O futuro da produção de amônia é a eletroquímica

A amônia é o fertilizante à base de nitrogênio mais comum e amplamente utilizado no mundo no setor agrícola. Devido ao crescimento exponencial da população mundial nos últimos 140 anos, a procura de amoníaco continua a aumentar. Além do seu valor na agricultura, o amoníaco também tem recebido consideração significativa na economia do hidrogénio pelo seu potencial como transportador de hidrogénio viável para permitir o transporte seguro em longas distâncias e períodos em grandes quantidades. No entanto, a produção tradicional de amônia utiliza combustíveis fósseis, como o metano, como fonte do hidrogênio necessário para a reação. A utilização desta fonte de hidrogénio torna-a responsável por 1,5–2% do CO global₂ emissões, uma tecnologia coloquialmente definida como «cinzenta». Comumente chamada de “amônia verde”, a amônia sintetizada eletroquimicamente com o uso de eletricidade de fontes renováveis é uma alternativa interessante com emissão zero de carbono. 

Cisne-H, uma empresa start-up fundada no final de 2021, contribui para a descarbonização da produção de amoníaco através da fixação de azoto disponível gratuitamente na atmosfera. Eles estão trabalhando ativamente em um processo exclusivo de ativação de nitrogênio, patenteado em conjunto com a Universidade de Toulouse e o Conselho Francês de Pesquisa (CNRS). Para saber mais sobre a produção de amônia verde e o processo que a equipe Swan-H está desenvolvendo, entrevistamos Dr. Augustin De Bettignies (comunicador externo, CCO – Diretor Comercial), Dancheng Legrand (gerente de laboratório) e Nicolas Mézailles (diretor de pesquisa , CSO – Diretor Científico).

Augustin, Swan-H é uma empresa dedicada à nova produção de amônia. Você pode apresentar sua equipe e suas funções?

A equipe Swan-H é um grupo internacional de oito pessoas, composto por quatro fundadores e quatro pesquisadores. Esta coleção de especialistas inclui o Dr. Nicolas Mézailles – o fundador da empresa e chefe de pesquisa, o químico empreendedor Dr. De Bettignies) sou a parte empresarial.

A via sintética inventada por Swan-H é considerada mais sustentável, mas como exatamente ela difere de outros tipos de produção de amônia?

A reação entre N₂ e H₂ para produzir NH₃ é particularmente difícil. O conhecido processo Haber-Bosch foi amplamente adotado como procedimento industrial padrão para a produção de amônia desde o início do século XX. Este processo industrializado facilita a produção de amônia apenas sob condições muito exigentes de temperaturas elevadas (400 °C) e pressões (>100 bar), e também requer o uso de um catalisador heterogêneo [1]. Além disso, as moléculas de hidrogênio utilizadas no processo são geradas a partir da reforma a vapor do metano (MSR) [2].

Saiba mais sobre o desenvolvimento do processo Haber-Bosch em nossa postagem no blog.

Uma História da Química – Parte 4

Para reduzir a pegada de carbono desta reação, alguns fabricantes de amônia utilizam agora H₂ produzido a partir de uma reação de divisão da água em um eletrolisador. O resultado deste processo Haber-Bosch modernizado é conhecido como «amónia verde». No entanto, este processo ainda requer altas temperaturas e pressões e um catalisador para sintetizar NH₃. É também claramente menos compatível com a produção intermitente de energia dos parques eólicos e solares porque a alta temperatura e pressão devem ser sustentadas para executar o processo em todos os momentos.

Filosoficamente, Swan-H tem uma mentalidade diferente em comparação com a indústria Haber-Bosch. Nosso processo é realizado em temperatura do quarto e pressão atmosférica, reduzindo significativamente o consumo de energia necessário para a produção de amoníaco, que actualmente representa 1,5–2% do consumo global de energia. A nossa estratégia baseia-se na geração de radicais cuidadosamente concebidos que reagem num mecanismo gradual com a molécula de azoto, em vez de utilizar «força bruta» (alta temperatura e pressão) para a dividir utilizando o catalisador.

O método Swan-H também emprega água como fonte de hidrogênio em vez de materiais à base de carbono. Isso resulta em um processo que é menos exigente em energia, eletrodo independente da superfície, e tem um pegada de carbono mínima. «Independente da superfície do eletrodo» refere-se ao fato de a ativação do nitrogênio ocorrer em solução e, além dos benefícios acima mencionados, apresenta vantagens para o posterior aumento de escala. Isso diferencia o processo Swan-H de outros que combinam N₂ ativação e redução na mesma superfície.

Saiba mais sobre a produção de hidrogénio limpo («verde») a partir da água através de eletrólise nos nossos posts.

Hidrogénio verde, combustível do futuro: utilização de potenciostatos para desenvolver novos catalisadores para a produção de hidrogénio

Geração de hidrogênio verde: um desafio interdisciplinar enraizado na eletroquímica

A tecnologia que sua equipe de pesquisa está desenvolvendo ocorre em um eletrolisador alimentado por potencial/corrente constante. Você pode descrever a etapa eletroquímica que ocorre no terminal negativo ou no compartimento catódico com mais detalhes?

A singularidade da tecnologia Swan-H é ser capaz não para ativar o nitrogênio na superfície do eletrodo, mas sim para ativar um mediador que então reage com o nitrogênio. Isto permite que o processo de ativação do nitrogênio ocorra em todo o volume da solução e não seja limitado pela área superficial do eletrodo. Assim, ativamos eletroquimicamente um mediador químico que se torna uma espécie radical de alta energia. Esta espécie radical consegue reagir quimicamente com N₂ moléculas dissolvidas no eletrólito. Na etapa sucessiva, o produto amina (derivado contendo nitrogênio) reage com uma fonte de hidrogênio (por exemplo, água) transformando o processo geral em uma reação do tipo híbrida (eletroquímica-química). É a combinação de ambas as etapas que aproveita as principais propriedades dos eventos individuais, maximizando o potencial global de produção de amônia.

Um protótipo de reator baseado no processo de reação híbrida foi projetado e testado. Qual é o seu estado atual?

Nosso protótipo da primeira versão está atualmente funcionando em lotes com produção de miligramas em TRL 4 (Nível de prontidão tecnológica 4). Permite discussões normalizadas em diferentes campos e setores tecnológicos de forma segura.

Estamos coletando dados para quantificar a quantidade de energia necessária por unidade de amônia gerada pelo uso do VIONIC desenvolvido pela INTELLO. Até o final do ano, este protótipo deverá evoluir para uma fabricação mais autônoma e contínua, com maior produtividade atingindo TRL 5.

Você mencionou dois setores principais de aplicação da amônia: fertilizantes e tecnologia de hidrogênio. Que organizações e instituições específicas beneficiarão do processo Swan-H?

Existem apenas cerca de 100-120 fábricas de produção de amoníaco em todo o mundo, o que significa que é uma produção muito centralizada para aproximadamente 200 milhões de toneladas/ano no total. Isto cria uma forte dependência destas instalações de produção. Os produtores de amoníaco procuram formas de tornar o ciclo de produção mais ecológico, trabalhando com uma fonte de hidrogénio produzida com energia renovável disponível localmente, de preferência com processos que não exijam grandes fábricas.

Prevemos a produção de unidades de diferentes tamanhos baseadas na tecnologia Swan-H a nível regional, descentralizando a produção de amoníaco e fortalecendo as economias locais. Isto inclui empresas – e até países – que pretendem ser independentes de fontes estrangeiras de gás natural. Além disso, nossa visão é ser capaz de fornecer equipamentos que possam ser ligados, produzam NH₃ quando o excesso de energia estiver disponível e, em seguida, ser desligado novamente. Usada dessa forma, a amônia servirá como um produto químico de armazenamento de energia com elevado teor de hidrogênio.

Como usuário do VIONIC desenvolvido pela INTELLO, qual é a sua experiência com o Metrohm Autolab em geral e quais são os recursos do VIONIC que impulsionam sua pesquisa?

A equipe Swan-H teve uma interação muito agradável com o suporte local da Metrohm Autolab na França, e gostamos de trabalhar juntos no software. A interface do INTELLO é muito prática de usar e é um software bastante poderoso no que diz respeito ao número de análises na mesma tela. Eles destacaram para nós sua acessibilidade de plotagem e visibilidade de aquisição em tempo real.

Considerando as capacidades do VIONIC – prevemos uma alta resistência da solução nas condições de pesquisa, e este instrumento pode lidar com altas tensões e necessidades de conformidade, fazendo-nos decidir pelo Metrohm Autolab e VIONIC. A equipe também valorizou o recurso de desvinculação do INTELLO porque eles podem liberar seus computadores de VIONIC durante várias horas de medições e reconectá-los para recuperação de dados em vez de dedicar todos os recursos ao experimento.

Resumo

A transição para um processo de produção de amônia mais sustentável está ao nosso alcance, utilizando a ativação de nitrogênio por meio de reações eletroquímicas-químicas acopladas. O método de produção em desenvolvimento pela Swan-H é uma opção mais barata, mais segura e mais ecológica em comparação com o procedimento tradicional Haber-Bosch.

Além disso, o processo híbrido inventado pelo grupo Swan-H utiliza mediadores radicais para ativar N₂ e libere-o como NH₃ depois de H₂ absorção. A instrumentação eletroquímica com especificações e recursos que atendem às necessidades da aplicação, como o VIONIC desenvolvido pela INTELLO, desempenha um papel importante na descoberta e otimização do revolucionário processo de amônia “mais ecológico”.

Entre em contato com seu distribuidor Metrohm local para obter demonstração gratuita do VIONIC desenvolvido pela INTELLO.

Referências

[1] Processo Haber-Bosch. Britânica. https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process (acessado em 11/05/2023).

[2] Reforma a Vapor de Metano - uma visão geral. Tópicos ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/methane-steam-reforming (acessado em 11/05/2023).

Suas conclusões de conhecimento

VIONIC desenvolvido pela INTELLO – O futuro da eletroquímica é puro. VIONIC: um instrumento, pura descoberta.

Vídeo: Eficiência pura: VIONIC desenvolvido pela INTELLO

Folheto: VIONIC desenvolvido pela INTELLO

Folheto: VIONIC desenvolvido pela INTELLO - especificações completas