Hidrógeno Regreso al futuro: una molécula muy conocida ofrece posibilidades totalmente nuevas

El amoníaco es —al menos en el ámbito de la química— algo ya muy conocido, ¿no? De hecho, en el marco de la transición hacia una economía sin combustibles fósiles, este gas está adquiriendo funciones totalmente nuevas, como pone de relieve un proyecto en la cuenca del Ruhr.

El síntesis del amoníaco es una de las reacciones más determinantes de la historia de la industria: El proceso Haber-Bosch permitió fijar químicamente el nitrógeno del aire a gran escala. De este modo, sentó las bases para los fertilizantes nitrogenados sintéticos y transformó radicalmente la agricultura: en la actualidad, entre el 70 % y el 80 % del amoníaco producido en todo el mundo se destina a la fabricación de fertilizantes. Sin este uso, sería prácticamente imposible garantizar la alimentación de gran parte de la población mundial. Pero también la industria química utiliza el amoníaco como materia prima, por ejemplo, como refrigerante, materia prima para plásticos y otros compuestos nitrogenados. A nivel mundial se producen cada año más de 150 millones de toneladas de amoníaco.

En 2026, la atención se centrará en la reacción inversa: el objetivo es volver a descomponer el amoníaco en nitrógeno e hidrógeno, y una planta de demostración situada en la central eléctrica de Uniper en Gelsenkirchen-Scholven mostrará cómo se puede llevar a cabo este proceso en condiciones industriales. A diferencia de lo que ocurría en los inicios de la química, aquí no se trata del nitrógeno. El hidrógeno se considera un elemento clave para la descarbonización de la industria y el suministro energético. Sin embargo, su baja densidad energética volumétrica complica su transporte y almacenamiento. El hidrógeno gaseoso requiere, para su transporte, bien altas presiones, bien grandes volúmenes. El hidrógeno líquido, por su parte, exige una refrigeración hasta unos -253 grados Celsius. Ambas opciones requieren energía y una infraestructura a medida. A esto se suma que el hidrógeno puede provocar fragilidad en determinados materiales. Por ello, la selección de los materiales y el diseño de las instalaciones requieren una atención especial.

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Un material antiguo con una nueva función

Por eso están pasando cosas en Gelsenkirchen: en el emplazamiento de la central eléctrica de Uniper en Scholven, una enorme grúa de obra se eleva hacia el cielo entre andamios relucientes y puentes de tubos. No para, como ha ocurrido últimamente, derribar antiguas infraestructuras de la central, como las torres de refrigeración. Se trata del futuro: en un terreno abierto donde, hasta hace unos años, se almacenaban cenizas, está surgiendo una instalación única, en cuyo centro se alza una torre angulosa de varias plantas. El secreto de esta instalación se esconde, como suele ocurrir, en su interior: a lo largo de casi toda la longitud del edificio discurren un total de siete tubos de reacción de acero a través de una enorme cámara de combustión. Con ello, según afirma con seguridad el futuro operador, Uniper, se podría poner a prueba un elemento fundamental de una economía energética postfósil: la descomposición del amoníaco en nitrógeno e hidrógeno.

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Y es que, a diferencia del metanol, por ejemplo, el amoníaco se puede obtener sin necesidad de carbono; de este modo, es posible lograr una producción totalmente neutra desde el punto de vista climático a partir de hidrógeno por electrólisis y nitrógeno atmosférico que con el metanol. Pero en Gelsenkirchen aún no se ha llegado tan lejos: la nueva planta, que en los próximos años pondrá a prueba catalizadores y modos de funcionamiento en condiciones realistas, se alimentará inicialmente con amoníaco gris procedente de la industria química. Y es que el proyecto no es más que la fase preliminar de un mundo del amoníaco mucho más amplio: si el proceso da buenos resultados, en pocos años se construirán en Wilhelmshaven seis plantas de craqueo de amoníaco con una capacidad de 1 200 toneladas al día (datos de Uniper), siguiendo el modelo de la planta de Gelsenkirchen, según los responsables del proyecto.

Y es que el amoníaco, a diferencia del hidrógeno, es fácil de transportar. Este gas se licua ya a -33 °C o a una presión moderada de entre 8 y 10 bar, a diferencia del hidrógeno puro, que debe enfriarse hasta una temperatura extremadamente baja de -253 °C. Además, el NH₃ tiene, en relación con el volumen, una densidad energética considerablemente mayor que el hidrógeno líquido. Y no solo eso: dado que el amoníaco ya figura entre las sustancias químicas más comercializadas del mundo, ya existen más de 200 puertos, gasoductos y buques cisterna diseñados para el transbordo a gran escala de amoníaco. Mientras Alemania está construyendo una red nacional de hidrógeno, la infraestructura de NH₃ ya existe. Por supuesto, no a la escala que sería necesaria para la descarbonización global, pero, aun así, una cadena de valor global tampoco tendría que empezar desde cero.

Y es que el amoníaco contiene alrededor del 17,6 % de hidrógeno (en porcentaje en masa). Los productores podrían fabricar este gas verde en regiones con abundante sol y viento utilizando electricidad renovable y, a continuación, combinarlo con nitrógeno para obtener amoníaco. Para ello se utilizaría el consolidado proceso Haber-Bosch. En el lugar de destino, una planta de craqueo puede descomponer de nuevo el amoníaco en sus componentes: nitrógeno e hidrógeno. El nitrógeno procede originalmente del aire y, en principio, puede volver a él tras el craqueo. Sin embargo, el amoníaco no tiene por qué transformarse necesariamente de nuevo en hidrógeno. La industria química lo utiliza directamente como materia prima. También se están barajando otras aplicaciones, como en el sector marítimo. Por lo tanto, la rentabilidad del craqueo depende de si una ubicación puede aprovechar mejor el hidrógeno o el amoníaco.

Pasos intermedios hacia el futuro

En Gelsenkirchen, la empresa operadora de centrales eléctricas Uniper (que anteriormente formaba parte de E.on) y el constructor de instalaciones y especialista en tecnología Thyssenkrupp Uhde tienen previsto alcanzar una capacidad de procesamiento de 28 toneladas de amoníaco al día. De ahí se obtendrán unas cuatro toneladas de hidrógeno al día. La planta no servirá como centro de producción comercial, sino que, según los responsables del proyecto, tiene como objetivo aportar experiencia operativa y datos para la optimización del proceso.

Desde el punto de vista de los responsables del proyecto, entre las cuestiones fundamentales se encuentran, por ejemplo, la actividad y la vida útil de los distintos tipos de catalizadores, así como las necesidades térmicas y el comportamiento de la instalación ante condiciones de funcionamiento variables. Pero también la pureza y la calidad del hidrógeno son decisivas para su posterior procesamiento. La planta de demostración tiene como objetivo mostrar cómo se puede integrar el proceso de forma fiable en un entorno industrial.

Tras la disociación catalítica, el gas resultante contiene hidrógeno y nitrógeno, así como trazas de amoníaco que no se han transformado por completo. Un sistema de lavado de gases posterior, el denominado «lavador de control», debe retener este amoníaco residual antes de que pueda dañar las siguientes etapas del proceso. A continuación, un proceso de adsorción por cambio de presión (PSA, por sus siglas en inglés) separa el hidrógeno del nitrógeno y prepara el hidrógeno para su uso posterior. Esto es especialmente importante cuando el hidrógeno se utiliza en aplicaciones sensibles: las pilas de combustible, por ejemplo, son muy sensibles a las impurezas. Para los clientes industriales también se aplican requisitos de pureza estrictamente definidos, en función del proceso.

El tratamiento de los gases de escape también forma parte de la evaluación global: evidentemente, en primer lugar hay que aportar calor para el proceso de craqueo endotérmico, lo que —dependiendo del sistema de calentamiento— puede generar emisiones que deben tratarse. Por ello, la huella de carbono no puede evaluarse únicamente en función de la reacción química.

Prueba piloto para proyectos de mayor envergadura

Se prevé que la planta de Scholven aporte también experiencia para el proyecto de Uniper El hidrógeno producido se inyectará en la red principal de hidrógeno alemana. Uniper estima que, una vez alcanzada la fase de plena explotación, la producción de hidrógeno podría rondar las 350 000 toneladas al año, y prevé que la planta entre en funcionamiento a principios de la década de 2030. Hasta entonces, la empresa deberá garantizar, además de la tecnología y la infraestructura, el suministro de amoníaco y la rentabilidad del sistema en su conjunto.

La planta de demostración de Scholven constituye, por tanto, un elemento fundamental dentro de una planificación de la cadena de suministro mucho más amplia. Thyssenkrupp Uhde aporta la tecnología de procesos y la ingeniería de plantas, mientras que Uniper pone a disposición el emplazamiento y su experiencia operativa. Ambas empresas pretenden aprovechar los conocimientos adquiridos para seguir desarrollando la tecnología con vistas a plantas de mayor tamaño.

¿Cuánta energía cuesta ese desvío?

El amoníaco permite transportar hidrógeno a grandes distancias. Sin embargo, tanto la síntesis como la licuefacción, el transporte y la descomposición también consumen energía. Si el amoníaco se utiliza directamente en el lugar de destino, no es necesario el craqueo; en cambio, si un cliente necesita hidrógeno puro, hay que tener en cuenta toda la cadena de transformación. La seguridad y la huella de carbono también merecen una atención especial: el amoníaco es tóxico y, por lo tanto, requiere estrictas medidas de protección, vigilancia y planes de emergencia. Además, para que la cadena de suministro sea respetuosa con el clima, debe utilizarse hidrógeno renovable. Se prevé que la planta de craqueo de Gelsenkirchen contribuya a dar respuesta a estas cuestiones a partir de la experiencia operativa. No solo se pondrán a prueba el reactor y el catalizador, sino también el suministro de calor, la depuración de gases y la integración de las instalaciones. Solo esos datos revelarán hasta qué punto el proceso puede funcionar de forma fiable y eficiente en el día a día de la industria.

Hace más de cien años, la síntesis del amoníaco permitió que el nitrógeno del aire estuviera disponible para la industria. En Scholven se está probando ahora el proceso inverso. Que la descomposición del amoníaco pueda desempeñar un papel igualmente importante para la economía del hidrógeno no se decide únicamente en el reactor. Son determinantes los costes, el consumo energético, la seguridad y la disponibilidad de amoníaco renovable. De este modo, esta antigua materia prima podría convertirse en el medio de transporte de una nueva economía energética.