Si hablamos de hidrógeno verde, hemos de hablar necesariamente de amoniaco (NH3) verde. Por su capacidad para transportar y almacenar hidrógeno, el amoniaco es una opción preferente de cara a la descarbonización de distintos sectores en la transición energética, aunque la comparativa tecno-económica de las distintas vías de producción apunta a que su producción a partir de renovables aun no es competitiva.
En el marco de la transición energética, con el fin de descarbonizar sectores clave de la economía como la industria, la energía o el transporte, el amoniaco aparece como un vector energético idóneo, al tratarse de un portador de hidrógeno que puede transportarse y almacenarse con facilidad y seguridad. El amoniaco es el cimiento químico fundamental de la industria de los fertilizantes y es necesario para producir ácido nítrico, además de poder emplearse potencialmente en numerosas aplicaciones energéticas como combustible. En la producción del amoniaco es posible emplear bien combustibles fósiles o bien energías renovables, por lo que el uso de una vía u otra, aparte de la consecuente repercusión en la eficiencia e impacto ambiental, tiene un coste asociado que conviene analizar.
Con el objetivo de determinar la competitividad económica de los distintos modos de producción de amoniaco proyectados al año 2050, un equipo de investigadores ha realizado la modelización, simulación y evaluación tecno-económica de plantas de producción de amoniaco de gran escala (3.000 ton/día) a partir de diferentes vías. Los resultados obtenidos apuntan a que la alternativa de producción renovable tiene todavía retos que superar para resultar competitiva frente al uso de los combustibles fósiles.
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La simulación y evaluación tecno-económica, realizadas por investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM y del organismo de investigación noruego SINTEF, se basan en la producción de amoniaco a gran escala empleando distintas fuentes de energía primaria: gas natural, combustibles sólidos (carbón y biomasa) y energías renovables (solar y eólica). Se han evaluado procesos con tecnologías consolidadas de referencia y diseños avanzados.
Los procesos que emplean tecnologías de referencia usando gas natural (con un coste asumido de 6,5 €/GJ) presentan un coste nivelado similar de en torno a 385 €/ton de NH3, mientras que el proceso avanzado con tecnología de conmutación de lazo químico (en inglés, GSR o “gas switching reforming”) logra reducir este coste un 14%.
Sin embargo, la vía de producción con energía renovable (solar y eólica) mediante electrolizadores tipo PEM localizada en el sur de España resulta aproximadamente un 50% más cara que a partir de gas natural con captura de CO2 mediante tecnologías convencionales.
Por otra parte, la síntesis de NH3 a través de la co-gasificación de carbón y biomasa implementando tecnologías de captura de CO2 permite alcanzar emisiones negativas. Dos procesos de referencia empleando tecnologías actualmente comerciales de gasificación GE y MHI alcanzan un coste nivelado de 391,5 y 410,1 €/ton, respectivamente.
Por otra parte, procesos de gasificación avanzada, tratamiento de syngas y reactores de membrana permiten alcanzar una reducción de coste del 15% con respecto al proceso de gasificación GE.
Del análisis se deduce que las plantas de producción de amoniaco a partir de combustibles sólidos, a pesar de presentar un coste de capital más elevado, proporcionan seguridad energética debido a que emplean combustibles locales y de bajo coste (carbón y biomasa), lo que compensa un coste nivelado relativamente superior con respecto a procesos que utilizan gas natural como energía primaria, debido a la incertidumbre de suministro y la elevada volatilidad del precio del mismo. “Debido a la naturaleza intermitente de los recursos solares y eólicos, se precisa almacenamiento intermedio de electricidad y/o hidrógeno para garantizar una producción estable, lo que encarece notablemente estos sistemas”, explica Carlos Arnaiz, investigador de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales.
Buscando la competitividad del amoniaco verde
La investigación sobre la producción del amoniaco no concluye aquí. Los investigadores de la UPM y SINTEF han participado en un estudio posterior, recientemente publicado, sobre el futuro de los combustibles y los costes de producción del amoniaco. Esta nueva investigación muestra, mediante un análisis estadístico de las variables tecno-económicas para una región importadora de gas natural (Europa), que la producción de amoniaco verde solo podría llegar a ser competitiva con respecto a combustibles fósiles cuando existe un recurso renovable muy abundante a bajo coste.
Alternativamente puede considerarse la vía de producción electrolítica con energía nuclear, evitando el almacenamiento de H2 o baterías al ser una fuente continua de energía, que podría tener una oportunidad si las políticas adoptadas asegurasen un coste de inversión de las plantas nucleares reducido. “En cualquier caso, resulta crítico minimizar los costes de producción de la energía primaria y el coste de capital de los electrolizadores”, apunta Arnaiz.
“Para el caso de energía renovable, la hibridación con una fuente alternativa de hidrógeno sin emisiones netas de CO2, como puede ser el biogás, permitiría reducir los costes de almacenamiento y sobredimensionamiento requerido asociados a la intermitencia del recurso solar o eólico, manteniendo una baja huella medioambiental”, concluye.
Referencias:
C.Arnaiz del Pozo, S. Cloete and ÁJ. Álvaro (2023) Ammonia from solid fuels: A cost-effective route to energy security with negative CO2 emissions Energy doi: 10.1016/j.energy.2023.127880
C. Arnaiz del Pozo and S. Cloete (2022) Techno-economic assessment of blue and green ammonia as energy carriers in a low-carbon future Energy Conversion and Management. doi: 10.1016/j.enconman.2022.115312
C. Arnaiz del Pozo, S. Cloete, J. H. Cloete and ÁJ. Álvaro (2023) The future of fuels: Uncertainty quantification study of mid-century ammonia and methanol production costs Energy Conversion and Management doi: 10.1016/j.enconman.2023.117701
Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por la Universidad Politécnica de Madrid
