Muitas pessoas estão otimistas quanto ao potencial da amônia como fonte de energia e vetor de hidrogênio, e embora a adoção em larga escala exija grandes mudanças na forma como ela é atualmente produzida, a amônia possui diversas vantagens. Para começar, a amônia é rica em energia e livre de carbono. Além disso, ela já é produzida em grande escala e distribuída pelo mundo todo, principalmente para uso em fertilizantes.

Embora os processos de fabricação atuais confiram à amônia uma enorme pegada de carbono, existem maneiras mais limpas de produzi-la. Uma melhor compreensão de como orientar o desenvolvimento contínuo da indústria de amônia como combustível poderia melhorar as emissões de carbono, os custos de energia e os balanços energéticos regionais.

Em um novo estudo, pesquisadores da Iniciativa de Energia do MIT (MITEI) criaram o maior conjunto de dados combinados que demonstra o impacto econômico e ambiental das cadeias de suprimento globais de amônia em diferentes cenários. Eles examinaram os fluxos potenciais de amônia em 63 países e consideraram uma variedade de parâmetros econômicos específicos de cada país, bem como tecnologias de produção de amônia com baixa ou nenhuma emissão de carbono. Os resultados devem ajudar pesquisadores, formuladores de políticas e representantes da indústria a calcular o custo e as emissões do ciclo de vida de diferentes tecnologias de produção de amônia e rotas comerciais.

“Este é o trabalho mais abrangente sobre o panorama global da amônia”, afirma o autor sênior Guiyan Zang, cientista pesquisador do MITEI. “Desenvolvemos muitas dessas estruturas no MIT para podermos realizar análises de custo-benefício mais precisas. Hidrogênio e amônia são os únicos dois tipos de combustível sem emissão de carbono em larga escala. Se quisermos usar combustível para gerar energia e calor, mas sem liberar carbono, hidrogênio e amônia são as únicas opções, sendo a amônia mais fácil de transportar e de menor custo.”

O estudo oferece a visão mais clara até o momento sobre as vantagens e desvantagens associadas a diversas tecnologias de produção de amônia. Os pesquisadores descobriram, por exemplo, que uma transição completa para a amônia produzida por meio de processos convencionais, combinada com a captura de carbono, poderia reduzir as emissões globais de gases de efeito estufa em quase 71%, com um aumento de custo de 23,2%. Já a transição para a amônia eletrolisada, produzida com energia renovável, poderia reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 99,7%, com um aumento de custo de 46%.

“Antes disso, não havia conjuntos de dados harmonizados que quantificassem os impactos dessa transição”, diz o autor principal, Woojae Shin, pós-doutorando no MITEI. “Todos estão falando sobre a amônia como um importantíssimo vetor de hidrogênio no futuro, e também sobre seu uso direto na geração de energia, fertilizantes e outras aplicações industriais. Mas precisávamos desse conjunto de dados. Ele preenche uma grande lacuna de conhecimento.”

O artigo foi publicado na revista Energy and Environmental Science . Os ex-pós-doutorandos do MITEI, Haoxiang Lai e Gasim Ibrahim, também são coautores.

Atualmente, a amônia é produzida principalmente pelo processo Haber-Bosch, que em 2020 foi responsável por cerca de 1,8% das emissões globais de gases de efeito estufa. Embora a produção atual de amônia seja intensiva em energia e poluente (conhecida como amônia cinza), ela também pode ser produzida de forma sustentável utilizando fontes renováveis (amônia verde) ou com gás natural e sequestro de carbono (amônia azul).

Com o crescente interesse na amônia como fonte de energia livre de carbono e meio para o transporte de hidrogênio, tornou-se ainda mais importante quantificar os custos e as emissões do ciclo de vida associados às diversas tecnologias de produção de amônia, bem como ao seu armazenamento e rotas de transporte. No entanto, os estudos existentes apresentavam um foco muito restrito.

Para construir seu banco de dados, os pesquisadores do MIT combinaram dados de dezenas de estudos que analisavam tecnologias específicas, regiões, parâmetros econômicos e fluxos comerciais. Eles também utilizaram estruturas que haviam desenvolvido anteriormente para calcular o custo total da produção de amônia em cada país e estimar as emissões de gases de efeito estufa ao longo do ciclo de vida em toda a cadeia de suprimentos, levando em consideração o armazenamento e o transporte entre diferentes regiões.

Os cálculos de emissões incluíram atividades relacionadas à extração, produção, transporte e processamento de importação de matérias-primas. Os principais fatores de custo incluíram os preços da eletricidade renovável e da rede elétrica de cada país, os preços do gás natural e a localização. Outros fatores, como taxas de juros e prêmios de ações, também foram incluídos.

Os pesquisadores utilizaram seus cálculos para determinar os custos da amônia e as emissões do ciclo de vida em seis tecnologias de produção de amônia. No contexto da média dos EUA, eles descobriram que o menor custo de produção era obtido com o uso de uma forma popular do processo Haber-Bosch, conhecida como reforma a vapor do metano (SMR) do gás natural, sem captura e armazenamento de carbono (amônia cinza), a 48 centavos de dólar por quilograma de amônia. Infelizmente, essa vantagem econômica veio acompanhada das maiores emissões de gases de efeito estufa, com 2,46 quilogramas de CO2 equivalente por quilograma de amônia. Em contrapartida, a SMR com captura e armazenamento de carbono alcança uma redução de aproximadamente 61% nas emissões, embora com um aumento de 29% nos custos de produção.

Outro método de produção de amônia que utiliza gás natural como matéria-prima, chamado reforma autotérmica (ATR) com combustão de ar, quando combinado com captura e armazenamento de carbono, apresentou um custo 10% maior do que o SMR convencional, gerando emissões de 0,75 quilogramas de CO2 equivalente por quilograma de amônia, representando uma opção de descarbonização mais economicamente viável do que o SMR com captura e armazenamento de carbono.

Dentre as vias de produção que incluem a captura de carbono (amônia azul), uma variação da reforma a vapor de amônia (ATR) que utiliza combustão com oxigênio e captura de carbono apresentou as menores emissões, com um custo de produção de cerca de 57 centavos de dólar por quilograma de amônia. A produção de amônia com eletricidade geralmente apresentou custos de produção mais elevados do que as vias de amônia azul. Quando a energia nuclear é utilizada na produção de amônia, em vez da rede elétrica, as emissões de gases de efeito estufa são próximas de zero, em 0,03 quilogramas de CO2 equivalente por quilograma de amônia produzida.

Nos 63 países estudados, as principais diferenças de custo e emissões foram impulsionadas pelos custos de energia, pelas fontes de energia para a rede elétrica e pelos ambientes de financiamento. A China emergiu como um fornecedor futuro ideal de amônia verde para muitos países, enquanto o Oriente Médio também ofereceu rotas competitivas de produção de amônia com baixa emissão de carbono. De modo geral, as rotas de produção de amônia azul são mais atrativas para países com recursos de gás natural de baixo custo, e a amônia produzida utilizando eletricidade da rede elétrica mostrou-se mais cara e com maior intensidade de carbono do que a amônia produzida convencionalmente.

Prevê-se que o uso de amônia de baixo carbono cresça drasticamente até 2050, com essa amônia sendo adquirida por meio do comércio global. O Japão e a Coreia, por exemplo, incluíram a amônia em suas estratégias energéticas nacionais e realizaram testes utilizando-a para geração de energia. Eles chegam a oferecer créditos econômicos para reduções comprovadas de CO2 provenientes de projetos de amônia limpa.

“Pesquisadores, produtores e funcionários do governo da área de amônia precisam desses dados para entender o impacto de diferentes tecnologias e corredores de fornecimento globais”, afirma Shin.

Os autores também acreditam que as partes interessadas do setor e outros pesquisadores obterão muito valor de seu banco de dados, que permite aos usuários explorar o impacto da alteração de parâmetros específicos.

“Colaboramos com empresas, e elas precisam saber os custos totais e as emissões do ciclo de vida associadas às diferentes opções”, diz Zang. “Os governos também podem usar isso para comparar opções e definir políticas futuras. Qualquer país produtor de amônia precisa saber para quais países pode fornecer o produto de forma economicamente viável.”