Rota prática para produzir amónia com menos energia e menores emissões

A amónia está cada vez mais presente no dia a dia, mas a forma como é produzida ainda lança poluição climática na atmosfera.

Agora, engenheiros descrevem um caminho prático para obter o mesmo composto, consumindo menos energia e com emissões mais baixas.

Projeto pensado para fábricas

A amónia tem diversas aplicações no mundo moderno. Ela é um ingrediente central dos fertilizantes inorgânicos, e essas mesmas unidades de produção também sustentam a fabricação de plásticos e explosivos.

Além disso, a amónia vem sendo analisada como transportadora líquida de hidrogénio.

O estudo foi liderado pelo Dr. Sunghyun Cho, professor assistente na Jeonbuk National University (JBNU), na Coreia do Sul.

O grupo dele desenvolve sistemas de processo voltados para neutralidade de carbono, incluindo iniciativas de transformação de resíduos em recursos, produção de combustíveis limpos, captura de CO2 e otimização de processos.

Em vez de exigir que a indústria reconstrua tudo do zero, a equipa delineou um conjunto interligado de reações capaz de reciclar materiais-chave.

Exigências energéticas da amónia

Pressão e temperatura elevadas sustentam a rota dominante de hoje - e, na prática, ambas costumam vir da queima de combustíveis fósseis.

No processo Haber-Bosch, as fábricas comprimem nitrogénio e hidrogénio para que reajam; depois, arrefecem a mistura e reaproveitam o que sobra.

Segundo esse panorama, a produção de amónia consome cerca de dois por cento da energia final total e responde por aproximadamente 1.3 percent do CO2 do sistema energético.

Qualquer alternativa precisa reduzir essas cargas sem perder a capacidade de operar nas escalas enormes exigidas por lavouras e indústrias.

Um caminho químico mais suave

Em vez de levar gases a condições extremas, o chemical looping - que usa sólidos para transportar oxigénio entre reatores - pode diminuir perdas energéticas.

Óxidos metálicos são reduzidos num vaso e reoxidados noutro, o que evita misturar ar com correntes de combustível.

“Este método permite a síntese de amónia sem as etapas de alto consumo de energia, melhorando significativamente a sustentabilidade e a eficiência”, explicou Cho.

A proposta, porém, depende de sólidos robustos: se os materiais transportadores se desintegrarem com facilidade ou forem facilmente envenenados, uma planta fica comprometida.

Armazenamento de nitrogénio em óxidos

Um dos ciclos do esquema usou óxido de alumínio para prender o nitrogénio num sólido e, depois, gerar amónia com vapor.

Na etapa inicial, o sólido capturou nitrogénio na presença de carbono, formando nitreto de alumínio - um composto que retém nitrogénio até que o vapor liberte amónia.

Mais tarde, o vapor de água reagiu com esse sólido rico em nitrogénio, libertando amónia à medida que o nitrogénio armazenado voltava a circular.

Aqui, o ponto crítico foi a repetição de ciclos: sólidos frágeis aumentariam resíduos, paragens e custos ao longo do calendário industrial.

Metano fornece carbono sob demanda

Alimentar os ciclos com carbono é indispensável, porque a etapa do óxido de alumínio exigia carbono sólido para capturar nitrogénio.

Para isso, a equipa propôs a decomposição térmica do metano: um processo que aquece metano na ausência de oxigénio até ele se separar em hidrogénio gasoso e carbono sólido.

O carbono sólido resultante alimentaria a reação de captura de nitrogénio, enquanto o hidrogénio poderia ser aproveitado noutros pontos de uma planta integrada.

O benefício climático, contudo, depende de como esse carbono é gerido, já que queimá-lo ou libertá-lo anularia o ganho.

Óxido de ferro fecha o ciclo da amónia

Um segundo ciclo, baseado em óxido de ferro, ficou responsável por fornecer nitrogénio, evitando a necessidade de uma unidade separada de produção de nitrogénio.

Nesse ciclo, o óxido de ferro alternou entre formas oxidadas e reduzidas e, em seguida, libertou nitrogénio para a reação com o óxido de alumínio.

O monóxido de carbono gerado durante o ciclo do alumínio também poderia servir como matéria-prima, ajudando a impulsionar o ciclo do ferro.

Integrações tão estreitas podem elevar a eficiência; por outro lado, qualquer perturbação num ciclo tem potencial para travar os dois.

Pontuações de energia por duas métricas

Para avaliar se o conceito teria viabilidade em grande escala, a equipa analisou o desempenho em diferentes projetos de planta simulados.

Eles acompanharam o consumo de energia e a exergia - a parcela de energia realmente útil para realizar trabalho - para evidenciar perdas que a análise térmica sozinha não mostra.

No caso integrado, a eficiência energética aumentou 8.4 percent e a eficiência exergética subiu 19.0 percent em comparação com a rota convencional.

Os permutadores de calor melhoraram todos os desenhos testados, reforçando que a recuperação inteligente de calor continua essencial mesmo quando a química muda.

Medindo o impacto climático

Eficiência pesa no custo, mas a pressão climática é definida por quanto aquecimento cada libra de amónia provoca.

No melhor cenário, o modelo reduziu os impactos em 15.85 pounds (7.2 kilograms) de CO2-equivalente - uma unidade comum para comparar gases que retêm calor - por libra.

Essa estimativa veio do reaproveitamento de reagentes dentro dos ciclos, reduzindo a necessidade de etapas adicionais que exigiriam combustível extra.

Os resultados finais no mundo real dependerão das fontes de eletricidade e de como o carbono sólido é utilizado, armazenado ou comercializado.

Custos e riscos sob pressão

Emissões menores só fazem diferença se a conta fechar, e fábricas de amónia costumam operar por décadas depois de construídas.

No cenário integrado, o custo chegou a 336.97 dollars para 2,204 pounds (1,000 kilograms) de amónia, o que os autores descreveram como uma redução de 60.9 percent.

Nos testes de sensibilidade, o preço do carbono e os custos de energia foram variando, e o desempenho permaneceu estável no sistema simulado.

“A nossa tecnologia de duplo looping pode ser aplicada em indústrias que exigem produção de amónia em grande escala, reduzindo emissões de carbono e mantendo a viabilidade económica”, concluiu Cho.

Onde isso pode chegar

O conceito de duplo ciclo mostrou como ligar fluxos de carbono, nitrogénio e calor pode gerar amónia com menos desperdício.

Antes de chegar a plantas reais, testes em escala piloto terão de comprovar a durabilidade dos materiais no longo prazo e um manuseio seguro do carbono.