REPORTAJE / Energías renovables

Figura 1. Potencia eléctrica liberable en función de la energía almacenada para diferentes sistemas de almacenamiento de energía. Las rectas de trazos indican de forma aproximada el periodo de respuesta para el que se suelen diseñar los sistemas. Tomada de Limpens and Jeanmart (2018).

Las fuentes más abundantes de energía renovable (solar y viento) son intermitentes y aleatorias, por lo que, para acomodarse a la demanda se requiere un cierto grado de acumulación. Aunque toda la demanda de energía eléctrica se cubriera con fuentes renovables y sistemas de acumulación eléctrica, todavía quedaría entre un 53% y un 68% de la demanda de energía (transporte, agricultura, calor, industria, etc.) que requeriría otras soluciones. La solución obvia son los combustibles gaseosos y líquidos sintéticos (CGS o CLS) producidos a partir de energías renovables.

La figura 1 muestra la relación entre la energía almacenada y la potencia eléctrica restituida de los diferentes sistemas de almacenamiento de energía existentes en la actualidad. Para pequeñas cantidades de energía y periodos cortos de descarga (segundos a horas), el almacenamiento en condensadores, volantes de inercia, baterías y baterías de flujo, es óptimo. Los almacenamientos en cavernas de aire comprimido (AC) o en embalses hidráulicos (EH) se diseñan para capacidades mayores y son capaces de proveer electricidad a regiones enteras durante horas o incluso días. Para mayores acumulaciones, potencias y periodos de almacenamiento (semanas o meses), la energía debe ser almacenada en forma de combustibles sintéticos (gaseosos o líquidos) denominados en los sucesivo CS.

Todos los CS, salvo el hidrógeno, se consideran sistemas de almacenamiento químico de hidrógeno, ya que los fuertes enlaces químicos actúan comprimiendo el hidrógeno en las moléculas de los CS de tal manera que el contenido de hidrógeno por unidad de volumen en estos combustibles es superior incluso a la del hidrógeno líquido. Las facilidad del almacenamiento de largo plazo, de transporte a grandes distancias, la gran capacidad energética y razones económicas explican las ventajas de los CS en comparación con otras tecnologías de almacenamiento.

Como resumen, la reducción de GEI podrá realizarse si, además de utilizar energía eléctrica de origen renovable, se desarrollan las tecnologías para la producción de CS a partir de energías renovables para 1) la gestión de la generación eléctrica, 2) los procesos industriales, 3) la agricultura, 4) el transporte y 5) el acondicionamiento térmico de edificios.

2. Ventajas del amoniaco como Vector energético Los combustibles que se consideran como posibles CS son el hidrógeno y el amoniaco (NH3) entre los no carbonados y el metano, y el metanol entre los carbonados. Entre estos CS el amoniaco presenta las siguientes ventajas: 1) Proceso de síntesis (sistema Harber-Bosh) maduro y bien establecido. La adaptación de los procesos a la utilización de energías renovables no presenta problemas. Además, en la actualidad se están desarrollado procesos de producción directa electroquímica del amoniaco a partir de nitrógeno y agua. 2) Las materias primas para la producción del amoniaco (agua y nitrógeno) son abundantes y ampliamente distribuidas. Esta es una gran ventaja frente a los CS con base de carbono, salvo en aquellos casos en los que se disponga de fuentes concentradas de CO2 (por ejemplo en la industria del cemento). 3) La utilización del amoniaco para la producción de energía no genera gases de efecto invernadero y se recicla de nuevo en agua y nitrógeno. Esto no ocurre así en los CS basados en el anhídrido carbónico atrapado en las emisiones industriales. 4) La energía por unidad de volumen del amoniaco líquido es 1.5 veces superior a la del hidrógeno líquido. 5) El amoniaco es un producto químico de amplia utilización mundial (185 Mt en 2020) por lo que tiene una red de distribución y protocolos de almacenamiento, transporte y utilización plenamente establecidos. 6) El amoniaco se mantiene líquido a presión atmosférica a una temperatura por debajo de -33 ºC,

La utilización del amoniaco para la producción de energía no genera gases de efecto invernadero y se recicla de nuevo en agua y nitrógeno

Figura 2. Visión de una economía basada en el amoniaco. Tomada de Mc Farlane et al. (2020).

mientras que para mantener líquido el hidrógeno a presión atmosférica se requiere una temperatura inferior a -253 ºC. El amoniaco se puede mantener líquido a temperatura ambiente en depósitos de presión, por ejemplo a 25ºC y 10 bares, de forma similar al propano. Esta es una gran ventaja sobre el hidrógeno líquido, que no puede mantenerse líquido a temperatura mayor que -253ºC bajo presión, por elevada que sea la presión. Quiere esto decir que los contenedores de hidrógeno líquido siempre pierden por evaporación parte del contenido, por lo que no es rentable para el almacenamiento a largo plazo o los transportes de largo recorrido, Züttel (2003), teniéndose que recurrir al almacenamiento gaseoso a elevadas presiones (700 bares). Esta circunstancia hace que el hidrógeno comprimido sea inviable económicamente para grandes volúmenes, debido al coste de los depósitos y el consumo de energía que supone la compresión. 7) El amoniaco es un gas poco inflamable comparativamente con el hidrógeno y su toxicidad queda

La energía eólica marina es una tecnología completamente establecida en Europa y está en plena expansión en el mundo

compensada por el bajo umbral de percepción olfativa y la rápida dispersión en la atmósfera, al ser un gas menos pesado que el aire. 8) El amoniaco puede ser utilizado en motores de combustión interna, turbinas para la producción de energía, turbinas de aviación, hornos, calderas y células de combustible directas, por lo que es tan versátil como el hidrógeno o el metano. En cualquiera de estas aplicaciones, las emisiones son agua y nitrógeno, que vuelven a la atmósfera sin necesidad de ningún proceso de reciclaje.

Figura 3. Infografía de la isla energética que el gobierno Danés está proyectando en el Mar del Norte, a 80 km de la costa oeste de Jutlandia. Infografía de la Agencia Danesa de la Energía.

Estas ventajas del NH3 verde hacen que este CS se esté posicionando como uno de los más prometedores para el desarrollo de un sistema energético sostenible, ver figura 2.

3. la producción de amoniaco en parques eólicos marinos aislados La energía eólica marina es una tecnología completamente establecida en Europa y está en plena expansión en el mundo. En la actualidad se está empezando a instalar los primeros parques eólicos flotantes en áreas cada vez más alejadas de la costa. El potencial eólico marino y las condiciones de la plataforma continental en las aguas territoriales españolas son muy apropiados para el desarrollo de la energía eólica flotante. Por ello, se ha planteado la posibilidad de la utilización directa de la energía en el parque eólico para la producción de CS en plataformas fijas o flotantes. El combustible producido puede entonces ser enviado a tierra por tubería, utilizado para el repostaje de barcos en alta mar o descargado en buques tanque para su distribución a cualquier lugar del mundo. Como ejemplo, Dinamarca está proyectando la construcción de una “isla energética”, con capacidad de 3 GW y posible expansión a 10 GW, en el oeste de Jutlandia a 80 km de la costa, enlazada a grandes parques eólicos, para la producción de CS, ver figura 3.

Con el objetivo de la promoción de la energía eólica marina, el Instituto de Hidráulica Ambiental de la Universidad de Cantabria es uno de los promotores del Grupo de Empresas denominado Supercluster Atlantic Wind (SAW) que agrupa los siguientes grupos de empresas del norte de España: • SeaofInnovationCantabriaClúster (https://cantabriaseaofinnovation.es/) • GaliciaoffshoreEnergyGroup (https://www.asimegoe.com/) •ConsorcioTecnológicodelaEnergíadeAsturias (http://www.ainer.es/)

El primer proyecto SAW es el proyecto BahiaH2, cuya motivación y objetivos se describen en el apartado siguiente.

Figura 4. Mapa del transporte marítimo y terminales portuarias para el amoniaco. Tomada de The Royal Society (2020).

4. descripción del proyecto BaHíaH2 4.1. motiVación Como se ha indicado en la introducción, el amoniaco verde está siendo considerado como un CS que sustituya a los actuales combustibles fósiles The Royal Society (2020). Además, el amoniaco es un producto químico utilizado en la fabricación de fertilizantes y en la industria química con una amplia distribución en todo el mundo, ver figura 4. Esta producción se realiza en la actualidad a partir de hidrógeno obtenido del gas natural o de la regasificación del carbón y de otros combustibles fósiles, por lo que la fabricación actual del amoniaco consume el 2% de la energía producida por la humanidad y produce el 1.2% de las emisiones de CO2 a la atmósfera, Liu et al. (2020).

Por otro lado, el transporte marítimo es responsable en la actualidad del 2.5% de las emisiones de CO2 y se prevé un fuerte incremento en las próximas décadas (hasta un 250% para 2050) (https:// ec.europa.eu/clima/eu-action/transport-emissions/ reducing-emissions-shipping-sector_es). Dado que por el momento la única alternativa sin emisiones son los CS, no carbonados, el amoniaco se está posicionando en la industria del transporte marítimo como sustituto de los combustibles fósiles en los motores marinos, existiendo ya varios fabricantes desarrollando y probando motores y células de combustible de amoniaco, Man (2019), Fraunhofer (2021).

El proyecto BahíaH2 está motivado en esta necesidad de descarbonización de la producción de amoniaco y del transporte marítimo. En este sentido, los grandes parques eólicos marinos son especialmente adecuados para el suministro de energía a las plantas de producción de NH3, ya que las materias primas (agua y aire) están disponibles en alta mar y las operaciones de reaprovisionamiento o carga de los barcos son fácilmente realizables.

Los beneficios del proyecto BahíaH2 para las regiones SAW serán los siguientes:

Se espera que la producción de amoniaco verde en los parques eólicos flotantes en mar abierto en 2050 supere el medio millón de toneladas (en 2020 la producción de NH3 en España por las empresas del grupo Fertiberia fue de unas 600.000 t). Asumiendo que actualmente el amoniaco se produce mayormente por el proceso de reformado del metano con vapor de agua y que cada tonelada de amoniaco fabricado produce 1.5 t de CO2 Chisalita et al. (2018), la producción de este amoniaco verde supondrá una reducción de emisiones a la atmósfera de CO2 de unas 800,000 t anuales.

4.2. oBjetiVo del proyecto BaHíaH2 El objetivo general del proyecto BahíaH2 es demostrar la viabilidad de la producción de amoniaco verde en alta mar a partir de la energía eólica producida por los parques eólicos marinos aislados de tierra.

4.3. Fases del proyecto BaHíaH2 El proyecto BahíaH2 se organiza en tres etapas, correspondientes a tres niveles de desarrollo tecnológico, ver figura 5.

Como se indica en la figura 5, el objetivo de la primera fase es la construcción y el estudio de la operación de una planta flotante de producción de amoniaco a partir de la energía generada por una planta fotovoltaica flotante. Esta planta FV flotante, con una potencia instalada de unos 500 kW, ocupará una superficie aproximada de 3600 m2 y estará formada por flotadores de HDPE que soportan pasarelas y paneles PV, unidos entre sí de forma que se impide el desplazamiento de los paneles, sin constreñir los giros entre ellos, ver figura 6.

La barcaza de producción de amoniaco estará construida en acero, con una superficie de cubierta útil aproximada de 450 m2. Sobre la barcaza se instalará, entre otros los equipos necesarios para la producción del amoniaco a partir del agua, que en esta etapa se tomará de la red, el aire y la energía eléctrica producida por la planta fotovoltaica flotante y la su-

Figura 5. Etapas del proyecto BahíaH2 para la producción de amoniaco verde en parques eólicos marinos.

ministrada por la red. La producción de la planta será de unos 22 a 28 Kg/h de amoniaco.

La planta FV y la barcaza de producción de amoniaco se instalarán en el Puerto de Santander, previsiblemente en las proximidades de las instalaciones de Terquisa, en el Espigón Central de Raos, ver figura 7 y no estará aislada de tierra, recibiendo agua y energía alternativamente de la red. El amoniaco líquido producido se almacenará en depósitos en tierra y se utilizará como combustible en barcos de servicio de la Autoridad Portuaria de Santander (APS) adaptados para este combustible. En esta fase se estudiará la integración de todos los sistemas y su adaptación al suministro intermitente de energía característico de la energía solar y eólica. Se prevé que esta fase se inicie en 2022 y finalice en 2024.

La fase 2 implica la construcción y operación de una planta flotante (puede ser un barco adaptado) de producción de amoniaco, anclado en alta mar a una monoboya CALM. La energía para la producción de amoniaco provendrá de un aerogenerador flotante. La instalación se realizará en el centro de pruebas para energías renovables marinas BIMEP y posiblemente pueda reutilizar algunos de los prototipos de aerogeneradores que se prueben en el mismo (por ejemplo el prototipo SAITEC). El nivel tecnológico que se espera alcanzar será un TRL4-5.

En la fase 2, la planta estará aislada relativamente de tierra (podrá recibir energía y comunicaciones a través de los cables submarinos de BIMEP) y se ensayará la adaptación de la planta a las condiciones marinas de alta mar (desalación de agua de mar para los electrolizadores, agua de mar para la refrigeración, oscilaciones y cargas producidas por la dinámica marina, etc.) y al suministro intermitente de energía. Se prevé que esta fase finalice en 2026.

En la fase 3 se construirá un prototipo de plataforma flotante de producción, almacenamiento y descarga de amoniaco líquido para su operación en un parque eólico real, ver figura 8. Aunque este parque será posiblemente un parque comercial conectado a tierra, en esta fase se analizará la operación de la planta en condiciones aisladas y se realizarán las operaciones de reaprovisionamiento de buques adaptados al amoniaco líquido y la descarga a barcos de transporte de amoniaco (similares a los actuales utilizados para el transporte de gas licuado de petróleo). El nivel tecnológico que se alcanzará será un TRL8-9 es decir pre-comercial.

Figura 6. Planta solar flotante del embalse de Sierra Brava (Acciona) 2020. Potencia instalada: 446 kW. Nº de unidades : 2991. Sistema Isifloating de Isigenere.

5. conclusiones La sociedad humana está enfrentando el reto de la reducción de gases de efecto invernadero producidos por la combustión de combustibles fósiles para la producción de energía y procesos industriales. La consecución de los objetivos de emisiones no será posible sin la producción de combustibles sintéticos mediante energías renovables. De entre las opciones posibles, el amoniaco se presenta como un CS de versátil, económico, fácil de producir, transportar y almacenar y cuya utilización para la producción de energía es completamente reciclable. Además, el amoniaco es un producto de amplia utilización mundial y la descarbonización de su producción es imperativa para alcanzar los objetivos de emisiones.

Los parques eólicos marinos se van imponiendo como una fuente principal de energía renovable. A medida que las zonas menos profundas van siendo ocupadas por los parques eólicos fijos al fondo, la creación de nuevos parques se va desplazando a profundidades y distancias mayores de la costa, donde los parques eólicos sobre plataformas flotantes comienzan a ser rentables. Este es el caso de las plataformas continentales españolas, donde se está planteando el desarrollo de estos parques eólicos flotantes. Estos parques son adecuados para el suministro de energía a plataformas flotantes de producción y almacenamiento de amoniaco que sirvan para el reaprovisionamiento de combustible a barcos en ruta y para la carga y distribución del amoniaco mediante barcos gaseros.

El Instituto de Hidráulica Ambiental de la Universidad Cantabria forma parte del Grupo de Empresas denominado Supercluster Atlantic Wind (SAW) que agrupa empresas de Cantabria, Asturias y Galicia para la promoción de la energía eólica marina. El primer proyecto del SAW es el BahíaH2, que tiene como objetivo demostrar la viabilidad de la producción de amoniaco verde en alta mar a partir de la energía eólica producida por parques eólicos marinos aislados de tierra. En este artículo se muestra las etapas de este proyecto, que se iniciará con la construcción de un prototipo de planta flotante de producción de amoniaco verde en la Bahía de Santander y la utilización de la producción como combustible en barcos de servicio de la APS y terminará con la instalación de una plataforma de producción de amoniaco en alguno de los parques eólicos flotantes que se proyecta instalar en el NW de España.

Figura 7. Posible ubicación del fondeo de la planta solar flotante y barcaza de producción de NH3 en la Bahía de Santander, para la fase 1 del proyecto BahíaH2.

Figura 8. Composición de un parque eólico offshore servido por una factoría flotante de producción y almacenamiento de amoniaco.

BiBliograFía Chisalita, D.A., Petrescu, L., Cormos, A.M., Cormos, C.C. (2018). Assessing Energy and CO2 Emission Reduction from Ammonia Production by Chemical Looping as Innovative Carbon Capture Technology. Proc. 28th European Symposium on Computer Aided Process Engineering. June 2018, Graz, Austria.

Fraunhofer (2021). The world’s first high-temperature ammonia-powered fuel cell for shipping.

Limpens, G., and Jeanmart, H. (2018). Electricity storage needs for the energy transition: an eroi based analysis illustrated by the case of belgium. Energy 152, 960–973. doi: 10.1016/j.energy.2018.03.180.

Xinyu Liu, Amgad Elgowainya and Michael Wang (2020). Life cycle energy use and greenhouse gas emissions of ammonia production from renewable resources and industrial by-products. Green Chemistry, 17.

MacFarlane, D. R., Cherepanov, P.V., Choi, J., Suryanto, B.H.R., Hodgetts, R.Y., Bakker, J.M., Ferrero Vallana F.M., and Simonov, A.N. (2020). A Roadmap to the Ammonia Economy, Joule (2020), https://doi. org/10.1016/j.joule.2020.04.004.

MAN Energy Solutions (2019). Engineering the future two-stroke green-ammonia engine. MAN Energy Solutions. 5510-0241-00. Nov 2019.

The Royal Society (2020). Ammonia: zero-carbon fertiliser, fuel and energy store. Issued: February 2020 DES5711 ISBN: 978-1-78252-448-9.

Züttel, A. (2003). Materials for hydrogen storage. Materials Today, Vol 6, nº, 2003, 24-33.

César Vidal Pascual

Catedrático Emérito de la Universidad de Cantabria. Instituto de Hidráulica Ambiental de la Universidad de Cantabria

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