23.09.2022 - Universität Ulm

El amoníaco como vehículo de hidrógeno: Nueva tecnología de reactores integrados para la transición energética

Proceso disruptivo con gran potencial de ahorro

El amoníaco procedente del hidrógeno verde es un vector energético con gran potencial económico que puede utilizarse como materia prima química, como combustible marino o para la generación de energía estacionaria. En el futuro, se importará a gran escala desde regiones con grandes recursos solares y eólicos. En el proyecto "PICASO" (Process Intensification & Advanced Catalysis for Ammonia Sustainable Optimized process), el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE, la Universidad de Ulm y el Instituto de Investigación de Energías Renovables de Fukushima (FREA-AIST) están trabajando en un novedoso proceso de conversión de energía en amoníaco (PtA) para la síntesis sostenible de amoníaco. El proceso podría reducir las emisiones deCO2 en un 95% en comparación con el proceso convencional. El proyecto, financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, comenzó el 1 de agosto.

El amoníaco como vehículo de hidrógeno tiene el potencial de contribuir de forma significativa a la transición energética: "El amoníaco también puede producirse a partir de hidrógeno verde y nitrógeno en regiones soleadas y ventosas pero remotas, por ejemplo en el desierto del norte de África. El portador de energía se licúa para su transporte a Europa, normalmente en barco. Para ello, estamos desarrollando una tecnología de reactor integrada con estrategias de funcionamiento dinámicas, que permite operar con fuentes de energía renovables fluctuantes", explica el Prof. Dr. Christopher Hebling, Director de la División de Tecnologías del Hidrógeno del Fraunhofer ISE.

A diferencia del proceso Haber-Bosch convencional, el proceso PtA permite utilizar catalizadores de síntesis más activos gracias a la gran pureza del hidrógeno "verde" obtenido por electrólisis. Estos pueden funcionar a temperaturas más bajas, lo que aumenta el rendimiento de amoníaco termodinámicamente posible y, por tanto, permite el funcionamiento a presiones más bajas y sin reciclar los reactivos no consumidos. Para el proyecto, el socio japonés FREA-AIST ha desarrollado un nuevo catalizador de rutenio que permite la síntesis en condiciones de proceso mucho más suaves, con temperaturas inferiores a 400 °C y presiones inferiores a 80 bares. Este catalizador ya puede producirse a escala semi-industrial (TRL > 7). Para aumentar aún más el rendimiento, el Fraunhofer ISE y la Universidad de Ulm están investigando la separación integrada del amoníaco: La reacción y la separación del amoníaco tienen lugar in situ en un reactor integrado. De este modo, se puede minimizar la presión de funcionamiento y evitar la recirculación de gas de alimentación sin reaccionar. "Dado que los compresores y los intercambiadores de calor son los principales impulsores de los costes en la síntesis convencional de amoníaco, ya que representan el 90% de los costes de inversión, estas mejoras ofrecen un enorme potencial para la viabilidad económica de las plantas de producción de amoníaco flexibles que también pueden utilizarse en regiones remotas", afirma el Dr.-Ing. Ouda Salem, jefe de grupo Power to Liquids en Fraunhofer ISE. Esto significa que ya no son necesarias complejas infraestructuras y que la producción de amoníaco puede llevarse a cabo a una escala mucho menor. Esto ofrece la posibilidad de adaptar el novedoso proceso PtA al uso de fuentes de energía renovables incluso en regiones remotas. El Prof. Dr.-Ing. Robert Güttel, director del Instituto de Ingeniería Química de la Universidad de Ulm, añade: "También podemos aprovechar mucho mejor el hidrógeno y el nitrógeno si no es necesario el reciclaje, por lo que podemos aumentar considerablemente la eficiencia material y energética de todo el proceso PtA. "

En el proyecto, ya se va a realizar la transferencia del nuevo concepto de PtA del laboratorio a la escala de planta piloto. Mientras que la Universidad de Ulm se centra en la escala de laboratorio, se están llevando a cabo amplios estudios experimentales en la planta piloto del Fraunhofer ISE. Robert Güttel: "Los resultados experimentales a ambas escalas están vinculados a una modelización y simulación matemática detallada. De este modo, podemos incluso hacer ya predicciones fiables para la escala piloto y acelerar la aplicación del concepto de reactor integrado. ". Además de la demostración técnica, los socios también quieren demostrar que el novedoso y flexible proceso de PtA es económicamente competitivo con el proceso convencional.

Proceso disruptivo con gran potencial de ahorro

"Si tiene éxito, el método PICASO será una tecnología disruptiva que sustituirá a un proceso fósil convencional, reduciendo las emisiones deCO2 hasta en un 95 por ciento", dijo Ouda Salem. Un análisis de simulación del proceso PICASO también ha mostrado un potencial de ahorro energético del 50% en comparación con el proceso Haber-Bosch convencional. Uno de los objetivos específicos de un proyecto de seguimiento es ampliar el reactor integrado hasta el nivel de demostración y probarlo en una planta piloto en las instalaciones del socio FREA-AIST en Fukushima. Además, los investigadores están desarrollando estudios dinámicos específicos y estrategias de funcionamiento para identificar los requisitos de la interfaz entre los electrolizadores y la planta de síntesis. La finalización con éxito de estas fases del proyecto proporcionará los datos básicos de ingeniería para una planta industrial de referencia. Los socios de PICASO acompañarán estas fases con servicios de I+D y sus propias patentes sobre desarrollos de catalizadores y reactores para licenciar la tecnología completa a las industrias química y de procesos.

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