El futuro del amoníaco "verde" como combustible marino

Longyearbyen es la ciudad más grande de Svalbard y puede convertirse en uno de los primeros consumidores a gran escala de hidrógeno verde o amoníaco producido a partir de parques eólicos en Finnmark. Crédito de la foto Visita Svalbard.

Recipiente de GLP Clipper Saturno. Crédito de la foto Solvang ASA.

Fosa de cables en el parque eólico Hamnefjell en el norteño condado de Finnmark en Noruega. Crédito de la foto Multiconsult.

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El amoníaco, la misma solución picante utilizada en fertilizantes y agentes de limpieza, algún día puede ser la clave para transportar energía renovable en todo el mundo. Actualmente hay una serie de proyectos gubernamentales y corporativos que evalúan la viabilidad de convertir el exceso de energía renovable de fuentes como la eólica, solar, mareomotriz y nuclear en amoníaco y luego nuevamente en energía utilizable.

En su forma más pura, el amoníaco o NH3 está compuesto de un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno, lo que lo convierte en un candidato ideal para unir químicamente el exceso de energía renovable. Al igual que varios otros compuestos químicos, el amoníaco puede ser transportado por un tanque químico en forma líquida a los usuarios finales. Basado en su punto de licuación cercano al ambiente, puede ser más atractivo transportar amoníaco a distancias más largas que el hidrógeno. Una vez descargado, el amoníaco se puede convertir nuevamente en energía y calor utilizables con celdas de combustible, turbinas de gas o motores de combustión.

En un esfuerzo por convertirse en una sociedad neutral en carbono, países como Noruega están considerando proyectos que demostrarían este concepto a gran escala. Para determinar su viabilidad técnica y económica, se realizó un estudio para determinar si el exceso de energía eólica producida en Finnmark, el condado más septentrional de Noruega continental, podría convertirse para comprimir hidrógeno o amoníaco y entregarse en la isla aislada de Svalbard. Estos proyectos son ejemplos de una posible nueva norma en el transporte de renovables en todo el mundo a través de buques. Para arrojar algo de luz adicional sobre el tema, este artículo explora el proyecto Svalbard en Noruega y considera cómo la industria marítima podría desempeñar un papel importante en este creciente mercado energético.

Buque GLP Clipper Odin. Crédito de la foto Solvang ASA. El estudio de caso de Svalbard
Aunque todavía está evaluando diferentes tecnologías de producción de energía, si el gobierno noruego decide avanzar con el suministro de amoníaco a Svalbard, marcará el primer proyecto a gran escala para proporcionar calor y electricidad a la comunidad a través del amoníaco. La conversación para considerar el amoníaco como un proveedor de energía entre Finnmark y Svalbard comenzó con la decisión de cerrar la planta de energía de carbón heredada de Svalbard en 2016. Según las estimaciones actuales de Statkraft, uno de los principales socios corporativos que ayudan al gobierno noruego, el carbón actual las reservas solo durarán hasta 2025. Después de ese punto, el carbón deberá enviarse a la isla a través de un granelero o se establecerá una nueva central combinada de calor y electricidad.

Aproximadamente a 800 kilómetros de distancia en el austero norte de Noruega continental, Statkraft recientemente obtuvo licencias para desarrollar aún más dos grandes parques eólicos llamados campos Raggivudda y Hamnefjell en Finnmark. Con el manto de ser "una de las plantas de energía eólica más eficientes de Noruega", Statkraft está ansioso por desarrollar capacidad adicional en el área para aprovechar las condiciones ideales para la generación de energía eólica. Sin embargo, un desafío que Statkraft debe superar es que los parques eólicos están aislados de la red eléctrica nacional en Noruega. Esto evita que los propietarios del parque eólico, Varanger Kraft, vendan el exceso de energía al resto de Noruega y al extranjero. Es a partir de estos dos conjuntos de problemas interesantes que los expertos en energía renovable comenzaron a considerar el amoníaco como un método para transportar energía desde el sitio de producción a los clientes.

Para resolver estos problemas logísticos y potencialmente generar oportunidades de negocios adicionales en múltiples sectores industriales, Statkraft y varias compañías químicas y de investigación bien conocidas se dedicaron a evaluar alternativas. Resumido en un informe traducido titulado "Suministro de energía renovable a Svalbard - Longyearbyen", Statkraft explora diferentes tecnologías de carbono neutral que podrían transportar la energía renovable creada en Finnmark a la isla de Svalbard.

Como punto de partida, el estudio de factibilidad considera los siguientes requisitos y suposiciones para servir a la comunidad en Svalbard. La primera suposición es que Statkraft podrá aumentar la producción de viento en la región de Finnmark para lograr una capacidad eléctrica instalada de entre 40 y 50 MW. Esta capacidad instalada se utilizará para generar aproximadamente 3800 toneladas de hidrógeno anualmente para el transporte a Svalbard para 2025. Como usuario final, Longyearbyen, que es la ciudad principal de Svalbard, requiere 40 Gigavatios-hora (GW-h) de electricidad y 70 GW-hrs de calor anualmente. Según este requisito, Svalbard requeriría una capacidad de producción instalada de 12 MW de energía eléctrica y 15 MW de energía térmica. Además, dada la dependencia crítica de los habitantes de Svalbard del transporte de combustible, las soluciones propuestas deben poder suministrar un amortiguador de calor y electricidad de 30 días.

Electrolizador producido por Nel Hydrogen Solutions utilizado para convertir agua en hidrógeno y oxígeno a través del proceso de electrólisis. Crédito de la foto Nel ASA.

Métodos de transporte de hidrógeno renovable
Para trasladar la energía renovable "varada" de Finnmark a los usuarios finales en Svalbard, Statkraft analizó cuatro medios alternativos para transportar la energía. Estos medios, o "vectores de energía", incluían hidrógeno comprimido, hidrógeno líquido, hidrógeno unido en metanol e hidrógeno unido en amoníaco. Para reducir estas posibilidades, Statkraft consideró el costo total de propiedad durante 25 años. Después de un análisis exhaustivo, Statkraft concluyó que el hidrógeno comprimido y el hidrógeno unido en amoníaco tenían el costo total de propiedad más bajo y cumplían con todos los requisitos.
Crítico para las cuatro soluciones propuestas es el proceso de electrólisis. Durante la electrólisis, la corriente eléctrica pasa a través del agua que se divide en hidrógeno y oxígeno. La idea es que el exceso de energía eólica de los parques eólicos en Finnmark se enviaría a través de un electrolizador para crear hidrógeno, y luego el hidrógeno se utilizaría como materia prima para las cuatro alternativas consideradas.

Una alternativa es que el hidrógeno puede comprimirse usando un compresor de gas y almacenarse en contenedores presurizados para propósitos especiales y enviarse directamente a Svalbard. Statkraft propuso comprimir hidrógeno puro a 350 bar y almacenar el gas en tanques de la Organización Internacional de Normalización (ISO) que se cargarían en TEU y se transportarían en contenedores tradicionales. Los cálculos de alto nivel revelan que se requerirían 4600 cargas de contenedores para lograr las 3800 toneladas de hidrógeno requeridas para proporcionar el calor y la electricidad anuales requeridos a Svalbard.

Otro método para transportar hidrógeno es enfriar la sustancia a -253 grados Celsius y transportarla como un líquido criogénico a granel de manera similar al Gas Natural Licuado (GNL). Como se detalla en un artículo anterior de Maritime Report, varias compañías marítimas, incluidas Moss Maritime, Wilhelmsen y Kawasaki Heavy Industries, están considerando un método innovador para transportar hidrógeno líquido a granel. El informe de Statkraft concluye que la opción de hidrógeno líquido tendría el costo total de propiedad más alto en comparación con otras opciones consideradas.

El tercer método de transporte de hidrógeno discutido en el estudio de factibilidad de Statkraft es mediante el procesamiento adicional de la sustancia para formar metanol. Uno de los principales beneficios del metanol es que comparte muchas de las mismas cualidades con los productos derivados del petróleo, como el diesel y la gasolina, que pueden ser transportados fácilmente por la flota existente de petroleros químicos. Desafortunadamente, el informe descartó este método de transporte citando la falta de fuentes importantes de carbono ubicadas en las proximidades para ser utilizadas como materia prima para producir metanol.

El método final sugerido por Statkraft para transportar energía eólica desde Finnmark a Svalbard es combinar hidrógeno con nitrógeno que se encuentra en el aire para formar amoníaco. Usando una técnica conocida como el proceso de síntesis de Haber-Bosch, el hidrógeno y el nitrógeno del aire se calientan y comprimen para formar amoníaco. Alternativamente, una pila de combustible reversible puede usarse directamente para producir amoníaco.

A diferencia del hidrógeno en su forma pura, que existe como un gas a temperatura y presión atmosféricas, el amoníaco se puede almacenar y mantener en forma líquida utilizando sustancialmente menos energía para licuar la sustancia que el hidrógeno. Teniendo en cuenta que se necesitarían 26.500 toneladas de amoníaco anualmente para satisfacer las demandas de energía y calor de Svalbard, Statkraft estima que se necesitaría un transportador de GLP de amoníaco para transportar el amoníaco una o dos veces al año.

Después de considerar tanto la factibilidad técnica como los costos asociados con estas formas no tradicionales de transporte de energía, el estudio de factibilidad de Statkraft concluyó que el hidrógeno comprimido y el amoníaco parecían ser las dos posibilidades principales para el estudio de caso de Svalbard.

Instalación de turbinas en los parques eólicos Raggividda en el norteño condado de Finnmark en Noruega. Crédito de la foto Bjarne Riesto. Transportando amoníaco
Al igual que otros productos utilizados en la industria petroquímica, el amoníaco ha sido transportado por buques durante décadas. Los transportistas de gas licuado de petróleo (GLP) parecen ser el método más popular para transportar amoníaco a granel a largas distancias. Estas embarcaciones mantienen su carga en forma líquida utilizando tanques completamente refrigerados, semi-refrigerados o completamente presurizados.

Para mantener el amoníaco en forma líquida, la sustancia generalmente se almacena a bordo de los transportadores de GLP en tanques prismáticos autoportantes que tienen una temperatura de trabajo de al menos 50 grados Celsius negativos. Los transportadores de GLP generalmente transportan entre 15,000 y 85,000 metros cúbicos de amoníaco, siendo los tamaños más comunes de 30, 52 y 80 mil metros cúbicos por volumen. Utilizando algunos de los mismos principios de diseño que los portadores de gas natural licuado (GNL), los portadores de GLP tienen una barrera primaria y secundaria para garantizar que el amoníaco almacenado esté contenido si falla el sistema de refrigeración o la barrera primaria.

En el contexto del estudio de caso de Svalbard y muchos otros proyectos de amoníaco "verde" en todo el mundo, el amoníaco es atractivo por su densidad de energía relativamente grande y menor aporte de energía requerido para mantener la sustancia en forma líquida. El amoníaco puede almacenarse como un líquido refrigerado a - 34 grados Celsius a presión atmosférica estándar o a temperatura ambiente normal a presiones de alrededor de 10 bares. En comparación con el hidrógeno líquido, el amoníaco tiene casi el doble de la densidad de energía por volumen y requiere menos energía y aislamiento para mantener la sustancia en forma líquida mientras es transportada por un recipiente desde la fuente hasta el usuario final.

Sin embargo, uno de los principales inconvenientes del amoníaco es su alto grado de toxicidad. Según la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) del Departamento de Trabajo de los Estados Unidos, "el amoníaco se considera un riesgo para la salud porque es corrosivo para la piel, los ojos y los pulmones". Además, cuando se mezcla con aire, el amoníaco puede volverse inflamable a una concentración de 15 a 28 por ciento en volumen. Tradicionalmente, el material de alimentación de amoníaco para las operaciones de fertilización se transporta como "amoníaco anhidro", lo que significa que puede absorber rápidamente en agua y formar soluciones alcalinas fuertes como el hidróxido de amonio, que también es altamente tóxico en altas concentraciones. Para garantizar la seguridad pública y de la tripulación, los buques que transportan amoníaco deben cumplir con el Código internacional para la construcción y el equipo de buques que transportan gases licuados a granel (Código IGC) producido por la OMI.
Curiosamente, también hay una serie de proyectos de ingeniería marítima que evalúan la viabilidad del uso de amoníaco como combustible marino. Ejemplos de proyectos importantes incluyen, el estudio de factibilidad que está realizando C-Job, una firma de arquitectura naval en los Países Bajos, y el anuncio de MAN ES, un proveedor global de motores marinos y sistemas de energía, para iniciar una investigación multimillonaria y Programa de desarrollo para desarrollar un motor de dos tiempos con amoníaco. En un mundo perfecto, los esfuerzos de investigación en los sectores marítimo y de servicios públicos pueden culminar para formar una cadena logística de suministro completamente nueva donde el amoníaco "verde" se transporta a un buque de GLP durante el abastecimiento de combustible y luego una parte de la sustancia se utiliza como combustible marino durante el transporte. El producto a los clientes.

Independientemente del resultado de cada proyecto individual, es claro, según el número y el momento de varios proyectos de amoníaco en todo el mundo, que el amoníaco probablemente se volverá más común en los puertos y vías fluviales. Con base en estos desarrollos, tanto las partes interesadas en la industria de servicios públicos como la industria marítima deberían considerar seguir de cerca los desarrollos para determinar en qué condiciones este acuerdo podría ser rentable.

Longyearbyen es la ciudad más grande de Svalbard y puede convertirse en uno de los primeros consumidores a gran escala de hidrógeno verde o amoníaco producido a partir de parques eólicos en Finnmark. Crédito de la foto Visita Svalbard.

Como se publicó en la edición de septiembre de 2019 de Maritime Reporter & Engineering News.