L’atomo di Azoto, costituente l’ammoniaca ( NH3), si lega con 3 atomi di Idrogeno, immagazzinando il 70% più energia dell’Idrogeno liquido.
confronto in volume.
- L’ammoniaca ha una densità energetica di 15,6 MJ/litro,
- L’Idrogeno liquido ha una densità energetica di 9,1 MJ/litro, e necessita di temperature molto basse (-253°C), per rimanere allo stato liquido.
- L’Idrogeno mantenuto a 700 bar ha una densità energetica di 5,6 MJ/litro.
Paragonando la densità energetica in peso, l’ammoniaca trasporta 6250 Wh/kg, circa il 20% più energia delle attuali batterie al Litio.
L’interesse si concentra sulla produzione di ammoniaca perché è più facile da immagazzinare, trasportare e distribuire utilizzando le strutture attualmente disponibili.
Attualmente esistono due sistemi per recuperare l’Idrogeno contenuto nell’ammoniaca: Cracking e Fuel cell.
Cracking (chemistry) - Wikipedia
Sottoponendo la molecola di ammoniaca ad alta temperatura, alta pressione in presenza di catalizzatori, si scinde la molecola NH3, separando i due gas H2 e N2 ; bruciando questi due gas, si ottiene acqua e ossidi di Azoto, altamente inquinanti.
Inoltre, l’ammoniaca non brucia a bassa temperatura, pertanto è necessario l’utilizzo di un altro combustibile per iniziare la reazione di ossidazione con produzione di CO2 e altri ossidi di Azoto.
La società australiana CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization), vanta un recupero energetico del 21% (2315 Wh/kg), rispetto alla energia utilizzata per produrre l’ammoniaca.
Celle a combustibile per ottenere elettricità.
Rendimento del recupero dell’Idrogeno contenuto nell’ammoniaca, rispetto l’energia utilizzata per la sua produzione.
La società CSIRO, vanta un recupero di 2094 Wh/kg utilizzando una cella combustibile, con una resa del 19%.
L’utilizzo di celle a combustibile ad alta temperatura, con membrana (SOFC), che è costoso e lento, ha una resa del 50%, recuperando 5510 Wh/kg .
La produzione di ammoniaca è un processo inquinante e costoso; il metodo Haber-Bosh (400°C 250 bar) in presenza di un catalizzatore ferroso, recupera l’Idrogeno contenuto nel Metano (CH4), facendolo reagire con l’Azoto, recuperato dall’atmosfera .
https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process
La produzione dell’Idrogeno per elettrolisi, riduce in parte l’inquinamento atmosferico.
“reverse fuel cell”, è una tecnologia emergente, che non necessità di alta pressione e calore, utilizza l’aria e l’acqua per ottenere ammoniaca e non produce sottoprodotti inquinanti, ma attualmente il processo è lento.
La cella combustibile inversa, invece di produrre energia, necessita di una alimentazione esterna.
la cella è costituita da un contenitore, contenente un elettrolita, un anodo, un catodo, rivestiti da un catalizzatore, e da una membrana, che lascia passare solo i protoni H+, che separa l’anodo dal catodo.
Dal lato di un elettrodo entra l’Azoto (N2), all’altro entra l’acqua che genera i protoni H+ e libera gli elettroni e- ,che raggiungono l’altro elettrodo tramite un conduttore metallico esterno mentre l’Ossigeno (O2), è liberato nell’ambiente.
Il protone H+, libero di muoversi nell’elettrolita, attraversa la membrana permeabile ai protoni, raggiungendo l’altro elettrodo, dove, il catalizzatore che lo riveste, scinde la molecola N2, che in presenza di elettroni (e-) e protoni (H+), forma l’ammoniaca (NH3), che è raccolta e immagazzinata.
Reverse fuel cell
“FuelPositive”, ha presentato il prototipo di un sistema di produzione di NH3, è in grado di produrre 500 litri di NH3 (300 kg) al giorno, abbassando il prezzo di produzione sotto i 400 $ alla tonnellata.
Il sistema, pensato per essere collegato ad una fonte di energia green, è montato in un comune container da spedizione, facile da trasportare, munito degli ingressi per l’acqua, l’aria e per l’energia necessaria al funzionamento.
Il sistema, attualmente in attesa di approvazione di brevetto, contiene un elettrolizzatore che separa l’Idrogeno dall’acqua e un separatore che estrae l’Azoto dall’aria, i due gas, sono inviati ad un reattore, che l’azienda chiama “novel sinthesis reactor”, dal quale esce ammoniaca, utilizzabile come sistema di stoccaggio dell’idrogeno oltre che per gli altri usi industriali.
C’è chi sta già utilizzando l’ammoniaca come stoccaggio di Idrogeno per i viaggi in mare a lunga percorrenza.
La nuova società “Yara Clean Ammonia”, tra i maggior produttori di fertilizzanti a base ammonica al mondo, vuole abbandonare l’utilizzo di fonti fossili e convertire la sua intera produzione, utilizzando energia alternativa, senza impatto inquinante sull’ambiente.
La società, ha presentato una nave da trasporto, equipaggiato con motori elettrici alimentati da celle a combustibili che utilizzano l’ammoniaca per stoccare l’Idrogeno necessario per alimentare i motori durante i lunghi viaggi.
Applicazioni
produzione dell’ammoniaca
Produzione di NH3 - La fine del metodo Haber - Bosh
Da una costola dei ricercatori della “Monash University”, nasce Jupiter Ionics, che detiene il brevetto del nuovo metodo di produzione, a temperatura ambiente, dell’ammoniaca, in grado di mandare in pensione, definitivamente, il metodo Haber-Bosh, che consuma e disperde nell’ambiente CO2, NOx e il Metano, utilizzato come materia prima.
Il nuovo metodo di produzione elettrolitico dell’ammoniaca utilizza il sale di “Phosphonium”, che trasporta l’Idrogeno dall’anodo al catodo in Rame, rivestito di nitruro di Litio (LiN3), liberando l’Azoto che con gli atomi di Idrogeno forma la molecola di ammoniaca (NH3).
Il processo elettrolitico è estremamente efficiente (circa il 69%) considerando che avviene a temperatura ambiente, in un unico reattore che funziona in modo continuo, inoltre è scalabile; funziona sia con piccole celle elettrolitiche trasportabili, sia nei grossi impianti industriali
https://www.youtube.com/watch?v=lSYCac7KD8o&t=4s&ab_channel=ACESElectromaterials
25 maggio 2022
Questa è la dimostrazione che è possibile utilizzare l’ammoniaca come vettore energetico per alimentare un trattore.
Il sistema è costituito da un serbatoio contenente l’ammoniaca liquida, un modulo di “Cracking” in grado di separare l’Azoto dall’Idrogeno che è inviato alle celle a combustibile per generare 100 kW di energia elettrica per diverse ore, prima di dover essere riempito nuovamente con ammoniaca.
Una buona notizia dalla Rice University, riguarda la separazione degli atomi di idrogeno legati alla molecola di ammoniaca, senza dover ricorrere a catalizzatori costosi e alta temperatura.
Il metodo consiste nell’utilizzo di un catalizzatore costituito da una nano struttura in ferro, ricoperto da spuntoni di rame, costruito in modo da formare un’antenna capace di sintonizzarsi su di una determinata lunghezza d’onda, che potrebbe essere quella solare o quella emessa da diodi laser o da diodi Led.
" plasmonic photocatalyst” https://plasmonics.tech/
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08191
dicembre 2022
Riccardo Monti