Por qué investigadores surcoreanos apuestan por el amoníaco para obtener hidrógeno limpio
Científicos surcoreanos han demostrado una forma de producir hidrógeno sin quemar combustibles fósiles: descomponen amoníaco en hidrógeno y nitrógeno a alta temperatura. En el Instituto de Investigación Energética de Corea (KIER), los ingenieros describen un reactor que funciona a unos 1.112 grados Fahrenheit (aproximadamente 600 °C) y produce hidrógeno con una pureza del 99,97 %. Esa producción es adecuada para pilas de combustible capaces de suministrar energía a vehículos o edificios. El proyecto busca reducir las emisiones de dióxido de carbono de la cadena de suministro de hidrógeno y utilizar materiales y procesos que puedan ampliarse a gran escala.
Contenido
- Por qué investigadores surcoreanos apuestan por el amoníaco para obtener hidrógeno limpio
- El reactor del KIER: cómo convertir amoníaco en hidrógeno apto para pilas de combustible
- Por qué el amoníaco es un eficaz portador de hidrógeno
- Del laboratorio a las carreteras y los barcos: cómo podría transformar el transporte
- Motores que funcionan directamente con amoníaco
- Construir la cadena de suministro: barcos, tanques y fábricas
- Qué dicen los líderes de la industria
- La producción de hidrógeno limpio se diversifica en Corea
- El amoníaco debe ser limpio para generar beneficios climáticos
- Riesgos, eficiencia y próximos pasos
- Puntos clave
El hidrógeno ya se utiliza en trenes, aviones en vuelos de prueba, automóviles, autobuses y barcos. Sin embargo, hoy la mayor parte se produce a partir de gas natural mediante reformado de metano con vapor, un proceso que libera dióxido de carbono. Aumenta la producción por vías limpias, como la electrólisis del agua con energía eólica y solar. El transporte del hidrógeno es otro desafío. El gas tiene una densidad muy baja, por lo que debe comprimirse o licuarse a temperaturas extremadamente bajas para recorrer largas distancias. El amoníaco, conocido por su uso en fertilizantes, ofrece una alternativa. Es líquido en condiciones moderadas y transporta hidrógeno en sus enlaces moleculares. Si se puede descomponer en el destino para obtener hidrógeno limpio y nitrógeno, se convierte en un puente práctico entre lugares con abundante energía renovable y otros con una gran demanda.
El reactor del KIER: cómo convertir amoníaco en hidrógeno apto para pilas de combustible
La descomposición del amoníaco es una reacción química sencilla. Al calentarse en presencia de un catalizador, las moléculas de amoníaco, NH3, se separan en hidrógeno y nitrógeno. En una reacción equilibrada, dos moléculas de amoníaco forman una molécula de nitrógeno y tres de hidrógeno. El rutenio, un metal precioso relacionado con el platino, es una opción habitual como catalizador porque funciona bien a temperaturas de alrededor de 600 °C. El sistema del KIER utiliza esa vía catalítica y luego purifica la corriente de gas para obtener hidrógeno apto para pilas de combustible.
Al salir del reactor de descomposición, el hidrógeno se mezcla con nitrógeno y trazas de amoníaco sin reaccionar. La adsorción por cambio de presión, una etapa de purificación habitual en las refinerías, separa los gases. Lechos de materiales porosos capturan los contaminantes bajo presión y liberan hidrógeno de alta pureza cuando esta disminuye. Una serie de lechos alterna entre la adsorción y la regeneración para mantener una producción constante. El KIER describe un reactor alojado en una estructura metálica cuadrada, con tuberías, mangueras, medidores y cilindros, además de un sistema de control que recicla parte de los gases del proceso para mantener altas temperaturas sin utilizar un quemador de hidrocarburos. Este método evita las emisiones directas de dióxido de carbono durante la conversión.
Por qué el amoníaco es un eficaz portador de hidrógeno
El hidrógeno es difícil de almacenar y transportar. El hidrógeno líquido requiere tanques criogénicos a unos 253 °C bajo cero. Es necesario controlar las pérdidas por evaporación, y su transporte requiere grandes inversiones. El amoníaco se licúa a unos 33 °C bajo cero o con una presión moderada. La industria química ya lo transporta por todo el mundo en grandes volúmenes. En el sector energético, esto significa que los productores pueden sintetizar amoníaco donde la energía renovable sea barata, transportarlo en barco y descomponerlo cerca de los consumidores finales.
Las pruebas industriales en Corea del Sur están reforzando la credibilidad de este modelo. Syzygy Plasmonics y Lotte Chemical probaron en Ulsan un sistema totalmente eléctrico de descomposición de amoníaco. La unidad alcanzó una eficiencia energética del 81 %, una conversión del 99 % y produjo alrededor de 290 kilogramos de hidrógeno al día. El consumo energético informado fue de unos 11 kilovatios hora por kilogramo de hidrógeno, y los diseños apuntan a 8 kWh por kilogramo. Los socios prevén desarrollar una pequeña planta comercial para abastecer la demanda local. Resultados como estos apuntan a una vía de importación que podría abastecer a Corea, Japón y otras regiones con alta demanda de energía.
Del laboratorio a las carreteras y los barcos: cómo podría transformar el transporte
Los vehículos de pila de combustible necesitan hidrógeno muy puro porque los catalizadores de las pilas de membrana de intercambio protónico son sensibles a las impurezas. La pureza del 99,97 % que informa el KIER responde a esas necesidades. Una posible vía de implementación consiste en crear centros regionales que reciban amoníaco, lo descompongan en el lugar y distribuyan hidrógeno purificado a las estaciones de servicio. Los astilleros, puertos y centros logísticos son lugares adecuados para los primeros sistemas, ya que ya manipulan materiales peligrosos y gestionan grandes flujos de energía.
Motores que funcionan directamente con amoníaco
Los ingenieros de Corea también estudian el uso directo del amoníaco como combustible. Una coalición liderada por el Instituto de Maquinaria y Materiales de Corea, junto con Hyundai Motor y Kia, presentó un motor de alta presión que inyecta amoníaco puro directamente en la cámara de combustión. El equipo mejoró la estabilidad y la potencia al sincronizar la inyección de combustible en varias etapas con la distribución variable de válvulas y un sistema de encendido reforzado. Un sistema propio de tratamiento de gases de escape reduce los óxidos de nitrógeno y el amoníaco sin quemar para limitar la contaminación atmosférica. El diseño elimina la necesidad de un reformador de amoníaco gaseoso, lo que simplifica algunas aplicaciones. Se está evaluando para la propulsión marítima, el suministro eléctrico fuera de la red y los vehículos pesados, con planes de implementación para 2027 aún en revisión.
Construir la cadena de suministro: barcos, tanques y fábricas
El comercio de hidrógeno a gran escala dependerá de buques y sistemas de almacenamiento especializados. HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering obtuvo la Aprobación en Principio de la Oficina Estadounidense de Transporte Marítimo (ABS) para un tanque de un buque transportador de hidrógeno que utiliza aislamiento al vacío para mantener temperaturas criogénicas cercanas a los 253 °C bajo cero. La empresa y sus socios estudian un buque de 80.000 metros cúbicos para transportar hidrógeno líquido. Los avances en tanques para hidrógeno líquido se suman a la flota existente de buques para amoníaco, que también puede contribuir al transporte de energía.
La capacidad de fabricación en tierra también está creciendo. Hyundai Motor comenzó la construcción de una nueva planta en Ulsan para producir pilas de combustible de próxima generación y electrolizadores de membrana de intercambio protónico. El proyecto representa una inversión de más de 644 millones de dólares. Está previsto que la planta esté terminada en 2027 y produzca unas 30.000 unidades de pilas de combustible al año. El plan busca mejorar el rendimiento y reducir los costos, además de desarrollar tecnologías clave para la producción de hidrógeno dentro de Corea.
Qué dicen los líderes de la industria
Los directivos de HD KSOE consideran que el avance del tanque forma parte de un impulso más amplio para descarbonizar el transporte de energía.
«Seguiremos colaborando con empresas líderes de todo el mundo para impulsar la transición energética y alcanzar los objetivos de cero emisiones netas».
La combinación de nuevos tanques, motores y capacidad de fabricación de pilas de combustible apunta a un esfuerzo coordinado para convertir proyectos piloto en cadenas de suministro completas.
La producción de hidrógeno limpio se diversifica en Corea
Los laboratorios coreanos avanzan en varias vías para producir hidrógeno limpio. El Instituto de Maquinaria y Materiales de Corea (KIMM) desarrolló un sistema de electrólisis de óxido sólido de 20 kilovatios que produjo hidrógeno de manera eficiente durante más de 3.000 horas. La electrólisis de óxido sólido funciona a altas temperaturas, lo que permite aprovechar el calor de los procesos industriales para reducir el consumo eléctrico. Este método puede ser adecuado para acerías y plantas químicas.
Otros equipos investigan procesos químicos complementarios. Científicos del KIER informaron sobre un catalizador que convierte dióxido de carbono en monóxido de carbono, un ingrediente clave para los combustibles sintéticos. Grupos académicos han demostrado métodos electroquímicos para producir amoníaco verde a temperatura ambiente. Países como Japón y Corea han manifestado interés en importar amoníaco verde vinculado a proyectos eólicos y solares, ya que esta molécula es más fácil de almacenar y transportar que el hidrógeno.
El amoníaco debe ser limpio para generar beneficios climáticos
Hay una salvedad importante. El amoníaco producido a partir de hidrógeno fósil tiene una gran huella de carbono. Descomponerlo en el destino no elimina las emisiones generadas en las etapas anteriores. Los analistas también advierten que la combustión conjunta de amoníaco o hidrógeno en centrales eléctricas de carbón o gas aporta beneficios climáticos limitados cuando se contabilizan todos los costos energéticos y logísticos. Los usos iniciales más prometedores del hidrógeno se encuentran en sectores difíciles de electrificar, como la siderurgia, la industria química, el transporte marítimo y el almacenamiento estacional de energía. Los responsables de la planificación en Corea evalúan esas ventajas y desventajas al fijar objetivos y normas.
Riesgos, eficiencia y próximos pasos
El consumo de energía es un indicador clave. La prueba del reactor de descomposición en Ulsan informó un consumo de unos 11 kilovatios hora por kilogramo de hidrógeno, y los diseños apuntan a 8 kWh por kilogramo. La cifra más baja reduciría los costos. Como referencia, el poder calorífico inferior del hidrógeno es de unos 33 kilovatios hora por kilogramo. La mejora de los catalizadores, la integración del calor y la calefacción eléctrica pueden reducir el costo energético de la descomposición.
La seguridad y las emisiones requieren un diseño cuidadoso. El amoníaco es tóxico y tiene un olor fuerte, por lo que los operadores necesitarán sistemas de vigilancia, ventilación y planes de emergencia. Cuando se utiliza en motores, se requiere un tratamiento posterior de los gases de escape para controlar los óxidos de nitrógeno. Los operadores deberán vigilar la durabilidad de los catalizadores y las membranas, así como los programas de mantenimiento de compresores y bombas. Las empresas diseñan sistemas de descomposición que funcionan íntegramente con electricidad, lo que facilita alimentarlos con energía eólica y solar. El KIER también estudia pilas de combustible de hidrógeno para edificios, una señal de que el transporte y el suministro eléctrico estacionario podrían crecer en paralelo.
Puntos clave
- El KIER demostró la descomposición del amoníaco a cerca de 600 °C para producir hidrógeno con una pureza del 99,97 %, sin quemar combustibles fósiles durante la conversión.
- El proceso utiliza un catalizador de rutenio y adsorción por cambio de presión para purificar el hidrógeno destinado a pilas de combustible.
- Syzygy y Lotte probaron en Ulsan un reactor de descomposición totalmente eléctrico, con una eficiencia del 81 %, una conversión del 99 %, una producción de unos 290 kilogramos al día y un consumo de cerca de 11 kWh por kilogramo; los diseños apuntan a 8.
- El amoníaco es un portador práctico de hidrógeno porque se licúa en condiciones moderadas y cuenta con una infraestructura de transporte marítimo global consolidada.
- KIMM, Hyundai y Kia presentaron un motor de alta presión que funciona con amoníaco puro y utiliza un sistema de tratamiento de gases de escape para reducir las emisiones. Está destinado a usos marítimos, fuera de la red y en vehículos pesados a partir de 2027.
- HD KSOE obtuvo la Aprobación en Principio para un tanque de hidrógeno líquido de gran tamaño y estudia un buque transportador de 80.000 metros cúbicos.
- Hyundai construye en Ulsan una planta de 644 millones de dólares para producir pilas de combustible y electrolizadores de membrana de intercambio protónico, con el objetivo de fabricar 30.000 unidades de pilas de combustible al año para 2027.
- Corea también desarrolla la electrólisis de óxido sólido para producir hidrógeno verde y catalizadores para convertir dióxido de carbono en componentes básicos de combustibles limpios.
- Los analistas advierten que la combustión conjunta de hidrógeno o amoníaco en centrales eléctricas de combustibles fósiles ofrece beneficios climáticos limitados una vez contabilizado el consumo energético de la cadena de suministro. Por ello, los usos prioritarios incluyen la siderurgia, la industria química, el transporte marítimo y el almacenamiento estacional.
- Entre los aspectos que habrá que vigilar están el consumo de energía por kilogramo durante la descomposición, el control de los óxidos de nitrógeno, las medidas de seguridad para manipular amoníaco, el origen del amoníaco verde y las demostraciones a gran escala.
