El amoníaco (NH₃) ha cobrado relevancia como hidrógeno de alta densidad. Es un combustible libre de carbono, no emite CO ni CO2; ni óxidos de azufre, ni hidrocarburos inquemados.
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El amoníaco se perfila como una alternativa viable a los combustibles fósiles en los sistemas de combustión, contribuyendo a la reducción de las emisiones de carbono. Sin embargo, su uso presenta desafíos, como las emisiones de NOx y la baja velocidad de la llama, por lo que es necesario aspectos innovadores para lograr optimizar su uso. El NH3 puede emplearse directamente como combustible sin necesidad de descomposición. El amoníaco generalmente se almacena en forma líquida y puede suministrarse a los sistemas de combustión tanto en forma gaseosa como líquida.
El amoníaco, como posible portador de energía renovable, ha despertado recientemente un renovado interés en el sector energético, debido a su alta densidad energética volumétrica y a su practicidad en términos de almacenamiento y distribución.
La mezcla de hidrógeno con amoníaco ofrece una solución sinérgica para mejorar las propiedades de combustión. El hidrógeno, gracias a su alta reactividad, actúa como promotor de la combustión, permitiendo el potencial libre de carbono del amoníaco, a la vez que mejora la estabilidad de la llama. Si elegimos adecuadamente las proporciones volumétricas de ambas sustancias, podemos conseguir velocidades de llama comparables a las del gas natural, (como la mezcla empleada en este análisis, de 70 % de NH3 y 30 % de H2) lo que la convierte en una buena opción para su incorporación en los sistemas energéticos actuales. Cuando se mezclan ambas sustancias, la velocidad de combustión (acelera considerablemente la propagación de la llama) del NH3 mejora debido a la mayor cantidad de átomos de H2 en la llama con la adición de H2, ampliando los límites de inflamabilidad del NH3. Además, la descomposición del amoníaco puede garantizar un suministro estable de hidrógeno, lo que mejora aún más la eficiencia de la combustión y minimiza las complejidades logísticas.
Sin embargo, el uso de amoníaco como combustible conlleva importantes emisiones de NOx, lo que exige la implementación de estrategias avanzadas como la recirculación de gases de escape. Es conocido que al incrementar la proporción de mezcla de hidrógeno en el combustible (mezcla amoníaco-hidrógeno) se consigue una reducción de las emisiones de NOx, teniendo además un efecto positivo en la mejora de la estabilidad de la combustión.
La temperatura de llama adiabática del amoníaco es inferior a la del hidrógeno y el gas natural, registrada a 1835 °C, en comparación con 2252 °C y 2054 °C, respectivamente. Esta menor temperatura y la ausencia de CO2 en los gases de escape reducen la transferencia de calor radiativa, lo que retrasa la combustión. La velocidad de combustión laminar del amoníaco también es inferior a la del hidrógeno y el gas natural, con velocidades registradas de 0.07 m/s, 2.91 m/s y 0.37 m/s, respectivamente. Su estrecho rango de inflamabilidad plantea desafíos adicionales para la ignición.
Una preocupación importante con la combustión del amoníaco es el potencial de emisiones de NOx. Aunque la combustión estequiométrica del amoníaco no produce NOx, las condiciones reales pueden provocar la formación de radicales que contienen nitrógeno y las consiguientes emisiones de NOx. Sin embargo, las tecnologías avanzadas para la eliminación de NOx, como la reducción catalítica selectiva (SCR), pueden mitigar estas emisiones y, curiosamente, el amoníaco del combustible podría utilizarse en este proceso. El riesgo de inquemados de amoníaco también es preocupante debido a su toxicidad, y el amoníaco puede causar corrosión en los materiales, lo que requiere una cuidadosa selección de materiales. Se han desarrollado diversas estrategias para mejorar el proceso de combustión, como el uso de amoníaco gaseoso, la adición de aditivos de combustión y el empleo de agitadores y soportes de llama, todos los cuales han demostrado mejorar la estabilidad y la eficiencia de la combustión, a la vez que reducen las emisiones de NOx.
Hay algunas evidencias de que el uso de amoníaco e hidrógeno como combustibles no puede proponerse de forma segura debido a su toxicidad y reactividad. De hecho, existen varios riesgos asociados a la quema de estos combustibles:
- El hidrógeno es difícil de detectar, al arde con una llama incolora. Además, a diferencia de la mayoría de los gases comunes, aumenta su temperatura cuando se fuga de una fuente de alta presión (efecto Joule-Thompson inverso).
Afortunadamente, el hidrógeno no es tóxico ni cancerígeno, pero puede actuar como asfixiante. No obstante, se disipa rápidamente cuando se libera porque es mucho más ligero que el aire, lo que permite una dispersión relativamente rápida del combustible en caso de fuga.
El amoníaco generalmente se considera no inflamable. Sin embargo, en altas concentraciones y en ciertas condiciones atmosféricas, presenta peligro de incendio y explosión (se debe prestar especial atención a los protocolos de sellado y seguridad de los sistemas). El fuego produce gases irritantes, corrosivos y tóxicos. El NH3 puede corroer materiales como el cobre y ciertos plásticos. El amoníaco también puede descomponerse a altas temperaturas, formando hidrógeno.
En los motores de encendido por chispa, la resistencia del NH3 a la autoignición requiere relaciones de compresión elevadas, lo que complica el diseño del motor. Para evitarlo, la investigación se ha centrado en mezclar NH3 con combustibles más reactivos o en utilizar sistemas de combustible dual, donde se inyecta una pequeña cantidad de combustible similar al diésel para encender la mezcla de NH3 y aire.
El hidrógeno, a pesar de su alto contenido energético por masa (120 MJ/kg, PCI), la baja densidad del hidrógeno requiere soluciones de almacenamiento complejas, lo que lo hace menos ideal para aplicaciones de uso marítimo y aeronáutico de largo alcance.
El amoníaco, por otro lado, ofrece una energía específica por masa menor (18.6 MJ/kg, PCI), pero puede almacenarse en forma líquida a presiones moderadas, lo que lo hace más viable para aplicaciones de propulsión marítima.
Turbina de gas (análisis energético y exergético): 30% H2 y 70% NH3
Turbina de gas (análisis energético y exergético): 100% H2
