La sintesi dell’ammoniaca verde è diventato negli ultimi anni un importante campo di ricerca. Ogni anno sono prodotte circa 175 milioni di tonnellate di ammoniaca che costituisce una delle materie prime principali per l’industria e l’agricoltura.
La sintesi dell’ammoniaca avviene secondo il processo di Haber–Bosch che richiede elevate temperature dai 400 ai 500 °C e altissime pressioni dai 150 ai 300 bar. Queste condizioni risultano necessarie a causa dell’alta energia di dissociazione del triplo legame dell’azoto.
Il processo Haber-Bosch per produrre ammoniaca consiste nell’estrarre l’idrogeno dal gas naturale da cui si ottiene biossido di carbonio come sottoprodotto, e quindi combinare l’idrogeno con l’azoto dall’aria ad alta pressione e temperature.
Tramite questo processo l’ammoniaca risulta essere la sostanza chimica di base a più alta intensità energetica, responsabile dell’1%–2% del consumo globale di energia e dell’1.44% di emissioni di biossido di carbonio.
Nell’ambito della transizione energetica è quindi indispensabile trovare altre vie sintetiche per ottenere ammoniaca verde per diventare parte della soluzione mondiale per il cambiamento climatico. Il modo più semplice per ottenere ammoniaca verde e ridurre drasticamente le emissioni derivanti dalla produzione con il metodo tradizionale consiste nell’eliminare il gas naturale e produrre idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua con elettricità proveniente da fonti rinnovabili.
Dal 2018, si sono diffusi in tutto il mondo impianti sperimentali per la produzione di ammoniaca verde ma la produzione del prezioso gas utilizzato, tra l’altro, per ottenere fertilizzanti, acido nitrico, esplosivi, nylon, poliammidi e farmaci, risulta essere molto bassa.
Metodi sintetici per ottenere ammoniaca verde
La sfida principale per la produzione di ammoniaca verde è trovare un percorso economicamente sostenibile, efficiente dal punto di vista energetico e più sostenibile per la produzione di idrogeno. Pertanto i ricercatori di tutto il mondo hanno indirizzato i loro studi a processi alternativi rispetto al processo tradizionale.
Processo elettrochimico
Piante e batteri producono ammoniaca da milioni di anni dall’azoto gassoso atmosferico in condizioni ambientali nella prima fase del processo di fissazione dell’azoto grazie al metalloenzima nitrogenasi. Sebbene gli enzimi nitrogenasi siano presenti solo in alcuni microrganismi, il metodo naturale di fissazione dell’azoto ha motivato la ricerca per la produzione di ammoniaca verde tramite un processo a bassa temperatura.
Sono stati testate vie sintetiche a temperature diverse utilizzando celle elettrochimiche nelle quali l’ammoniaca fosse prodotta a partire da acqua e azoto e successivamente dagli elementi. Tuttavia la cinetica lenta della reazione richiede studi più approfonditi.
Processo termochimico
Un altro processo oggetto di studi è quello termochimico che avviene in due reazioni e può essere condotto a pressione atmosferica e in assenza di catalizzatori. Nella prima reazione avviene la riduzione carbotermica dell’azoto in presenza di ossido di alluminio con formazione di nitruro di alluminio:
N2 + 3 C + Al2O3 → 2 AlN + 3 CO
Nella seconda reazione il nitruro di alluminio reagisce con vapore acqueo per dare ossido di allumino e ammoniaca:
2 AlN + 3 H2O → 2 NH3 + Al2O3
Questo processo richiede, tuttavia, elevatissime temperature
Processo con reattore a membrana
In questo processo che avviene in un reattore a membrana a permeazione di azoto, l’azoto gassoso viene adsorbito chimicamente e ionizzato secondo la semireazione:
N2 + 6 e– → 2 N3-
Gli ioni di azoto trasportati reagiscono con l’idrogeno per formare ammoniaca all’interno del reattore a membrana:
2 N3-+ 3 H2 → 2 NH3 + 6 e–
La reazione avviene a 450°C ma l’efficienza energetica potrebbe essere ulteriormente migliorata sfruttando i flussi di calore di scarico disponibili dalle centrali nucleari e dall’industria.
Le nuove frontiere
I metodi attualmente più utilizzati consistono nell’utilizzo di idrogeno verde ottenuto per via elettrolitica, utilizzando, come fonte energetica, l’energia eolica o solare.
Le celle a combustibile inverse possono utilizzare l’energia rinnovabile per produrre ammoniaca dall’aria e dall’acqua, una tecnica molto più rispettosa dell’ambiente rispetto al processo industriale Haber-Bosch.
I progetti di sintesi di ammoniaca verde che utilizzano l’elettrolisi dell’acqua per fornire idrogeno sono stati recentemente commercializzati da importanti aziende. Poiché il prezzo dell’ammoniaca è in gran parte determinato dal prezzo dell’idrogeno, la produzione di idrogeno verde a costi competitivi sarà necessaria per accelerare l’economia verde dell’ammoniaca che rilascia quasi zero emissioni di ossidi di carbonio e di ossidi dello zolfo durante la combustione.