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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.
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
Vídeo: Eficiência pura: VIONIC desenvolvido pela INTELLO
Folheto: VIONIC desenvolvido pela INTELLO
Folheto: VIONIC desenvolvido pela INTELLO - especificações completas
O futuro da fabricação e comercialização de amônia verde com eletroquímica
Saiba mais sobre o futuro da produção de amônia verde com eletroquímica. Este White Paper gratuito começa descrevendo os princípios fundamentais da NRR (reação de redução de nitrogênio). Em seguida, ele se aprofunda nas barreiras técnicas que impedem a industrialização da produção de amônia verde, seu impacto sobre o rendimento final e a seletividade e as possíveis estratégias ou lacunas de pesquisa para superar esses problemas.