Un equipo de investigadores del MIT ha desarrollado una forma innovadora de producir amoniaco sin las habituales plantas químicas que funcionan con combustibles fósiles y que requieren altas temperaturas y presiones. En su lugar, han descubierto una forma de utilizar la propia Tierra como reactor geoquímico para producir amoniaco bajo tierra. El proceso utiliza el calor y la presión naturales de la Tierra, así como la reactividad de los minerales que ya están presentes en el suelo.
El equipo propone inyectar agua subterránea en una zona de roca subterránea rica en hierro. El agua lleva consigo una fuente de nitrógeno y partículas de un catalizador metálico, lo que permite que el agua reaccione con el hierro para generar hidrógeno limpio, que a su vez reacciona con el nitrógeno para producir amoníaco. Luego se utilizaría un segundo pozo para bombear ese amoníaco hasta la superficie.
El proceso, que se ha demostrado en el laboratorio pero todavía no en un entorno natural, se describe en un artículo de acceso abierto en la revista Joule . Los coautores del artículo son los profesores de ciencia e ingeniería de materiales del MIT Iwnetim Abate y Ju Li, el estudiante de posgrado Yifan Gao y otras cinco personas del MIT.
Aunque la producción de amoníaco es crucial para la agricultura mundial, conlleva importantes huellas de carbono. Aquí, por primera vez, proponemos y demostramos un método diferente para la producción estimulada (proactiva) e in situ de amoníaco geológico (Geo-NH 3 ) directamente a partir de rocas. Nuestro enfoque demostró que el NH 3 se puede generar de manera eficiente mediante la reacción de minerales naturales (Fe,Mg) 2 SiO 4 (olivino) con agua de fuente de nitrato a 130 °C–300 °C y 0,25–8,5 MPa, e incluso a temperatura y presión ambiente. Utilizando rocas reales y mineral sintético Fe(OH) 2 , investigamos mecanismos y optimizamos las condiciones a través de experimentos y cálculos teóricos. Revelamos la química básica que permite la producción de Geo-NH 3 : el Fe 2+ contenido en las rocas reduce la fuente de nitrato a NH 3 . Nuestro enfoque, que implica únicamente la inyección de agua fuente de nitrato en el subsuelo para utilizar el calor y la presión del subsuelo in situ, no requiere H2 externo ni corriente eléctrica y no emite CO2 directo , lo que ofrece una alternativa viable a la producción sostenible de NH3 a escala.
—Gao y otros.
El método estándar para producir amoniaco es el proceso Haber-Bosch, que se desarrolló en Alemania a principios del siglo XX para reemplazar las fuentes naturales de fertilizantes nitrogenados, como los depósitos mineros de guano de murciélago, que se estaban agotando. El proceso Haber-Bosch consume mucha energía: requiere temperaturas de 400 grados Celsius y presiones de 200 atmósferas, lo que significa que necesita instalaciones enormes para ser eficiente. En algunas áreas del mundo, como el África subsahariana y el sudeste asiático, hay pocas o ninguna de estas plantas en funcionamiento. Como resultado, la escasez o el costo extremadamente alto de los fertilizantes en estas regiones ha limitado su producción agrícola.
El proceso Haber-Bosch “es bueno. Funciona”, afirma Abate. “Sin él, no habríamos podido alimentar a 2 de los 8.000 millones de personas que hay en el mundo en la actualidad”, afirma, refiriéndose a la parte de la población mundial cuyos alimentos se cultivan con fertilizantes a base de amoníaco. Pero debido a las emisiones y las demandas energéticas, se necesita un proceso mejor, afirma.
La quema de combustible para generar calor es responsable de aproximadamente el 20% de los gases de efecto invernadero emitidos por las plantas que utilizan el proceso Haber-Bosch. La producción de hidrógeno representa el 80% restante. Pero el amoníaco, la molécula NH3 , está compuesta únicamente de nitrógeno e hidrógeno. No hay carbono en la fórmula, así que ¿de dónde provienen las emisiones de carbono? La forma estándar de producir el hidrógeno necesario es procesando el gas metano con vapor, descomponiendo el gas en hidrógeno puro, que se utiliza, y dióxido de carbono gaseoso que se libera al aire.
Existen otros procesos para producir hidrógeno con bajas emisiones o sin ellas, como el uso de electricidad generada por energía solar o eólica para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, pero ese proceso puede ser costoso. Por eso Abate y su equipo trabajaron en el desarrollo de un sistema para producir lo que ellos llaman hidrógeno geológico. Se ha descubierto que algunos lugares del mundo, incluidos algunos en África, generan hidrógeno de forma natural bajo tierra a través de reacciones químicas entre el agua y rocas ricas en hierro. Estas bolsas de hidrógeno natural se pueden extraer, al igual que los depósitos naturales de metano, pero la extensión y la ubicación de dichos depósitos aún están relativamente inexploradas.
Abate se dio cuenta de que este proceso se podía crear o mejorar bombeando agua, mezclada con partículas catalizadoras de cobre y níquel para acelerar el proceso, hacia el suelo en lugares donde ya había rocas ricas en hierro. “Podemos usar la Tierra como una fábrica para producir flujos limpios de hidrógeno”, afirma.
Recuerda haber pensado en el problema de las emisiones de la producción de hidrógeno para amoníaco: “El momento revelador para mí fue pensar: ¿qué tal si vinculamos este proceso de producción geológica de hidrógeno con el proceso de fabricación del amoníaco Haber-Bosch?”
Esto resolvería el mayor problema del proceso de producción subterránea de hidrógeno, que es cómo capturar y almacenar el gas una vez producido. Al implementar todo el proceso Haber-Bosch bajo tierra, el único material que sería necesario enviar a la superficie sería el propio amoniaco, que es fácil de capturar, almacenar y transportar.
El único ingrediente adicional necesario para completar el proceso fue la adición de una fuente de nitrógeno, como nitrato o gas nitrógeno, a la mezcla de agua y catalizador que se inyectaba en el suelo. Luego, a medida que el hidrógeno se libera de las moléculas de agua después de interactuar con las rocas ricas en hierro, puede unirse inmediatamente con los átomos de nitrógeno que también se encuentran en el agua, y el entorno subterráneo profundo proporciona las altas temperaturas y presiones que requiere el proceso Haber-Bosch. Un segundo pozo cerca del pozo de inyección bombea luego el amoníaco hacia afuera y hacia los tanques en la superficie.
Llamamos a esto amoníaco geológico porque utilizamos la temperatura, la presión, la química y las rocas geológicamente existentes del subsuelo para producir amoníaco directamente. —Iwnetim Abate
Mientras que el transporte de hidrógeno requiere equipos costosos para enfriarlo y licuarlo, y prácticamente no existen tuberías para su transporte (excepto cerca de las refinerías de petróleo), el transporte de amoníaco es más fácil y más barato. Cuesta aproximadamente una sexta parte del costo del transporte de hidrógeno, y ya hay más de 8.000 kilómetros de tuberías de amoníaco y 10.000 terminales instaladas solo en los Estados Unidos.
El amoníaco se puede quemar directamente en turbinas de gas, motores y hornos industriales, lo que supone una alternativa libre de carbono a los combustibles fósiles. Se está estudiando su uso en el transporte marítimo y la aviación como combustible alternativo y como posible propulsor espacial.
Otra ventaja del amoníaco geológico es que las aguas residuales no tratadas, incluidas las de origen agrícola, que suelen ser ricas en nitrógeno, podrían servir como fuente de agua y ser tratadas en el proceso.
El trabajo inicial sobre el proceso se ha realizado en el laboratorio, por lo que el siguiente paso será probar el proceso utilizando un sitio subterráneo real. El equipo ha solicitado una patente y pretende trabajar para llevar el proceso al mercado.
Recursos
- Yifan Gao, Ming Lei, Bachu Sravan Kumar, Hugh Barrett Smith, Seok Hee Han, Lokesh Sangabattula, Ju Li, Iwnetim I. Abate, Amoníaco geológico: producción estimulada de NH3 a partir de rocas, Joule , 2025, doi: 10.1016/j.joule.2024.12.006
