Bobinas de acero en una planta en Duisberg, Alemania, producidas utilizando métodos con baja intensidad de dióxido de carbono. Fuente: Fri...
El cemento y el acero son ingredientes esenciales de edificios, automóviles, represas, puentes y rascacielos. Pero estas industrias se encuentran entre las más sucias del planeta. La producción de cemento genera 2.300 millones de toneladas de dióxido de carbono al año, y la fabricación de hierro y acero libera unos 2.600 millones de toneladas, o el 6,5 % y el 7,0 % de las emisiones mundiales de CO 2 , respectivamente 1 .
Eso se debe en parte a las grandes cantidades en las que se utilizan estos materiales: el hormigón es el segundo producto más consumido del planeta, después del agua limpia. También es gracias a sus métodos de producción intensivos en carbono. Las reacciones químicas implicadas emiten CO 2 , al igual que la quema de combustibles fósiles para generar las temperaturas extremas requeridas en los procesos de fabricación.
Se necesitan con urgencia formas más limpias de fabricar y usar cemento y acero. El mundo debe alcanzar emisiones netas de carbono cero para 2050, incluso cuando la demanda industrial está creciendo y los precios de la energía se están disparando. Se debe establecer infraestructura, transferencia de tecnología y mecanismos para reducir los riesgos financieros para permitir que florezca la industria pesada de bajas emisiones.
Aquí destacamos nueve prioridades para la investigación y la acción. Los procesos de fabricación de acero necesitan un replanteamiento; Las mayores ganancias del cemento requerirán captura y almacenamiento de carbono (CCS). Juntos, estos pasos podrían llevar al acero casi a ser neutral en carbono y al cemento a convertirse en un sumidero de carbono.
Usar las últimas tecnologías
Garantizar que las plantas de producción estén equipadas con la mejor tecnología disponible ofrece ganancias inmediatas. Mejorar el aislamiento de las plantas industriales puede ahorrar un 26% de la energía utilizada; mejores calderas reducen las necesidades de energía hasta en un 10%; y el uso de intercambiadores de calor puede disminuir las demandas de energía del proceso de refinación en un 25 % 2 . Las plantas viejas e ineficientes generalmente son superadas por instalaciones más modernas, por lo que las industrias se vuelven más eficientes con el tiempo. Sin embargo, las ganancias disminuyen a medida que las industrias maduran y las mejoras se incrementan. Hoy en día, las plantas de cemento más eficientes pueden obtener solo un 0,04 % de ahorro de energía al año mediante la mejora de las tecnologías 3 . Se necesita hacer más.
Optimizar usos de materiales
Se pueden usar cantidades más pequeñas de acero y cemento para el mismo trabajo. Hoy, el mundo produce 530 kilogramos de cemento y 240 kilogramos de acero por persona al año. Pequeños pero significativos cambios en los códigos de construcción y la educación de arquitectos, ingenieros y contratistas podrían reducir la demanda de cemento hasta en un 26 % y la de acero en un 24 %, según la Agencia Internacional de Energía 4 . Muchos códigos de construcción se basan en el exceso de ingeniería por motivos de seguridad. Ese margen podría limitarse mediante el uso de materiales modernos y modelos informáticos para reducir los diseños y utilizar solo la cantidad necesaria de recursos. Los materiales alternativos con una menor huella de carbono para un uso determinado, como el aluminio, podrían reemplazar al acero en algunos productos, incluidos los automóviles. Los profesionales tendrían que cambiar sus prácticas y volver a capacitarse.
Reinventar la producción de acero
El carbono es el núcleo de la producción de acero convencional. El coque (derivado del carbón) alimenta los altos hornos en los que los minerales de hierro se reducen químicamente a hierro metálico a temperaturas de hasta 2300 °C. El coque se quema para producir monóxido de carbono, que reduce el mineral a hierro y CO 2 . Luego, el hierro fundido se refina en acero, generalmente en un horno de carbón, pero a veces (especialmente cuando se recicla chatarra) en un horno de arco eléctrico (EAF). El proceso emite alrededor de 1.800 kilogramos de CO 2 o más por tonelada de acero.
Se pueden usar otras sustancias para reducir los minerales. Alrededor del 5% del acero del mundo ya se fabrica a través de procesos de 'hierro reducido directo' (DRI) que no requieren coque y generalmente usan hidrógeno y CO (derivado de metano o carbón). Mediante el uso de gas derivado del metano y electricidad renovable para alimentar un horno eléctrico, estas plantas siderúrgicas emiten alrededor de 700 kilogramos de CO 2 por tonelada de acero 5 , un 61 % menos que las basadas en coque.
Mejor aún, usar solo hidrógeno para DRI debería reducir las emisiones de CO 2 a 50 kilogramos o menos por tonelada de acero, una reducción del 97 %. Empresas en Europa, China y Australia están probando tales plantas, y varias están programadas para abrir en 2025 o 2026. El desafío es que este proceso requiere una gran cantidad de hidrógeno.
Producir todo el acero de esta manera significaría casi triplicar la producción mundial de hidrógeno, de 60 a alrededor de 135 millones de toneladas anuales. Y hoy en día, la mayor parte del hidrógeno barato proviene del gas natural, que libera CO 2 . Una opción más ecológica, dividir el agua con electrolizadores, es alrededor de 2,5 veces más cara. Los costes deberían bajar a medida que se construyan más plantas.
Vale la pena buscar otras opciones. En 2004, el Consorcio de Fabricación de Acero Ultralow-CO 2 (48 empresas y organizaciones en 15 países europeos) evaluó las opciones. Tata Steel, con sede en Jamshedpur, India, construyó una planta piloto en 2010 en los Países Bajos para un proceso avanzado de fabricación de acero, todavía basado en carbón pero simplificado para facilitar la captura de carbono. La caída del precio del hidrógeno verde, producido con energía renovable, ahora está atrayendo a Tata a DRI basado en hidrógeno.
Una alternativa prometedora al hidrógeno es usar electricidad para reducir el mineral de hierro a través de la electrólisis. Este método está siendo explorado por Boston Metal en Massachusetts y Arcelor Mittal con sede en Luxemburgo.
Reinventar el cemento
La producción de cemento Portland ordinario, el tipo de cemento más común, comienza con la calcinación de piedra caliza, que se calienta a temperaturas superiores a 850 °C para formar cal y CO 2 . La cal se combina con arena y arcilla en un horno a 1450 °C para crear escoria. Algunos otros ingredientes se mezclan para hacer cemento. Alrededor del 60% de las emisiones de una planta de alta calidad provienen de la reacción de calcinación y la mayor parte del resto del combustible quemado. En total, el proceso produce alrededor de 800 kilogramos de CO 2 por tonelada de cemento 6 en una planta promedio y 600 kilogramos en la mejor planta de su clase.
El cemento se puede hacer sin piedra caliza. El cemento de oxicloruro de magnesio (llamado sorel), por ejemplo, existe desde 1867, pero no se ha comercializado porque tiene poca tolerancia al agua. Se están investigando docenas de variantes de cemento. Sin embargo, para usarlos en la construcción, los códigos, diseños y prácticas de construcción deberán modificarse para tener en cuenta las diferentes resistencias y propiedades de estos materiales. Esto llevará más de una década.
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| La piedra caliza es la fuente de la mayor parte de las emisiones de dióxido de carbono de la producción de cemento. Fuente: Kokouu/Getty |
Otra opción es reemplazar parte del clínker con materiales más sostenibles 7 . Los más comunes incluyen la escoria de alto horno y las cenizas de las centrales eléctricas de carbón. Pero esos materiales escasearán cuando se eliminen los combustibles fósiles. Los investigadores están investigando otras opciones, incluida la escoria de hierro reciclado fabricado en EAF y del procesamiento de acero DRI EAF.
Un ejemplo prometedor es el cemento de arcilla calcinada con piedra caliza (LC 3 ). Con propiedades similares al cemento Portland común, ya está cerca de ser comercializado y sería fácil cambiarlo. Se puede reemplazar hasta la mitad del clínker que contiene 8 . Algunas empresas ya incluyen la tecnología LC 3 en sus estrategias netas cero, entre ellas la empresa francesa LafargeHolcim y la alemana Heidelberg Cement.
Intercambiar combustibles
Para el acero, es tentador sugerir reemplazar el carbón y el coque con carbón vegetal u otras formas de biomasa. Pero hay desafíos. El cultivo de biomasa para energía puede entrar en conflicto con las necesidades de tierra para la agricultura, y no todas las cosechas de biomasa son sostenibles. El carbón vegetal es demasiado débil (en comparación con el coque) para soportar las capas de material en los altos hornos. Repensar el procesamiento del acero, como se mencionó anteriormente, es una mejor solución.
En el caso del cemento, sin embargo, los desechos sólidos municipales (o la basura cuidadosamente seleccionada) se pueden utilizar como combustible alternativo 9 : las altas temperaturas en el horno incineran los materiales tóxicos de los desechos y las cenizas se pueden incorporar al clínker. Hasta el 57% de la energía de la empresa mexicana Cemex en plantas de cemento en el Reino Unido se deriva de estos combustibles alternativos, y el consumo de combustibles alternativos de la empresa británica Hanson es del 52%. Se debe fomentar esta estrategia, incluso mediante la aprobación de regulaciones apropiadas a nivel nacional.
Captura de carbono
La tecnología CCS (tomar CO 2 y encerrarlo bajo tierra), será esencial para reducir las emisiones de la producción de cemento, y también es importante para el acero.
CCS está relativamente avanzado en algunas otras industrias. La compañía petrolera estatal noruega Equinor ha operado un proyecto CCS desde finales de la década de 1990, enterrando alrededor de un millón de toneladas de CO 2 por año. Pero la tecnología está infrautilizada; solo el 0,1% de todas las emisiones globales se capturan y almacenan actualmente. Solo unas pocas plantas de acero y hormigón están probando CCS. Por ejemplo, una moderna planta siderúrgica DRI en Abu Dhabi ha utilizado CCS desde 2016. CCS debe ampliarse rápidamente.
Un problema importante es que la corriente de CO 2 debe tener una pureza superior al 99,9 % para reducir los costos de compresión y almacenamiento del gas. Los conductos de humo típicos de las plantas de acero y cemento consisten en aproximadamente un 30% de CO 2 ; el resto es principalmente nitrógeno y vapor. Una opción para la industria del cemento es quemar combustible en una mezcla de oxígeno y gas de combustión reciclado, dejando una corriente relativamente pura de CO 2 . Pero esto es un desafío: implica sellar un horno giratorio muy caliente.
Otra forma de aislar el CO 2 del proceso de calcinación es calentar la piedra caliza indirectamente (a través de una pared) para que las emisiones del calentamiento se separen de las de la piedra caliza. Las emisiones de la piedra caliza son casi puras y no requieren mucho más procesamiento, lo que reduce el costo de CCS. Los proyectos LEILAC 1 y 2 (en Lixhe, Bélgica y Hannover, Alemania, respectivamente) están probando esto; LEILAC 2 está capturando alrededor del 20% de las emisiones de proceso de una planta de cemento, alrededor de 100.000 toneladas por año 10 .
La construcción de industrias pesadas en grupos permitiría compartir el calor, los materiales y la infraestructura para producir y almacenar hidrógeno, así como recolectar y eliminar el CO 2 residual . Estos grupos se están desarrollando en Kalinborg, Dinamarca; Tyneside, Reino Unido; Róterdam, Países Bajos; y Bergen, Noruega.
Almacenar CO 2 en hormigón
El cemento se convierte en hormigón añadiendo agua, arena y piedras. El agua desencadena reacciones que endurecen el material y ligan los agregados. Agregar CO 2 puede hacer que el cemento sea más fuerte. Si el CO 2 constituye sólo el 1,3% del peso del hormigón, la dureza del material puede aumentar en torno al 10%. Eso reduce la cantidad de cemento necesaria en una estructura, junto con las emisiones netas, en aproximadamente un 5%.
La optimización de la captura de carbono en el hormigón es un área activa de investigación. Líderes como CarbonCure en Dartmouth, Canadá, ya están inyectando CO 2 en el hormigón a gran escala: informa que ha entregado casi 2 millones de camiones cargados de hormigón CarbonCure, ahorrando 132 000 toneladas de CO 2 .
Tanto el cemento como el hormigón absorben CO 2 del aire al convertir los componentes a base de calcio nuevamente en piedra caliza. El potencial allí es enorme: en teoría, aproximadamente la mitad de las emisiones de CO 2 del proceso de fabricación de cemento podrían reabsorberse. Pero los materiales tendrían que triturarse al final de su vida útil para hacer que las partículas de concreto sean más pequeñas para que el CO 2 pueda difundirse mejor. Eso es caro y requiere energía.
Debido a que la cantidad de CO 2 que podría absorber el hormigón triturado es incierta, aún no se incluye en los inventarios de emisiones de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. Pero el gobierno del Reino Unido lo está investigando, en colaboración con la Asociación de Productos Minerales de Londres, y Global Carbon Project ha comenzado a incluirlo en sus presupuestos anuales de carbono. Instamos a la precaución, para evitar desincentivar CCS y medios más rastreables para reducir la huella de carbono del cemento.
Reciclar acero
El acero se puede reciclar de manera eficiente utilizando un horno eléctrico de arco. Una cuarta parte de la producción de acero actual se basa en chatarra reciclada. A nivel mundial, se espera que la producción reciclada se duplique para 2050 11 , reduciendo las emisiones entre un 20 % y un 25 % a partir de hoy (dependiendo de cómo se produzca la electricidad).
Sin embargo, actualmente no es posible reciclar el acero sin fin. Especies 'vagabundos', compuestos indeseables (particularmente cobre), se acumulan. Su acumulación se puede ralentizar clasificando mejor la chatarra y rediseñando los productos para que el cableado de cobre sea más fácil de quitar.
Subvencionar cambios
Juntos, el potencial de estos ocho pasos es enorme. Pero se deben superar más obstáculos económicos si se quiere que las industrias pesadas bajas en carbono alcancen escalas de producción de megatoneladas por año.
Las plantas de DRI solo de hidrógeno para acero y las instalaciones de CCS para cemento existen solo en las etapas piloto y comercial inicial. Ampliarlos es costoso y arriesgado. Los productos bajos en carbono carecen de ventajas competitivas y mercados. Los países en desarrollo, donde se está realizando la mayor parte de la construcción, necesitan que se comparta la tecnología y la implementación de mecanismos para disminuir los riesgos financieros.
Un paso en la dirección correcta es un pequeño reembolso bajo el Esquema de Comercio de Emisiones (ETS) de la Unión Europea por intercambiar combustibles fósiles con biomasa o hidrógeno, o por emprender CCS. Eso no es suficiente. Los subsidios gubernamentales condicionales y escalonados, similares a las tarifas de alimentación, que incentivan la inversión en tecnologías eólicas y solares, serían más efectivos 12 .
Se espera que la descarbonización total con CCS duplique el coste del cemento Portland, que ahora ronda los US$100 por tonelada. Los subsidios al cemento tendrían que igualar eso. Se espera que el acero de cero emisiones cueste entre un 20% y un 40% más que el acero estándar, que suele costar alrededor de $600 por tonelada, por lo que los subsidios al acero tendrían que llegar a $240 por tonelada. Para la UE, estimamos que podría costar hasta $ 200 mil millones en 10 años.
Los productores tendrán que soportar la peor parte de esos costos. Los usuarios y fabricantes se verán menos afectados. El acero descarbonizado agregaría solo entre un 0,5 y un 2 % al precio de un vehículo y hasta un 15 % del costo de construcción de un edificio (que en sí mismo es solo entre un 1 y un 3 % del valor total de la propiedad) 13 .
Deben establecerse políticas para fomentar estos desarrollos. Ha llegado el momento de que la producción de acero y cemento ayude, en lugar de obstaculizar, la carrera hacia el cero neto.
Fuentes:
1. IEA. Tracking Industry 2020 (International Energy Agency, 2020).
2. Napp, T. A., Gambhir, A., Hills, T. P., Florin, N. & Fennell, P. S. Renew. Sustain. Energy Rev. 30, 616–640 (2014).
3. WBCSD Cement Sustainability Initiative. Cement Industry Energy and CO2 Performance: Getting the Numbers Right (World Business Council for Sustainable Development, 2016).
4. IEA. Material Efficiency in Clean Energy Transitions (International Energy Agency, 2019).
5. Rissman, J. et al. Appl. Energy 266, 114848 (2020).
6. Worrell, E., Price, L. K., Martin, N. C., Hendriks, C. & Meida, L. O. Annu. Rev. Energy Environ. 26, 303–329 (2001).
7. UN Environment, Scrivener, K. L., John, V. M. & Gartner, E. M. Cem. Concr. Res. 114, 2–26 (2018).
8. Scrivener, K., Martirena, F., Bishnoi, S. & Maity, S. Cem. Concr. Res. 114, 49–56 (2018).
9. Fennell, P. S., Davis, S. J. & Mohammed, A. Joule 5, 1305–1311 (2021).
10. Hills, T. P., Sceats, M., Rennie, D. & Fennell, P. Energy Procedia 114, 6166–6170 (2017).
11. Xylia, M., Silveira, S., Duerinck, J. & Meinke-Hubeny, F. Energy Effic. 11, 1135–1159 (2018).
12. Sartor, O. & Bataille, C. Decarbonising Basic Materials in Europe: How Carbon Contracts-for-Difference Could Help Bring Breakthrough Technologies to Market (Institute for Sustainable Development and International Relations, 2019).
13. Rootzén, J. & Johnsson, F. Energy Policy 98, 459–469 (2016).
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