Técnicas Reunidas ha sido seleccionada por Hive Hydrogen South Africa (HHSA) para realizar el estudio de ingeniería preliminar (FEED) de una planta destinada a producir aproximadamente un millón de toneladas anuales de amoníaco verde.
La instalación se ubicará en la Zona Económica Especial de Coega, adyacente al puerto de Ngqura, en Nelson Mandela Bay, provincia del Cabo Oriental, Sudáfrica. Según HHSA, la inversión prevista ronda los 1.800 millones de dólares.
El contrato abarca el diseño de los electrolizadores para la generación de hidrógeno, las unidades de separación de aire, el circuito de síntesis de amoníaco, una planta desalinizadora, sistemas de almacenamiento con capacidad superior a 100 000 toneladas, las tuberías de transporte hasta el puerto y las instalaciones auxiliares necesarias para la operación.
El FEED de una planta de amoníaco verde
El FEED (Front‑End Engineering Design) es una fase clave del desarrollo de proyectos industriales que consiste en elaborar los diseños básicos de los equipos y sistemas, definir los requerimientos técnicos, elaborar estimaciones de costos y elaborar los paquetes de licitación para la etapa EPC (ingeniería, adquisición y construcción).
Esta fase permite identificar riesgos, optimizar soluciones y garantizar que el proyecto cumpla con los objetivos de producción antes de comprometer inversiones mayores. En el caso de la planta de amoníaco verde, el FEED incluirá la selección de la tecnología de electrólisis más adecuada, el dimensionamiento de los compresores y los sistemas de purificación. También, la integración de la desalinización para asegurar el suministro de agua de proceso necesario para la generación de hidrógeno.
El alcance del FEED en una planta de amoniaco verde
En una planta de amoniaco verde, el feed o alimentación comprende principalmente:
· Agua tratada, para producir hidrógeno mediante electrólisis.
· Aire, para obtener nitrógeno en una unidad de separación de aire.
· Electricidad renovable, que suministra la energía a la electrólisis, compresores, separación de aire y síntesis.
· En algunos diseños, agua de refrigeración, nitrógeno de inertización y otros servicios auxiliares.
El proceso puede dividirse en tres grandes bloques: producción de hidrógeno, producción de nitrógeno y síntesis de amoniaco mediante Haber-Bosch.
La preparación del agua
Un proceso clave para el éxito en el FEED de una planta de amoniaco es la preparación del agua. El agua de alimentación se somete normalmente a:
· Filtración y eliminación de sólidos.
· Desalación de agua de mar o de una fuente con alta conductividad.
· Desmineralización mediante ósmosis inversa, electrodesionización o resinas de intercambio iónico.
· Pulido final para alcanzar la calidad requerida por el electrolizador.
· Bombeo y, si es necesario, precalentamiento.
Esta etapa es crítica porque las sales, sílice, metales y otros contaminantes pueden dañar las membranas, electrodos o catalizadores del electrolizador.
El hidrógeno es la alimentación química del proceso de amoniaco. El oxígeno es un subproducto que puede venderse o utilizarse internamente.
La producción y acondicionamiento del hidrógeno
El agua purificada entra al electrolizador, que puede ser alcalino, PEM o de óxido sólido. En el electrolizador se generan dos corrientes:
· Hidrógeno, normalmente húmedo y acompañado de trazas de agua.
· Oxígeno, también con posible humedad residual.
La corriente de hidrógeno pasa por varias operaciones de acondicionamiento:
· Separación de gotas de agua.
· Enfriamiento y condensación.
· Secado.
· Purificación para eliminar oxígeno, agua y posibles impurezas.
· Compresión hasta la presión de entrada al lazo de síntesis.
· Almacenamiento intermedio o envío directo al mezclador de alimentación.
En una planta flexible alimentada por energía solar o eólica, el almacenamiento de hidrógeno puede desacoplar la operación variable del electrolizador de la operación más estable del lazo Haber-Bosch.
La producción y acondicionamiento del nitrógeno
El nitrogeno es otra de las materias primas para la elaboración del amoniaco. De ahí la importancia en su producción. El aire atmosférico se comprime, se filtra y se envía a la unidad de separación de aire, o ASU. Las tecnologías posibles incluyen:
· Separación criogénica.
· Adsorción por cambio de presión, PSA.
· Membranas, generalmente para capacidades más pequeñas o requisitos de pureza menos exigentes.
En una ASU criogénica, el aire se comprime, se enfría y se separa por destilación según los puntos de ebullición de sus componentes. El producto principal para la síntesis es nitrógeno con alta pureza.
El nitrógeno se acondiciona mediante:
· Eliminación de oxígeno residual.
· Eliminación de humedad.
· Compresión.
· Control de presión y temperatura.
· Almacenamiento o alimentación directa al mezclador.
El nitrógeno debe tener una pureza suficiente para evitar acumulación de inertes y pérdida de actividad del catalizador.
Puntos críticos de diseño
Desde el punto de vista de ingeniería, las principales variables de control del feed son:
· Pureza del agua de electrólisis.
· Caudal y presión de hidrógeno.
· Caudal y pureza de nitrógeno.
· Relación molar H2 / N2
· Contenido de oxígeno y humedad.
· Presión de descarga de los compresores.
· Temperatura de entrada al reactor.
· Concentración de inertes en el reciclo.
· Caudal de purga.
· Disponibilidad y variabilidad de la electricidad renovable.
En términos de balance de materia, producir una tonelada de amoniaco requiere aproximadamente 0,18 toneladas de hidrógeno y 0,82 toneladas de nitrógeno, sin considerar pérdidas, purgas ni eficiencias de separación.
