Un equipo del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Sevilla (US) ha diseñado un sistema que obtiene hidrógeno a partir de biomasa húmeda de naranja y lo almacena en forma de amoníaco. Este compuesto es más estable, seguro y fácilmente transportable que el hidrógeno gas, de modo que facilita su almacenamiento durante largos periodos y su distribución a gran escala. La propuesta se basa en una simulación de planta industrial alimentada, entre otros residuos, con biomasa de naranja.

Lo novedoso de este proceso es que emplea gasificación con agua supercrítica, una tecnología que convierte biomasa con alto contenido en humedad en un gas de síntesis sin necesidad de secado previo. «La mayoría de la biomasa y de los residuos orgánicos tienen agua, lo que obliga a secarlos antes de tratarlos. Cuando este contenido hídrico es muy alto, superior al 70-80%, el coste energético para su tratamiento es muy elevado. Nosotros evitamos este paso, y esto hace el proceso energéticamente eficiente y más económico», explica a la Fundación Descubre, organismo dependiente de la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación, el investigador de la Universidad de Sevilla Francisco Javier Gutiérrez Ortiz.

Mientras que el hidrógeno necesita condiciones muy exigentes para ser transportado -como temperaturas extremadamente bajas o tanques de muy alta presión-, el amoníaco puede manejarse con infraestructuras ya existentes, similares a las que se emplean para gestionar gas natural, y se transporta de forma líquida a presiones moderadas. Esto lo convierte en una solución práctica y eficiente para trasladar hidrógeno allí donde se necesite, ya sea para generar electricidad o como materia prima en procesos industriales.

La simulación, realizada con el software Aspen Plus, plantea un sistema energéticamente autosuficiente en operación estable y continua gracias a la integración energética realizada. Para ello, parte del gas generado se quema en un horno para proporcionar el calor necesario al proceso, y el sobrante se aprovecha mediante ciclos de turbinas de vapor para generar electricidad, que también se obtiene en la expansión del gas de síntesis hasta 30 atmósferas. Además, se contempla que el exceso de energía eléctrica se conecte a la red o que el calor residual se utilice para abastecer las oficinas anexas.

Hidrógeno que se guarda

En el estudio, titulado ‘Hydrogen production and storage as ammonia by supercritical water gasification of biomass’ publicado en la revista Energy Conversion and Management, los investigadores explican que el sistema funciona a temperaturas superiores a los 374 grados centígrados y presiones por encima de 221 atmósferas, condiciones en las que el agua alcanza un estado supercrítico. «El agua pasa a un cuarto estado de la materia, denominado supercrítico, que combina propiedades de líquidos y gases, estados de los que evoluciona y a los que se conecta», aclara Gutiérrez Ortiz.

Añade que las propiedades especiales de este estado favorecen la descomposición y transformación de los compuestos orgánicos, en este caso, la biomasa de naranja. Así, a partir de esta reacción se obtiene un gas rico en hidrógeno, que se purifica y se transforma en amoníaco al combinarlo con nitrógeno mediante un proceso Haber-Bosch; esto es, una reacción química que se realiza a alta presión y temperatura y que se usa habitualmente para fabricar productos como fertilizantes.

Los investigadores indican que una de las aportaciones del proyecto es precisamente el almacenamiento del hidrógeno como amoníaco. Esta conversión permite utilizar el hidrógeno más adelante, cuando se necesite, y facilita su transporte, evitando riesgos y costes asociados al uso directo de este gas. «Una vez transformado en amoníaco, puede usarse más adelante para generar electricidad o como materia prima en procesos industriales que requieran hidrógeno, como los hidrotratamientos o biotratamientos en biorrefinerías», detalla el investigador.

Del amoníaco a la energía

Según los datos del estudio, con unas 10 toneladas por hora de biomasa húmeda –el equivalente a llenar un camión de carga grande con restos orgánicos como cáscaras de fruta–, el sistema produce cada hora unos 745 kilos de amoníaco. Dentro de ese compuesto se «guarda» el hidrógeno, como si fuera una botella de energía lista para usarse cuando haga falta: unos 132 kilos por hora de hidrógeno en total, con un contenido energético equivalente al de 28 bombonas de butano de 12 kilos.

Además, el sistema captura unas 3 toneladas de dióxido de carbono (CO₂) por hora, equivalente a las emisiones de unos 200 coches de gasolina en marcha por carretera circulando a 100 km/h durante ese mismo tiempo. Ese CO₂ puede almacenarse de forma segura o aprovecharse en otros procesos industriales. Al mismo tiempo, la planta genera 1,8 megavatios de electricidad neta, suficiente para abastecer unos 5.000 hogares, y tiene una eficiencia energética global que puede alcanzar el 40%; es decir, cuatro de cada diez unidades de energía obtenida se aprovechan de forma útil.

Así, tras realizar un análisis tecno-económico preliminar, los investigadores concluyeron que la alimentación de la planta de operación debe ser de 100 toneladas de cáscara de naranja por hora para que el sistema sea rentable.

Las simulaciones han sido validadas con datos experimentales de otros trabajos previos y los investigadores subrayan que el diseño contempla condiciones industriales reales. A pesar de las exigencias técnicas del proceso, como la necesidad de reactores y tuberías de muy alta presión, el equipo defiende su viabilidad técnica. «El uso de amoníaco como vector energético evita tener que construir sistemas de almacenamiento y transporte de hidrógeno, que requieren estrictas medidas de seguridad y unas condiciones de temperatura y presión extremas», destaca Gutiérrez Ortiz.

Próximos pasos

El siguiente objetivo del grupo es analizar de un modo más exhaustivo la viabilidad económica y evaluar el impacto ambiental del sistema a través de un análisis de ciclo de vida completo. «Sería oportuno realizar ensayos experimentales propios para validar la simulación, más allá de los resultados experimentales utilizados en este estudio y que fueron obtenidos por otros investigadores», señala.

El equipo también plantea la posibilidad de aplicar esta tecnología a otros residuos orgánicos húmedos, como lodos urbanos o subproductos agroindustriales. «El gran valor de este proceso es que convierte un problema –los residuos húmedos difíciles de tratar– en una oportunidad: una fuente de hidrógeno limpia, almacenable y útil para avanzar hacia una economía descarbonizada», concluye el experto.

Este trabajo ha sido financiado por la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía y con fondos propios de la Universidad de Sevilla.