Amoniaco como vector energético portador de hidrógeno: Proyecto Hidroam

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La problemática energética actual se basa en dos aspectos: la dependencia, casi exclusiva, de combustibles fósiles y el efecto negativo de su uso sobre el medioambiente. El petróleo es un recurso único que constituye una fuente de energía muy eficiente, fácil de extraer, transportar y utilizar, así como una materia prima con la que obtener una gran variedad de productos y materiales. Sin embargo, el petróleo es un bien escaso cuyas reservas, a un coste de extracción aceptable, se están agotando. Por otro lado, es importante señalar que la producción de petróleo está centralizada en un pequeño número de países agrupados en torno a la Organización de los Países Exportadores de Petróleo (OPEP), cuya situación política, en líneas generales, suele ser bastante inestable, lo que repercute en su precio y suministro.

Otro gran inconveniente, es el relacionado con los problemas medioambientales producidos por las emisiones de contaminantes de los procesos de combustión, lo que ha contribuido a un incremento de los niveles de CO2 en la atmósfera por encima del 30% con respecto a los valores de la era pre-industrial, obligando a la comunidad internacional a actuar mediante la firma de acuerdos y protocolos internacionales. A todo este panorama debe añadirse el desarrollo de las economías de países como India y China que, en su conjunto, totalizan más de un tercio de la población mundial y que, dada su escasa base tecnológica, consumen cantidades ingentes de combustibles fósiles. En este escenario, la humanidad se enfrenta a un triple desafío: satisfacer las necesidades energéticas de los países en vías de desarrollo; el agotamiento de los recursos fósiles y la amenaza del calentamiento global por emisión de gases de efecto invernadero.

Con el fin de establecer un camino hacia la energía sostenible resulta de gran interés la utilización del hidrógeno como vector energético, también llamado combustible eterno, pues es el elemento más simple y común del universo. La denominada economía del hidrógeno pretende incorporar en el actual escenario energético, este vector que combinaría la “limpieza” del hidrógeno obtenido a partir de procesos en los que no existan, o sean mínimas, las emisiones de CO2, junto con la eficiencia de las celdas de combustible como sistemas para producir electricidad y calor o la incorporación en motores de combustión interna. El uso del hidrógeno presenta como ventajas adicionales que en su combustión no se generan gases de efecto invernadero y que posee un gran poder calorífico másico.

El potencial del hidrógeno está limitado debido a la dificultad de almacenar y transportar cantidades importantes del mismo de una forma económica y segura sin alcanzar controvertidas presiones. A esto se suma que el reducido tamaño de la molécula del H2, conduce a importantes problemas de difusión y fugas en los sistemas de almacenamiento y transporte. Por lo que existe una necesidad de desarrollo tecnológico y búsqueda de alternativas para el uso de H2 en aplicaciones al trasporte, que necesitan estar en el mismo rango autonomía y tiempos de recarga que los disponibles hoy en día a partir de gasoil o gasolina.

En 2015, el departamento de energía US (DoE) estableció los requerimientos para el almacenamiento químico de hidrógeno que incluían una elevada capacidad (al menos 9% peso de H2, y 81 g L-1 de capacidad volumétrica), bajo coste, sistemas de respuesta rápida, inertes y uso de sustancias no tóxicas. En este escenario tan restrictivo en cuanto a la relación entre la capacidad volumétrica y gravimétrica de los posibles compuestos susceptibles de ser utilizados como trasportadores energéticos de hidrógeno, ni siquiera el hidrógeno a elevadas presiones los supera. Quedando como los más prometedores el metanol, el octano, el amoniaco y los derivados amónicos Mg (NH3)6Cl2 y NH3BH3. Por lo tanto, una solución a lo planteado sería emplear líquidos como fuentes portadoras de H2, que pudieran ser transformados en éste en la propia fuente móvil, mediante procesos de conversión adecuados. Este hecho permitiría trabajar con sustancias líquidas fácilmente transportables, empleando las actuales redes de suministro.

Entre las sustancias capaces de asumir este rol de portadoras de H2, destaca el amoniaco ya que se trata de una sustancia que no contiene carbón en su molécula y por tanto no generaría emisiones de COxdurante su reacción de descomposición, además de ser el segundo compuesto químico que más se produce mundialmente, detrás del ácido sulfúrico, por lo que su sistema de distribución está muy bien establecido. Por tanto podría considerarse la “economía del amoniaco”, con los mismos beneficios que la “economía del hidrógeno” pero con una infraestructura de distribución y transporte consolidada. Gracias a las propiedades del NH3(líquido a temperatura ambiente y baja presión 6 atm) y su alta densidad de energía (contiene un 17% de peso de H) junto con la gran escala con que puede producirse y la tecnología madura de su producción, hacen posible su utilización como «molécula almacén» de H2. Además se trata de una sustancia cuyo olor permite identificar fácilmente fugas (< 1 ppm) y con un rango de inflamación mucho más estrecho que el hidrógeno, considerándolo así como producto no inflamable.

Para su obtención, el amoniaco precisa como materias primas de partida nitrógeno, que pueden obtenerse a partir de plantas separadoras de aire, e hidrógeno, cuya procedencia puede ser diversa, desde los tradicionales procesos de reformado hasta otros medioambientalmente más favorables, libres de CO2como la electrolisis o la gasificación de la biomasa.

Aunque el amoniaco es un producto conocido y consolidado en la industria química, su uso como vector energético en forma de H2 lo ha convertido en un objetivo en las estrategias de investigación y desarrollo de países como Japón, Reino Unido, Noruega o EE.UU., donde se están llevando a cabo proyectos y líneas de actuación enfocadas al uso del amoniaco como vector de energía. Proyectos como “SIP Green Ammonia Project” financiado por el gobierno Japones, Arpa-EProject: Zero Emision Fuell del Departamento de Energía de EE.UU. o el “Power to Ammonia” llevado a cabo por “ISPT Institute for Sustainable Process Technology Europeo, son ejemplos significativos de que el uso de amoniaco como vector energético puede ser una alternativa para conseguir los requisitos de una economía descarbonizada para 2050, establecida en la COP 2016 de PARIS, en línea con la política energética de la UE.

El amoniaco se utilizaría con fines energéticos, conduciéndolo hasta el lugar donde sería transformado de nuevo en nitrógeno e hidrógeno mediante la reacción de descomposición de amoniaco y ese hidrógeno resultante alimentaría a una pila de combustible o a un proceso de combustión.

La descomposición de amoniaco es un proceso endotérmico que requiere la utilización de catalizadores, compuestos de una fase activa (un metal o combinación de metales: rutenio, cobalto, hierro, níquel, etc.) y un soporte sobre el que se deposita el metal. Estos catalizadores deben tener una elevada actividad a temperaturas moderadas y bajo coste. La búsqueda de un catalizador novedoso con estas características es lo que constituye el eje principal del proyecto Hidroam (Producción de hidrógeno a partir de amoniaco utilizando catalizadores novedosos). Entre los diferentes soportes que se utilizarán, los cuales juegan un papel fundamental a la hora de diseñar catalizadores más activos y estables, se encuentra el grafeno, material bidimensional altamente novedoso que posee unas propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas excelentes, además de una elevada área superficial lo que le convierte en un candidato idóneo para ser usado como soporte de nanopartículas metálicas. El proyecto abarca, además, el estudio energético, exergético, económico y de ciclo de vida del proceso integrando la utilización última del hidrógeno en un motor de combustión interna. Finalmente, con fines de su escalado posterior se abordará la etapa de desarrollo de la Ingeniería Básica del proceso estudiado.

El proyecto, coordinado y liderado por profesores del Departamento de Ingeniería Química, cuenta con la participación del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) expertos en el uso y almacenamiento del hidrógeno, que participarán en las etapas de simulación y cálculo de la Ingeniería Básica del proceso.

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