100) Motores de combustión de amoniaco y su toxicidad.
100) Motores de combustión de amoniaco y su toxicidad.
Os voy a poner en contexto, el análisis de hoy viene precedido por un comentario de uno de los alumnos del máster en tecnologías de hidrogeno (MITH), que también es lector del canal. En el grupo de Whatsapp entre los 74 alumnos se comentan noticias o avances científicos donde el hidrógeno aparece, ya sea de manera directa o transversal como esta vez.
En este caso, la noticia era sobre el amoniaco, el título del video que ha compartido es sugerente “Toyota CEO:”Ammonia Engine is the end of EVs”, clickbait de manual…pero efectivo, porque no me he podido resistir a verlo para saber de qué se trataba. Es lo que tiene la psicología humana, que le vamos a hacer.
Del video he podido extraer lo siguiente:
- Un método consiste en descomponer el amoníaco en hidrógeno y nitrógeno y luego utilizar el hidrógeno en una pila de combustible para generar electricidad. El video menciona la start-up “Amogy” (Fundada en 2020 por cuatro alumnos de doctorado del MIT) ha demostrado esta tecnología con la compañía de tractores John Deere.
Después de integrar su tecnología en un dron de 5 kW en julio de 2021 y en un tractor John Deere de 100 kW en mayo de 2022, Amogy ha ampliado rápidamente su tecnología de conversión de amoníaco en energía a 300 kW. Después de un repostaje de ocho minutos, el camión, que tenía 900 kWh de energía eléctrica neta almacenada total, fue probado durante varias horas en el campus de la Universidad de Stony Brook.
La tecnología altamente eficiente de conversión de amoníaco en energía de Amogy se integró con éxito en un tractor estándar de tamaño mediano John Deere. El sistema único se compone de un tanque de almacenamiento de líquido estándar y módulos de craqueo de amoníaco altamente eficientes integrados en un sistema de celda de combustible híbrido, que puede proporcionar energía primaria constante durante varias horas por repostaje.
- Otro enfoque mezcla amoníaco con otros combustibles como diésel, gasolina o hidrógeno, lo que facilita el encendido y mantiene la combustión.
-Otro método más complejo implica el uso de amoníaco como fuente principal de combustible, basándose en tecnologías avanzadas como el encendido por chispa, el encendido por compresión o el encendido por compresión de carga homogénea.
Lo que hace que el amoníaco sea único es su composición, que consta de un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. La ausencia de átomos de carbono en el amoníaco se traduce en la ausencia de emisiones de dióxido de carbono durante la combustión.
Independientemente del método, la principal ventaja de los motores de amoníaco es su alta densidad energética. Esta alta densidad de energía permite un almacenamiento y transporte eficientes de energía, lo que los hace ideales para industrias donde la densidad de energía es crucial, como el transporte y la generación de energía.
¿Son los únicos o más gente esta intentando este camino?
A parte de Toyota, y tras indagar por el mercado, he observado que MAN Energy Solutions SE (Filial de Volkswagen AG), proveedor de turbomáquinas y motores de gas y diésel de gran diámetro, en 2019 comenzó un proyecto para investigar el potencial del amoniaco en los motores.
En 2020 se ha dado paso a las pruebas en motores paralelos para comparar la combustión de amoníaco con la combustión tradicional de petróleo y gas. En 2021 especificaron los sistemas auxiliares de suministro de combustible para el motor de amoniaco.
Recientemente, el 17 de julio de 2023, la compañía llevó a cabo con éxito en las instalaciones de su Centro de Investigación en Copenhague la primera prueba de combustión de un motor marino alimentado con amoniaco.
La empresa informó en un comunicado que dicha prueba se hizo en un modelo MAN B&W 4T50ME-X de dos tiempos y “arrojó resultados positivos, con datos especialmente prometedores en cuanto a la cantidad de fuel oil para la llama piloto y la estabilidad de la combustión”.
El amoniaco es uno de los combustibles de futuro más prometedores para el transporte marítimo internacional, pero se trata de un producto altamente tóxico.
Entre las medidas de seguridad adoptadas en esta prueba se encuentra la construcción de una ‘sala fría’, que activa una pantalla de agua para contener el vapor de amoniaco en el improbable caso de una fuga. También se han desarrollado elementos especiales, como tuberías de doble pared y sistemas de ventilación, dentro del catálogo de productos para motores dual fuel del fabricante.
Para el director de I+D de motores de dos tiempos de MAN Energy Solutions, Brian Østergaard Sørensen, “En los próximos meses, llevaremos a cabo un programa de pruebas para estudiar la liberación de calor, el encendido, la seguridad, la fracción de energía para la llama piloto y las emisiones de NOx y N₂O”. La empresa tiene previsto conseguir un motor de pruebas a escala real que funcione con amoniaco hacia finales de este año o principios de 2024.
MAN Energy Solutions afirma que, “espera mantener su calendario de entrega del primer motor alimentado por amoniaco para su instalación a bordo de un buque comercial a partir de 2026”.
Pero Ager, ¿tú como ves que se emplee amoniaco como combustible?
Pues como diría aquel, regular. Y el motivo es sencillo, la alta toxicidad del amoniaco. Creo que puede ser un hándicap muy complicado de salvar, a pesar de su gran densidad energética. Dado que una cosa es estar en contacto con el amoniaco en un entorno industrial, donde la conciencia que existe en ese escenario sobre la seguridad es muy superior a la que existe en el resto de la sociedad, y otra, en las calles. En la siguiente infografía podemos observar como su problema no radica en la inflamabilidad, como es el caso del hidrógeno, sino en la toxicidad para el ser humano.
El amoníaco tiene un límite de inflamabilidad que varía de 18 a 28% de fracción molar de combustible, muy lejos del 4-75% del hidrógeno. Pero debido a su energía de ignición alta (2 a 3 ordenes de magnitud más alta que los hidrocarburos habituales) y a una reacción de combustión lenta, los peligros de la combustión no vienen por la inflamabilidad, sino que por la exposición de la salud.
En la siguiente tabla os he recopilado el efecto adverso en los seres humanos por la exposición a diferentes concentraciones de amoniaco. De ahí que las fugas o problemas con el amoniaco son muy peligrosos como para que se gestionen adecuadamente en el público más general.
El peor incidente industrial de la historia con NH₃.
El 24 de marzo de 1992, Senegal, en
África occidental, experimentó su peor accidente industrial en una instalación de procesamiento de aceite de maní (operada por Sonacos SA) cerca del puerto de Dakar . El amoníaco anhidro, que se utilizaba para desintoxicar el producto elaborado en la instalación, se almacenaba en un tanque portátil encargado en 1983 y reparado mediante soldadura en 1991. Las reparaciones de soldadura se realizaron en las grietas detectadas en la superficie del tanque. Una sobrepresión en el interior del tanque provocó su fallo catastrófico, liberando 22 toneladas de amoníaco presurizado.
Los restos de la explosión del tanque perforaron el equipo de proceso que contenía amoníaco líquido bajo presión. Un flujo bifásico de amoníaco líquido (vapor más líquido en forma de aerosol fino) formó una densa nube de vapor y se extendió a una distancia significativa, provocando lesiones y muertes. La densa columna se posó sobre el molino de aceite, las oficinas cercanas y los restaurantes adyacentes donde había gente presente a la hora del almuerzo. 41 personas murieron inmediatamente y muchas otras fueron trasladadas al centro de traumatología más cercano. Al final, el incidente provocó 129 muertos y 1.150 heridos.
¿Qué futuro le veo al amoniaco?
Personalmente, estoy convencido que el mercado de amoniaco AUMENTARÁ en los próximos años, pero no de la mano de convertirse en combustible universal. Si partimos del hecho que cada vez vivimos más gente en la tierra, y que en el futuro tocará alimentar a cada vez más gente (con el hándicap de disponer de cada vez menos agua debido al cambio climático); parece evidente que se deberá seguir maximizando las cosecha mediante el uso de fertilizantes, gran parte de estos, son en base nitrógeno, proveniente del amoniaco.
En ese sentido, iniciativas como la de Fertighy (Consorcio de empresas EIT Innoenergy, Heineken, RIC Energy, Maire, Siemens Financial Service e Invivo) me parecen muy acertadas. Descarbonizar algo tan elemental como los fertilizantes, es un paso adelante para la sociedad.
Si alguien tiene curiosidad, seguidamente puede leer que pasa en nuestro cuerpo por la exposición del amoniaco.
La concentración de amonio en nuestra sangre es < 50 µmol/L. Un aumento a sólo 100 µmol/L puede provocar alteraciones de la conciencia y 200 µmol/L se asocia con coma y convulsiones.
La intoxicación por amoníaco se produce cuando el amonio en sangre aumenta porque se ha superado la capacidad de detoxificarla mediante la formación de glutamato y glutamina.
La explicación de la toxicidad de concentraciones tan bajas de amonio reside en la enzima glutamato deshidrogenasa. Esta enzima cataliza la desaminación oxidativa del glutamato a amonio y cetoglutarato; la reacción es fácilmente reversible y la dirección de la reacción (hacia la desaminación del glutamato o la formación de glutamato) depende de las concentraciones relativas de los distintos sustratos. A medida que aumenta la concentración de amonio, la reacción avanza en la dirección de formación de glutamato a partir de cetoglutarato.
El efecto de formar glutamato a partir de cetoglutarato es agotar la reserva mitocondrial de cetoglutarato, que es un intermediario clave en el ciclo del ácido cítrico. Como resultado, la tasa de actividad del ciclo del ácido cítrico disminuye, reduciendo así considerablemente la tasa de formación de ATP.
Es esta falta de ATP la que afecta el transporte de iones a través de las membranas de las células nerviosas, lo que provoca alteraciones y luego pérdida del conocimiento.