Pesquisadores acreditam que, se o produto químico for feito com energia renovável, poderá ser usado como fonte limpa de fertilizante, combustível e calor.
Por Yale Environment 360 com informações de Wired.
Em Minnesota, há uma fazenda de pesquisa salpicada de turbinas eólicas que, quando estão em pleno funcionamento, e apresentam uma pegada de carbono surpreendentemente baixa. O vento aciona uma usina química que produz amônia, que não só pode ser espalhada como fertilizante sob as turbinas, mas também abastece um trator experimental, armazena energia para um dia sem vento e – em breve – aquecerá os celeiros que secam seus grãos . Tudo sem produzir CO 2 .
“Para descarbonização profunda da agricultura, você muda para amônia verde”, diz Michael Reese, diretor do projeto da Universidade de Minnesota . Os estudos da universidade mostraram que o uso de amônia verde (“verde” no sentido de que é feito com energia renovável) para fertilizante, combustível e calor pode reduzir a pegada de carbono da agricultura em até 90% para milho e pequenos grãos. “Isso é transformador”, diz Reese.
Defensores desse combustível líquido alternativo, com zero carbono, veem o alcance da amônia verde se expandindo muito além das fazendas. Eles preveem um vasto novo mercado de amônia verde como combustível, eventualmente superando a já enorme (e crescente) demanda do planeta por amônia como fertilizante. Um relatório da Agência Internacional de Energia de 2021 prevê que, para atingir zero emissões até 2050, os combustíveis à base de hidrogênio (incluindo amônia) devem representar quase 30% dos combustíveis de transporte até 2050, acima do zero atual. Esse relatório prevê que os carros funcionarão com baterias e os aviões com biocombustíveis, mas a amônia será vital para a indústria naval, que atualmente é responsável por 3% das emissões globais e está se esforçando para reduzir isso rapidamente.
A amônia também é um dos principais concorrentes para armazenar e transportar energia de usinas de energia renovável para que a eletricidade esteja disponível quando e onde for necessária. A ideia é usar energia renovável para produzir amônia verde a partir de fontes de combustíveis não fósseis, enviá-la por oleoduto ou navio e queimá-la em usinas de produção de energia com turbinas personalizadas para funcionar com amônia. Embora as baterias sejam eficientes, elas são mais adequadas para armazenar quantidades menores de eletricidade por horas ou dias; um relatório de 2020 do Oxford Institute of Energy Studies concluiu que, para armazenamento de energia em larga escala e longo prazo, é difícil superar a amônia líquida. Países como Japão, Austrália, Holanda e Reino Unido têm planos nacionais de usar amônia verde para armazenar (e exportar) seus excedentes de energia renovável.
Ao todo, o químico Douglas Macfarlane, da Monash University, em Melbourne, Austrália, prevê que a produção de amônia aumentará cerca de 100 vezes nas próximas décadas.
Por enquanto, porém, a produção de amônia é tudo menos verde. O mundo produz atualmente uma vasta quantidade de 175 milhões de toneladas de amônia por ano, principalmente para uso como fertilizante, empregando um processo industrial centenário de uso intensivo de energia que produz uma grande quantidade de gases de efeito estufa: a indústria é responsável por cerca de 1 a 2 por cento da emissões globais de carbono, tornando-o um dos mais sujos do planeta.
Isso precisará mudar para que a amônia se torne parte da solução mundial para as mudanças climáticas. Garantir que toda essa amônia seja verde, não suja, é uma tarefa enorme. Claro, a amônia que está sendo feita para armazenar energia eólica e solar será produzida usando essa energia renovável. Mas preencher os requisitos de combustível e fertilizantes significará muito mais energia renovável além disso. As fábricas de amônia precisarão alterar – ou mesmo reinventar – seus sistemas de produção. E os motores precisarão ser reconfigurados para funcionar com o novo combustível líquido. Ao longo do caminho, produtores e usuários terão que superar obstáculos: a amônia é tóxica, e queimá-la pode produzir um gás de efeito estufa ainda mais potente do que o CO 2 .
“Isso não vai acontecer da noite para o dia”, diz Macfarlane.
Hidrogênio puro (H2) já foi apontado como o combustível do futuro. Mas o hidrogênio tem problemas: como líquido, precisa de temperaturas criogênicas em torno de -250 graus C; como gás, precisa ser armazenado em alta pressão; no ar, é explosivo. A amônia (NH3), por outro lado, é fácil de armazenar como um líquido e ainda tem impacto, com cerca de metade da densidade energética dos combustíveis fósseis tradicionais. Embora a amônia seja tóxica, o mundo já possui um vasto sistema para produzi-la, armazená-la e transportá-la. “Ele preenche todos os requisitos”, diz Jimmy Faria, engenheiro químico da Universidade de Twente, na Holanda, que mapeou as vantagens da amônia.
A maneira tradicional e barata de fazer amônia é extrair hidrogênio do gás natural usando vapor (produzindo CO 2 como subproduto) e depois combinar esse hidrogênio com nitrogênio do ar a alta pressão e temperaturas de centenas de graus Celsius. Esse procedimento, chamado de processo Haber-Bosch em homenagem aos químicos ganhadores do Prêmio Nobel que o inventaram no início de 1900, normalmente libera quase duas toneladas de CO 2 na atmosfera para cada tonelada de amônia utilizável.
A maneira mais simples de reduzir as emissões da produção de amônia é tirar o gás natural da equação e, em vez disso, produzir hidrogênio dividindo a água com a eletricidade proveniente de fontes renováveis. O resto do processo Haber-Bosch permanece o mesmo, alimentado por eletricidade renovável. Isso é o que a fábrica de Minnesota, localizada no Centro de Pesquisa e Extensão da Universidade Central Ocidental, na cidade de Morris, estava fazendo quando foi inaugurada em 2013, e é o que muitos outros empreendimentos comerciais estão planejando agora. “Este é um campo muito dinâmico; há notícias todos os dias”, diz Macfarlane.
Desde 2018, plantas experimentais de amônia verde movidas pelo vento estão em funcionamento na Grã-Bretanha e no Japão. Nos Estados Unidos, a CF Industries – a maior produtora de amônia do mundo – planeja ter uma fábrica de amônia verde em Donaldsonville, Louisiana, produzindo 20.000 toneladas por ano até 2023. Na Austrália, a fábrica de amônia Pilbara da Yara pretende produzir 3.500 toneladas de amônia verde amônia anualmente até o final de 2022, aumentando em 50 vezes até 2030. O maior projeto nos livros está planejado para a Arábia Saudita: uma fábrica com inauguração prevista para 2025 visa produzir 1,2 milhão de toneladas de amônia verde por ano. Essas fábricas são animais famintos por energia que precisam de parques eólicos ou solares dedicados para alimentá-los, diz Macfarlane.
Apesar da enxurrada de atividades, isso ainda é apenas uma pequena fração da atual produção global de 175 milhões de toneladas de amônia por ano. Seriam da ordem de 10.000 milhões de toneladas de fábricas para aumentar a produção global 100 vezes. Há riscos com essa expansão, diz Faria, incluindo vazamento acidental de amônia e até poluição ambiental com sal altamente concentrado – um subproduto da dessalinização necessária para produzir toda a água para o hidrogênio verde.
Esse aumento de escala é “atingível” usando a tecnologia disponível, diz Faria – mas caro. De acordo com o relatório de Oxford, a amônia produzida nos Estados Unidos em uma grande fábrica que usa combustíveis fósseis hoje é 73% mais barata que a amônia produzida eletricamente. O custo depende muito do preço local da eletricidade, observa Faria, e esse mercado está mudando rapidamente.
O custo da energia eólica e solar caiu “drasticamente nos últimos sete anos”, diz Faria. Eventualmente, ele diz, o hidrogênio verde será tão barato ou mais barato do que o material sujo – a questão é quando. Para que a amônia verde seja rápida e grande o suficiente, políticas governamentais provavelmente serão necessárias para ajudar a subsidiar o hidrogênio verde e incentivar economias de escala, diz o engenheiro químico Prodromos Daoutidis, que trabalha com Reese na Universidade de Minnesota. Até lá, existe o perigo de que indústrias como a marítima que esperam usar amônia como combustível acabem usando amônia “suja” como energia, simplesmente mudando as emissões de uma indústria (transporte) para outra (produção de amônia).
Enquanto isso, as tecnologias de produção também avançarão. Melhorar a Haber-Bosch não é fácil – é uma tecnologia estabelecida e eficiente, diz Daoutidis. Mas há espaço de manobra. Reese e seus colaboradores conseguiram US$ 10 milhões do Departamento de Energia dos EUA para construir uma planta piloto testando duas inovações: um catalisador novo e aprimorado e um sal de absorção para retirar a amônia no final do processo. Esses fatores, eles esperam, reduzirão os custos de capital e a necessidade de altas pressões.
Macfarlane está apostando em mudanças ainda mais dramáticas. Em vez de apenas trocar a fonte do hidrogênio ou mexer nos detalhes, ele imagina uma maneira totalmente nova de fazer amônia. A ideia é produzir amônia diretamente em uma célula eletroquímica, sem precisar fazer hidrogênio como ingrediente. Essa chamada tecnologia de “geração 3” provou ser uma ‘noz química’ difícil de quebrar após muitos anos de trabalho. “Isso ainda é muito desafiador”, diz Faria. A Macfarlane tem uma startup, a Jupiter Ionics , com o objetivo de fazer o truque com uma célula que faz uso de um eletrólito semelhante ao de uma bateria de lítio.
Ao contrário das plantas da Haber Bosch, esses sistemas eletroquímicos seriam pequenos e fáceis de ligar e desligar; um do tamanho de um contêiner pode produzir uma tonelada de amônia verde por dia, diz Macfarlane. Isso pode ser um divisor de águas para lugares como cidades africanas remotas ou, por exemplo, a ilha caribenha de Curaçao, rica em ventos, diz Faria, onde é caro ou logisticamente difícil importar combustível e fertilizantes. A produção local poderia alimentar e alimentar fazendas e aldeias isoladas. Mas muitos químicos são mais céticos do que Macfarlane de que isso possa ser alcançado, economicamente, em breve. “Na minha opinião, essas tecnologias são extremamente promissoras, mas em um estágio inicial”, diz Daoutidis. “É um ponto de interrogação.”
Uma vez que a amônia verde tenha sido produzida, os sistemas também precisam estar prontos para usá-la – para queimá-la em um motor de combustão para alimentar um navio ou acionar as turbinas de uma usina.
Esta não é uma ideia nova ou mesmo uma nova tecnologia – motores de combustão movidos a amônia existem desde 1800 e foram brevemente populares durante a Segunda Guerra Mundial, quando a escassez de petróleo era um problema. Mas os combustíveis fósseis provaram ser mais baratos e fáceis de trabalhar.
A amônia queima mais lentamente e é mais difícil de inflamar do que os combustíveis fósseis; a maioria dos motores de amônia precisa de uma dose de diesel ou hidrogênio para funcionar. Se os motores vazarem amônia não queimada, isso pode ser tóxico. E os motores de amônia tendem a produzir óxido de nitrogênio, também um potente gás de efeito estufa. Existem conversores catalíticos que podem resolver esse problema, no entanto. “Está ao nosso alcance”, diz Faria sobre motores limpos movidos a amônia. “Estamos falando de polir as arestas de algo que é relativamente maduro.”
Os principais fabricantes de motores, incluindo a alemã MAN Energy Solution e a suíça WinGD, agora estão desenvolvendo motores e kits movidos a amônia para modernizar motores antigos para que possam funcionar com amônia, com os primeiros produtos previstos para chegar aos navios em 2024. Enquanto isso, as startups também estão entrando no jogo. Em Minnesota, o colega de Reese, William Northrop, lançou a Aza Power Systems há um mês para comercializar sua própria tecnologia de motores movidos a amônia.
As empresas de produção de energia também estão desenvolvendo turbinas que funcionam com amônia para a produção de eletricidade. Pode parecer loucura usar eletricidade para produzir hidrogênio, usar isso para fazer amônia, mover a amônia e transformá-la novamente em eletricidade – você só recebe cerca de 20 a 30% da eletricidade de volta no final, observa Faria, em comparação com digamos a eficiência de 98 por cento de uma bateria. Mas os benefícios de armazenar e transportar facilmente essa energia superam esse problema, diz ele.
Não importa qual direção específica as coisas tomem, os observadores esperam que o mercado de amônia verde cresça rapidamente. Embora a amônia certamente não seja a melhor solução para tudo, ela tem um papel a desempenhar para chegar ao zero líquido, ao lado de biocombustíveis e hidrogênio, de acordo com estudos como o relatório da IEA. À medida que os preços do carbono sobem, a amônia verde se tornará rei, prevê Faria: “Acho que a amônia é provavelmente o futuro dos combustíveis líquidos”.
Esta história apareceu no Yale Environment 360 e faz parte da colaboração Climate Desk.
