La industria siderúrgica está asociada a un fuerte impacto ambiental. Los altos hornos, como ejes fundamentales de la producción, despiden muchos elementos que contaminan el aire y las aguas. E incluso, a los operarios que deben resguardarse de ropas especiales. En la ruta verde de Estados Unidos por alcanzar la descarbonización plena en los próximos años se están encontrando alternativas para producir acero verde. Un reto complejo para estas factorías, tradicionales y ancladas en el tiempo.
Procesar el mineral de hierro, procedente de la extracción de la mina, y reducirlo y transformarlo en sus distintas aleaciones, genera inconvenientes al medio ambiente. Cuando se visualiza el proyecto más nuevo de la empresa Boston Metal, queda claro cuán grande es el trabajo para disminuir el impacto climático del acero.
La impresionante nueva instalación es un reactor piloto que la startup utilizará para fabricar acero libre de emisiones. Tiene aproximadamente el tamaño de un autobús escolar, colocado en el piso de las instalaciones de investigación. Las escaleras, con barandillas amarillas recién pintadas, conducen a la parte superior. Pero en la industria del acero, que produce casi 2 mil millones de toneladas por año, la producción potencial de esta configuración es una gota en el océano.
La fabricación de acero industrial emite alrededor de dos toneladas de emisiones de dióxido de carbono por cada tonelada de acero producido. Lo que suma casi el 10 % de dichas emisiones en todo el mundo. Se espera que el mercado mundial del acero crezca alrededor de un 30 % para 2050, fecha en la que algunas de las mayores siderúrgicas se han comprometido a alcanzar emisiones netas cero. A menos que se produzcan cambios importantes en la industria, y rápidos, ese objetivo podría estar fuera de su alcance, reseña MIT Technology Review.
En EE UU desarrollan el acero verde
El nuevo reactor de Boston Metal, instalado en su sede al norte de Boston, es un paso significativo de la compañía para convertirse en una siderúrgica comercial. Desde su fundación en 2013, la startup de EE UU ha desarrollado un proceso para fabricar acero verde, resolviendo los detalles en recipientes más pequeños. El nuevo reactor, junto con una próxima ronda de recaudación de fondos, representa el próximo salto para la empresa en su intento de escalar otras opciones. A la par, otras compañías en el mundo buscan la sostenibilidad de las acerías, es el caso de ArcelorMittal.
Si Boston Metal realmente puede lograr su proceso de producción limpia y acceder a suficiente electricidad renovable para hacerlo funcionar, podría solventar uno de los desafíos más difíciles en el control de las emisiones de carbono.
El acero se usa en todo, desde autos hasta edificios y turbinas eólicas, pero descarbonizar no es glamoroso. “La gente no presta demasiada atención a los industriales”, dijo Tadeu Carneiro, director general de Boston Metal. “Es una industria muy conservadora, y es difícil de reducir”.
Los combustibles fósiles son esenciales para la producción de acero. La mayor parte de la fabricación de acero comienza en un alto horno, donde un material derivado del carbón llamado coque, que es casi carbono puro, reacciona con el mineral de hierro. Una mezcla de óxidos de hierro y otros minerales. La reacción extrae el oxígeno, dejando hierro líquido. Luego, el carbono y el oxígeno se liberan juntos como dióxido de carbono.
La solución de Boston Metal se llama electrólisis de óxido fundido (MOE). En lugar de utilizar carbono para eliminar el oxígeno, el proceso se basa en la electricidad. Que pasa por una celda llena de una mezcla de óxidos de hierro disueltos junto con otros óxidos y materiales.
De pequeños a grandes reactores
Además de calentar las cosas, la electricidad impulsa las reacciones químicas que eliminan el oxígeno. El hierro fundido se acumula en el fondo del reactor y se emite gas oxígeno en lugar de dióxido de carbono.
Debido a que las impurezas quedan fuera de la reacción en gran medida, el proceso MOE puede manejar mineral de hierro de baja calidad. Esto, sin dudas, podría ser un gran beneficio de la tecnología, indicó Carneiro.
El proceso de fabricación de acero verde en Boston Metal de EE UU, es desarrollado por los investigadores de materiales del MIT Donald Sadoway y Antoine Allanore a mediados de la década de 2000. La investigación progresó en pequeños reactores del tamaño de una taza de café. Estas versiones de laboratorio ahora producen una cantidad de hierro del tamaño de un maní en un par de días.
El gran reto en la transición a reactores más grandes tiene que ver con la estabilidad del ánodo inerte. Una pieza de metal hecha de una mezcla de acero y cromo, comentó Stephan Broek, vicepresidente senior de tecnología de Boston Metal. Si el reactor funciona como debería, el ánodo no participa en la reacción. Solo proporciona una forma de que la electricidad se mueva a través de la celda. Pero el ánodo tiende a degradarse si el equilibrio entre condiciones como la distribución de corriente y la química del electrolito no es del todo correcto.
Este y otros desafíos podrían volverse aún más serios con el nuevo reactor piloto, que es unas mil veces más grande que la versión de investigación.
El nuevo reactor funcionará con una corriente de hasta 25.000 amperios (un hogar típico usa entre 100 y 200). Está equipado con múltiples ánodos la eventual primera celda de tamaño industrial.
Pruebas y demostraciones
La construcción del reactor piloto está casi terminada y las pruebas están programadas para comenzar en agosto. Primero, se usará con ánodos de carbono para producir ferroaleaciones, metales de alto valor que se pueden producir en un proceso de electrólisis similar al que se usa para fabricar acero. Después de probar el reactor para ese producto, el equipo planea convertirlo para su uso en la fabricación de acero verde en EE UU, a principios del próximo año, precisó Broek.
La puesta en marcha del reactor piloto representa uno de los hitos restantes más grandes de Boston Metal antes de construir un proyecto de demostración de tamaño comercial. Estará compuesto por cinco celdas más grandes unidas y debería completarse en 2026. La puesta en marcha está en proceso de recaudar el dinero. para llevarlo hasta ese punto.
Una vez que tenga una instalación comercial en funcionamiento, la compañía planea licenciar su tecnología y trabajar con las siderúrgicas existentes para instalar y operar los reactores.
Pero un proceso como MOE, que es novedoso para la industria, tomaría tiempo para integrarse con los jugadores existentes. “Todavía necesita un par de años de prueba y demostración para demostrar que realmente se puede escalar”, afirmó Max Åhman, profesor de sistemas ambientales y de energía en la Universidad de Lund en Suecia. “Y aún no sabes realmente cuánto costaría”.
Otros nuevos enfoques ahora en las etapas de prueba pueden ser más sencillos de demostrar, añadió Åhman. En particular, un proceso llamado reducción directa, que se usa ampliamente en la actualidad, se puede modificar para producir acero libre de emisiones.
Otras propuestas ecológicas
La reducción directa generalmente usa gas natural para reaccionar con el mineral de hierro sólido, produciendo hierro. Este proceso, como la fundición en un alto horno, también libera dióxido de carbono, porque es el carbono del gas, que es principalmente metano, el que reacciona con el oxígeno del mineral para separarlo del hierro. Pero si se usa hidrógeno en lugar de gas natural, en su lugar se emite vapor de agua.
La siderúrgica sueca SSAB está construyendo una gran instalación piloto para probar la reducción directa impulsada por hidrógeno. Está programada para alcanzar la producción a escala industrial alrededor de 2026. Carneiro reconoció que las siderúrgicas que usan hidrógeno podrían tener una ventaja. Aunque argumenta que MOE eventualmente será atractivo para algunos fabricantes de acero. Especialmente porque puede usar una gama más amplia de materiales de partida que solo el mineral de alta calidad requerido para la reducción directa.
Sin embargo, ya sea que los productores de acero recurran al hidrógeno o a un proceso impulsado por electricidad como el MOE de Boston Metal, necesitarán mucha más electricidad renovable para reducir las emisiones.
Una estimación de investigadores de la Universidad de Columbia encontró que si la producción mundial de acero se convirtiera al proceso MOE de Boston Metal, se necesitarían más de 5000 teravatios-hora de electricidad para hacerlo funcionar. Aproximadamente el 20 % del consumo mundial de energía en 2018. el acero con hidrógeno también vendría con altos requisitos de electricidad.
Si esa electricidad proviene de combustibles fósiles, cambiar la producción de acero por electricidad sería cambiar una fuente de emisiones por otra. Pero si proviene de energías renovables u otras fuentes libres de carbono, podría hacer una mella significativa en la contaminación por carbono.
Lavado verde en la industria del acero
Los investigadores también encontraron que los precios de la electricidad tendrían que bajar significativamente para que el proceso sea económico.
A pesar de las promesas de las nuevas tecnologías, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que realmente brinden reducciones de emisiones. “Hay mucho lavado verde en la industria del acero. Además de que la gente es optimista sobre el progreso en una etapa muy temprana”, dijo Rebecca Dell, directora del programa de la industria en la organización sin fines de lucro ClimateWorks.
“Es fácil, si no prestas atención, confundir el entusiasmo por los proyectos en etapa inicial con mucho más progreso”, agregó.
Es posible que a Boston Metal le queden muchos pasos para producir acero verde a una escala significativa en EE UU, pero Carneiro, al menos, está emocionado de seguir el camino. Su energía se derrama mientras describe los planes de la compañía y considera el futuro. “No creo que haya otra oportunidad en el mundo tan grande como esta”, aseguró. «Es realmente enorme».
“Se necesita acero para todo”, dice. Y con todos los ojos puestos en una industria que es una de las mayores contaminantes de carbono del planeta, agrega, «el sentido de urgencia está ahí ahora».
Otra iniciativa la desarrolla el gigante acerero ArcelorMittal, que ha probado con éxito el uso de hidrógeno verde en la producción de hierro de reducción directa (“DRI”). En su planta de acero en Contrecoeur, Quebec. El objetivo de ArcelorMittal es liderar la descarbonización de la industria del acero. Esta prueba es un hito importante en el camino de la compañía para producir acero con cero emisiones de carbono gracias al acero basado en DRI utilizando hidrógeno verde.
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