De fertilizante a fonte de energia do futuro
Amoníaco: Perspectivas brilhantes
O amoníaco é tradicionalmente conhecido pela sua utilização na produção de fertilizantes. No futuro, poderá também desempenhar um papel fundamental na transição energética como fonte eficiente de hidrogénio e como substituto ecológico dos combustíveis fósseis, uma vez que pode ser produzido a partir de azoto e hidrogénio com zero emissões de carbono. Além disso, o amoníaco oferece uma série de vantagens em termos de transporte e armazenamento. O Instituto Fraunhofer de Microengenharia e Microssistemas IMM está a trabalhar em numerosos projectos de investigação numa tecnologia de craqueamento do amoníaco que poupa espaço, é eficiente e, acima de tudo, descentralizada.
Instalação-piloto Fraunhofer IMM para craqueamento de amoníaco com uma capacidade de craqueamento de amoníaco de 20 kg/h
© Fraunhofer IMM
"O amoníaco tem perspectivas muito brilhantes para a transformação sustentável do nosso sistema energético", explica Gunther Kolb, chefe da Divisão de Energia e diretor-adjunto do Fraunhofer IMM em Mainz. "Afinal, a produção de energia suficiente sem emissões não é o único desafio da transição energética. Uma vez que grandes quantidades de eletricidade verde podem ser produzidas principalmente em locais com muito vento ou sol, como o Chile e a Austrália, o transporte com baixas perdas para áreas com menos energia renovável disponível é, de facto, um fator importante". A utilização do amoníaco pode trazer vantagens transformadoras a este respeito.
Perfeitamente adequado para o armazenamento e transporte de hidrogénio
O hidrogénio verde (H2) combina-se com o azoto (N2) numa proporção de 3:1 para produzir amoníaco (NH3) e a energia armazenada e transportada sob esta forma (ou seja, amoníaco) sofre menos perdas na cadeia de abastecimento. Além disso, o amoníaco tem algumas vantagens sobre o hidrogénio para o armazenamento de eletricidade. Mantém-se líquido à pressão atmosférica e mesmo a uma pressão de apenas 7,5 bar ou quando arrefece a apenas cerca de -33°C. Em contrapartida, para liquefazer o hidrogénio puro é necessário introduzi-lo no vácuo a baixa pressão e baixar a temperatura para -253°C, o que requer muita energia. Além disso, o amoníaco tem uma densidade energética volumétrica mais elevada do que o hidrogénio líquido, pelo que pode transportar mais energia por unidade de volume. "A produção de amoníaco a partir de hidrogénio e azoto requer apenas cerca de 5% mais energia do que a produção de hidrogénio a partir de eletricidade verde", explica Kolb. "E tanto a produção como o cracking do amoníaco são quase totalmente isentos de carbono." O amoníaco é tóxico e inflamável, pelo que está classificado como perigoso e sujeito a regulamentos rigorosos. Graças aos elevados padrões de segurança existentes, cerca de 25 milhões de toneladas métricas de amoníaco são atualmente transportadas em segurança por via marítima e ferroviária em todo o mundo, principalmente para a produção de fertilizantes.
Rede principal de hidrogénio em desenvolvimento
O amoníaco deve ser reconvertido nos seus compostos originais (ou seja, azoto e hidrogénio) para ser utilizado na indústria química ou como fonte de energia. Igualmente importante, isto tem de ser feito com perdas mínimas de energia. O amoníaco sob a forma de gás é introduzido num reator a uma temperatura de cerca de 600 graus Celsius, no qual entra em contacto com um catalisador inorgânico à base de níquel com uma grande superfície interna. "Neste momento, as primeiras grandes instalações de eletrólise estão a ser construídas em locais ricos em eletricidade verde, como a Austrália e o Chile, para produzir amoníaco. Na Europa, uma das primeiras grandes instalações de cracking está a ser construída em Roterdão, por exemplo", diz Kolb. O plano é fornecer hidrogénio aos locais onde ele é necessário através de gasodutos. O principal problema é que muitos clientes potenciais, especialmente as PME, não têm acesso a condutas de hidrogénio. A infraestrutura de hidrogénio da Alemanha está atualmente a ser construída. Os planos prevêem a criação de uma rede central de hidrogénio com um total de cerca de 9000 quilómetros de condutas até 2032, principalmente através da conversão de condutas de gás natural. No entanto, mesmo depois disso, grandes áreas não estarão ligadas ao abastecimento de hidrogénio.
Fornecimento local através de tecnologia de craqueamento descentralizada
"A nossa tecnologia de cracking descentralizado pode colmatar esta lacuna de abastecimento de forma eficiente e com zero emissões para quantidades necessárias entre 100 quilogramas e 10 toneladas de hidrogénio por dia", explica Kolb. "No projeto AMMONPAKTOR, que foi financiado pelo Estado da Renânia-Palatinado, trabalhámos em conjunto com o Instituto Fraunhofer de Matemática Industrial ITWM para desenvolver um cracker de amoníaco compacto que atinge uma eficiência de 90% durante o processo de reconversão através da nossa tecnologia inovadora de permutador de calor de placas e da combustão integrada dos gases de escape da adsorção por oscilação de pressão utilizada para a limpeza, em comparação com 70% das tecnologias convencionais".
A energia necessária para aquecer o reator é gerada diretamente no reator de craqueamento com a ajuda dos fluxos de gases de escape, pelo que não é necessário combustível ou eletricidade adicional para efeitos de craqueamento. O reator AMMONPAKTOR é também cerca de 90% mais pequeno do que a tecnologia convencional. Isto é especialmente importante para aplicações móveis e com restrições de espaço. A utilização de gases de escape também significa que a tecnologia tem uma pegada de carbono menor do que os conceitos de reactores aquecidos eletricamente. "Para além da utilização interna dos gases de escape do sistema, o inovador permutador de calor de placas do Fraunhofer IMM, que é diretamente revestido com um catalisador, faz toda a diferença", diz Kolb. "Em vez do método convencional de gerar o calor necessário para o craqueamento num sistema de tubos aquecido do exterior a cerca de 900 graus Celsius, o que requer muita energia, a nossa tecnologia gera o calor exatamente onde é necessário, pelo que o nosso sistema tem uma transferência de calor muito melhor. E isso traduz-se numa enorme poupança de energia".
Um protótipo finalizado nas instalações do Fraunhofer IMM em Mainz já permite a produção de hidrogénio de cerca de 75 kg por dia, aproximadamente o mesmo que a produção diária de uma célula de combustível de 50 quilowatts. "Só este volume seria suficiente para abastecer, por exemplo, uma pequena estação de abastecimento de hidrogénio", observa Kolb. O próximo objetivo de desenvolvimento é, por agora, aumentar a produção diária para 10 toneladas métricas, incluindo no âmbito do projeto marítimo quinquenal da UE GAMMA e do projeto emblemático da Fraunhofer AmmonVektor, que está a explorar toda a cadeia de valor do amoníaco verde para disponibilizar hidrogénio numa base descentralizada e ao mais baixo custo possível. Este projeto de três anos, liderado pelo Instituto Fraunhofer para o Ambiente, Segurança e Tecnologia Energética UMSICHT, está em curso desde o início de 2024.
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