L’ammoniaca, un componente principale di molti fertilizzanti, potrebbe svolgere un ruolo chiave in un sistema di carburante privo di carbonio come modo conveniente per trasportare e immagazzinare idrogeno pulito. La sostanza chimica, composta da idrogeno e azoto (NH3), può anche essere bruciato come combustibile a zero emissioni di carbonio. Tuttavia, una nuova ricerca condotta dall’Università di Princeton dimostra che, anche se potrebbe non essere una fonte di inquinamento da carbonio, l’uso diffuso dell’ammoniaca nel settore energetico potrebbe rappresentare un grave rischio per il ciclo dell’azoto e per il clima senza adeguate precauzioni ingegneristiche.
Pubblicando i loro risultati in PNAS, il team interdisciplinare di 12 ricercatori ha scoperto che un’economia dell’ammoniaca ben progettata potrebbe aiutare il mondo a raggiungere i suoi obiettivi di decarbonizzazione e garantire un futuro energetico sostenibile. Un’economia dell’ammoniaca mal gestita, d’altro canto, potrebbe aumentare le emissioni di protossido di azoto (N2O), un gas serra di lunga durata circa 300 volte più potente della CO2 e uno dei principali fattori che contribuiscono all’assottigliamento dello strato di ozono stratosferico. Potrebbe portare a notevoli emissioni di ossidi di azoto (NOX), una classe di inquinanti che contribuiscono alla formazione dello smog e delle piogge acide. E potrebbe diffondere direttamente le emissioni fuggitive di ammoniaca nell’ambiente, formando anche inquinanti atmosferici, incidendo sulla qualità dell’acqua e stressando gli ecosistemi disturbando il ciclo globale dell’azoto.
Fortunatamente, i ricercatori hanno scoperto che i potenziali impatti negativi di un’economia basata sull’ammoniaca possono essere ridotti al minimo con pratiche ingegneristiche proattive. Hanno sostenuto che ora è il momento di iniziare a prepararsi seriamente per un’economia dell’ammoniaca, affrontando i potenziali punti critici del combustibile a base di ammoniaca prima della sua diffusione su vasta scala.
“Sappiamo che è probabile che si verifichi un’economia dell’ammoniaca di una certa scala”, ha affermato il leader della ricerca Amilcare Porporato, professore di ingegneria civile e ambientale Thomas J. Wu ’94 e dell’High Meadows Environmental Institute. “E se il nostro approccio fosse proattivo e rivolto al futuro, un’economia dell’ammoniaca potrebbe essere una grande cosa. Ma non possiamo permetterci di prendere alla leggera i rischi dell’ammoniaca. Non possiamo permetterci di essere negligenti.”
Tradurre l’ammoniaca dall’agricoltura all’energia
Con l’aumento dell’interesse per l’idrogeno come combustibile a zero emissioni di carbonio, è cresciuto anche una realtà scomoda: è notoriamente difficile da immagazzinare e trasportare su lunghe distanze. La minuscola molecola deve essere conservata a temperature inferiori a -253 gradi Celsius o a pressioni fino a 700 volte la pressione atmosferica, condizioni impossibili per un trasporto diffuso e soggette a perdite.
L’ammoniaca, d’altra parte, è molto più facile da liquefare, trasportare e immagazzinare, poiché può essere spostata in modo simile ai serbatoi di propano.
Inoltre, fin dall’inizio degli anni 20 esiste un processo consolidato per convertire l’idrogeno in ammoniacath secolo. Conosciuta come processo Haber-Bosch, la reazione combina l’azoto atmosferico con l’idrogeno per formare ammoniaca. Sebbene il processo sia stato originariamente sviluppato come un modo economicamente vantaggioso per trasformare l’azoto atmosferico in ammoniaca da utilizzare in fertilizzanti, prodotti per la pulizia e persino esplosivi, il settore energetico ha considerato il processo Haber-Bosch come un modo per immagazzinare e trasportare idrogeno combustibile. sotto forma di ammoniaca.
La sintesi dell’ammoniaca è intrinsecamente ad alta intensità energetica e i combustibili fossili senza CO2 la cattura sono attualmente utilizzate per soddisfare quasi tutte le materie prime e la domanda di energia. Ma come hanno sottolineato i ricercatori nel loro articolo, se i nuovi processi guidati dall’elettricità attualmente in fase di sviluppo possono sostituire la sintesi convenzionale dell’ammoniaca derivata dai combustibili fossili, allora il processo Haber-Bosch – o un processo completamente diverso – potrebbe essere ampiamente utilizzato per convertire l’idrogeno pulito in ammoniaca, che può essere a sua volta bruciato come combustibile a zero emissioni di carbonio.
“L’ammoniaca è un modo semplice per trasportare l’idrogeno su lunghe distanze e il suo uso diffuso in agricoltura significa che esiste già un’infrastruttura consolidata per la produzione e lo spostamento dell’ammoniaca”, ha affermato Matteo Bertagni, ricercatore post-dottorato presso l’High Meadows Environmental Institute che lavora sulla mitigazione del carbonio. Iniziativa. “Si potrebbe quindi creare idrogeno in un’area ricca di risorse, trasformarlo in ammoniaca e poi trasportarlo ovunque sia necessario in tutto il mondo”.
La trasportabilità dell’ammoniaca è particolarmente interessante per le industrie che fanno affidamento sui trasporti a lunga distanza, come la navigazione marittima, e per i paesi con spazio limitato disponibile per le risorse rinnovabili. Il Giappone, ad esempio, ha già in atto una strategia energetica nazionale che prevede l’uso dell’ammoniaca come combustibile pulito. I semplici requisiti di stoccaggio fanno sì che l’ammoniaca potrebbe anche trovare impiego come contenitore per l’immagazzinamento di energia a lungo termine, in complemento o addirittura in sostituzione delle batterie.
“A prima vista, l’ammoniaca sembra una cura ideale per il problema della decarbonizzazione”, ha detto Porporato. “Ma quasi ogni medicinale ha una serie di potenziali effetti collaterali.”
“Guarda prima di saltare”
In teoria, la combustione dell’ammoniaca dovrebbe produrre solo gas azoto innocuo (N2) e acqua come prodotti. Ma in pratica, Michael E. Mueller, presidente associato e professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, ha affermato che la combustione dell’ammoniaca può rilasciare NO nocivoX e n2Oh inquinanti.
La maggior parte N2Le emissioni di O derivanti dalla combustione dell’ammoniaca sono il risultato di interruzioni del processo di combustione. “N2L’O è essenzialmente una specie intermedia nel processo di combustione”, ha detto Mueller. “Se si lascia che il processo di combustione finisca, allora non ci sarà essenzialmente N2O emissioni.”
Eppure Mueller ha detto che in determinate condizioni, come quando una turbina sta accelerando o scendendo o se i gas caldi della combustione colpiscono le pareti fredde, il processo di combustione dell’ammoniaca può essere interrotto e N2Le emissioni di O possono accumularsi rapidamente.
Ad esempio, i ricercatori hanno scoperto che se il combustibile a base di ammoniaca raggiungesse una penetrazione di mercato pari a circa il 5% dell’attuale domanda globale di energia primaria (che richiederebbe 1,6 miliardi di tonnellate di produzione di ammoniaca, ovvero dieci volte gli attuali livelli di produzione), e se l’1% dell’azoto in quanto l’ammoniaca viene persa come N2O, allora la combustione dell’ammoniaca potrebbe produrre emissioni di gas serra equivalenti al 15% delle emissioni odierne derivanti dai combustibili fossili. L’intensità dei gas serra di un tale tasso di perdita significherebbe che bruciare ammoniaca come combustibile sarebbe più inquinante del carbone.
Come N. dell’ammoniaca2O emissioni, Robert Socolow, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, emerito e studioso senior a Princeton, ha affermato che l’uso diffuso dell’ammoniaca nel settore energetico si aggiungerà a tutti gli altri impatti che i fertilizzanti hanno già avuto sul ciclo globale dell’azoto.
In un articolo fondamentale pubblicato nel 1999, Socolow ha discusso gli impatti ambientali dell’uso diffuso da parte del sistema alimentare di fertilizzanti arricchiti di azoto per promuovere la crescita delle colture, scrivendo che “L’eccesso di azoto fisso, in varie forme, aumenta l’effetto serra… contamina l’acqua potabile, acidifica la pioggia…e stressa gli ecosistemi.”
Poiché il settore energetico guarda all’ammoniaca come combustibile, Socolow ha affermato che può imparare dall’uso dell’ammoniaca come fertilizzante in agricoltura. Ha esortato gli operatori del settore energetico a consultare decenni di lavoro di ecologisti e scienziati agricoli per comprendere il ruolo dell’eccesso di azoto nel disturbare i sistemi naturali.
“Il carburante con ammoniaca può essere fatto, ma non può essere fatto nel modo che desideriamo”, ha detto Socolow, il cui articolo del 2004 con Stephen Pacala, il professore emerito di Ecologia e Biologia Evoluzionistica Frederick D. Petrie, sui cunei di stabilizzazione è diventato una fondazione della moderna politica climatica. “È importante guardare prima di saltare.”
Una tabella di marcia per un’economia sostenibile dell’ammoniaca
Sebbene le conseguenze ambientali di un’economia dell’ammoniaca andata male siano gravi, i ricercatori hanno sottolineato che i potenziali ostacoli identificati sono risolvibili attraverso un’ingegneria proattiva.
“Interpreto questo articolo come un manuale per gli ingegneri”, ha detto Mueller. “Identificando lo scenario peggiore per un’economia basata sull’ammoniaca, stiamo davvero identificando ciò di cui dobbiamo essere consapevoli mentre sviluppiamo, progettiamo e ottimizziamo nuovi sistemi energetici basati sull’ammoniaca.”
Ad esempio, Mueller ha affermato che esistono strategie di combustione alternative che potrebbero aiutare a ridurre al minimo gli NO indesideratiX e n2O emissioni. Sebbene ogni strategia abbia i suoi pro e contro, ha affermato che prendersi il tempo necessario per valutare i sistemi candidati con un occhio alla mitigazione delle emissioni garantirà che i sistemi di combustione siano pronti a funzionare in modo ottimale per il carburante con ammoniaca.
Un’altra opzione per accedere all’energia contenuta nell’ammoniaca prevede la scissione parziale o totale dell’ammoniaca in idrogeno e azoto atmosferico attraverso un processo noto come cracking. Il cracking dell’ammoniaca, una linea di ricerca perseguita attivamente da Emily A. Carter, potrebbe aiutare a rendere la composizione del carburante più favorevole alla combustione o addirittura aggirare le preoccupazioni ambientali della combustione dell’ammoniaca rigenerando il combustibile a idrogeno nel punto di utilizzo. Carter è Gerhard R. Andlinger Professore di Energia e Ambiente, consulente strategico senior e direttore associato del laboratorio per i materiali applicati e le scienze della sostenibilità presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
Inoltre, esistono già diverse tecnologie su scala industriale per convertire l’NO indesideratoX emissioni dalla combustione nuovamente in N2 attraverso un processo noto come riduzione catalitica selettiva. Queste tecnologie potrebbero essere facilmente trasferibili ad applicazioni di combustibili a base di ammoniaca. E come bonus conveniente, molti di loro si affidano all’ammoniaca come materia prima per rimuovere l’NOX – qualcosa che ce ne sarebbe già in abbondanza in un sistema basato sull’ammoniaca.
Oltre alle pratiche ingegneristiche che potrebbero essere sviluppate per ridurre al minimo gli impatti ambientali di un’economia ad ammoniaca, Porporato ha affermato che il lavoro futuro guarderà anche oltre gli approcci ingegneristici per identificare politiche e strategie normative che garantiscano lo scenario migliore per il combustibile ad ammoniaca.
“Immaginate i problemi che avremmo potuto evitare se avessimo conosciuto i rischi e gli impatti ambientali della combustione di combustibili fossili prima dell’inizio della rivoluzione industriale”, ha detto Porporato. “Con l’economia dell’ammoniaca, abbiamo la possibilità di imparare dal nostro passato di emissioni di carbonio. Abbiamo l’opportunità di risolvere le sfide che abbiamo identificato prima che diventino un problema nel mondo reale”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
