L’ammoniaca verde si riferisce all’ammoniaca prodotta senza contribuire in modo significativo alle emissioni di carbonio. Ciò può essere ottenuto impiegando metodi tradizionali di sintesi dell’ammoniaca abbinati alla generazione di idrogeno basata sull’elettrolisi, oppure utilizzando tecniche alternative per la sintesi dell’ammoniaca.
Sommario
Prima della diffusa disponibilità di gas naturale a basso costo negli anni ’50, la sintesi di ammoniaca basata sull’elettrolisi era ampiamente adottata e superata solo dalla tecnologia di gassificazione del carbone. Inoltre, come approccio alternativo alla sintesi decentralizzata di ammoniaca verde, la produzione di idrogeno basata sulla biomassa integrata con cattura e stoccaggio del carbonio ha del potenziale.
L’implementazione iniziale del processo Haber-Bosch basato sull’elettrolisi risale agli anni ’20, caratterizzata da un consumo energetico di circa 46-48 gigajoule per tonnellata metrica di ammoniaca (GJ/tNH3).
Possono essere identificati quattro fattori chiave che guidano la produzione di ammoniaca verde: la sostenibilità delle materie prime coinvolte, il basso consumo energetico, la capacità di scalare la produzione in modo modulare e la fattibilità economica.
I calcoli teorici indicano che la quantità minima di energia richiesta per sintetizzare ammoniaca da aria e acqua è di 22,5 GJ/tNH3.
1. Produzione di idrogeno basata sull’elettrolisi
L’elettrolisi è il metodo principale utilizzato per sintetizzare l’idrogeno verde. Diverse tecnologie di elettrolisi disponibili in commercio possono essere integrate con la sintesi di ammoniaca, tra cui l’elettrolisi alcalina e l’elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM).
L’elettrolisi a ossido solido (SOE) è attualmente in fase di dimostrazione, mentre l’elettrolisi a membrana a scambio anionico (AEM) è in fase di studio nella ricerca accademica.
L’efficienza e il costo del capitale di queste tecnologie dipendono dalla scala della loro applicazione. I sistemi commerciali mostrano risposte di carico nell’ordine dei secondi durante lo standby a caldo, il che è necessario per un accoppiamento efficace con l’elettricità rinnovabile intermittente. Tuttavia, solo l’elettrolisi PEM è in grado di raggiungere tempi di rampa nell’ordine dei secondi durante lo standby a freddo.
Esiste anche la possibilità di combinare l’idrogeno basato sull’elettrolisi con l’idrogeno derivato dal metano. Ad esempio, un impianto ibrido che incorpora un elettrolizzatore a ossido solido e un reformer autotermico (ATR) può essere vantaggioso, poiché l’ATR richiede ossigeno purificato.
Un ATR funziona bruciando parzialmente il metano con ossigeno purificato ed è particolarmente adatto per la sintesi di ammoniaca su larga scala a causa dell’elevato costo della purificazione dell’ossigeno, che è economicamente sostenibile solo su larga scala.
In un elettrolizzatore a ossido solido, l’ossigeno purificato viene comunque prodotto, rendendo fattibile il reforming autotermico su scale più piccole. Si stima che tale configurazione possa portare a risparmi sui consumi di gas naturale fino al 22%.
2. Produzione di idrogeno basata sulla biomassa
Per la sintesi di ammoniaca, la produzione di idrogeno basata sulla biomassa offre un’alternativa ai metodi basati sull’elettrolisi. Tuttavia, i tipici impianti a biomassa affrontano limitazioni in termini di logistica e fornitura di biomassa, con conseguenti capacità di impianto generalmente inferiori a 50 MW.
Il costo della biomassa è un fattore importante per determinare il costo dell’idrogeno, che può variare in modo significativo in base al tipo di biomassa e alla sua posizione. L’idrogeno basato sulla biomassa può essere prodotto tramite processi termochimici o biochimici.
Un vantaggio della produzione di idrogeno basata sulla biomassa è la sua compatibilità con i processi di produzione di idrogeno marrone convenzionali.
Gli output ottenuti dalla lavorazione termochimica o biochimica della biomassa servono come materia prima per il reattore di reforming del metano a vapore (SMR) utilizzato nella sintesi dell’ammoniaca marrone. Tuttavia, uno svantaggio della produzione di idrogeno basata sulla biomassa è la complessa lavorazione coinvolta nella gestione della biomassa.
Inoltre, il potenziale tecnico della biomassa per soddisfare la domanda di idrogeno è notevolmente inferiore rispetto alle risorse di elettricità rinnovabile come solare, mareomotrice ed eolica, principalmente a causa della limitata disponibilità di biomassa.
Le fonti comuni di biomassa includono bagassa, colture, paglia, panico verga, legno e trucioli di legno. I prodotti tipici derivati dalla lavorazione della biomassa includono biogas, bioolio e biochar. Anche i rifiuti urbani possono servire come materia prima alternativa per la biomassa.
Un esempio di processo di conversione dei rifiuti in ammoniaca è l’utilizzo di plastica riciclata, come dimostrato in Giappone per scopi di riduzione catalitica selettiva.
Il biogas derivato dalla biomassa può essere combinato con elettricità rinnovabile. Uno di questi sistemi è il processo di digestione anaerobica per la produzione di biogas, abbinato a reattori di reforming a vapore tubolare elettrificati. Un’altra alternativa è l’integrazione di un reattore a biogas con un elettrolizzatore a ossido solido e un ATR.
3. Produzione di azoto
L’azoto gassoso, che viene purificato dall’aria, può essere prodotto utilizzando diverse tecnologie: unità di separazione dell’aria (ASU) tramite distillazione criogenica, adsorbimento a pressione oscillante (PSA), permeazione a membrana e combustione di idrogeno.
Nel reforming del metano a vapore (SMR), la separazione dell’aria è in genere integrata con la produzione di idrogeno e l’ossigeno ottenuto viene bruciato con una parte dell’idrogeno. Analogamente, la combustione di idrogeno può essere utilizzata in un elettrolizzatore a ossido solido per generare il calore necessario per la produzione di idrogeno dall’acqua.
Le restanti tre tecnologie (PSA, permeazione a membrana e combustione di idrogeno) possono essere combinate con elettrolizzatori alcalini o PEM, in cui vengono utilizzate unità separate per produrre azoto e idrogeno.
La scelta della tecnologia preferita dipende dalla purezza desiderata dell’azoto e dalla scala dell’applicazione. Sia la PSA che la permeazione a membrana richiedono un sistema deoxo per eliminare l’ossigeno residuo.
Per rimuovere l’ossigeno, viene eseguita una combustione catalitica con idrogeno, seguita dalla rimozione dell’acqua tramite un essiccatore rigenerativo. La rimozione dell’ossigeno è fondamentale prima di entrare nel ciclo di sintesi, poiché i composti dell’ossigeno possono avere un impatto negativo sul catalizzatore di sintesi dell’ammoniaca.
4. Ciclo di sintesi dell’ammoniaca
Per quanto riguarda il ciclo di sintesi dell’ammoniaca, la struttura fondamentale rimane invariata indipendentemente dalla fonte di idrogeno e azoto, sebbene i livelli di impurità possano variare. La scelta del catalizzatore ha generalmente un impatto minimo sull’efficienza del ciclo di sintesi.
Tuttavia, le temperature e le pressioni operative possono differire in base al catalizzatore scelto. Ciò diventa particolarmente rilevante nelle operazioni ridotte e intermittenti con fonti di energia rinnovabili, poiché condizioni operative più miti possono ridurre al minimo le perdite di calore quando vi è un livello ridotto di integrazione del calore.
Inoltre, la produzione di idrogeno verde introduce diversi flussi di calore e massa nel processo, rendendo necessari schemi di integrazione del calore distinti. Spesso, vari catalizzatori vengono combinati in un singolo reattore con letti diversi.
5. Aspetti economici della produzione di ammoniaca verde
Per fare un paragone, un impianto a biogas con una capacità di 22,5 tNH3/giorno (tonnellate di ammoniaca al giorno) ha un costo di investimento di circa 14,4 milioni di euro (M€). Al contrario, un impianto basato su SMR con una capacità di 1800 tNH3/giorno ha un costo di investimento di circa 199 M€.
I costi operativi di un processo Haber-Bosch basato sull’elettrolisi possono essere suddivisi in costi dell’elettricità e costi del proprietario. L’elettrolizzatore in un processo Haber-Bosch basato sull’elettrolisi su larga scala rappresenta in genere il 75-95% del consumo di elettricità. Il consumo e il costo dell’elettricità dipendono dalla scala e dall’ubicazione dell’impianto. I costi del proprietario per un impianto da 3 tNH3/giorno sono di circa 120.000 euro all’anno per tonnellata di ammoniaca prodotta.
La produzione di idrogeno è il principale fattore di costo nella sintesi dell’ammoniaca. A seconda della posizione, possono essere prese in considerazione diverse alternative. L’idrogeno bruno prodotto tramite SMR ha un intervallo di costo di 845-1585 €/t (esclusa la cattura e lo stoccaggio del carbonio [CCS]), mentre il costo aumenta a 1305-2145 €/t con CCS.
D’altro canto, il costo dell’idrogeno rinnovabile prodotto tramite elettrolisi varia da meno di 1440 €/t a oltre 3605 €/t, a seconda delle ore di carico solare ed eolico cumulative nella posizione specifica. L’SMR elettrificato diventa interessante quando il costo dell’elettricità è inferiore a 15-25 €/MWh, a seconda del costo del gas naturale nella posizione specifica. L’SMR elettrificato offre il vantaggio della compatibilità con gli impianti SMR esistenti per la produzione di idrogeno e un investimento di capitale inferiore rispetto all’elettrolisi.
L’ammoniaca a base di biomassa prodotta tramite lavorazione termochimica costa tra 380 €/t e 1875 €/t, a seconda della scala di applicazione, della fonte di biomassa e della posizione. Il costo dell’ammoniaca derivata dai rifiuti urbani può arrivare fino a 2135 €/t.
Riferimento
- Ammonia, 4. Green Ammonia Production, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.w02_w02
