Análisis de ciclo de vida prospectivo a la producción de amoniaco verde

Abstract

El uso intensivo de combustibles fósiles ha incrementado significativamente las concentraciones de CO2 en la atmósfera, contribuyendo al calentamiento global. El desarrollo de procesos de producción de combustibles verdes es crucial para alcanzar los objetivos climáticos propuestos para 2050. En este contexto, el amoniaco (NH3) verde es considerado como un combustible sostenible en aplicaciones en la industria y otros sectores. Convencionalmente, es producido mediante Haber-Bosch (HB) con combustibles fósiles. En los últimos años se ha propuesto el empleo de H2 verde para producir NH3 verde, demostrando sus beneficios ambientales desde una perspectiva de ciclo de vida. Recientemente, se está estudiando su producción mediante la tecnología emergente basada en la reducción electroquímica. A pesar de su potencial, su viabilidad ambiental no ha sido evaluada hasta ahora. Este trabajo analiza los impactos ambientales de la producción de amoníaco verde (NH₃) mediante un Análisis de Ciclo de Vida (ACV), comparando tres rutas: el proceso convencional de HB con combustibles fósiles, el proceso HB con hidrógeno verde obtenido por electrólisis (ruta NH3-H2 verde), y la ruta emergente basada en la reducción electroquímica de nitratos a NH₃ (ruta e-NH3). El análisis considera el uso de energía, agua y emisiones desde la extracción de materias primas hasta la producción final, siendo el principal objetivo la identificación de los cuellos de botella en la ruta electroquímica Los impactos evaluados incluyen el calentamiento global (GWP), consumo de combustibles fósiles (FFP), eutrofización (FEP), uso de suelo (LOP) y consumo de agua (WCP). La utilización de gas natural y las emisiones directas de CO2 son las principales contribuciones al GWP de la ruta fósil, mientras que en la ruta NH3-H2 verde la mayor influencia es en la electricidad con un 97%. Para la ruta emergente, la e-NH3 hay influencia del cátodo y del ánodo además de la electricidad debido al valor de impacto de los materiales utilizados. Sin embargo, puede llegar a disminuir el GWP hasta un 87% respecto al método convencional. Para los demás indicadores, destaca la influencia de la utilización de energía solar y la ruta NH3-H2 verde, ya que se puede disminuir con las rutas verdes hasta un 90% el FFP. Por otra parte, la utilización de rutas verdes y energía procedente de fuentes eólica o fotovoltaica puede producir hasta un aumento del 90% de LOP y un 92% el aumento del WCP, debido a la utilización de grandes áreas y cantidades de agua para la fabricación de los materiales de las placas. También aumenta un 70 % el FEP, ya que los materiales de las celdas tienen su origen en no renovable. Los resultados obtenidos demuestran que el uso de rutas verdes contribuye a la transición hacia la descarbonización, siendo fundamental el uso de fuentes de energía renovables

The intensive use of fossil fuels has significantly increased CO2 concentrations in the atmosphere, contributing to global warming. Developing green fuel production processes is crucial to achieving the climate goals set for 2050. In this context, green ammonia (NH₃) is considered a sustainable fuel for applications in industry and other sectors. Conventionally, it is produced via the Haber-Bosch (HB) process using fossil fuels. In recent years, the use of green H₂ for producing green NH₃ has been proposed, demonstrating environmental benefits from a life cycle perspective. Recently, its production through emerging electrochemical reduction technology has been studied. Despite its potential, its environmental viability has not been assessed until now. This study analyzes the environmental impacts of green ammonia (NH₃) production using a Life Cycle Assessment (LCA), comparing three routes: the conventional HB process with fossil fuels, the HB process with green hydrogen obtained by electrolysis (green NH₃-H₂ route), and the emerging route based on electrochemical nitrate reduction to NH₃ (e-NH₃ route). The analysis considers energy use, water consumption, and emissions from raw material extraction to final production, with the primary goal of identifying bottlenecks in the electrochemical route. The impacts assessed include global warming potential (GWP), fossil fuel consumption (FFP), eutrophication potential (FEP), land occupation potential (LOP), and water consumption potential (WCP). Natural gas use and direct CO₂ emissions are the main contributors to the GWP of the fossil route, while in the green NH₃-H₂ route, the electricity use accounts for 97% of the impact. For the emerging e-NH₃ route, the cathode and anode materials, along with electricity, influence the impact due to the materials used. However, this route can reduce GWP by up to 87% compared to the conventional method. For the other indicators, solar energy use and the green NH₃-H₂ route stand out, as FFP can be reduced by up to 90% with green routes. On the other hand, using green routes and energy from wind or photovoltaic sources may increase LOP by 90% and WCP by 92%, due to the large areas and significant water required for manufacturing panel materials. FEP also increases by 70%, as the materials in the cells are non-renewable. The results demonstrate that green routes contribute to the transition towards decarbonization, with renewable energy sources playing a critical role.