Foto La planta de Yara en Sluiskil, Holanda, donde la empresa planea instalar capacidad de amoníaco verde
El amoníaco salvó al mundo una vez; podría hacerlo de
nuevo.
Hace un siglo, el mundo enfrentó una inminente crisis
alimentaria. Una población en auge estaba empujando a los agricultores a
cultivar más rápido de lo que las bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo
podían mantener, y los depósitos sudamericanos de guano y nitratos naturales
que aplicaban como fertilizante estaban disminuyendo.
En lo que aún puede ser el mayor problema global resuelto por la química, Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron un proceso para hacer reaccionar hidrógeno y nitrógeno atmosférico bajo presión para producir amoníaco, que los agricultores adoptaron en lugar de fertilizantes naturales. El proceso Haber-Bosch sigue siendo responsable de casi todo el amoníaco del mundo, así como de derivados como la urea y el nitrato de amonio.
La crisis de hoy es el cambio climático. Esta vez, el
amoníaco podría acudir al rescate capturando, almacenando y transportando
hidrógeno para su uso en pilas de combustible y turbinas libres de
emisiones. También se están realizando esfuerzos para quemar el amoníaco
directamente en centrales eléctricas y motores de barcos.
Las empresas químicas huelen una oportunidad. Varias
empresas están desarrollando amoníaco verde, una ruta hacia el amoníaco en la
que el hidrógeno derivado de la electrólisis del agua impulsada por energía
alternativa reemplaza al hidrógeno basado en hidrocarburos, lo que hace que la
producción de amoníaco sea prácticamente libre de dióxido de
carbono. También están invirtiendo en la captura y almacenamiento de
carbono para minimizar el impacto del carbono al producir amoniaco
convencional, creando lo que la industria denomina amoniaco azul.
El amoníaco azul debería desempeñar un papel importante,
ya sea como una transición o como parte de la combinación de energía a largo
plazo.
Andrea Valentini, directora para
Asia-Pacífico y Medio Oriente, Argus Consulting Services
Tony Will, director ejecutivo del mayor productor de
amoníaco del mundo, CF Industries, ve un cambio fundamental en las perspectivas
de la industria. “Hasta este momento, hemos hecho un negocio vendiendo el
valor del nitrógeno de la molécula”, dice. "Lo realmente emocionante
de esto es que ahora hay una oportunidad y un mercado que valora la porción de
hidrógeno de la molécula".
Pero establecer una industria de combustible de amoníaco no
será fácil. Según la mayoría de las estimaciones, el amoníaco verde costará
de dos a cuatro veces más que el amoníaco convencional. Y algunas de las
tecnologías necesarias para aprovechar la molécula, como los motores que queman
amoníaco, aún son experimentales. Los gobiernos y el mercado tendrán que
decidir si el amoníaco verde vale el esfuerzo.
La naturaleza le ha dado al amoníaco atributos que parecen
convertirlo en un producto perfecto para una futura economía del hidrógeno.
Un informe compilado en agosto pasado por Haldor Topsoe, una
empresa de tecnología de producción de amoníaco, y otras compañías señaló
algunas de esas cualidades. El amoníaco tiene una densidad de energía más
alta, a 12,7 MJ / L, que incluso el hidrógeno líquido, a 8,5 MJ / L. El
hidrógeno líquido debe almacenarse en condiciones criogénicas de –253 ° C,
mientras que el amoníaco puede almacenarse a –33 ° C, que requieren mucha menos
energía. Y el amoníaco, aunque peligroso de manipular, es mucho menos
inflamable que el hidrógeno.
Además, gracias a un siglo de uso de amoníaco en la
agricultura, ya existe una vasta infraestructura de amoníaco. En todo el
mundo, se producen anualmente alrededor de 180 millones de toneladas métricas
(t) de amoníaco y 120 puertos están equipados con terminales de amoníaco.
La industria del amoníaco ha adoptado informalmente un
esquema de colores para describir la intensidad de carbono de los diferentes
métodos para producir amoníaco. El sistema también se aplica al hidrógeno.
Azul
El amoníaco azul es el amoníaco convencional para el
cual se ha capturado y almacenado CO 2 como subproducto ,
lo que reduce el impacto climático en comparación con el amoníaco
gris. Muchos fabricantes de fertilizantes se han embarcado en proyectos de
este tipo en los últimos años. El amoníaco azul es controvertido y
necesita estándares de la industria. El uso de CO 2 para
mejorar la recuperación de petróleo, por ejemplo, no es tan beneficioso para el
medio ambiente como inyectarlo en el suelo de forma permanente.
gris
También llamado amoníaco marrón, este es el amoníaco
convencional que se ha elaborado de la misma manera durante 100 años. El
proceso Haber-Bosch, responsable de casi la totalidad de los 180 millones de
toneladas de producción anual de amoníaco del mundo, hace reaccionar hidrógeno
y nitrógeno atmosférico. El hidrógeno a menudo proviene de la reformación
con vapor de metano, un proceso que emite CO 2 .
Verde
El amoníaco verde está hecho con hidrógeno que proviene de
la electrólisis del agua impulsada por energía alternativa. Los proyectos
abundan, aunque la mayoría tienen una escala modesta de decenas de miles de
toneladas, un orden de magnitud menor que una planta típica de
amoníaco. Sin embargo, un proyecto masivo en Arabia Saudita tiene como
objetivo producir más de 1 millón de toneladas métricas de amoníaco por año.
Este proceso utiliza pirólisis para convertir el metano en
carbono puro e hidrógeno, que se hace reaccionar con nitrógeno para producir
amoníaco. La industria piensa en el amoníaco turquesa como algo entre el
verde y el azul. Un proyecto destacado es la planta de negro de humo de
Monolith Materials en Nebraska.
Pero girar toda esa infraestructura hacia combustibles
ecológicos llevará tiempo. Hasta el año pasado, la mayoría de los
proyectos propuestos de amoníaco verde eran pequeños, decenas de miles de
toneladas en lugar del medio millón de toneladas por año, o más, que produce una
planta de amoníaco convencional.
Varios son proyectos respaldados por el gobierno en
Australia. Por ejemplo, el fabricante noruego de fertilizantes Yara tiene
la intención de instalar electrolizadores para producir 3500 t por año de
amoníaco verde en su planta de Pilbara, y los fabricantes de explosivos de
nitrato de amonio Dyno Nobel y Queensland Nitrates están estudiando 9.000 ty
20.000 t de producción de amoníaco verde. respectivamente. También se
están llevando a cabo programas piloto en Nueva Zelanda y Chile.
El año pasado se anunciaron varios proyectos mucho más
importantes. El más ambicioso es, con mucho, el de Arabia
Saudita. El proyecto
de $ 5 mil millones es una asociación entre la compañía estadounidense
Air Products and Chemicals, la firma local ACWA Power y NEOM, un desarrollador
que construye una ciudad libre de carbono en Arabia Saudita.
Programada para completarse en 2025, la instalación se
ubicará en la costa del Mar Rojo. Las células solares aprovecharán el sol
durante el día, mientras que las turbinas capturarán los vientos nocturnos para
generar 4 GW de electricidad para las plantas de electrólisis de agua. El
hidrógeno se introducirá en una planta tradicional de Haber-Bosch para producir
1,2 millones de toneladas de amoniaco al año, una gran cantidad incluso según
los estándares convencionales.
Air Products gastará $ 2 mil millones adicionales para
establecer un esquema de distribución novedoso. Enviará el amoníaco a todo
el mundo a plantas especializadas instaladas en depósitos para autobuses y
camiones alimentados por celdas de hidrógeno. Estas unidades disociarán el
amoniaco para recuperar el hidrógeno, suficiente para hasta 15.000 camiones y
autobuses en total.
Cuando el director ejecutivo de Air Products, Seifi Ghasemi,
dio a conocer el proyecto el verano pasado, dijo a los analistas que lo ve como
un estudio de viabilidad para una industria completamente nueva. “Estamos
orgullosos de ser parte de esta empresa porque es el primer y más grande e
innovador proyecto para hacer realidad el sueño de la humanidad de una energía
libre de carbono”, dijo.
Otras firmas siguieron su ejemplo con grandes
proyectos. En
octubre , Yara dijo que estaba considerando instalar electrolizadores
en su planta de amoniaco en Sluiskil, Holanda, para generar suficiente
hidrógeno para 75.000 toneladas de amoniaco. La planta funcionaría con 100
MW de potencia de un nuevo parque eólico marino.
Y en diciembre, la compañía anunció un proyecto aún mayor:
nuevos electrolizadores en su planta de Porsgrunn, Noruega, para 500.000 t
anuales de producción de amoniaco.
La energía provendría de la red energética de Noruega, que
ya es 98% renovable gracias a los exuberantes recursos hidroeléctricos del
país. Yara quiere vender el amoníaco como combustible para barcos. La
compañía busca incentivos del gobierno noruego antes de seguir adelante.
CF Industries está lanzando el primer gran proyecto de
amoníaco verde en los EE. UU. Durante los próximos 3 años, la compañía
gastará $ 100 millones para convertir 20.000 toneladas anuales de amoníaco
convencional en su planta insignia en Donaldsonville, Louisiana, en verde
mediante la instalación de electrolizadores. La electricidad para la
planta será energía renovable comprada a la red.
Según las estimaciones de CF, la fabricación de amoníaco
verde costará alrededor de $ 500 por tonelada métrica, aproximadamente tres
veces más que el amoníaco convencional. Pero la compañía estima que podría
obtener $ 2,200 por tonelada métrica en el mercado de energía alternativa,
aproximadamente ocho veces más que la convencional.
Además, dice Will, el mercado es potencialmente
enorme. “El amoníaco ocupa incluso una parte relativamente pequeña de las
aplicaciones marinas, y mucho menos las aplicaciones generales de hidrógeno, y
estamos hablando de más del doble de la capacidad de producción actual de
amoníaco global”, dice.
Hasta este momento, hemos hecho un negocio vendiendo el
valor del nitrógeno de la molécula. Lo realmente emocionante de esto es
que ahora hay una oportunidad y un mercado que valora la porción de hidrógeno
de la molécula.
Tony Will, director ejecutivo de CF
Industries
CF ha estado estudiando los combustibles de amoníaco durante
algún tiempo y últimamente ha recibido muchas "consultas entrantes",
dice Will. Muchos han venido de Japón, donde las compañías eléctricas
están experimentando con el cofinanciamiento de amoníaco en centrales
eléctricas a base de carbón con el objetivo de convertirlo por completo en
amoníaco algún día.
No todo el mundo es tan optimista como Will. Andrea
Valentini, directora para Asia-Pacífico y Medio Oriente de Argus Consulting
Services, señala una serie de obstáculos que la industria debe superar si
quiere establecer el amoníaco verde como combustible alternativo.
Un problema es que los motores marinos capaces de usar
amoníaco aún no están disponibles. “Los desarrolladores están hablando de
2024, quizás, como una línea de tiempo, dice Valentini. "No creo que
eso sea poco realista".
En una de esas iniciativas, el fabricante de motores finlandés
Wartsila está comenzando este año a probar un motor marino de cuatro tiempos
alimentado con amoníaco. En otro, MAN Energy está perfeccionando un motor
de amoníaco de dos tiempos.
por ACS Publications
Abundan otras incógnitas. “Tenemos una gran cantidad de
proyectos en todo el mundo, especialmente en Australia y Arabia Saudita, que
van a producir hidrógeno verde en volúmenes que requerirán mejoras
significativas en los costos y la eficiencia del electrolizador”, dice Valenti. Y
las empresas esperan abordar un mercado que aún no existe. "Así que
en el papel es una propuesta arriesgada".
Y donde las empresas ven altos márgenes de ganancia para el
amoníaco verde, Valentini ve costos. “Desde el lado de la oferta, hablar
de una prima siempre es algo bueno, pero una prima para un proveedor significa
que alguien más en el futuro tendrá que soportar la peor parte, y eso significa
que nosotros como consumidores”, dice.
Otra pregunta para el sector del amoníaco verde es si habrá
suficiente energía renovable para respaldarlo. Las previsiones para las
energías renovables son optimistas. Por ejemplo, el último Energy Outlook
de BP dice que las energías renovables crecerán del 5% del suministro
energético mundial en 2018 al 45-60% para 2050 a medida que los costos
disminuyan en un 30-70%.
El amoníaco azul podría ofrecer una ruta más rápida y
económica hacia una economía de hidrógeno, según Valentini. “Quizás el
mercado se ha centrado más en el amoníaco verde debido a las credenciales
perfectamente ecológicas”, dice. "Pero si observa el potencial de
utilizar las instalaciones existentes y los recursos energéticos existentes, el
amoníaco azul debería desempeñar un papel importante, ya sea como una
transición o como parte de la combinación energética a largo plazo".
Esto podría ser especialmente cierto en América del Norte,
donde la gran industria del petróleo y el gas mantiene bajos los costos de
producción de amoníaco convencional y crea oportunidades para usar dióxido de
carbono en la recuperación mejorada de petróleo (EOR) o para almacenar el gas
de efecto invernadero de forma permanente bajo tierra.
De hecho, cuando CF anunció su proyecto de amoníaco verde,
también prometió perseguir 3,5 millones de toneladas anuales de proyectos de
amoníaco azul. Estos serán de costo relativamente bajo, similar al del
amoníaco convencional, dice Will, señalando que la compañía ya captura CO 2 para
la producción de urea.
Se necesita poca inversión de capital adicional para
comprimir el CO 2 y llevarlo a las tuberías para su
secuestro, dice Will. Y las exenciones fiscales compensarían esos
gastos. Por ejemplo, el
nuevo crédito fiscal 45Q en los EE. UU. Ofrece $ 50 por tonelada
métrica para el almacenamiento permanente de CO 2 y
$ 35 por tonelada métrica para su uso en EOR.
Caracterización
multimétodo de microgeles sensibles
Media docena de proyectos de secuestro ya están en proceso
no lejos de la planta de CF en Donaldsonville, dice Will. Un oleoducto que
abastece al mercado EOR también está cerca.
Otro productor de fertilizantes, Nutrien, también apuesta
por el amoniaco azul. En 2019, la compañía puso en marcha un sistema en
Redwater, Alberta, para inyectar casi 300.000 t por año de CO 2 ,
el subproducto de aproximadamente 250.000 t de producción de amoníaco, en un
nuevo oleoducto EOR de 1.200 millones de dólares. Desde 2013, Nutrien ha
estado vendiendo alrededor de 250.000 t por año de CO 2 en
el mercado EOR desde su planta de Geismar, Louisiana.
En la actualidad, según Ashley Harris, directora senior de
desempeño ambiental e innovación de Nutrien, el único beneficio financiero de
capturar CO 2 es el flujo de ingresos adicional por
venderlo. “De cara al futuro, si surge un mercado para el amoníaco azul en
el que encontramos socios que estén dispuestos a pagar por el amoníaco bajo en
carbono, entonces ese sería un tipo de negocio diferente”, dice.
Los expertos dicen que el amoníaco azul necesita estándares
industriales certificados, similar a la distinción que hace el crédito fiscal
45Q entre el CO 2 secuestrado permanentemente o
reutilizado. Algunos tonos de amoníaco azul tienen menos carbono que
otros, y ninguno es tan bajo en carbono como el amoníaco verde.
Los fabricantes de amoníaco esperan tener estándares a la
mano para fin de año. “Los mercados finales necesitan claridad”, dice
Harris. Con la certificación, probablemente surgiría una prima por el
amoníaco azul. Nutrien está "trabajando con los usuarios finales potenciales
para determinar el valor del producto para ellos", dice Harris.
A diferencia de la CF, Nutrien se ha centrado en el amoníaco
azul a corto plazo y hasta ahora no ha realizado una inversión en amoníaco
verde. “Tenemos una solución de bajas emisiones de carbono que reduce significativamente
la intensidad del carbono a un costo mucho menor que la tecnología verde
actual”, dice Harris.
Otro enfoque, llamado amoníaco turquesa, es el camino que
está tomando la puesta en marcha Monolith Materials. En julio pasado, la
compañía completó una planta en Hallam, Nebraska, que descompone el gas natural
en hidrógeno y carbono elemental, un material conocido en la industria como
negro de carbón. El negro de carbón se vende como relleno para neumáticos
y caucho.
La reacción de la planta se inicia con un soplete de plasma
alimentado con energía renovable. “La belleza de esta planta es que
podemos producir hidrógeno a partir de gas natural sin emitir CO 2 ”,
dice Rob Hanson, CEO de Monolith.
La planta comenzó con una capacidad de 14.000 t anuales de
negro de humo. Como continuación, Monolith está construyendo una nueva
planta de negro de humo de 180.000 toneladas y utilizará el hidrógeno del
coproducto para producir 270.000 toneladas de amoníaco.
Hacer amoníaco es una idea relativamente nueva para
Monolith. Su plan original era vender el hidrógeno al Distrito de Energía
Pública de Nebraska para quemarlo y generar electricidad. Pero los
ejecutivos de Monolith con experiencia en fertilizantes tenían otras ideas cuando
estudiaron el proyecto. "Ciertamente, será más valioso producir
amoníaco con hidrógeno que quemarlo para generar electricidad", dice
Hanson.
Sin embargo, la compañía tiene un modelo diferente al de los
desarrolladores de amoníaco verde. La planta, que se encuentra en medio
del cinturón de maíz de Estados Unidos, venderá el amoníaco como fertilizante
bajo en carbono en lugar de como combustible.
Valentini, el consultor, sigue siendo cauteloso con el
amoníaco bajo en carbono, pero ve una señal importante de que el enfoque podría
prevalecer: los fabricantes de amoníaco, los usuarios finales y los gobiernos
parecen querer que tenga éxito y lo respaldan con tiempo real y
dinero. “Muchas partes interesadas en diferentes niveles de la cadena de
valor van todas en la misma dirección”, dice. "Todos tienen
prácticamente los mismos objetivos".
Tomado de c&en
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