El futuro de la producción de amoníaco es la electroquímica

El amoníaco es el fertilizante a base de nitrógeno más común y ampliamente utilizado en el mundo en el sector agrícola. Debido al crecimiento exponencial de la población mundial durante los últimos 140 años, la demanda de amoníaco sigue aumentando. Además de su valor en la agricultura, el amoníaco también ha recibido una consideración importante dentro de la economía del hidrógeno por su potencial como portador de hidrógeno viable para permitir el transporte seguro a largas distancias y períodos en grandes cantidades. Sin embargo, la fabricación tradicional de amoníaco utiliza combustibles fósiles, como el metano, como fuente del hidrógeno necesario para la reacción. La utilización de esta fuente de hidrógeno lo hace responsable del 1,5-2% de las emisiones globales de CO2, una tecnología que se define coloquialmente como «gris». Comúnmente denominado «amoníaco verde», el amoníaco sintetizado electroquímicamente con el uso de electricidad de fuentes renovables es una interesante alternativa de cero emisiones de carbono.

Swan-H, una empresa emergente fundada a fines de 2021, contribuye a la descarbonización de la producción de amoníaco mediante la fijación de nitrógeno disponible libremente en la atmósfera. Están trabajando activamente en un proceso único de activación de nitrógeno patentado junto con la Universidad de Toulouse y el Consejo Francés de Investigación (CNRS). Para obtener más información sobre la producción de amoníaco verde y el proceso que está desarrollando el equipo de Swan-H, entrevistamos al Dr. Augustin De Bettignies (comunicador externo, CCO – Director Comercial), Dancheng Legrand (gerente de laboratorio) y Nicolas Mézailles (director de investigación). , CSO – Director científico).

Augustin, Swan-H es una empresa dedicada a la novedosa producción de amoníaco. ¿Puedes presentar a tu equipo y sus roles?

El equipo Swan-H es un grupo internacional de ocho, compuesto por cuatro fundadores y cuatro investigadores. Esta colección de expertos incluye al Dr. Nicolas Mézailles, el fundador de la compañía y jefe de investigación, el químico emprendedor Dr. Steve van Zutphen como director ejecutivo, el Dr. Willem Schipper actuando como CTO a cargo de la industrialización, y yo (Dr. Augustin De Bettignies) soy la fiesta empresarial.

Se dice que la vía sintética inventada por Swan-H es más sostenible, pero ¿en qué se diferencia exactamente de otros tipos de producción de amoníaco?

La reacción entre N2 y H2 para producir NH3 es particularmente difícil. El conocido proceso Haber-Bosch fue ampliamente adoptado como procedimiento industrial estándar para la producción de amoníaco desde principios del siglo XX. Este proceso industrializado facilita la producción de amoníaco solo en condiciones muy exigentes de temperaturas elevadas (400 °C) y presiones (>100 bar), y también requiere el uso de un catalizador heterogéneo [1]. Además, las moléculas de hidrógeno utilizadas en el proceso se generan a partir del reformado con vapor de metano. (MSR) [2].

Obtenga más información sobre el desarrollo del proceso Haber-Bosch en nuestra publicación de blog.

Una Historia de la Química – Parte 4

Para reducir la huella de carbono de esta reacción, algunos fabricantes de amoníaco ahora utilizan H2 producido a partir de una reacción de división del agua en un electrolizador. El resultado de este proceso Haber-Bosch modernizado se conoce como «amoníaco verde». Sin embargo, este proceso aún requiere altas temperaturas y presiones y un catalizador para sintetizar NH3. También es claramente menos compatible con la producción intermitente de energía de los parques eólicos y solares porque la alta temperatura y la presión deben mantenerse para ejecutar el proceso en todo momento.

Filosóficamente, Swan-H tiene una mentalidad diferente en comparación con la industria de Haber-Bosch. Nuestro proceso se realiza a temperatura ambiente y presión atmosférica, lo que reduce significativamente la entrada de energía necesaria para la producción de amoníaco, que actualmente representa entre el 1,5 y el 2 % del consumo mundial de energía. Nuestra estrategia se basa en la generación de radicales cuidadosamente diseñados que reaccionan en un mecanismo paso a paso con la molécula de nitrógeno en lugar de usar la "fuerza bruta" (alta temperatura y presión) para dividirla usando el catalizador. El método Swan-H también emplea agua como fuente de hidrógeno en lugar de materiales a base de carbono. Esto da como resultado un proceso que requiere menos energía, es independiente de la superficie del electrodo y tiene una huella de carbono mínima. «Independiente de la superficie del electrodo» se refiere al hecho de que la activación del nitrógeno se produce en solución y, además de los beneficios antes mencionados, tiene ventajas para el escalado posterior. Esto distingue al proceso Swan-H de otros que combinan activación y reducción de N2 en la misma superficie.

Obtenga más información sobre la producción de hidrógeno limpio ("verde") a partir del agua mediante electrólisis en las publicaciones de nuestro blog.

Hidrógeno verde, combustible del futuro: uso de potenciostatos para desarrollar nuevos catalizadores para la producción de hidrógeno 

Generación de hidrógeno verde: un desafío transversal arraigado en la electroquímica 

La tecnología que está desarrollando su equipo de investigación tiene lugar en un electrolizador alimentado por una corriente/potencial constante. ¿Puede describir el paso electroquímico que ocurre en el terminal negativo o en el compartimento catódico con un poco más de detalle?

La singularidad de la tecnología Swan-H es que no puede activar el nitrógeno en la superficie del electrodo, sino activar un mediador que luego reacciona con el nitrógeno. Esto permite que el proceso de activación del nitrógeno ocurra en todo el volumen de solución y no esté limitado por el área superficial del electrodo. Por lo tanto, activamos electroquímicamente un mediador químico que se convierte en una especie radical de alta energía. Esta especie de radical consigue reaccionar químicamente con las moléculas de N2 disueltas en el electrolito. En el paso sucesivo, el producto de amina (derivado que contiene nitrógeno) reacciona con una fuente de hidrógeno (por ejemplo, agua) convirtiendo el proceso general en una reacción de tipo híbrido (electroquímica-química). Es la combinación de ambos pasos lo que aprovecha las principales propiedades de los eventos individuales, maximizando el potencial general de producción de amoníaco.

Se ha diseñado y probado un prototipo de reactor basado en el proceso de reacción híbrido. ¿Cuál es su estado actual?

Nuestro prototipo de la primera versión está funcionando actualmente en lotes con una producción de miligramos en TRL 4 (Technology Readiness Level 4). Permite discusiones normalizadas en diferentes campos y sectores tecnológicos de manera segura.

Estamos recopilando datos para cuantificar la cantidad de energía necesaria por unidad de amoníaco generada mediante el uso de VIONIC impulsado por INTELLO. A finales de año, este prototipo debería evolucionar hacia una fabricación más autónoma y continua con una mayor productividad alcanzando TRL 5.

Ha mencionado dos sectores principales de aplicación del amoníaco: los fertilizantes y la tecnología del hidrógeno. ¿Qué organizaciones e instituciones en particular se beneficiarán del proceso Swan-H?

Solo hay alrededor de 100 a 120 plantas de producción de amoníaco en todo el mundo, lo que significa que es una producción muy centralizada de aproximadamente 200 millones de toneladas por año en general. Esto crea una fuerte dependencia de estas instalaciones de producción. Los productores de amoníaco están buscando formas de hacer que el ciclo de producción sea más ecológico trabajando con una fuente de hidrógeno producida con energía renovable disponible localmente, preferiblemente con procesos que no requieran plantas enormes.

Previmos la producción de unidades de diferentes tamaños basadas en la tecnología Swan-H a nivel regional, descentralizando la producción de amoníaco y fortaleciendo las economías locales. Esto incluye empresas, e incluso países, que aspiran a ser independientes de las fuentes extranjeras de gas natural. Además, nuestra visión es poder proporcionar equipos que se puedan encender, producir NH3 cuando haya un exceso de energía disponible y luego apagarse nuevamente. Usado de esa manera, el amoníaco servirá como un químico de almacenamiento de energía con un elevado contenido de hidrógeno.

Como usuario de VIONIC impulsado por INTELLO, ¿cuál es su experiencia con Metrohm Autolab en general y cuáles son las características de VIONIC que hacen avanzar su investigación?

El equipo de Swan-H ha tenido una interacción muy agradable con el soporte local de Metrohm Autolab en Francia, y hemos disfrutado trabajando juntos en el software. La interfaz de INTELLO es muy práctica de usar y es un software bastante poderoso en cuanto a la cantidad de análisis en la misma pantalla. Destacaron su accesibilidad de trazado y visibilidad de adquisición en tiempo real para nosotros.

Teniendo en cuenta las capacidades de VIONIC, anticipamos una alta resistencia de la solución en las condiciones de investigación, y este instrumento puede manejar altos voltajes y necesidades de cumplimiento, lo que nos hizo decidirnos por Metrohm Autolab y VIONIC. El equipo también valoró la función de desconexión de INTELLO porque pueden liberar sus computadoras de VIONIC durante varias horas de mediciones y volver a conectarlas para la recuperación de datos en lugar de dedicar todos los recursos al experimento.

Resumen 

La transición a un proceso de producción de amoníaco más sostenible está al alcance, utilizando la activación de nitrógeno a través de reacciones electroquímicas y químicas acopladas. El método de producción desarrollado por Swan-H es una opción más económica, segura y respetuosa con el medio ambiente en comparación con el procedimiento tradicional de Haber-Bosch.

Además, el proceso híbrido inventado por el grupo Swan-H utiliza mediadores radicales para activar N2 y liberarlo como NH3 después de la absorción de H2. La instrumentación electroquímica con especificaciones y características que se adaptan a las necesidades de la aplicación, como VIONIC impulsado por INTELLO, juega un papel importante en el descubrimiento y optimización del revolucionario proceso de amoníaco «más verde».

Pongase en contacto con su distribuidor local de Metrohm para obtener una  Demostración gratuita de VIONIC power by INTELLO. 

Referencias

[1] Haber-Bosch process. Britannica. https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process (accessed 2023-05-11).

[2] Methane Steam Reforming - an overview. ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/methane-steam-reforming (accessed 2023-05-11).

Tus conocimientos para llevar

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