De fertilizante a fuente de energía del futuro
Amoníaco: buenas perspectivas
El amoníaco se ha conocido tradicionalmente para la producción de fertilizantes. En el futuro, también podría desempeñar un papel clave en la Transición Energética como fuente eficiente de hidrógeno y sustituto respetuoso con el clima de los combustibles fósiles, ya que puede producirse a partir de nitrógeno e hidrógeno con cero emisiones de carbono. Además, el amoníaco ofrece numerosas ventajas en términos de transporte y almacenamiento. El Instituto Fraunhofer de Microingeniería y Microsistemas IMM trabaja en numerosos proyectos de investigación en una tecnología de craqueo de amoníaco que ahorre espacio, sea eficiente y, sobre todo, descentralizada.
Planta piloto Fraunhofer IMM para el craqueo de amoníaco con una capacidad de 20 kg/h
© Fraunhofer IMM
"El amoníaco tiene perspectivas muy brillantes para la transformación sostenible de nuestro sistema energético", explica Gunther Kolb, jefe de la División de Energía y subdirector del instituto Fraunhofer IMM de Maguncia. "Al fin y al cabo, producir suficiente energía sin emisiones no es el único reto de la transición energética. Dado que grandes cantidades de electricidad verde pueden producirse principalmente en lugares con mucho viento o sol, como Chile y Australia, el transporte con bajas pérdidas a zonas con menos energía renovable disponible es, de hecho, un factor importante." El uso de amoníaco puede aportar ventajas transformadoras en este sentido.
Perfectamente adaptado al almacenamiento y transporte de hidrógeno
El hidrógeno verde (H2), se combina con nitrógeno (N2) en una proporción de 3:1 para producir amoníaco (NH3) y la energía almacenada y transportada en esta forma (es decir, amoníaco) sufre menos pérdidas en la cadena de suministro. Además, el amoníaco tiene algunas ventajas sobre el hidrógeno para el almacenamiento de electricidad. Permanece líquido a presión atmosférica e incluso a una presión de sólo 7,5 bares o cuando se enfría a sólo unos -33°C. En cambio, para licuar el hidrógeno puro hay que introducirlo en un vacío a baja presión y bajar la temperatura a -253°C, lo que requiere mucha energía. Además, el amoníaco tiene una densidad energética volumétrica mayor que el hidrógeno líquido, por lo que puede transportar más energía por unidad de volumen. "Generar amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno sólo requiere un cinco por ciento más de energía que generar hidrógeno a partir de electricidad verde", explica Kolb. "Y tanto la producción como el craqueo del amoníaco están casi completamente libres de carbono". El amoníaco es tóxico e inflamable, por lo que está clasificado como peligroso y sujeto a estrictas normativas. Gracias a las estrictas normas de seguridad existentes, actualmente se transportan de forma segura por barco y ferrocarril unos 25 millones de toneladas métricas de amoníaco al año en todo el mundo, principalmente para la producción de fertilizantes.
Red principal de hidrógeno en desarrollo
El amoníaco debe reconvertirse en sus compuestos originales (nitrógeno e hidrógeno) para su uso en la industria química o como fuente de energía. Y lo que es igual de importante, debe hacerse con las mínimas pérdidas de energía. El amoníaco en forma gaseosa se introduce en un reactor a una temperatura de unos 600 grados centígrados, en el que entra en contacto con un catalizador inorgánico a base de níquel con gran superficie interna. "Ahora mismo, las primeras grandes instalaciones de electrólisis se están construyendo en lugares ricos en electricidad verde, como Australia y Chile, para producir amoníaco. En el lado europeo, se está construyendo al mismo tiempo una de las primeras grandes instalaciones de craqueo en Rotterdam, por ejemplo", dice Kolb. El plan es suministrar hidrógeno a los lugares donde se necesite a través de gasoductos. El principal problema es que muchos clientes potenciales, sobre todo PYME, carecen de acceso a conducciones de hidrógeno. La infraestructura de hidrógeno de Alemania está en fase de construcción. Los planes prevén la creación de una red central de hidrógeno de unos 9.000 kilómetros de tuberías para 2032, principalmente mediante la conversión de conducciones de gas natural. Sin embargo, incluso después de esa fecha, grandes zonas no estarán conectadas al suministro de hidrógeno.
Suministro local mediante tecnología de craqueo descentralizado
"Nuestra tecnología de craqueo descentralizado puede cerrar esta brecha de suministro de forma eficiente y con cero emisiones para cantidades requeridas de entre 100 kilogramos y 10 toneladas métricas de hidrógeno al día", explica Kolb. "En el proyecto AMMONPAKTOR, que recibió financiación del estado de Renania-Palatinado, nos asociamos con el Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales ITWM para desarrollar un craqueador de amoníaco compacto que alcanza una eficiencia del 90% durante el proceso de reconversión gracias a nuestra innovadora tecnología de intercambiador de calor de placas y a la combustión integrada de los gases de escape procedentes de la adsorción por oscilación de presión utilizada para la limpieza, en comparación con el 70% de las tecnologías convencionales."
La energía necesaria para calentar el reactor se genera directamente en el reactor de craqueo con ayuda de las corrientes de gases de escape, por lo que no se necesita combustible ni electricidad adicionales para el craqueo. Además, el reactor AMMONPAKTOR es un 90% más pequeño que la tecnología convencional. Esto es especialmente importante para aplicaciones móviles y con limitaciones de espacio. El uso de gases de escape también significa que la tecnología tiene una menor huella de carbono que los conceptos de reactores calentados eléctricamente. "Aparte de la utilización interna de los gases de escape del sistema, el innovador intercambiador de calor de placas de Fraunhofer IMM, que está recubierto directamente con un catalizador, marca la diferencia", afirma Kolb. "En lugar del método convencional de generar el calor necesario para el craqueo en un sistema de tuberías calentado desde el exterior a unos 900 grados centígrados, que requiere mucha energía, nuestra tecnología genera el calor justo donde se necesita, por lo que nuestro sistema tiene una transferencia de calor mucho mejor. Y eso se traduce en un enorme ahorro de energía".
Un prototipo acabado en las instalaciones de Fraunhofer IMM en Maguncia ya permite producir unos 75 kg de hidrógeno al día, más o menos lo mismo que la producción diaria de una pila de combustible de 50 kilovatios. "Ese volumen bastaría para abastecer, por ejemplo, una pequeña gasolinera de hidrógeno", señala Kolb. El siguiente objetivo de desarrollo, por ahora, es aumentar la producción diaria hasta 10 toneladas métricas, como parte del proyecto marítimo GAMMA de cinco años de la UE y el proyecto insignia de Fraunhofer AmmonVektor, que explora toda la cadena de valor del amoníaco ecológico para que el hidrógeno esté disponible de forma descentralizada y al menor coste posible. Este proyecto trienal, dirigido por el Instituto Fraunhofer de Tecnología Medioambiental, Seguridad y Energía UMSICHT, está en marcha desde principios de 2024.
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