Uno de los principales retos a los que se enfrenta el sector marítimo en estos momentos es la descarbonización y alcanzar las cero emisiones de gases contaminantes, un objetivo que la Organización Marítima Internacional se ha propuesto conseguir hacia mediados de este siglo. Entre las alternativas que se están investigando, el amoniaco se erige como uno de los combustibles con mayor potencial.

En el periodo de transición hasta lograr ese objetivo, son muchas las investigaciones que se están desarrollando para obtener una energía alternativa a la de los combustibles fósiles. Y entre esas alternativas, el amoniaco se erige como uno de los combustibles con mayor potencial. De hecho, la Agencia Internacional de la Energía (IEA) en su ‘2050 Carbon Zero Roadmap Report’ estima que representará el 46% del combustible de buques en 2050.

Pero, ¿qué es el amoniaco?, ¿por qué ha adquirido tanta importancia? Este compuesto químico, cuya fórmula es NH3, está integrado por un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno. Hasta ahora era muy conocido su uso en fertilizantes y productos químicos. Se puede decir que ha sido, y es, clave para la agricultura moderna pues más del 80% del amoniaco que se produce globalmente se utiliza para la fabricación de fertilizantes. Además, sus propiedades termodinámicas hacen que se utilice como refrigerante en la industria alimentaria y grandes almacenes frigoríficos. También es un componente base en la síntesis de muchos compuestos químicos, como explosivos, plásticos, textiles o productos de limpieza. Y en la industria farmacéutica se emplea en procesos de síntesis de medicamentos y en productos de limpieza quirúrgica.

Como consecuencia, el amoniaco es el combustible más denso en energía libre de CO2, cuya aplicación en muchos entornos es indiscutible, como el transporte marítimo, donde, junto al metanol, son los únicos alternativos que pueden sustituir en peso y volumen a los hidrocarburos actuales, si bien el metanol necesita de la captura previa o posterior del CO2 involucrado.

Por otra parte, como almacenador de H2 verde el amoniaco no tiene rival posible.
 

Los primeros artífices de la síntesis del amoniaco a partir del hidrógeno y el nitrógeno fueron dos químicos alemanes, Fritz Haber y Carl Bosch, lo que permitió conseguir los fertilizantes indispensables para aumentar la producción de los cultivos en todo el mundo. Por ello, ambos recibieron el Premio Nobel de Química en 1918.

Pero es más reciente, aunque no nuevo, el interés por su utilización como combustible. En este sentido, su principal atractivo es su capacidad para almacenarse como líquido a temperaturas relativamente bajas (-33,4ºC a 1 bar de presión o a 10 bar de presión a 25ºC), así como su composición libre de carbono, lo que significa que su combustión no genera dióxido de carbono (CO2) y esto lo convierte en un candidato prometedor para la descarbonización del transporte marítimo.
 
En este contexto, surge la pregunta de cómo se consigue que el amoniaco actúe como combustible. Y la respuesta es que, de momento, puede ser empleado en motores de combustión interna y celdas de combustible dependiendo del objetivo que se tenga. En el primer caso, el amoniaco se quema para generar energía, pero, por su baja reactividad, necesita un promotor, como el hidrógeno, para mejorar la eficiencia y la estabilidad de la combustión. En el caso de las celdas de combustible, el amoniaco no se quema, sino que se descompone en hidrógeno y nitrógeno y el hidrógeno resultante pasa a alimentar una celda de combustible desde la que se genera electricidad con mínimas emisiones.
 

APLICACIÓN MARÍTIMA
No obstante, ir de la teoría -lo anterior- a la práctica requiere de tiempo y adaptaciones técnicas, que en el sector marítimo pasan por el ajuste de los motores para gestionar el bajo poder calorífico del amoniaco -tiene una energía específica de 18.6 MJ/kg, aproximadamente la mitad que los combustibles fósiles como el diésel (~43 MJ/kg), pero presenta una serie de ventajas, ya que permite transportar hidrógeno de manera sencilla y menos costosa, la densidad es de 0,73 kg/m3, menos denso que el aire, lo que implica que en caso de fuga tiende a dispersarse hacia arriba.

Comparado con otros combustibles tiene un rango más estrecho de inflamabilidad (15%-28% del volumen de aire), lo que lo hace menos inflamable y más seguro para ciertas aplicaciones, pero requiere de algunas adaptaciones para la combustión eficiente en motores. La temperatura de autoignición es de 651ºC, más alta que otros combustibles como el metano (540ºC). Durante la combustión no se generan ni CO2, ni emisiones de azufre o partículas sólidas (salvo que se utilice llama piloto con MDO), pero sí óxidos de nitrógeno y puede surgir deslizamiento de amoniaco en determinadas condiciones.
Otro hándicap para su aplicación es evitar problemas como la corrosión, crear sistemas seguros de almacenamiento y manipulación y crear una red global de producción, distribución y abastecimiento.

AVANCES CONCRETOS
De hecho, ya podemos hablar de avances concretos en el desarrollo del amoniaco como combustible. La compañía japonesa NYK y el consorcio Nordic Green Ammonia integraron amoniaco en un proyecto piloto de barcos y demostraron su viabilidad como combustible en 2021, y NYK ha anunciado un plan ambicioso para realizar el primer suministro de amoniaco por camión a barco en el mundo para alimentar un remolcador dual en la Bahía de Tokio. Por su parte, la compañía alemana MAN Energy Solutions está trabajando en un motor marino de doble combustible (amoniaco y diésel) y la finlandesa Wärtsilä ha probado mezclas de amoniaco-hidrógeno en sus motores de gas. 
 

PROYECTO HIDRAM
También en España se están llevando a cabo investigaciones sobre este combustible. El Centro de Innovación en Energías Renovables (IREC) ha desarrollado prototipos de celdas de combustible basadas en amoniaco para aplicaciones marítimas. Y en Soermar estamos participando en el proyecto Hidram, que busca la descarbonización del transporte marítimo a través de soluciones de almacenamiento de hidrógeno mediante la generación de amoniaco verde como combustible multipropósito. Junto con las pymes ATD, JALVASUB y VENTOR, Astilleros de Mallorca y Astilleros Francisco Cardama, y las entidades Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV-CSIC), Laboratorio de Física de Fluidos de la Universidad de Educación a Distancia (UNED) y Fundación Cidaut (CIDAUT), y con financiación del CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación), hemos conseguido demostradores de pilas que funcionan con hidrógeno y amoniaco o la sintetización de este combustible en plantas de pequeña-mediana escala con costes energéticos marginales, entre otros logros. Y todo ello con tecnología y materiales españoles, lo que puede contribuir a posicionar a nuestro país como líder en esta tecnología emergente.

Sin embargo, hemos de reconocer que todavía hay una serie de retos que debemos superar para alcanzar un uso masivo del amoniaco como combustible. Al ser altamente tóxico, necesitaremos seguir investigando para evitar fugas y proteger a las tripulaciones durante su manipulación y almacenamiento. También habrá que disponer de tanques de almacenamiento de mayor tamaño debido a que su densidad energética es menor que la de los combustibles fósiles -su densidad es 0.73kg/m³ (a 25°C y 1 atm)-.

No obstante, como consecuencia de las pruebas desarrolladas para alcanzar los objetivos del proyecto HIDRAM, se ha obtenido amoniaco en estado sólido. Lo que dará lugar al desarrollo de nuevos proyectos para demostrar la seguridad en el manejo, transporte y almacenamiento del amoniaco en estado sólido (SAFT Solid Ammonia Fuel Tech). Este es un material inerte, no tóxico, insoluble en el agua (y por tanto no contaminante en caso de vertido), resistente a la llama directa y totalmente estable, capaz de cargarse y descargarse en múltiples ciclos de amoniaco, manteniéndolo de forma indefinida, con una capacidad de retención que impide la liberación de amoniaco (menos de 1 ppm) a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Por otra parte, será necesario aumentar significativamente la producción de amoniaco verde mediante electrolisis, pues actualmente la mayoría se produce a través del proceso Haber-Bosch, que convierte el hidrógeno (H2) y el nitrógeno (N2) en amoniaco (NH3) mediante la aplicación de calor y presión extremadamente altos. El hidrógeno se obtiene a partir de gas natural y vapor de agua. Como desventaja, el proceso consume una gran cantidad de energía y contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero.

A todo ello se une el hecho de que aún no existe una red de infraestructuras amplia. La red global para el transporte y abastecimiento de amoniaco es incipiente y no se prevé un despliegue a gran escala a corto plazo. Por tanto, será necesario seguir investigando e innovando e invertir en infraestructuras. Sin olvidar tampoco la necesidad de regulaciones específicas a nivel internacional que garanticen su uso seguro y sostenible. 

Alfonso Carneros, director técnico de Soermar

Leer más en el número 653 de Revista MAR