Promuovere la sostenibilità attraverso la produzione di ammoniaca verde

L'ammoniaca, un composto costituito solo da azoto e idrogeno, è indispensabile per numerose applicazioni quotidiane nel mondo moderno. Uno degli aspetti più importanti è il ruolo che svolge nella produzione alimentare in quanto, essendo la fonte primaria di azoto per i fertilizzanti, consente di mantenere una produzione agricola sufficiente a sfamare la crescente popolazione mondiale.

Oltre che in agricoltura, l'ammoniaca è ampiamente utilizzata in diverse applicazioni industriali, tra cui:

• Produzione chimica, in cui rappresenta la base di vari prodotti quali materie plastiche, fibre, coloranti ed esplosivi.
• Produzione farmaceutica, come materiale di partenza per diversi principi attivi farmaceutici e per il controllo del pH.
• HVAC, per i prodotti refrigeranti grazie alle sue efficienti proprietà di trasferimento del calore.
• Industria alimentare, come additivo e conservante.
• Trattamento delle acque, per depurare le forniture idriche creando clorammine che facilitano la disinfezione organica.
• Prodotti per la pulizia, come ingrediente chiave in molti detergenti di uso domestico grazie alle sue proprietà sgrassanti e disinfettanti.
• Produzione tessile, in cui viene applicata in fase di finitura per migliorare la morbidezza del tessuto e l'affinità del colorante.

Sebbene l'ammoniaca sia una sostanza chimica inestimabile per molti settori, i metodi convenzionali per la sua produzione hanno un importante impatto ambientale e spingono a esplorare alternative più ecologiche.

L'ammoniaca viene prodotta utilizzando soprattutto il processo Haber-Bosch che prevede la combinazione dell'azoto con l'idrogeno a valori elevati di pressione e temperatura, in presenza di un catalizzatore.

Le fasi includono:

• Estrazione dell'azoto: l'azoto (N₂) viene estratto dall'aria utilizzando un'unità di separazione dell'aria, attraverso un processo di liquefazione e distillazione. In alternativa, l'adsorbimento a pressione oscillante impiega specifici materiali adsorbenti per catturare selettivamente le molecole di azoto.
• Produzione di idrogeno: l'apporto di idrogeno (H₂) viene solitamente assicurato dal reforming del metano con vapore o dal reforming autotermico.
• Sintesi dell'ammoniaca: una volta depurati, i gas di azoto e idrogeno vengono miscelati e fatti passare su un catalizzatore - generalmente ferro - a valori elevati di pressione (> 200 atm/2.940 psi) e temperatura (> 450 °C/842 °F), creando azoto e idrogeno elementari che si combinano per formare ammoniaca (NH₃).
• Raffreddamento dell'ammoniaca e dei residui di idrogeno e azoto: i gas escono dal reattore a una temperatura > 450 °C/842 °F e vengono raffreddati da uno scambiatore di calore che funge anche da caldaia a recupero di calore. Ciò produce vapore surriscaldato che viene successivamente utilizzato in un'unità di generazione di energia.
• Separazione dell'ammoniaca: la miscela di gas viene raffreddata a circa -40 °C (-40 °F) facendo condensare l'ammoniaca in modo che possa essere separata, grazie al suo punto di ebollizione più elevato, dai gas di azoto e idrogeno non reagiti. Questi gas non reagiti vengono riciclati nel processo per completare la loro reazione.

Il processo complessivo è rappresentato dalla formula: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3

Haber-Bosch è un metodo ad alta intensità energetica e i processi di produzione dell'idrogeno marrone, nero e grigio contribuiscono alle emissioni di gas serra (GHG). Questo impatto ambientale sta spingendo a preferire l’idrogeno verde proveniente da fonti sostenibili e ad alimentare la produzione di azoto con fonti rinnovabili.

La produzione di idrogeno destinato a creare ammoniaca è responsabile di circa l'1,8% delle emissioni globali di anidride carbonica, una cifra paragonabile a quella dell'intero settore aeronautico. In risposta a queste preoccupazioni ambientali, il concetto di "ammoniaca verde" mira a ridurre sostanzialmente l'impronta di carbonio della produzione di ammoniaca, reperendo i gas che la compongono attraverso processi a "emissioni nette zero", alimentati da fonti di energia rinnovabile.

Le materie prime per la produzione di ammoniaca verde sono costituite da tre semplici elementi: aria, acqua ed energia rinnovabile per alimentare i vari processi.

Utilizzando la distillazione criogenica o l'adsorbimento a pressione oscillante, le unità di separazione dell'aria estraggono l'azoto dall'atmosfera. La distillazione criogenica funziona raffreddando l'aria a temperature estremamente basse e separando i gas che la compongono - compreso l'azoto, necessario per la produzione di ammoniaca - in base ai loro diversi punti di ebollizione. In alternativa, l'adsorbimento a pressione oscillante impiega specifici materiali adsorbenti per catturare selettivamente le molecole di azoto.

Il designatore primario per l'ammoniaca verde è l'uso di idrogeno verde prodotto tramite elettrolisi dell'acqua alimentata da fonti rinnovabili, che genera zero emissioni. Questo processo comporta la scissione delle molecole d'acqua negli atomi di idrogeno e ossigeno che la compongono e, successivamente, l'idrogeno gassoso viene raccolto come materia prima per la sintesi dell'ammoniaca mentre l'ossigeno innocuo viene rilasciato nell'aria. L'elettrolisi avviene utilizzando soprattutto elettrolizzatori alcalini - una tecnologia matura e collaudata - o elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM), noti per la maggiore efficienza e tempi di risposta più rapidi ma con costi più elevati.
Azoto e idrogeno vengono poi fatti reagire secondo il processo Haber-Bosch ma con un'impronta di carbonio ridotta. Perché l'ammoniaca risultante possa essere classificata come "verde", tutti i processi lungo il percorso devono essere alimentati da energia rinnovabile.

L'ammoniaca può essere decomposta in idrogeno anche attraverso il processo di cracking dell'ammoniaca per quanto, richiedendo 600 °C/1,112 °F di temperatura in presenza di un catalizzatore, l'intensità energetica di questa reazione sia piuttosto alta. È un processo che viene utilizzato per alcune applicazioni che richiedono idrogeno perché, in grandi quantità, l'ammoniaca è più facile da gestire e immagazzinare rispetto all'idrogeno puro.

Come per molti processi a basse emissioni di carbonio, la produzione di ammoniaca verde presenta una serie di ostacoli legati alle limitazioni infrastrutturali e agli elevati costi di produzione. Prima di tutto, il settore delle energie rinnovabili - sebbene in rapida crescita - deve ancora raggiungere il livello di integrazione della rete e di accumulo dell'energia dei sistemi convenzionali, indispensabile per soddisfare la domanda di prodotti industriali e di consumo. Parallelamente, anche gli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno verde richiedono ancora investimenti significativi per lavorare su larga scala.

Tuttavia, con la prevedibile maturazione delle tecnologie sostenibili e la possibilità di realizzare economie di scala, la produzione di ammoniaca verde diventerà sempre più competitiva in termini di costi. Il costo dell'energia rinnovabile è in calo negli ultimi anni e si tratta di una tendenza destinata a continuare, rendendo economicamente più accessibili l'idrogeno e l'azoto verdi.

L'ammoniaca viene sperimentata anche come vettore energetico a zero emissioni di carbonio - e, in alcune applicazioni, anche per la combustione diretta - aiutando ad affrontare le problematiche d'intermittenza dell'energia solare ed eolica. Inoltre, la sua alta densità energetica ha portato a esplorarne le possibilità come combustibile per la spedizione e il trasporto a lungo raggio, applicazioni tradizionalmente a elevate emissioni di carbonio.

Indipendentemente dal suo valore, l'ammoniaca è una sostanza chimica pericolosa che deve essere maneggiata con cautela. L'inalazione di aria concentrata allo 0,5% di ammoniaca può essere letale per gli esseri umani. La sua natura altamente corrosiva e tossica impone rigorosi protocolli di sicurezza durante la produzione, il trasporto e l'uso.

Accanto ai dispositivi standard di protezione individuale e a un'adeguata formazione degli operatori, possono rivelarsi utili anche i sistemi di rilevamento delle perdite di contenimento impreviste, perché aiutano a mitigare il pericolo. Questi sistemi sono costituiti da rilevatori di gas elettrochimici, trasmettitori di pressione e una serie di altri componenti e strumenti all'avanguardia.

Inoltre, le unità di separazione dell'aria, utilizzate per produrre ammoniaca estraendo l'azoto dall'aria, si affidano a strumenti come gli analizzatori TDLAS per l'analisi della purezza e sensori di pressione per il controllo del processo. Nel processo di elettrolisi dell'acqua, i sensori di conducibilità monitorano la qualità dell'elettrolita, garantendo prestazioni ottimali e prolungando la vita di servizio dell'elettrolizzatore, mentre i misuratori di portata aiutano a regolare la produzione di idrogeno e ossigeno.

Il ciclo di sintesi dell'ammoniaca utilizza un'ampia serie di strumenti - tra cui sensori di temperatura, trasmettitori di pressione e analizzatori di gas - per ottimizzare le condizioni di reazione e garantire la qualità del prodotto. Questi strumenti forniscono dati continui sia per il controllo in tempo reale che per l'analisi storica, consentendo al personale di ottimizzare il processo, massimizzare l'efficienza e mantenere, nel contempo, condizioni operative sicure.

decomposizione dell'ammoniaca richiede misuratori di portata massica per una distribuzione precisa del gas e velocità di reazione ottimali, termocoppie per la misura accurata della temperatura e analizzatori di gas per monitorare la composizione del flusso di idrogeno e garantire la purezza del prodotto.

Anche se l'ammoniaca è incredibilmente preziosa in numerosi processi industriali che i consumatori spesso danno per scontati, l'adozione diffusa dell'ammoniaca verde incontra ancora delle barriere. Le infrastrutture per l’energia rinnovabile e l’elettrolisi restano limitate e i costi di investimento sono elevati. Inoltre, la sicurezza di trasporto e stoccaggio dell'ammoniaca deve essere considerata con attenzione, anche se i metodi approvati sono ben consolidati, perché si tratta di un prodotto pericoloso.

Il vantaggio principale dell’ammoniaca verde è quello di spezzare la dipendenza dai combustibili fossili della produzione di ammoniaca e ridurre le emissioni di gas serra. È stato questo ad attirare l'attenzione di governi e industria che, di conseguenza, stanno integrando strategicamente questo prodotto nei piani di sostenibilità. Offre la possibilità di ridurre l’impronta di carbonio dell’industria dei fertilizzanti e di una miriade di altri settori che dipendono fortemente dall’ammoniaca.

Ulteriori attività di ricerca e sviluppo, accanto alla continua innovazione delle tecnologie di produzione e utilizzo, saranno fondamentali per promuovere l’adozione diffusa dell’ammoniaca verde e favorire il raggiungimento dell'obiettivo di "emissioni nette zero" entro la metà del secolo..