A amônia é um dos produtos químicos mais produzidos no mundo, sendo utilizada principalmente como fertilizante, mas também na produção de alguns plásticos, têxteis e outras aplicações. Sua produção, por meio de processos que exigem altas temperaturas e pressão, é responsável por até 20% de todos os gases de efeito estufa emitidos por toda a indústria química. Por isso, esforços têm sido realizados em todo o mundo para encontrar maneiras de reduzir essas emissões.

Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira inteligente de combinar dois métodos diferentes de produção do composto que minimiza os resíduos, que, quando combinados com outras melhorias simples, podem reduzir as emissões de gases de efeito estufa da produção em até 63%, em comparação com a principal abordagem de "baixas emissões" usada atualmente.

A nova abordagem é descrita no periódico Energy & Fuels , em um  artigo do diretor da Iniciativa de Energia do MIT (MITEI), William H. Green, do estudante de pós-graduação Sayandeep Biswas, do diretor de pesquisa do MITEI, Randall Field, e outros dois.

"A amônia é a substância química que mais emite dióxido de carbono", diz Green, professor da cátedra Hoyt C. Hottel em Engenharia Química. "É uma substância química muito importante", afirma, "porque seu uso como fertilizante é crucial para alimentar a população mundial".

Até o final do século XIX, a fonte mais utilizada de fertilizante nitrogenado eram os depósitos de guano de morcegos ou aves, principalmente do Chile, mas essa fonte estava começando a se esgotar, e havia previsões de que o mundo logo ficaria sem alimentos para sustentar a população. Mas então um novo processo químico, chamado de processo Haber-Bosch, em homenagem aos seus inventores, tornou possível produzir amônia a partir do nitrogênio do ar e do hidrogênio, que era derivado principalmente do metano. Contudo, tanto a queima de combustíveis fósseis para fornecer o calor necessário quanto o uso de metano para produzir o hidrogênio levaram a emissões maciças, responsáveis pelo aquecimento global, decorrentes do processo.

Para resolver isso, duas novas variações de produção de amônia foram desenvolvidas: a chamada “amônia azul”, na qual os gases de efeito estufa são capturados na fábrica e depois sequestrados no subsolo, e a “amônia verde”, produzida por um caminho químico diferente, usando eletricidade em vez de combustíveis fósseis para hidrolisar a água e produzir hidrogênio.

A amônia azul já está começando a ser usada, com algumas usinas operando atualmente na Louisiana, diz Green, e a amônia sendo enviada principalmente para o Japão, "então isso já é meio comercial". Outras partes do mundo estão começando a usar amônia verde, especialmente em lugares que têm muita energia hidrelétrica, solar ou eólica para fornecer eletricidade barata, incluindo uma usina gigante atualmente em construção na Arábia Saudita.

Mas na maioria dos lugares, tanto a amônia azul quanto a verde ainda são mais caras do que a versão tradicional baseada em combustíveis fósseis, então muitas equipes ao redor do mundo têm trabalhado em maneiras de cortar esses custos o máximo possível para que a diferença seja pequena o suficiente para ser compensada por meio de subsídios fiscais ou outros incentivos.

O problema está crescendo, pois, à medida que a população cresce e a riqueza aumenta, haverá uma demanda cada vez maior por fertilizantes nitrogenados. Ao mesmo tempo, a amônia é um combustível substituto promissor para abastecer transportes difíceis de descarbonizar, como navios de carga e caminhões pesados, o que pode levar a uma demanda ainda maior pelo produto químico.

"Ele definitivamente funciona" como combustível para transporte, alimentando células de combustível que comprovadamente podem ser usadas em tudo, desde drones a barcaças, rebocadores e caminhões, diz Green. "As pessoas acham que o mercado mais provável para esse tipo de combustível seria o transporte marítimo", diz ele, "porque a desvantagem da amônia é que ela é tóxica e tem mau cheiro, o que a torna um pouco perigosa para manuseio e transporte". Portanto, seus melhores usos podem ser onde é usada em grandes volumes e em locais relativamente remotos, como em alto-mar. Aliás, a Organização Marítima Internacional (OMI) votará em breve novas regras que podem dar um forte impulso à alternativa à amônia para o transporte marítimo.

A chave para o novo sistema proposto é combinar as duas abordagens existentes em uma única instalação, com uma fábrica de amônia azul ao lado de uma fábrica de amônia verde. O processo de geração de hidrogênio para a planta de amônia verde deixa muito oxigênio restante, que é simplesmente liberado para o ar. A amônia azul, por outro lado, utiliza um processo chamado reforma autotérmica, que requer uma fonte de oxigênio puro; portanto, se houver uma planta de amônia verde ao lado, ela pode utilizar esse excesso de oxigênio.

"Colocá-las lado a lado acaba tendo um valor econômico significativo", diz Green. Essa sinergia poderia ajudar as instalações híbridas de "amônia azul-verde" a servirem como uma ponte importante para um futuro em que a amônia verde, a versão mais limpa, possa finalmente dominar. Mas esse futuro provavelmente ainda está a décadas de distância, diz Green, então ter as usinas combinadas pode ser um passo importante nesse caminho.

“Pode levar muito tempo até que [a amônia verde] se torne realmente atraente” economicamente, diz ele. “No momento, não chega nem perto, exceto em situações muito especiais.” Mas as usinas combinadas “podem ser um conceito realmente atraente e talvez uma boa maneira de iniciar o setor”, porque até agora apenas pequenas usinas autônomas de demonstração do processo verde estão sendo construídas.

"Se a amônia verde ou azul se tornar a nova forma de produção de amônia, é preciso encontrar maneiras de torná-la relativamente acessível em muitos países, com os recursos disponíveis", afirma. Essa nova combinação proposta, afirma, "parece uma ideia muito boa que pode ajudar a impulsionar as coisas. No fim das contas, é preciso haver muitas usinas de amônia verde em muitos lugares", e começar com as usinas combinadas, que podem ser mais acessíveis agora, pode ajudar a tornar isso realidade. A equipe entrou com um pedido de patente para o processo.

Embora a equipe tenha feito um estudo detalhado tanto da tecnologia quanto da economia, mostrando que o sistema é muito promissor, Green ressalta que "ninguém jamais construiu um. Fizemos a análise, parece bom, mas certamente, quando as pessoas construírem o primeiro, encontrarão pequenas coisas estranhas que precisam de atenção", como detalhes de como iniciar ou encerrar o processo. "Eu diria que há muito trabalho adicional a ser feito para torná-lo uma indústria real." Mas os resultados deste estudo, que mostram que os custos são muito mais acessíveis do que as plantas azuis ou verdes existentes isoladamente, "definitivamente incentivam a possibilidade de as pessoas fazerem os grandes investimentos que seriam necessários para realmente tornar esta indústria viável".

A integração proposta dos dois métodos "melhora a eficiência, reduz as emissões de gases de efeito estufa e diminui o custo geral", afirma Kevin van Geem, professor do Centro de Química Sustentável da Universidade de Ghent, que não esteve associado a esta pesquisa. "A análise é rigorosa, com modelos de processo validados, premissas transparentes e comparações com referências bibliográficas. Ao combinar a análise técnico-econômica com a contabilização de emissões, o trabalho fornece uma visão confiável e equilibrada das compensações."

Ele acrescenta que, “dada a escala da produção global de amônia, tal redução poderia ter um efeito altamente impactante na descarbonização de uma das indústrias químicas com maior intensidade de emissões”.

A equipe de pesquisa também incluiu o pós-doutorado do MIT, Angiras Menon, e o líder de pesquisa do MITEI, Guiyan Zang. O trabalho foi apoiado pelo IHI Japão por meio da Iniciativa de Energia do MIT e da Sociedade de Bolsistas da Família Martin para a Sustentabilidade.