El amoniaco, un futuro vector energético sostenible

En el marco de la transición energética, con el fin de descarbonizar sectores de la economía como el industrial, energético o del transporte, el amoniaco se ha perfilado como un vector energético idóneo, al tratarse de un portador de hidrógeno que puede transportarse y almacenarse con facilidad. Constituye el bloque 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. No obstante, 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, investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid han llevado a cabo un estudio realizando 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. A través de los resultados obtenidos, la investigación demuestra que la alternativa de producción renovable tiene todavía retos que superar para resultar competitiva frente al uso de los combustibles fósiles.

Los retos de la producción renovable

Para llevar a cabo la simulación y evaluación tecno-económica, este estudio en el que participan investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM y del organismo de investigación noruego SINTEF se basa en la producción de amoniaco a gran escala empleando como fuentes de energía primaria el gas natural, combustibles sólidos (carbón y biomasa) y energías renovables (solar y eólica). Para ello, se han evaluado procesos con tecnologías de referencia y diseños avanzados.

Los procesos que emplean tecnologías de referencia que emplean 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 el coste en 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 para llevar a cabo la conversión del monóxido de carbono en hidrógeno permiten alcanzar una reducción de coste del 15% con respecto al proceso de gasificación GE.

De este análisis se deduce que las plantas de producción de amoniaco a partir de combustibles sólidos, a pesar de presentar un coste 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.

Vías de producción a partir de renovables

Por otra parte, “la vía de producción renovable requiere reducciones de coste capital importantes para resultar competitiva frente a las tecnologías establecidas a partir de combustibles fósiles”, explica Carlos Arnaiz, investigador de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales.

“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”, añade.

Con una finalidad divulgativa y didáctica, este estudio permite a distintos agentes públicos y privados la toma de decisiones en el marco de la transición energética y establece un marco de referencia tecnológicamente neutral sobre la producción de amoniaco como futuro vector energético.

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 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.