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Convertir la producción de amoníaco en un proceso de bajas emisiones es uno de los principales retos en la lucha contra el cambio climático.
El amoníaco, uno de los productos químicos más producidos en todo el mundo, es esencial para la industria de los fertilizantes y, a su vez, para la producción de alimentos de origen vegetal. Sin embargo, su producción es cara y provoca elevadas emisiones.
Un equipo de investigadores del Forschungszentrum Jülich, la Universidad Técnica de Múnich y la empresa química Linde Engineering ha realizado un estudio en el que se simula cómo tendría que ser un reactor para producir amoníaco de forma rentable y respetuosa con el medio ambiente, es decir, a partir de energías renovables. Los resultados se han publicado ahora en la revista International Journal of Hydrogen Energy.
Según la Royal Society británica, la producción mundial de amoníaco genera anualmente unos 500 millones de toneladas de CO₂. Esto equivale a las emisiones anuales de CO₂ de Alemania y a alrededor del 1,8% de las emisiones mundiales. La razón principal es que la síntesis convencional de amoníaco requiere hidrógeno, que hasta ahora se obtenía casi exclusivamente del gas natural, un proceso que libera grandes cantidades de CO₂.
El amoníaco verde ofrece una alternativa respetuosa con el clima: el hidrógeno (H2) necesario no se obtiene del gas natural, sino del agua mediante electrólisis. El agua se divide en oxígeno (O2) e hidrógeno utilizando electricidad procedente de energías renovables. El hidrógeno resultante reacciona después con el nitrógeno (N2) del aire para formar amoníaco (NH₃) mediante el proceso Haber-Bosch.
El problema es que la electricidad procedente de la energía eólica y solar no está disponible de forma continua. Como consecuencia, la electrólisis no suministra constantemente la misma cantidad de hidrógeno, por lo que el suministro del sistema fluctúa. Para que una planta de amoníaco responda con flexibilidad a estas fluctuaciones, debe ser capaz de aumentar o disminuir su producción, es decir, debe ser flexible en cuanto a la carga.
Sin embargo, los sistemas convencionales están diseñados para un funcionamiento continuo y constante. Los cambios rápidos de carga provocan fuertes fluctuaciones de presión en el interior de los reactores y las tuberías. Esto supone una gran carga mecánica para los componentes. Para soportar esta tensión a largo plazo, los aparatos tendrían que construirse con paredes más gruesas y materiales más robustos. Esto aumentaría considerablemente los costes y haría mucho más compleja la construcción.
Y aquí es precisamente donde entra en juego el nuevo estudio. Muestra cómo pueden reducirse estas fluctuaciones de presión con un sistema de control inteligente. Esto, a su vez, reduce los requisitos de estabilidad mecánica de las instalaciones.
"Para que el amoníaco verde contribuya a la lucha contra el cambio climático, los costes deben ser competitivos", afirma el profesor Andreas Peschel, director del Instituto para una Economía Sostenible del Hidrógeno del Forschungszentrum Jülich y coautor del estudio.
Según el estudio, esto puede lograrse con un nuevo tipo de controlador de presión en lo que se conoce como bucle de amoníaco. Este paso de la producción garantiza que los gases de reacción no utilizados, como el hidrógeno y el nitrógeno, se devuelvan al proceso. Según las simulaciones del equipo, el control flexible de este bucle permite realizar cambios de carga a gran velocidad y con bajas fluctuaciones de presión.
El rendimiento de la producción puede variar un 3% en un minuto, una velocidad que no es posible con las plantas actuales basadas en gas natural. Esto significaría que en el futuro bastarían amortiguadores más pequeños y paredes más finas para los componentes del sistema, lo que reduciría los costes de material.
En un estudio anterior, el equipo presentó un tipo de reactor con funcionamiento flexible. El siguiente paso se dará ahora en el Forschungszentrum Jülich: plantas piloto que demuestren el nuevo sistema de control de la presión y la dinámica de alta carga en condiciones realistas.
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