El proyecto APOLO, coordinado por Tecnalia y el líder tecnológico H2SITE, tiene como objetivo descarbonizar completamente el sector marítimo mediante tecnología de membranas para la división del amoniaco.
El proyecto APOLO (Tecnología avanzada de conversión de energía basada en la descomposición de amoníaco a bordo con reactores de membrana avanzados) se centra en la conversión de energía para aplicaciones a bordo permitiendo el uso de amoníaco como combustible alternativo limpio para aplicaciones marinas. La misión de APOLO es desarrollar tecnologías avanzadas y flexibles de craqueo de amoníaco que puedan integrarse con pilas de combustible (FC) y motores de combustión interna.
Desarrollo de dos prototipos de demostración.
El consorcio se centrará en exhibir las siguientes unidades de demostración (prototipos):
El sistema de conversión de energía de 125 kW combina un craqueador de amoníaco (H2SITE) y sistemas de celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) (Corvus Energy Fuel Cells y Nuvera, probados por separado a diferentes presiones de entrada), logrando una eficiencia general del sistema del 51 % al 54 %. El craqueador de amoníaco está personalizado para funcionar en diferentes condiciones de presión y niveles de eficiencia para evaluar la flexibilidad del sistema de craqueador para todo tipo de celdas de combustible PEM. Combina un craqueador parcial de amoníaco de 125 kW (H2SITE) y un motor de 4 tiempos (LEC) con una eficiencia general del sistema superior al 45 %. También se desarrollará un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) para eliminar las emisiones de óxido de nitrógeno (NOX) del escape del nuevo motor.
En general, APOLO tiene la ambición de diseñar y probar nuevos sistemas de suministro de combustible modulares, fácilmente escalables y flexibles, incluidos nuevos reactores de membrana compactos que puedan usarse indistintamente con motores de combustión interna y pilas de combustible. Este reactor de membrana permite el suministro de una mezcla de combustible adecuada para su uso en motores térmicos o una corriente de hidrógeno puro de grado de pila de combustible para alimentar pilas de combustible PEM. Este innovador sistema de suministro de combustible se integrará en un sistema completo de conversión de energía y se llevarán a cabo trabajos de optimización utilizando tanto modelado como trabajo experimental para encontrar la configuración de embarcación más adecuada. Por primera vez, APOLO construye, valida y compara dos tecnologías de conversión de energía diferentes con una eficiencia general del proceso del 45 % al 51 %.
La tecnología desarrollada en APOLO puede apuntar a los primeros 30.000 barcos del mercado. Inicialmente, la atención se centrará en buques con propulsión de entre 1 y 10 MW, pero durante la próxima década muchos rondarán los 3 MW, ya que estos buques son los primeros asociados con soluciones propulsadas por amoníaco.
Descomposición del amoniaco por reactor de membrana (CMR)
El núcleo de la tecnología APOLO es la descomposición del amoníaco, también conocida como craqueo. Este proceso convierte amoníaco (NH3) en nitrógeno (N2) y hidrógeno (H2) en nitrógeno (N) e hidrógeno (H) (2NH3 ↔ 3H2 + N2, ΔH = 46 kJ mol-1). Esta es la reacción inversa del método Haber-Bosch para sintetizar amoníaco. Por tanto, el craqueo de amoníaco es un medio de producción de hidrógeno, y este hidrógeno puede utilizarse como alternativa a los combustibles fósiles tradicionales. Esta reacción es endotérmica y se acelera a baja presión y alta temperatura.
Los sistemas de craqueo de amoníaco a escala industrial más comunes ofrecen soluciones de hornos eléctricos con reactores de lecho empaquetado. Este reactor produce gas de formación (una mezcla de H2 y N2) y funciona a temperaturas muy altas, normalmente entre 800 y 900 °C. Se están realizando importantes esfuerzos para mejorar esta tecnología mediante la integración de soluciones como el uso de catalizadores alternativos para reducir las temperaturas de funcionamiento, sistemas de limpieza adicionales para eliminar el amoníaco sin reaccionar (<30 ppm) y el N2 (hasta un 25 %), y unidades de recuperación de amoníaco para sistemas (como las pilas de combustible PEM) que requieren hidrógeno puro de alta calidad (ISO 14687:2019).
Los reactores de membrana catalítica de lecho empaquetado (CMR) ofrecen una solución más sencilla a este problema. La integración de membranas de separación de hidrógeno en reactores convencionales permite la conversión completa de amoníaco a temperaturas de funcionamiento más bajas (400-450 °C), evitando limitaciones del equilibrio termodinámico.¹ En este caso, tan pronto como el amoníaco se descompone en H2 y N2 con la ayuda de un catalizador, la membrana separa selectivamente el H2. APOLO utiliza membranas de paladio (Pd) para este propósito, con una permselectividad H2/N2 ideal de >100.000 a 425°C. Esto garantiza una alta eficiencia de separación de H2 a temperaturas de funcionamiento más bajas en comparación con los sistemas convencionales, lo que resulta beneficioso desde una perspectiva energética. El hidrógeno liberado se puede alimentar directamente a la pila de combustible después de un proceso de pulido muy simple utilizando un adsorbente para eliminar el exceso de amoníaco y evitar daños al FC. La huella física también se reduce significativamente ya que todo el proceso se lleva a cabo en una sola unidad, lo que resulta beneficioso para los barcos.
H2SITE, junto con Tecnalia y la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU/e), ya ha demostrado las ventajas de CMR en comparación con las tecnologías de craqueo más modernas a través del proyecto ARENHA, financiado con fondos europeos. Estos socios llevarán a cabo una mayor optimización de la membrana de Pd a través del proyecto APOLO. Johnson Matthey investigará catalizadores innovadores y respetuosos con el medio ambiente para el craqueo de amoníaco y nuevos adsorbentes para el pulido de hidrógeno en pilas de combustible.
pila de combustible
PEM FC está ganando interés como fuente potencial de energía tanto para propulsión como para energía auxiliar para barcos. Una de las ventajas clave es su alta eficiencia, que puede superar la de los motores de combustión interna tradicionales. También tienen niveles de ruido más bajos, lo que los convierte en una opción más cómoda para los pasajeros y la tripulación. Además, al no requerir combustión, no produce gases de efecto invernadero (GEI) ni otras emisiones nocivas. El craqueo de amoníaco produce gas de formación con un contenido aún alto de nitrógeno y amoníaco para FC, por lo que el desafío sigue siendo lograr una pureza de hidrógeno adecuada para las operaciones con combustible PEM. Esto puede reducir el rendimiento de la pila de combustible y posiblemente provocar una degradación prematura de la pila de combustible. Con ese fin, el hidrógeno puro ISO 14687:2019 producido por un craqueador de amoníaco seguido de un paso de pulido adsorbente se puede utilizar como alimentación al PEM para descarbonizar el transporte. Corvus Energy Fuel Cells y Nuvera (Hyster Yale SpA) llevarán a cabo pruebas de celdas de combustible tanto en condiciones de baja presión desde el craqueador como en condiciones de alta presión de entrada.
motor de amoníaco
El sistema de conversión de energía de un barco de amoníaco que opera con un motor de combustión interna consta de dos partes principales: propulsión y equipos auxiliares. El motor en sí es un componente crítico del sistema de conversión de energía y debe diseñarse para funcionar con combustible de amoníaco. El amoníaco no contiene carbono, por lo que no emite CO2 al quemarse. Sin embargo, el NH3 es un combustible difícil de encender cuando se utiliza para la combustión de motores. Debido al alto requisito de energía de ignición, se requiere un combustible piloto o una fuente «caliente» para una ignición adecuada. Los sistemas de suministro de combustible que contienen craqueadores para la producción de mezclas NH3/H2 son especialmente prometedores durante el arranque en frío. Además, los gases de combustión calientes procedentes del escape del motor se pueden utilizar para suministrar calor al reactor de craqueo para optimizar la integración del calor entre las etapas de craqueo y combustión. También se desarrollarán SCR a base de cobre (Cu), hierro (Fe) y vanadio (V) para eliminar las emisiones de NOx de los gases de escape de los nuevos motores. El Large Engine Competence Center (LEC) lidera la investigación sobre estos motores de combustión de amoníaco, con Johnson Matthey trabajando en catalizadores SCR.
Consorcio integral
Además, APOLO aprovecha la experiencia de Fertiberia (proveedor de amoniaco verde), Astander (constructor naval) y 1CUBE (organización de difusión) para la completa implementación, transferencia y explotación de su tecnología. Durante APOLO se llevará a cabo un análisis tecnoeconómico y evaluación del ciclo de vida por parte de la Universidad de Chalmers, así como una evaluación de salud, seguridad y medio ambiente inspirada en el protocolo HAZOP/HAZID de Tecnalia y Fertiberia. APOLO, a través de Bureau Veritas, también pretende proponer modificaciones a las regulaciones de la UE y de la OMI sobre el uso de amoníaco como sistemas de conversión de combustible/energía en el sector marítimo.
Actualmente, APOLO en M21 avanza según lo previsto con el desarrollo de componentes clave para reactores de membrana (membranas, catalizadores, adsorbentes), pilas de combustible y motores de amoníaco. Durante este período también se realiza un análisis de mercado con estrategias preliminares de explotación. Por lo tanto, APOLO está dispuesto a apoyar al sector marítimo para lograr los objetivos de descarbonización establecidos por FuelEU Maritime, Fitfor55 y las regulaciones del Pacto Verde Europeo.
Reconocimiento
Financiado por la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención número 101138466. Sin embargo, los puntos de vista y opiniones expresados son los de los autores únicamente y no reflejan necesariamente los de la Unión Europea o la Agencia Europea de Infraestructura Climática y Control Ambiental (CINEA). Ni la Unión Europea ni CINEA se hacen responsables de ellos.
Referencias
Gallucci et al., Tecnología de procesamiento de combustible, 2021, 216, 106772
Este artículo también se publicará en el número 24 de la revista trimestral.
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