Impulsionando a sustentabilidade por meio da produção de amônia verde

A amônia é um composto formado apenas por nitrogênio e hidrogênio, e é vital para diversas aplicações do dia a dia no mundo moderno. Mais importante ainda, ela desempenha um papel crucial na produção de alimentos como a principal fonte de nitrogênio para fertilizantes, permitindo a agricultura suficiente para alimentar a crescente população global.

Além da agricultura, a amônia é amplamente utilizada em várias aplicações de processos industriais, incluindo:

• Produção de produtos químicos, fornecendo uma base para vários produtos, incluindo plásticos, fibras, corantes e explosivos.
• Fabricação farmacêutica, como material inicial para vários ingredientes farmacêuticos ativos e para controle de pH.
• HVAC, como refrigerante devido às suas propriedades eficientes de transferência de calor.
• Indústria alimentícia, como aditivo e conservante.
• Tratamento de água, para purificar os suprimentos de água criando cloraminas, que ajudam a facilitar a desinfecção orgânica.
• Produtos de limpeza, como ingrediente chave em muitos produtos domésticos devido às suas propriedades desengraxantes e desinfetantes.
• Fabricação têxtil, aplicada durante o processo de acabamento para melhorar a suavidade do tecido e a afinidade com os corantes.

Embora a amônia seja um produto químico valioso em muitas indústrias, os métodos convencionais de produção de amônia têm impactos ambientais, o que estimula a exploração de alternativas mais ecológicas.

A amônia é produzida principalmente pelo processo Haber-Bosch, no qual o nitrogênio é combinado com hidrogênio a alta pressão e temperatura na presença de um catalisador.

Os passos incluem:

• Extração de nitrogênio: O nitrogênio (N₂) é extraído do ar usando uma unidade de separação de ar por meio de um processo de liquefação e destilação. Alternativamente, a adsorção por oscilação de pressão utiliza materiais adsorventes especializados para capturar seletivamente as moléculas de nitrogênio.
• Produção de hidrogênio: O combustível de hidrogênio (H₂) é comumente produzido porreforma a vapor de metano ou reforma autotérmica.
• Síntese de amônia: Os gases purificados de nitrogênio e hidrogênio são misturados e passam por um catalisador – tipicamente ferro – a alta pressão (> 200 atm/2.940 psi) e temperatura (> 450 °C/842 °F), criando algum nitrogênio e hidrogênio elementares, que se combinam para formar amônia (NH₃).
• Resfriamento da amônia e do hidrogênio e nitrogênio residuais: Os gases saem do reator a uma temperatura > 450 °C/842 °F e são resfriados por um trocador de calor que também funciona como uma caldeira de recuperação de calor residual. Isso produz vapor superaquecido, que é posteriormente utilizado em uma unidade de geração de energia.
• Separação de amônia: A mistura de gases é resfriada para aproximadamente -40 °C (-40 °F), fazendo com que a amônia se condense, permitindo sua separação devido ao seu ponto de ebulição mais alto em relação aos gases de nitrogênio e hidrogênio não reagidos. Esses gases não reagidos são reciclados de volta ao processo para completar sua reação.

O processo geral é representado como: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3

O método Haber-Bosch é intensivo em energia, e os processos de produção de hidrogênio marrom, preto e cinza contribuem para as emissões de gases de efeito estufa (GEE). Esse impacto ambiental está levando à preferência por hidrogênio verde proveniente de fontes sustentáveis e para alimentar a produção de nitrogênio com fontes renováveis.

A produção de hidrogênio usada para criar amônia representa aproximadamente 1,8% das emissões globais de dióxido de carbono, um valor comparável a toda a indústria de aviação. Em resposta a essas preocupações ambientais, o conceito de "amônia verde" visa reduzir substancialmente a pegada de carbono da produção de amônia, obtendo seus gases componentes por meio de processos com emissões líquidas zero, impulsionados por fontes de energia renováveis.

As matérias-primas para a produção de amônia verde consistem em três necessidades simples: ar, água e energia renovável para alimentar os diversos processos.

Usando destilação criogênica ou adsorção por oscilação de pressão, unidades de separação de ar extraem nitrogênio da atmosfera. A destilação criogênica funciona resfriando o ar a temperaturas extremamente baixas, separando seus gases componentes – incluindo o nitrogênio, necessário para a produção de amônia – com base em seus diferentes pontos de ebulição. Alternativamente, a adsorção por oscilação de pressão utiliza materiais adsorventes especializados para capturar seletivamente as moléculas de nitrogênio.

O principal fator distintivo da amônia verde é o uso de hidrogênio verde, produzido por eletrólise da água alimentada por energia renovável, o que gera zero emissões. Esse processo envolve a divisão das moléculas de água em seus átomos componentes de hidrogênio e oxigênio, onde o gás hidrogênio é coletado como matéria-prima para a síntese de amônia e o oxigênio inofensivo é liberado no ar. A eletrólise ocorre principalmente utilizando eletrolisadores alcalinos – uma tecnologia madura e comprovada – ou eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM), conhecidos por sua maior eficiência e tempos de resposta mais rápidos, mas com custos mais elevados.
O nitrogênio e o hidrogênio são então reagidos de acordo com o processo Haber-Bosch, mas com uma pegada de carbono reduzida. Todos os processos ao longo do caminho devem ser alimentados por energia renovável para que a amônia resultante seja classificada como "verde".

A amônia também pode ser decomposta em hidrogênio por meio do processo de cracking da amônia, embora essa reação seja bastante intensiva em energia, exigindo uma temperatura de 600 °C/1.112 °F na presença de um catalisador. Esse processo é utilizado em algumas aplicações que requerem hidrogênio, pois a amônia é mais fácil de manusear e armazenar em grande quantidade do que o hidrogênio puro.

Como acontece com muitos processos de baixo carbono, escalar a produção de amônia verde apresenta desafios relacionados a limitações de infraestrutura e altos custos de produção. Primeiramente, o setor de energia renovável – embora esteja crescendo rapidamente – ainda não atingiu o nível de integração com a rede e armazenamento de energia dos sistemas convencionais, o que é necessário para atender à demanda industrial e de produtos de consumo. Da mesma forma, os eletrolisadores para a produção de hidrogênio verde ainda exigem investimentos significativos para serem escalados.

No entanto, à medida que as tecnologias sustentáveis amadurecem e as economias de escala são alcançadas, a produção de amônia verde se tornará cada vez mais competitiva em termos de custo. O custo da energia renovável tem diminuído nos últimos anos e espera-se que essa tendência continue, o que tornará o hidrogênio verde e o nitrogênio mais economicamente acessíveis.

A amônia também está sendo testada como um transportador de energia sem carbono – e até mesmo para combustão direta em algumas aplicações - ajudando a resolver os desafios de intermitência da energia solar e eólica. Além disso, sua alta densidade energética levou à exploração como combustível para navegação e transporte de longa distância, aplicações tradicionalmente intensivas em carbono.

Independentemente de seu valor, a amônia é um produto químico perigoso e deve ser manuseada com cautela. A inalação de apenas 0,5% de ar com concentração de amônia pode ser fatal para os seres humanos. Sua natureza altamente corrosiva e tóxica exige protocolos de segurança rigorosos durante a produção, transporte e uso.

Além do equipamento de proteção individual padrão e do treinamento abrangente dos funcionários, sistemas de detecção de vazamentos ajudam a mitigar o perigo em caso de uma violação não planejada da contenção. Esses sistemas são compostos por detectores de gás eletroquímicos, transmissores de pressão e outros instrumentos de segurança avançados e componentes.

Além disso, as unidades de separação de ar usadas para extrair nitrogênio do ar para a produção de amônia dependem de instrumentos como analisadores TDLAS para análise de pureza e sensores de pressão para controle do processo. No processo de eletrólise da água, sensores de condutividade monitoram a qualidade do eletrólito, garantindo o desempenho ideal e a longevidade do eletrolisador, enquanto medidores de vazão ajudam a regular a produção de hidrogênio e oxigênio.

O loop de síntese de amônia depende de uma ampla variedade de instrumentação – incluindo sensores de temperatura, transmissores de pressão e analisadores de gás – para otimizar as condições de reação e garantir a qualidade do produto. Esses instrumentos fornecem dados contínuos tanto para controle em tempo real quanto para análise histórica, permitindo que a equipe otimize o processo e maximize a eficiência, enquanto mantém condições operacionais seguras.

A decomposição da amônia requer medidores de vazão de massa para entrega precisa de gás e taxas de reação otimizadas, termopares para medição precisa de temperatura e analisadores de gás para monitorar a composição da vazão de hidrogênio do produto, garantindo a pureza.

Embora a amônia seja extremamente valiosa em diversos processos industriais que os consumidores muitas vezes consideram garantidos, a adoção generalizada da amônia verde ainda enfrenta barreiras. A infraestrutura de energia renovável e eletrólise ainda é limitada, e os custos de investimento são altos. Além disso, o transporte e armazenamento seguros de amônia exigem uma consideração cuidadosa devido à sua natureza perigosa, embora os métodos aprovados sejam bem estabelecidos.

O principal benefício da amônia verde é desvincular a produção de amônia da dependência de combustíveis fósseis para reduzir as emissões de GEE (gases de efeito estufa). Como resultado, a amônia verde tem atraído a atenção tanto de governos quanto da indústria, e essas partes interessadas estão incorporando estrategicamente esse produto em seus planos de sustentabilidade. Ela oferece um caminho para reduzir a pegada de carbono da indústria de fertilizantes e de outros inúmeros setores que dependem fortemente da amônia.

Mais pesquisa e desenvolvimento, juntamente com a inovação contínua nas tecnologias de produção e utilização, serão fundamentais para impulsionar a adoção generalizada da amônia verde, à medida que o mundo se esforça para alcançar as iniciativas de emissões líquidas zero até meados deste século.