Proceso de producción de amoníaco verde

Green Ammonia Production Process

El amoníaco verde se refiere al amoníaco que se produce sin contribuir significativamente a las emisiones de carbono. Esto se puede lograr empleando métodos tradicionales de síntesis de amoníaco junto con generación de hidrógeno basada en electrólisis, o utilizando técnicas alternativas para la síntesis de amoníaco.

Tabla de contenido

Antes de la disponibilidad generalizada de gas natural económico en la década de 1950, la síntesis de amoníaco basada en electrólisis fue ampliamente adoptada y sólo superada por la tecnología de gasificación del carbón. Además, como enfoque alternativo a la síntesis descentralizada de amoníaco verde, la producción de hidrógeno basada en biomasa integrada con la captura y almacenamiento de carbono (CAC) tiene potencial.

La implementación inicial del proceso Haber-Bosch basado en electrólisis se remonta a la década de 1920, caracterizándose por un consumo de energía de aproximadamente 46-48 gigajulios por tonelada métrica de amoníaco (GJ/tNH3).

Se pueden identificar cuatro factores clave que impulsan la producción de amoníaco verde: la sostenibilidad de las materias primas involucradas, el bajo consumo de energía, la capacidad de escalar la producción de forma modular y la viabilidad económica.

Los cálculos teóricos indican que la cantidad mínima de energía necesaria para sintetizar amoniaco a partir del aire y el agua es de 22,5 GJ/tNH3.

1. Producción de hidrógeno basada en electrólisis

La electrólisis es el método principal utilizado para sintetizar hidrógeno verde. Se pueden integrar varias tecnologías de electrólisis disponibles comercialmente con la síntesis de amoníaco, incluida la electrólisis alcalina y la electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM).

La electrólisis de óxido sólido (SOE) se encuentra actualmente en la etapa de demostración, mientras que la electrólisis de membrana de intercambio aniónico (AEM) se está explorando en la investigación académica.

La eficiencia y el costo de capital de estas tecnologías dependen de la escala de su aplicación. Los sistemas comerciales muestran respuestas de carga en el rango de segundos durante el modo de espera en caliente, lo cual es necesario para un acoplamiento efectivo con electricidad renovable intermitente. Sin embargo, sólo la electrólisis PEM es capaz de lograr tiempos de rampa en el rango de segundos durante el modo de espera en frío.

También existe la posibilidad de combinar hidrógeno basado en electrólisis con hidrógeno derivado del metano. Por ejemplo, una planta híbrida que incorpore un electrolizador de óxido sólido y un reformador autotérmico (ATR) puede resultar ventajosa, ya que el ATR requiere oxígeno purificado.

Un ATR funciona quemando parcialmente metano con oxígeno purificado y es particularmente adecuado para la síntesis de amoníaco a gran escala debido al alto costo de la purificación de oxígeno, que es económicamente viable sólo a gran escala.

En un electrolizador de óxido sólido, el oxígeno purificado se produce independientemente, lo que hace factible el reformado autotérmico a escalas más pequeñas. Se estima que una configuración de este tipo puede suponer un ahorro en el consumo de gas natural de hasta un 22%.

2. Producción de hidrógeno a partir de biomasa

Para la síntesis de amoníaco, la producción de hidrógeno basada en biomasa ofrece una alternativa a los métodos basados en electrólisis. Sin embargo, las instalaciones de biomasa típicas enfrentan limitaciones en términos de logística y suministro de biomasa, lo que resulta en capacidades de plantas generalmente inferiores a 50 MW.

El costo de la biomasa es un factor importante para determinar el costo del hidrógeno, que puede variar significativamente según el tipo de biomasa y su ubicación. El hidrógeno a partir de biomasa se puede producir mediante procesos termoquímicos o bioquímicos.

Una ventaja de la producción de hidrógeno a partir de biomasa es su compatibilidad con los procesos convencionales de producción de hidrógeno marrón.

Los resultados obtenidos del procesamiento termoquímico o bioquímico de la biomasa sirven como materia prima para el reactor de reformado de metano con vapor (SMR) utilizado en la síntesis de amoníaco marrón. Sin embargo, una desventaja de la producción de hidrógeno a partir de biomasa es el complejo procesamiento que implica el manejo de la biomasa.

Además, el potencial técnico de la biomasa para satisfacer la demanda de hidrógeno es considerablemente menor en comparación con los recursos eléctricos renovables como la energía solar, mareomotriz y eólica, principalmente debido a la disponibilidad limitada de biomasa.

Las fuentes comunes de biomasa incluyen bagazo, cultivos, paja, pasto varilla, madera y astillas de madera. Los productos típicos derivados del procesamiento de biomasa incluyen biogás, bioaceite y biocarbón. Los residuos municipales también pueden servir como materia prima alternativa para la biomasa.

Un ejemplo de proceso de conversión de residuos en amoníaco es la utilización de plástico reciclado, como se demostró en Japón con fines de reducción catalítica selectiva.

El biogás derivado de la biomasa se puede combinar con electricidad renovable. Uno de esos sistemas es el proceso de digestión anaeróbica para la producción de biogás, junto con reactores tubulares electrificados de reformado con vapor. Otra alternativa es la integración de un reactor de biogás con un electrolizador de óxido sólido y un ATR.

3. Producción de nitrógeno

El gas nitrógeno, que se purifica del aire, se puede producir mediante varias tecnologías: unidad de separación de aire (ASU) mediante destilación criogénica, adsorción por cambio de presión (PSA), permeación de membrana y combustión de hidrógeno.

En el reformado de metano con vapor (SMR), la separación de aire generalmente se integra con la producción de hidrógeno y el oxígeno obtenido se quema con una porción del hidrógeno. De manera similar, la combustión de hidrógeno se puede utilizar en un electrolizador de óxido sólido para generar el calor necesario para la producción de hidrógeno a partir del agua.

Las tres tecnologías restantes (PSA, permeación de membrana y combustión de hidrógeno) se pueden combinar con electrolizadores alcalinos o PEM, donde se utilizan unidades separadas para producir nitrógeno e hidrógeno.

La elección de la tecnología preferida depende de la pureza deseada del nitrógeno y de la escala de la aplicación. Tanto el PSA como la permeación de membrana requieren un sistema deoxo para eliminar el oxígeno residual.

Para eliminar el oxígeno, se realiza una combustión catalítica con hidrógeno, seguida de la eliminación del agua mediante un secador regenerativo. La eliminación de oxígeno es crucial antes de ingresar al circuito de síntesis, ya que los compuestos de oxígeno pueden afectar negativamente al catalizador de síntesis de amoníaco.

4. Bucle de síntesis de amoníaco

En cuanto al circuito de síntesis de amoníaco, la estructura fundamental permanece sin cambios independientemente de la fuente de hidrógeno y nitrógeno, aunque los niveles de impurezas pueden variar. La elección del catalizador generalmente tiene un impacto mínimo en la eficiencia del circuito de síntesis.

Sin embargo, las temperaturas y presiones de funcionamiento pueden diferir según el catalizador elegido. Esto se vuelve particularmente relevante en operaciones reducidas e intermitentes con fuentes de energía renovables, ya que condiciones operativas más suaves pueden minimizar las pérdidas de calor cuando hay un nivel reducido de integración de calor.

Además, la producción de hidrógeno verde introduce diferentes flujos de calor y masa en el proceso, lo que requiere distintos esquemas de integración de calor. A menudo, se combinan varios catalizadores en un solo reactor con diferentes lechos.

5. Aspectos económicos de la producción de amoníaco verde

A modo de comparación, una planta a base de biogás con una capacidad de 22,5 tNH3/d (toneladas de amoniaco por día) tiene un coste de inversión de aproximadamente 14,4 millones de euros (M€). Por el contrario, una planta basada en SMR con una capacidad de 1.800 tNH3/d tiene un coste de inversión de alrededor de 199 M€.

Los costos operativos de un proceso Haber-Bosch basado en electrólisis se pueden dividir en costos de electricidad y costos del propietario. El electrolizador en un proceso Haber-Bosch basado en electrólisis a gran escala suele representar entre el 75% y el 95% del consumo de electricidad.

El consumo y el costo de la electricidad dependen de la escala y la ubicación de la planta. Los costes para el propietario de una planta de 3 tNH3/d son de aproximadamente 120.000 euros al año por tonelada de amoníaco producida.

La producción de hidrógeno es el principal factor de coste en la síntesis de amoníaco. Dependiendo de la ubicación se pueden considerar diferentes alternativas. El hidrógeno marrón producido mediante SMR tiene un rango de costes de 845-1585 €/t (excluyendo la captura y almacenamiento de carbono [CAC]), mientras que el coste aumenta a 1305-2145 €/t con CAC.

Por otro lado, el coste del hidrógeno renovable producido mediante electrólisis oscila entre menos de 1.440 €/t y más de 3.605 €/t, dependiendo de las horas acumuladas de carga solar y eólica en el lugar específico. El SMR electrificado resulta atractivo cuando el coste de la electricidad es inferior a 15-25 €/MWh, dependiendo del coste del gas natural en el lugar determinado.

El SMR electrificado ofrece el beneficio de compatibilidad con plantas SMR existentes para la producción de hidrógeno y una menor inversión de capital en comparación con la electrólisis.

El amoníaco a base de biomasa producido mediante procesamiento termoquímico cuesta entre 380 €/t y 1875 €/t, dependiendo de la escala de aplicación, la fuente de biomasa y la ubicación. El coste del amoniaco derivado de los residuos municipales puede llegar a los 2135 €/t.

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