La sorprendente forma para producir amoniaco verde que ha logrado el MIT

El amoniaco es el producto químico que más se produce en el mundo hoy en día y se utiliza principalmente como fuente de fertilizantes nitrogenados. Su producción también es una de las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero, la más alta de toda la industria química.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha desarrollado una forma innovadora de producir amoniaco sin las habituales plantas químicas que funcionan con combustibles fósiles y que requieren altas temperaturas y presiones. En su lugar, han encontrado una forma de utilizar la propia Tierra como reactor geoquímico para producir amoniaco bajo tierra. El proceso utiliza el calor y la presión naturales de la Tierra, que se proporcionan de forma gratuita y sin emisiones, así como la reactividad de los minerales que ya están presentes en el suelo.

El truco que ideó el equipo consiste en inyectar agua bajo tierra, en una zona de roca subterránea rica en hierro. El agua lleva consigo una fuente de nitrógeno y partículas de un catalizador metálico, lo que permite que el agua reaccione con el hierro para generar hidrógeno limpio, que a su vez reacciona con el nitrógeno para producir amoníaco. A continuación, se utiliza un segundo pozo para bombear ese amoníaco hasta la superficie.

El proceso, que se ha demostrado en el laboratorio pero todavía no en un entorno natural, se describe en la revista Joule . Los coautores del artículo son los profesores de ciencia e ingeniería de materiales del MIT Iwnetim Abate y Ju Li, el investigador posdoctoral Yifan Gao y otras cinco personas del MIT.

“Cuando produje amoníaco a partir de rocas en el laboratorio, me emocioné mucho”, recuerda Gao. “Me di cuenta de que esto representaba un enfoque completamente nuevo y nunca antes publicado para la síntesis de amoníaco”.

El proceso Haber-Bosch es historia

El método estándar para producir amoniaco se denomina proceso Haber-Bosch, que se desarrolló en Alemania a principios del siglo XX para reemplazar fuentes naturales de fertilizantes nitrogenados, como los depósitos mineros de guano de murciélago, que se estaban agotando. Pero el proceso Haber-Bosch consume mucha energía: requiere temperaturas de 400 grados Celsius y presiones de 200 atmósferas, lo que significa que necesita instalaciones enormes para ser eficiente. En algunas áreas del mundo, como el África subsahariana y el sudeste asiático, hay pocas o ninguna de estas plantas en funcionamiento. Como resultado, la escasez o el costo extremadamente alto de los fertilizantes en estas regiones ha limitado su producción agrícola.

El proceso Haber-Bosch “es bueno. Funciona”, afirma Abate. “Sin él, no habríamos podido alimentar a 2.000 de los 8.000 millones de personas que hay en el mundo en la actualidad”, afirma, refiriéndose a la parte de la población mundial cuyos alimentos se cultivan con fertilizantes a base de amoníaco. Pero debido a las emisiones y las demandas energéticas, se necesita un proceso mejor, afirma.

La quema de combustible para generar calor es responsable de aproximadamente el 20 por ciento de los gases de efecto invernadero emitidos por las plantas que utilizan el proceso Haber-Bosch. La producción de hidrógeno representa el 80 por ciento restante. Pero el amoniaco, la molécula NH3 , está compuesta únicamente de nitrógeno e hidrógeno. No hay carbono en la fórmula, así que ¿de dónde provienen las emisiones de carbono? La forma estándar de producir el hidrógeno necesario es procesando el gas metano con vapor, descomponiendo el gas en hidrógeno puro, que se utiliza, y dióxido de carbono, que se libera al aire.

Generar hidrógeno de manera natural

Existen otros procesos para producir hidrógeno con bajas emisiones o sin ellas, como el uso de electricidad generada por energía solar o eólica para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, pero ese proceso puede ser costoso. Por eso Abate y su equipo trabajaron en el desarrollo de un sistema para producir lo que ellos llaman hidrógeno geológico. Se ha descubierto que algunos lugares del mundo, incluidos algunos en África, generan hidrógeno de forma natural bajo tierra a través de reacciones químicas entre el agua y rocas ricas en hierro. Estas bolsas de hidrógeno natural se pueden extraer, al igual que los depósitos naturales de metano, pero la extensión y la ubicación de dichos depósitos aún están relativamente inexploradas.

Abate se dio cuenta de que este proceso se podía crear o mejorar bombeando agua, mezclada con partículas catalizadoras de cobre y níquel para acelerar el proceso, hacia el suelo en lugares donde ya había rocas ricas en hierro. “Podemos usar la Tierra como una fábrica para producir flujos limpios de hidrógeno”, afirma.

Recuerda haber pensado en el problema de las emisiones de la producción de hidrógeno para amoníaco: “El momento revelador para mí fue pensar: ¿qué tal si vinculamos este proceso de producción geológica de hidrógeno con el proceso de fabricación del amoníaco Haber-Bosch?”

Amoniaco geológico

Eso resolvería el mayor problema del proceso de producción subterránea de hidrógeno, que es cómo capturar y almacenar el gas una vez producido. El hidrógeno es una molécula muy pequeña —la más pequeña de todas— y difícil de contener. Pero al implementar todo el proceso Haber-Bosch bajo tierra, el único material que habría que enviar a la superficie sería el propio amoníaco, que es fácil de capturar, almacenar y transportar.

El único ingrediente adicional necesario para completar el proceso fue la adición de una fuente de nitrógeno, como nitrato o gas nitrógeno, a la mezcla de agua y catalizador que se inyectaba en el suelo. Luego, a medida que el hidrógeno se libera de las moléculas de agua después de interactuar con las rocas ricas en hierro, puede unirse inmediatamente con los átomos de nitrógeno que también se encuentran en el agua, y el entorno subterráneo profundo proporciona las altas temperaturas y presiones que requiere el proceso Haber-Bosch. Un segundo pozo cerca del pozo de inyección bombea luego el amoníaco hacia afuera y hacia los tanques en la superficie.

“Lo llamamos amoníaco geológico”, dice Abate, “porque utilizamos la temperatura, la presión, la química y las rocas geológicamente existentes del subsuelo para producir amoníaco directamente”.

Mientras que el transporte de hidrógeno requiere un equipo costoso para enfriarlo y licuarlo, y prácticamente no existen tuberías para su transporte (excepto cerca de las refinerías de petróleo), el transporte de amoníaco es más fácil y más barato. Cuesta aproximadamente una sexta parte del costo del transporte de hidrógeno, y ya hay más de 5.000 millas de tuberías de amoníaco y 10.000 terminales instaladas solo en los EE. UU. Es más, explica Abate, el amoníaco, a diferencia del hidrógeno, ya tiene un mercado comercial sustancial, y se proyecta que el volumen de producción se duplicará o triplicará para 2050, ya que se usa no solo como fertilizante sino también como materia prima para una amplia variedad de procesos químicos.

Usos del amoniaco

Por ejemplo, el amoniaco se puede quemar directamente en turbinas de gas, motores y hornos industriales, lo que ofrece una alternativa libre de carbono a los combustibles fósiles. Se está estudiando su uso en el transporte marítimo y la aviación como combustible alternativo y como posible propulsor espacial.

Otra ventaja del amoniaco geológico es que las aguas residuales no tratadas, incluidas las de escorrentía agrícola, que suelen ser ricas en nitrógeno, podrían servir como fuente de agua y ser tratadas en el proceso. “Podemos abordar el problema del tratamiento de las aguas residuales y, al mismo tiempo, sacar algo de valor de estos desechos”, afirma Abate.

Gao añade que este proceso “no implica emisiones directas de carbono, lo que presenta una vía potencial para reducir las emisiones globales de CO2 hasta en un 1 por ciento”. Para llegar a este punto, dice, el equipo “superó numerosos desafíos y aprendió de muchos intentos fallidos. Por ejemplo, probamos una amplia gama de condiciones y catalizadores antes de identificar el más eficaz”.

El proyecto fue financiado con fondos iniciales en el marco de un proyecto emblemático del programa Climate Grand Challenges del MIT, el Centro para la Electrificación y Descarbonización de la Industria. El profesor Yet-Ming Chiang, codirector del centro, afirma: “No creo que haya habido ningún ejemplo anterior de uso deliberado de la Tierra como reactor químico. Ese es uno de los puntos clave de esta estrategia”. Chiang enfatiza que, aunque se trata de un proceso geológico, ocurre muy rápido, no en escalas de tiempo geológicas. “La reacción termina básicamente en cuestión de horas”, dice. “La reacción es tan rápida que esto responde a una de las preguntas clave: ¿Hay que esperar a los tiempos geológicos? Y la respuesta es absolutamente no”.

Fuente: MIT