La industria del metal está a punto de sufrir uno de los mayores trastornos de la historia, dice un experto

12 de noviembre de 2019

por Peter Hergersberg, Sociedad Max Planck

Los materiales metálicos son la columna vertebral de las economías modernas. Sin embargo, se producen grandes cantidades de CO2 durante su producción y procesamiento. Por lo tanto, la industria del metal debe utilizar procesos más amigables con el clima en el futuro. El balance de CO2 de las aleaciones y sus componentes también debe mejorarse durante toda su vida útil. Dierk Raabe, director del Max-Planck-Institut für Eisenforschung de Düsseldorf, explica las posibilidades que ya tienen las empresas industriales en este sentido, así como las tareas que deben asumir los metalúrgicos para alcanzar el objetivo de una industria metalúrgica sostenible.

Profesor Raabe, ¿qué podría hacer hoy la industria siderúrgica y otros sectores metalúrgicos para reducir su consumo de recursos y su huella de CO2 de forma rápida y notable?

La protección contra la corrosión tiene un efecto considerable porque hace que los productos sean más duraderos. No se trata solo del hierro, que se oxida, sino también de otros materiales como el aluminio o el níquel. También se trata de la corrosión por hidrógeno, por ejemplo, que tiene un efecto mucho más extremo sobre los metales que el agua y el oxígeno. Puede causar fragilización por hidrógeno, daño que puede provocar fallas catastróficas repentinas de los componentes. Esta fue una de las causas del desastre de Deep Water Horizon, por ejemplo. Sin embargo, también desempeña un papel en las centrales eléctricas, los edificios industriales y el transporte, especialmente si queremos depender más del hidrógeno como fuente de energía en el futuro. Incluso si la protección contra la corrosión no suena tan emocionante para los legos, tiene una influencia considerable porque hasta el 4% de la producción económica mundial es destruida por la corrosión cada año.

En algunas áreas, la protección contra la corrosión ya está bastante extendida. Por ejemplo, en la industria automotriz. Solía ​​​​haber una pregunta importante al comprar un automóvil: ¿qué tan rápido se oxida? Eso ahora es cosa del pasado. Sin embargo, las infraestructuras industriales, los rascacielos, los puentes, las centrales eléctricas o los trenes (piensen en el accidente ferroviario cerca de Eschede en 1998) siguen siendo muy susceptibles a la corrosión. Y esto solo se multiplicará cuando se agregue hidrógeno como fuente de energía en los próximos diez años.

La electrificación de la producción de metales también tendrá una gran influencia. El aluminio, el segundo material metálico más importante después del acero para las industrias aeronáutica y automotriz, se ha sintetizado durante mucho tiempo a través de la reducción electrolítica del mineral de aluminio. Esto requiere una gran cantidad de electricidad, parte de la cual ya se obtiene de fuentes renovables como la energía hidroeléctrica. También puede producir otros metales, incluso hierro, por electrólisis. Sin embargo, esto no vale la pena debido a los altos precios de la electricidad. Con todo, la electrificación es una de las mayores palancas para la sostenibilidad de la producción primaria y el procesamiento posterior de los metales si la electricidad proviene exclusivamente de fuentes renovables.

La lenta expansión de las líneas eléctricas para la electricidad verde finalmente debería acelerar el ritmo. Porque debe quedar claro que en regiones como el Ruhr, donde se produce hierro, tendrá que esperar muchos años más para una conexión a un suministro de energía verde suficiente para tales industrias como un vistazo a la página de inicio de la Agencia Federal de Redes espectáculos Además, las estimaciones de mercado del Instituto Wuppertal, por ejemplo, muestran que podrían pasar hasta 20 años antes de que los procesos totalmente eléctricos se vuelvan competitivos.

Sin embargo, para la industria del acero, esto significaría que tendría que pasar de la producción en altos hornos a procesos completamente nuevos. ¿Es eso realista?

Incluso para partes individuales de fundiciones integradas de acero y aluminio, los costos de inversión son tan altos que la industria no puede darse el lujo de reconstruirlos cada diez años. Inicialmente, sin embargo, los altos hornos podrían incluso dejarse como están. La industria puede reemplazar el carbono para la reducción (es decir, coque, carbón, biomasa y residuos plásticos) con hasta un 20 % de hidrógeno, que, por supuesto, tendría que generarse a partir de agua utilizando electricidad regenerativa. Y debido a que la industria del acero representa alrededor del 6% de las emisiones totales de CO2 del mundo, esto tendría un impacto considerable. Estos procesos ya se están probando en varios lugares del mundo. La industria también puede cambiar la producción a reducción directa en el mediano plazo. El proceso involucra el llenado de gránulos de óxido granular (como los suministrados por las minas después del procesamiento del mineral) como sólidos en un horno y su conversión directa con metano. Esto se ha hecho durante mucho tiempo en países donde el metano es asequible. Este proceso tiene la ventaja de que las plantas pueden, en principio, convertirse hasta en un 100 % de hidrógeno.

El proceso completamente basado en hidrógeno necesitará de 10 a 12 años antes de que pueda comercializarse. Se estima que serán aprox. 30% más caro que la producción actual en altos hornos. Y el aumento del precio del CO2 aún no se ha determinado por completo. Por lo tanto, puede ser que en 10 años, un aumento del 30 % sea un precio de mercado competitivo si los materiales competidores menos sostenibles de fuera de la UE se someten a condiciones comparables. La peor de todas las soluciones sería que la producción de metales desapareciera de Europa y que compráramos metales insostenibles de países fuera de la UE. Europa necesita una industria de producción y procesamiento de metales independiente y sostenible, sobre todo porque genera alrededor de 400 000 millones de euros al año.

Por un lado, la industria siderúrgica puede producir hierro con emisiones reducidas de CO2. Las empresas ya ven la necesidad de esto porque pueden estimar que los costos aumentarán en los próximos años debido a los precios del CO2 y porque los fabricantes de automóviles, por ejemplo, esperan utilizar una fracción cada vez mayor de acero con reducción de CO2 en el futuro. Por otro lado, la reducción directa también permite a las empresas ser más flexibles. Un alto horno debe mantenerse funcionando continuamente. De lo contrario, se romperá. Con los hornos de reducción directa, las empresas pueden adaptarse de forma mucho más flexible al mercado y producir aceros en diversas calidades. También nos sorprende que la industria siderúrgica ya esté planificando y poniendo en marcha la conversión a este tipo de plantas a gran escala en todo el mundo. Algunas plantas existentes ya se están convirtiendo a hidrógeno. En los próximos años, la industria del metal experimentará uno de los mayores cambios de la historia. Durante más de 3500 años, el hierro se ha producido (en principio) utilizando el mismo proceso de reducción.

A la hora de tomar decisiones políticas, deberíamos, en todo caso, analizar cómo las medidas legislativas, como las subvenciones o las prohibiciones, afectan al balance de CO2 a lo largo de ciclos de vida completos. Por ejemplo, si invirtiera mucho dinero en la producción de acero completamente electrolíticamente, sonaría genial. Sin embargo, una mirada a la combinación de electricidad muestra que, al igual que con el automóvil eléctrico, todavía hay un 25% de electricidad de lignito. Entonces no hemos ganado nada. La sostenibilidad también debe pensarse de manera sostenible. No sirve de nada presumir.

Por ejemplo, en incentivos a ciclos cerrados de chatarra en la industria. Te doy un ejemplo: hay algunas empresas automovilísticas que ya producen principalmente coches de aluminio en el segmento premium y, en algunos casos, procesan hasta 300.000 toneladas de aluminio al año. Sin embargo, cuando se perforan los componentes de la chapa, se pierde hasta un 45 % del material. Ahora uno pensaría que recogerían su propia chatarra. Porque cuando el aluminio es tan puro, es como dinero en efectivo. Pero solo unas pocas empresas hacen esto de manera constante. Por ejemplo, aquí en la UE. De lo contrario, sigue siendo mucho más barato para muchas empresas comprar material nuevo en el mercado en lugar de establecer ciclos cerrados de chatarra. Y la mayor parte de la chatarra también está ya mezclada, lo que reduce su valor hasta una décima parte. Por ejemplo, crear incentivos fiscales para ciclos de chatarra separados en una etapa temprana haría mucho más que simplemente recolectar cápsulas de café o envoltorios de aluminio, que producimos nosotros como consumidores. Eso no quiere decir que no debamos preocuparnos por ellos. Pero en comparación con los residuos industriales, es una cuestión de decimales.

Actualmente, se utilizan muchas aleaciones diferentes en muchos productos porque todas tienen alguna propiedad especial. Inicialmente, observamos qué elementos aparecen en las aleaciones cuando se utiliza una determinada cantidad de chatarra. Por ejemplo, ya se puede encontrar el extremadamente caro neodimio de los motores eléctricos de los elevalunas y similares en el aluminio reciclado que se usa en los automóviles hoy en día, porque no se separan antes de fundirse. Así encontramos más de 20 elementos en aleaciones que no habíamos tenido antes. Estamos investigando cómo tales impurezas cambian las propiedades de las aleaciones. Esperamos descubrir cuán impuro puede ser un material y aun así cumplir su propósito. Si podemos demostrar científicamente que un material puede ser menos puro, podemos aumentar el contenido de chatarra y, por lo tanto, reducir enormemente la huella de CO2.

Estamos investigando tales posibilidades. Analizamos sistemáticamente dónde se consume una gran cantidad de material y si podemos hacer aleaciones que puedan tolerar más impurezas. Por ejemplo, hemos encontrado que la industria de la construcción está utilizando cada vez más aleaciones de aluminio relacionadas con la aleación de aluminio-manganeso de las latas de bebidas para tejas, revestimientos, elementos de carga, ascensores, etc. En el caso de las latas, la proporción de reciclaje y, por lo tanto, la cantidad de impurezas ya es bastante alta, porque la aleación es relativamente buena y no tiene que poder hacer mucho. Ahora queremos investigar si la chatarra de lata, que muchos países producen en cantidades mayores que en Alemania, también se puede utilizar para fines de construcción.

Estamos tratando de reducir el número de aleaciones y desarrollar una especie de aleación unitaria. Esto sería mucho mejor para reciclar porque se requeriría mucha menos clasificación. Hasta ahora, la especialización de materiales siempre se ha obtenido al precio de un cambio químico: los científicos de materiales juegan con la composición química hasta que el guardabarros, el componente del avión o la turbina mejoran. Nos gustaría reducir esta diversificación extrema de variedades, que dificulta el reciclaje. Un ejemplo específico: un fabricante de automóviles podría exigir que un productor de acero o aluminio use solo dos aleaciones en lugar de cinco, todas las cuales se han perfeccionado para impartir una determinada propiedad, como la resistencia o la calidad de la superficie.

La pregunta fundamental aquí es si podemos lograr la diversificación no solo a través de la composición química sino principalmente a través de cambios en la micro y nanoestructura. Esto ha funcionado tradicionalmente bien con los metales. Sin embargo, debe invertir mucho más esfuerzo en la producción para lograr un cierto tamaño y orientación de los cristales (como ejemplo). Este enfoque cambia el enfoque básico de la producción de materiales de la química de materiales a la física de metales.

Por ejemplo, si compra una aleación de aluminio hoy, puede elegir entre hasta 280 aleaciones que pueden hacer cualquier cosa que el aluminio debería poder hacer. Pero si miras lo que realmente se vende en grandes cantidades, solo quedan 50 o 60 aleaciones. Y si observa más de cerca exactamente lo que se supone que deben lograr estas aleaciones, podría terminar con solo 20 o 30 aleaciones. Por supuesto, eso es solo una estimación aproximada.

Las emisiones de CO2 de la industria del metal también podrían reducirse utilizando menos material. ¿Ve posibilidades de aligerar carrocerías, por ejemplo?

En primer lugar: los automóviles se han vuelto más grandes y pesados ​​en las últimas décadas, en parte debido a equipos adicionales como el aire acondicionado, el cableado o las computadoras de a bordo, que se consideran el estándar mínimo en la actualidad. Y, por supuesto, la situación es bastante extrema con los vehículos eléctricos en los que solo la batería pesa hasta 800 kg. Pero podrías agregar otros 200 o 300 kg si las carrocerías no se hubieran vuelto mucho más livianas porque las aleaciones se estaban volviendo cada vez más duras. Sin embargo, la competencia entre los fabricantes de materiales continúa para ver quién puede suministrar los aceros y las aleaciones de aluminio más fuertes. Porque todavía estamos en solo una décima parte de la fuerza teóricamente posible de estos materiales. Así que todavía queda mucha investigación por hacer para llevar los materiales a sus límites físicos.

Realmente le estás preguntando a la persona equivocada. De hecho, los materiales poliméricos con fibras de carbono se han propagado una y otra vez para las carrocerías de automóviles. Pero en términos de equilibrio ecológico, esto es realmente una tontería. La producción de fibras de carbono requiere una cantidad extremadamente alta de energía y libera grandes cantidades de CO2. Y al final, solo puede arrojar la mayoría de estos materiales a la planta de incineración de desechos. A menudo se afirma que estos materiales basados ​​en polímeros se pueden reciclar. Pero realmente solo puedes cortarlos y hacer esteras con ellos. Los metales, por otro lado, se pueden reciclar infinitamente a menudo, siempre que la chatarra se recolecte por tipo, se comprenda y controle el efecto de las impurezas y se reduzca la variedad de aleaciones utilizadas. Y los componentes ligeros de magnesio ya se acercan mucho a los componentes de polímero en términos de peso, pero son completamente reciclables.

Proporcionado por la Sociedad Max Planck