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El amoniaco (NH3) se ha propuesto recientemente como alternativa para el almacenamiento de hidrógeno por sus muchas ventajas

El proyecto ARENHA busca soluciones para el almacenamiento de la energía en forma de ‘amoniaco verde’

Jesús Javier Martín Pérez. Project Management Unit del Centro Nacional del Hidrógeno

16/11/2020

A pesar de las grandes ventajas de las energías limpias, las fuentes renovables son por naturaleza intermitentes y muy fluctuantes, por lo que la energía renovable no siempre es capaz de seguir de cerca la demanda de energía de la red. Dado que los productos químicos ofrecen una alta densidad de energía y se almacenan, transportan y distribuyen fácilmente, una opción para el almacenamiento de energía a gran escala podría ser el almacenamiento de energía en forma de enlaces químicos. El amoniaco se ha propuesto recientemente como alternativa para el almacenamiento de hidrógeno. Es en este contexto donde surge el proyecto europeo ARENHA, cuyo objetivo es desarrollar, integrar y demostrar soluciones materiales clave que permitan el almacenamiento y la utilización flexibles, seguros y rentables de la energía bajo forma de “amoniaco verde”.

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La Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible es un plan de acción que nace del compromiso de los Estados miembro de las Naciones Unidas, cuyo objetivo principal es velar por la protección de las personas, el planeta y la prosperidad. Los países que forman las Naciones Unidas se comprometieron a movilizar los medios necesarios para la implementación de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), que a su vez se disgregan en 169 metas a alcanzar. La estrategia debe ir ligada a abordar una serie de necesidades sociales, como la educación, la salud, la protección social, el empleo y el medioambiente.

Y es en este último, en la necesidad de mejorar la situación medioambiental donde la UE, con el Pacto Verde Europeo de diciembre de 2019 se define una estrategia política de alto nivel que aspira a lograr la neutralidad del carbono en la UE para 2050. Las incertidumbres sin precedentes provocadas por la crisis de COVID-19 (y el subsiguiente paquete de recuperación económica) sin duda cambiarán fundamentalmente el panorama político en los próximos años. Sin embargo, se ha confirmado que el Pacto Verde de la UE seguirá siendo el camino a seguir y representará la columna vertebral de las políticas industriales y económicas que persigue la UE.

La Directiva sobre energías renovables establece un objetivo del 32 % de energía renovable en el consumo final bruto de energía de la UE para 2030 (el objetivo está previsto que se revise al alza en unos años). El Régimen de comercio de derechos de emisión de la UE, que cubre alrededor del 45 % de las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE, tiene el objetivo de contribuir a reducir las emisiones globales de CO2 en un 40 % para 2030 en comparación con los niveles de 1990 (es decir, una reducción del 43 % para 2030 en comparación con los niveles de 2005). Las contribuciones nacionales a este objetivo son determinadas por los Estados Miembros, en el marco de los planes nacionales integrados de energía y clima (PNIC) de conformidad con el Reglamento (UE) 2018/1999.

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), 'el hidrógeno verde' (aquel que es generado por energías renovables) desempeñará un papel clave en la transición del mundo hacia un futuro energético sostenible, ya que es uno de los vectores energéticos más prometedores y limpios, tanto para el transporte como para la generación de energía. Por tanto, dentro del marco de la Ley Europea del Clima, el Pacto Verde engloba la industria del hidrógeno como baluarte del crecimiento europeo basado en diferentes sectores como el energético, el transporte y otros ámbitos. Las principales aplicaciones del hidrógeno como mezcla de gases son la producción de metanol y la producción de acero. Mientras que un tercio de la demanda de hidrógeno hoy en día es para aplicaciones del sector del transporte en un sentido amplio - en refinerías y para el metanol utilizado en combustible para vehículos - menos de 0,01 Mt por año de hidrógeno puro (menos de 0,03 Mtep) se utiliza en vehículos eléctricos de pila de combustible.

Además, se espera que la Directiva sobre energías renovables, que establece un objetivo de energías renovables del 14 % para el transporte, afecte a todos los niveles del sector del transporte. En general, estas políticas repercutirán en la movilidad y el transporte, con el objetivo principal de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Las tecnologías del hidrógeno y de las pilas de combustible tienen una gran oportunidad de beneficiarse de este cambio, gracias al potencial de sus aplicaciones en muchos niveles del sector del transporte y el sector de la energía.

A pesar de las grandes ventajas de las energías limpias, las fuentes renovables son por naturaleza intermitentes y muy fluctuantes, por lo que la energía renovable no siempre es capaz de seguir de cerca la demanda de energía de la red. Dado que los productos químicos ofrecen una alta densidad de energía y se almacenan, transportan y distribuyen fácilmente, una opción para el almacenamiento de energía a gran escala podría ser el almacenamiento de energía en forma de enlaces químicos. En los últimos años se ha situado como el portador de energía ideal y limpia por excelencia. Esto es debido a que su reacción con el oxígeno produce de hecho agua como subproducto, logrando altas eficiencias para la conversión de energía cuando el hidrógeno se emplea como materia prima para la producción de energía en pilas de combustible. Sin embargo, incluso utilizando las mejores tecnologías disponibles, la densidad del hidrógeno es demasiado baja para que pueda transportarse y almacenarse fácilmente con una seguridad aceptable y a un costo razonable.

El amoniaco (NH3) se ha propuesto recientemente como alternativa para el almacenamiento de hidrógeno pues conlleva muchas ventajas. En primer lugar, debido al enorme desarrollo de las energías renovables y la electrólisis del agua como una solución de almacenamiento, el “amoniaco verde” puede producirse económicamente sin emisiones de carbono, puesto que su combustión libera principalmente agua y nitrógeno. En segundo lugar, se considera tanto como un combustible para uso directo en el sistema de combustión o la pila de combustible, o como un eficiente portador de hidrógeno (17,8% de contenido de hidrógeno en masa) cuando se descompone. Por último, el amoniaco puede almacenarse como líquido en condiciones de presión moderada a temperatura ambiente en comparación con el hidrógeno, por lo que su licuefacción requiere menos energía, lo que garantiza una densidad de energía comparable a la de otros combustibles y, en consecuencia, su almacenamiento y transporte pueden llevarse a cabo en recipientes más pequeños y ligeros en comparación con el hidrógeno.

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Además, hay que señalar que si se desea utilizar amoniaco como materia prima para las pilas de combustible con fines de producción eléctrica para sus diferentes aplicaciones, el hidrógeno almacenado en el enlace químico de la molécula del amoniaco debe recuperarse mediante su descomposición en hidrógeno y nitrógeno. Posteriormente, el hidrógeno producido debe separarse del nitrógeno y purificarse de posibles trazas de amoniaco para cumplir con la especificación requerida para un correcto funcionamiento de la pila de combustible.

Es en este contexto, donde surge el proyecto ARENHA, el cual es un proyecto del programa marco europeo H2020 con un presupuesto total de alrededor de 5,7 M€. Está coordinado por Tecnalia Research & Innovation y cuenta con un consorcio compuesto por 11 socios del mundo académico, centros de investigación, pymes y grandes empresas de la UE. El CNH2 lidera el Paquete de Trabajo 5 (Integración y validación de plantas) y el Paquete de Trabajo 7 (Difusión y comunicación), participando en el resto de tareas del proyecto. Tanto el prototipo de electrólisis como el de almacenamiento energético en forma de amoníaco serán testeados y validados en las instalaciones del CNH2 en Puertollano (Ciudad Real). En consecuencia, reúne toda la experiencia académica e industrial para demostrar el concepto denominado 'power-to-ammonia-to-usage', en toda su cadena de valor, basado en el desarrollo de materiales y sistemas innovadores.

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El objetivo principal del proyecto ARENHA es desarrollar, integrar y demostrar soluciones materiales clave que permitan el almacenamiento y la utilización flexibles, seguros y rentables de la energía bajo forma de “amoniaco verde”. Siendo los objetivos específicos que se van a abordar los siguientes:

• Desarrollar e integrar materiales innovadores de células de óxido sólido en una unidad de demostración de electrólisis flexible a alta temperatura que produzca hidrógeno de 1,5 Nm3/h a presión ambiental para ser conectado en una planta fotovoltaica real.

• Desarrollar e integrar materiales innovadores en un bucle de síntesis que permita operar una unidad de producción flexible de Haber Bosch de 10 kgNH3/día a menor presión (<50 bar) y temperatura (<450 °C).

• Desarrollar e integrar materiales innovadores en un reactor de descomposición capaz de generar 10 Nm3/h de hidrógeno puro (>99,99%) a partir de amoniaco verde.

• Desarrollar y probar materiales y soluciones innovadores para la síntesis directa alternativa y la utilización de amoniaco verde de próxima generación.

• Demostrar el amoniaco como portador de energía flexible mediante el desarrollo de un prototipo totalmente integrado para la síntesis y descomposición del amoniaco verde.

• Evaluar la aceptación social, la viabilidad tecno-económica-ambiental y el potencial de replicación de las cadenas de valor desarrolladas.

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Como se ha expuesto el almacenamiento fiable de energía se ha convertido en un punto clave para desarrollar el amplio potencial tecnológico de uso de la energía renovable a gran escala. Este almacenamiento de energía renovable en forma de amoniaco líquido está siendo, por tanto, cada vez más investigado al ser un excepcional potencial portador de energía libre de carbono renovable, con alta densidad de energía y relativa facilidad de almacenamiento. En particular, el proyecto desarrollará células electrolizadoras avanzadas de óxidos sólidos para la producción de hidrógeno renovable, catalizadores para la síntesis de amoniaco a baja temperatura/presión, absorbentes sólidos para la intensificación y el almacenamiento de la síntesis de amoniaco, catalizadores y reactores de membrana para la descomposición del amoniaco en hidrógeno puro (>99,99%). El proyecto demostrará el potencial del amoniaco como portador de energía para producir hidrógeno puro a nivel competitivo para producir electricidad mediante pilas de combustible.

Los procesos de descarga de energía estudiados en ARENHA abordan diversas aplicaciones, como por ejemplo, desde la descomposición de amoniaco en hidrógeno puro para la utilización directa de amoniaco en pilas de combustible de óxido sólido para producir electricidad o para su uso en vehículos eléctricos de pilas de combustible.

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El potencial del hidrógeno para alimentar entre 10 y 15 millones de automóviles y 500.000 camiones que se esperan estén en operación para 2030, así como el uso en otros muchos sectores, como los procesos industriales y las materias primas, su uso en edificios para calefacción y electricidad, la generación de energía y el almacenamiento energético predice que la demanda anual de hidrógeno debería multiplicarse por diez para 2050 hasta casi 80 EJ en 2050, lo que supone el 18% de la demanda final total de energía en el escenario de dos grados para 2050. En un momento en que se espera que la población mundial crezca en 2.000 millones de personas para 2050, las tecnologías del hidrógeno tienen el potencial de crear oportunidades para el crecimiento económico sostenible siendo el proyecto europeo ARENHA una oportunidad para cumplirlo.

Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención nº 862482.

el almacenamiento fiable de energía se ha convertido en un punto clave para desarrollar el amplio potencial tecnológico de uso de la energía renovable a gran escala.
El objetivo principal del proyecto ARENHA es desarrollar, integrar y demostrar soluciones materiales clave que permitan el almacenamiento y la utilización flexibles, seguros y rentables de la energía bajo forma de 'amoniaco verde'.