significativo, representa aproximadamente el 20% del consumo total de energía. Si podemos producir amoníaco a presiones mucho más bajas, se evitan muchos costos y emisiones de CO2 ”, señaló.

Por otro lado, estas reacciones requerirían temperaturas más altas que el proceso de Haber-Bosch, que solo requiere entre 350 y 500 ° C y señala que aún se están trabajando en materiales de cribado para este ciclo termoquímico.

“Apuntamos cerca de 500 ° C tanto para la síntesis de amoniaco como para las reacciones de re-nitruración y un objetivo de presión máxima de 30 bar. Creo que con un sistema de recuperación de calor bien diseñado podemos satisfacer toda la demanda de calor reutilizando el rechazo de calor en el subproceso de producción de nitrógeno ”, dijo.

Las reacciones propuestas en este proyecto (reducción de óxido metálico, producción de nitrógeno, síntesis de amoníaco y re-nitruración) se encuentran en una etapa temprana de madurez técnica, y el equipo de ASU ha comenzado ahora el modelado del sistema y el análisis termodinámico y tecnoeconómico detallado para encontrar las condiciones óptimas de funcionamiento o el tamaño. El premio de tres años culminaría a principios de 2022.

Artículos relevantes:

• “ Modelado de un reactor de concentración solar de reducción para la separación de oxígeno del aire ” Matthew Kury, H. Evan Bush, Kevin Albrecht y Andrea Ambrosini.
• “ Detección experimental de ferritas de estroncio sustituidas individualmente y doblemente para la separación termoquímica solar de aire ” Tyler Farr, Nhu “Ty” Nguyen, H. Evan Bush, Andrea Ambrosini y Peter G. Loutzenhiser.
• “ Proceso de separación de nitrógeno del aire impulsado por energía solar basado en un ciclo termoquímico de dos pasos: análisis termodinámico ” Alberto de la Calle, H. Evan Bush, Ivan Ermanoski, Xiang Gao, Andrea Ambrosini y Ellen B. Stechel.
• “ Termodinámica de ferrita de estroncio sustituida para la separación de aire solar”H. Evan Bush, N. Ty Nguyen, Tyler P. Farr, Ellen Stechel, Peter G. Loutzenhiser y Andrea Ambrosini.
• “ Diseño de un reactor de baja presión para la producción de amoníaco termoquímico solar ” Xiang Gao, Ivan Ermanoski, Andrea Ambrosini, Alberto de la Calle y Ellen B. Stechel.