L’ammoniaca, una risorsa chimica inestimabile e versatile. È la base essenziale per prodotti chimici, tessili, esplosivi, refrigeranti e fertilizzanti e in futuro potrebbe avere un ruolo anche nella transizione energetica. Nel febbraio del 2020 La Royal Society ha pubblicato un briefing politico riguardante l’ammoniaca (Ammonia: zero-carbon fertiliser, fuel and energy store) nel quale prende in considerazione le opportunità e le sfide legate alla produzione e all’uso futuro dell’ammoniaca 100% rinnovabile e carbon-free.
Nello stesso policy briefing della Royal Society si avvertono gli agricoltori di usare l’ammoniaca molto più attentamente. Ma è proprio questo esteso utilizzo in agricoltura che ha creato una rete globale di porti dove la sostanza chimica viene commercializzata o stoccata. Tale infrastruttura già esistente per lo stoccaggio dell’ammoniaca refrigerata ha fatto pensare a un utilizzo di questa sostanza come combustibile. Per esempio, negli USA c’è una pipeline per il trasporto di ammoniaca lunga circa 3.000 chilometri.
Nel rapporto della prestigiosa istituzione scientifica si prende in considerazione la produzione di ammoniaca, ancora molto importante come materia prima per molti usi industriali, i nuovi usi possibili a zero emissioni di carbonio per l’ammoniaca verde e, anche, le prospettive internazionali in relazione alle nuove attività e opportunità.
Nella prima sezione del briefing si ricorda che: "L’ammoniaca è un gas pungente che è ampiamente usato per produrre fertilizzanti agricoli. La produzione di ammoniaca green è l’ambito in cui il processo di produzione dell’ammoniaca è al 100% rinnovabile e carbon-free. Un modo per produrre ammoniaca green è quello di utilizzare l’idrogeno prodotto dall’elettrolisi dell’acqua e l’azoto separato dall’aria. Questi vengono quindi inseriti nel processo di Haber (noto anche come Haber-Bosch), tutto alimentato da elettricità sostenibile. Nel processo Haber, l’idrogeno e l’azoto vengono fatti reagire insieme ad alte temperature e pressioni per produrre ammoniaca, NH3".
Per ora non è molto verde
Ma l’attuale produzione di ammoniaca non è un procedimento verde; viene comunemente prodotta da metano, acqua e aria, utilizzando lo Steam methane reforming (SMR) (per produrre l’idrogeno) secondo il processo Haber-Bosch. Circa il 90% dell’anidride carbonica prodotta proviene dal processo SMR che consuma molta energia e produce circa l’1,8% delle emissioni globali di anidride carbonica. Quindi, ridurre la quantità di CO2 emessa durante il processo di produzione dell’ammoniaca è fondamentale per raggiungere gli obiettivi net-zero entro il 2050. La Royal Society evidenzia che "il modo migliore per ridurre le emissioni di carbonio durante la produzione di ammoniaca è quello utilizzare l’idrogeno low-carbon".
Le opzioni più probabili a breve termine per la produzione di idrogeno low-carbon su larga scala sono il blue hydrogen e il green hydrogen. L’idrogeno blu si ha quando le emissioni di CO2 del processo SMR vengono catturate e stoccate (CCS); l’idrogeno verde viene prodotto usando l’elettrolisi dell’acqua per ottenere idrogeno e ossigeno, utilizzando elettricità sostenibile.
Inoltre il rapporto della Royal Society prende in esame anche altri metodi di produzione dell’ammoniaca verde che potrebbero sostituire il processo Haber-Bosch. Per esempio: l'ammoniaca prodotta naturalmente da batteri che contengono un catalizzatore enzimatico chiamato azotogenasi, che opera a temperatura ambiente e pressione per sintetizzare l'ammoniaca dall'acqua e dall'azoto; la produzione elettrochimica per la produzione di ammoniaca verde direttamente dall'acqua e dall'azoto utilizzando l'elettricità e i processi di looping chimico che comportano una serie di reazioni chimiche/elettrochimiche che producono ammoniaca come sottoprodotto, ma in cui le sostanze chimiche vengono riciclate e non vengono perse. Tutti questi metodi, secondo quanto riportato nel rapporto, sono ancora operativi solo in una fase di ricerca di base e hanno avuto tassi di produzione bassi già in studi di laboratorio, per cui il cammino verso una produzione green dell’ammoniaca sembra ancora tutto in salita.
Dall'ammoniaca verde un aiuto alla decarbonizzazione
Nella seconda parte del briefing la Royal Society prende in esame il fatto che l’ammoniaca green potrebbe avere un grande futuro nella corsa alla decarbonizzazione. Oltre allo sviluppo della produzione di ammoniaca verde, infatti, tale produzione potrebbe offrire, ulteriori opzioni per il passaggio alle emissioni net-zero di biossido di carbonio. Queste includono l'uso dell'ammonica per accumulare energia: l’ammoniaca può essere facilmente immagazzinata come liquido a pressioni modeste (10 o 15 bar) o refrigerata a -33° C. C’è una rete di distribuzione esistente, nella quale l’ammoniaca viene stoccata in grandi serbatoi refrigerati e trasportata in tutto il mondo da condotte, autocisterne e navi. Questo lo rende un deposito chimico ideale per le energie rinnovabili. Oppure come carburante zero-carbon: l’ammoniaca può essere bruciata in un motore o utilizzata in una cella a combustibile per produrre elettricità. Se utilizzati, gli unici sottoprodotti dell’ammoniaca sono acqua e azoto. È probabile che l’industria marittima inizi ad adottarla presto, sostituendo l’utilizzo di olio combustibile nei motori marini. Infine come vettore di idrogeno: esistono applicazioni in cui viene utilizzato idrogeno gassoso (per esempio nelle celle a combustibile PEM), tuttavia l’idrogeno è difficile e costoso da stoccare (perché necessita di serbatoi criogenici o di cilindri ad alta pressione). L’ammoniaca è più facile ed economica da stoccare e trasportare e può fornire idrogeno quando necessario utilizzando fonti di energia rinnovabili. Insomma, secondo il rapporto, le navi oceaniche potrebbero essere alimentate dall’ammoniaca già entro 10 anni e questo contribuirebbe a risolvere un problema enorme, visto che i trasporti marittimi attualmente producono circa il 2% delle emissioni globali di CO2, quasi quanto l’intera economia tedesca.
L’International Maritime Organization dell’ONU punta a dimezzare le emissioni del trasporto marittimo internazionale entro il 2050 rispetto al 2008 e un gruppo di grandi armatori è disponibile a pagare 2 dollari per ogni tonnellata di carburante delle navi per sostenere la ricerca sui motori puliti.
La associazioni ambientaliste dicono che l’industria non sta facendo la sua parte nel ridurre le emissioni e che a breve termine bisognerebbe ridurre lo shipping e imporre velocità di crociera più lente alle navi per risparmiare carburante.
Una tecnologia tutta da sviluppare
La Man Energy Solutions sta realizzando un motore a due tempi alimentato ad ammoniaca che spera sia pronto entro il 2024 e il portavoce dell'azienda, Peter Kirkeby, ha detto alla BBC: "Vediamo un grande interesse del mercato per l’ammoniaca come combustibile. Prevediamo che le prime navi alimentate ad ammoniaca saranno le navi cisterna esistenti che stanno già trasportando ammoniaca per i fertilizzanti. Sanno come gestirla. Mi aspetto che il prezzo dell’ammoniaca corrisponda a quello di altri combustibili alternativi come gas di petrolio liquefatto, gas naturale liquefatto o il metanolo".
Ma il rapporto della Royal Society evidenzia che questi carburanti sono meno efficienti rispetto al diesel ad alta intensità energetica e questo significa che le navi alimentate con carburanti più ecologici devono riservare più spazio prezioso per lo stoccaggio del carburante. Per lo stesso motivo, secondo gli autori del rapporto, "l’idrogeno sarebbe troppo voluminoso per alimentare le navi oceaniche".
Però, se è vero che l’ammoniaca non produce emissioni di CO2 è anche vero che produce ossidi di azoto, che sono un potente gas serra e lo stesso rapporto ammette che bisognerà sviluppare ulteriormente la tecnologia per far fronte a questo problema.
Il principale autore del policy briefing della Royal Society, Bill David, professore di chimica dei materiali dell'università di Oxford, ha detto alla BBC che "l’ammoniaca è l’unico combustibile zero-carbon che ci porterà attraverso gli oceani". Ma ha anche avvertito che "in termini di emissioni dei processi industriali, l’ammoniaca arriva solo dopo cemento e acciaio, quindi dobbiamo decarbonizzare la produzione di ammoniaca".
Anche se questa soluzione prospettata da Bill David incontra ancora molto scetticismo per il fatto che la produzione di ammoniaca green si possa espandere velocemente, questo procedimento sembra rappresentare un’ulteriore strada per arrivare alla riduzione della CO2: sia nel processo di produzione sia nell’aprire all’utilizzo dell’NH3 come combustibile, soprattutto nelle fase di stoccaggio dell’energia. La riflessione finale è quindi quella che la scienza deve fare i conti con la democrazia e la società, deve essere data la possibilità a tutti di decidere l’uso che se ne può fare e tutti devono conoscere i vantaggi e gli svantaggi di una scoperta scientifica e in uno stato democratico la politica deve essere in grado di prendere la decisione più corretta.
