Cómo el proceso de Haber-Bosch alimenta a la mitad del mundo

La invención que lo cambió todo

El nitrógeno es esencial para todos los seres vivos. Construye proteínas, ADN y la clorofila que da color verde a las plantas. Aunque el gas nitrógeno constituye el 78% de la atmósfera terrestre, existe como N₂: dos átomos unidos por uno de los enlaces más fuertes de la química. Las plantas no pueden utilizarlo en esa forma. Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, los agricultores dependieron del estiércol, la rotación de cultivos y raros depósitos minerales para reponer el nitrógeno del suelo. Entonces, en 1909, el químico alemán Fritz Haber encontró una manera de romper ese obstinado enlace en un laboratorio. En 1913, el ingeniero Carl Bosch había escalado la reacción a la producción industrial. Nació el proceso de Haber-Bosch, y remodelaría la civilización.

Cómo funciona la química

La reacción central es engañosamente simple: una molécula de gas nitrógeno (N₂) se combina con tres moléculas de gas hidrógeno (H₂) para producir dos moléculas de amoníaco (NH₃). En la práctica, hacer que esto suceda requiere fuerza bruta. La reacción se produce a aproximadamente 450 °C y 200 atmósferas de presión dentro de enormes reactores de acero, con un catalizador a base de hierro que acelera la conversión.

Incluso en estas condiciones extremas, solo alrededor del 15% del gas se convierte en amoníaco en una sola pasada. Los ingenieros resuelven esto reciclando el gas no reaccionado a través del reactor en un bucle continuo. La materia prima de hidrógeno generalmente proviene del reformado con vapor de metano (dividir el gas natural con vapor a alta temperatura), razón por la cual el proceso consume aproximadamente el 1-2% del suministro energético total mundial.

El amoníaco resultante se aplica directamente a los campos o se convierte en productos como la urea, el nitrato de amonio y otros fertilizantes nitrogenados que los agricultores esparcen por miles de millones de hectáreas cada año.

Por qué es importante para la seguridad alimentaria

Las cifras son asombrosas. Según Our World in Data, aproximadamente la mitad de la producción mundial de alimentos depende de fertilizantes nitrogenados sintéticos. Un estudio histórico publicado en Nature Geoscience estimó que, sin el proceso de Haber-Bosch, la Tierra solo podría sustentar a unos 3.000 a 4.000 millones de personas, menos de la mitad de la población actual. Casi el 50% de los átomos de nitrógeno en el tejido del cuerpo humano se originaron en un reactor industrial, no en la naturaleza.

El consumo mundial de fertilizantes nitrogenados alcanzó aproximadamente 110 millones de toneladas métricas en 2022-2023, un aumento del 300% desde 1961. Asia oriental y meridional son los mayores consumidores, y solo China utiliza más de 23 millones de toneladas métricas anuales. El proceso sustenta los rendimientos de maíz, trigo y arroz que serían imposibles solo con fuentes orgánicas de nitrógeno.

El precio medioambiental

El proceso de Haber-Bosch conlleva una pesada carga de carbono. La producción de una tonelada de amoníaco libera aproximadamente 1,6 toneladas de CO₂, y la industria representa aproximadamente el 1,2% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero, más que todo el sector de la aviación, según el Rocky Mountain Institute. Más del 70% del hidrógeno utilizado proviene del gas natural, lo que hace que la producción de amoníaco dependa en gran medida de los combustibles fósiles.

Los costes medioambientales no se detienen a las puertas de la fábrica. Cuando los fertilizantes nitrogenados se aplican al suelo, los microbios convierten una parte en óxido nitroso (N₂O), un gas de efecto invernadero aproximadamente 300 veces más potente que el CO₂ durante un siglo. El exceso de nitrógeno también se vierte en ríos y océanos, alimentando la proliferación de algas y las zonas muertas acuáticas.

La búsqueda de alternativas más ecológicas

Investigadores y empresas están buscando varios caminos para descarbonizar la producción de amoníaco:

• El amoníaco verde reemplaza el hidrógeno derivado de combustibles fósiles con hidrógeno de la electrólisis del agua alimentada por electricidad renovable, eliminando por completo las emisiones directas de CO₂.
• El amoníaco azul combina el reformado convencional de gas natural con la captura y el almacenamiento de carbono (CAC), reduciendo, pero no eliminando, las emisiones.
• La síntesis electroquímica utiliza corriente eléctrica para combinar nitrógeno e hidrógeno a bajas temperaturas y presiones en un solo paso, lo que podría evitar por completo el reactor de Haber-Bosch.
• La catálisis por plasma utiliza gas ionizado para activar las moléculas de nitrógeno en condiciones casi ambientales, una tecnología que aún se encuentra en gran medida en la fase de laboratorio.

Ninguna de estas alternativas opera todavía a la escala o al coste del proceso convencional. En el futuro previsible, la reacción de Haber-Bosch, que tiene un siglo de antigüedad, sigue siendo la columna vertebral de la producción mundial de alimentos: una invención que salva miles de millones de vidas al tiempo que ejerce una enorme presión sobre el clima y los ecosistemas del planeta.