Este artículo apareció originalmente en Undark.
En la ciudad de Woburn, Massachusetts, un suburbio al norte de Boston, un grupo de ingenieros y científicos con batas blancas inspeccionaron una pila ordenada de lingotes de acero gris metalizado del tamaño de un ladrillo sobre un escritorio dentro de un espacio de laboratorio iluminado con neón.
Lo que estaban viendo era un lote de acero creado usando un método de fabricación innovador, uno que boston metalico, una compañía que surgió hace una década del MIT, espera cambiar drásticamente la forma en que se ha fabricado la aleación durante siglos. Mediante el uso de electricidad para separar el hierro de su mineral, la empresa afirma que puede fabricar acero sin liberar dióxido de carbono, lo que ofrece un camino para limpiar una de las peores industrias del mundo en cuanto a emisiones de gases de efecto invernadero.
Un insumo esencial para la ingeniería y la construcción, el acero es uno de los materiales industriales más populares en el mundo, con más de 2 billones toneladas producidas anualmente. Esta abundancia, sin embargo, tiene un alto precio para el medio ambiente. La siderurgia da cuenta de 7 a 11 por ciento de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, lo que la convierte en una de las mayores fuentes industriales de contaminación atmosférica. Y debido a que la producción podría subir en un tercio para 2050, esta carga ambiental podría crecer.
Eso plantea un desafío importante para hacer frente a la crisis climática. Las Naciones Unidas dice Reducir significativamente las emisiones industriales de carbono es esencial para mantener el calentamiento global por debajo de la marca de 1,5 grados centígrados establecida en el acuerdo climático de París de 2015. Para hacerlo, las emisiones del acero y otras industrias pesadas deberán reducirse en un 93 por ciento para 2050, según estimados por la Agencia Internacional de la Energía.
Ante la presión cada vez mayor de los gobiernos y los inversores para reducir las emisiones, varias siderúrgicas, incluidos los principales productores y las nuevas empresas, están experimentando con tecnologías bajas en carbono que utilizan hidrógeno o electricidad en lugar de la fabricación tradicional intensiva en carbono. Algunos de estos esfuerzos se están acercando a la realidad comercial.
“De lo que estamos hablando es de una industria intensiva en capital y adversa al riesgo donde la interrupción es extremadamente rara”, dijo Chris Bataille, economista de energía de IDDRI, un grupo de expertos de investigación con sede en París. Por lo tanto, agregó, “es emocionante” que estén sucediendo tantas cosas a la vez.
Aun así, los expertos coinciden en que transformar una industria global que dio la vuelta 2,5 billones de dólares en 2017 y emplea a más de 6 millones de personas requerirá un esfuerzo enorme. Más allá de los obstáculos prácticos para ampliar los procesos novedosos a tiempo para alcanzar los objetivos climáticos globales, existen preocupaciones sobre China, donde se fabrica más de la mitad del acero del mundo y cuyos planes para descarbonizar el sector siderúrgico siguen siendo vagos.
“Ciertamente no es una solución fácil descarbonizar una industria como esta”, dijo Bataille. Pero no hay elección. El futuro del sector, y el de nuestro clima, depende precisamente de eso”.
La siderurgia moderna implica varias etapas de producción. Por lo general, el mineral de hierro se tritura y se convierte en sinterizado (un sólido rugoso) o gránulos. Por separado, el carbón se hornea y se convierte en coque. Luego, el mineral y el coque se mezclan con piedra caliza y se alimentan a un alto horno grande donde se introduce un flujo de aire extremadamente caliente desde el fondo. A altas temperaturas, el coque se quema y la mezcla produce hierro líquido, conocido como arrabio o hierro de alto horno. El material fundido luego pasa a un horno de oxígeno, donde se inyecta oxígeno puro a través de una lanza enfriada por agua, lo que expulsa el carbono para dejar el acero crudo como producto final.
Este método, patentado por primera vez por el ingeniero inglés Henry Bessemer en la década de 1850, produce emisiones de dióxido de carbono de diferentes formas. En primer lugar, las reacciones químicas en el alto horno generan emisiones, ya que el carbono atrapado en el coque y la piedra caliza se une al oxígeno del aire para crear dióxido de carbono como subproducto. Además, los combustibles fósiles generalmente se queman para calentar el alto horno y para alimentar plantas de sinterización y peletización, así como hornos de coque, emitiendo dióxido de carbono en el proceso.
Tanto como el 70 por ciento del acero del mundo se produce de esta manera, generando casi dos toneladas de dióxido de carbono por cada tonelada de acero producida. Él 30 por ciento restante se fabrica casi en su totalidad a través de hornos de arco eléctrico, que utilizan una corriente eléctrica para derretir acero, en gran parte chatarra reciclada, y tienen emisiones de CO2 mucho más bajas que los altos hornos.
“Ciertamente no es una solución fácil descarbonizar una industria como esta”, dijo Bataille. Pero no hay elección. El futuro del sector, y el de nuestro clima, depende precisamente de eso”.
Pero debido al suministro limitado de chatarra, no toda la demanda futura se puede satisfacer de esta manera, dijo Jeffrey Rissman, director de programas industriales y jefe de modelado de la firma de políticas energéticas y climáticas Energy Innovation, con sede en San Francisco. Con las políticas adecuadas implementadas, el reciclaje podría satisfacer hasta el 45 por ciento de la demanda mundial en 2050, dijo. “El resto se satisfará forjando acero a base de minerales primarios, que es de donde provienen la mayoría de las emisiones”.
Entonces, “si la industria del acero se toma en serio” sus compromisos climáticos, agregó, “tendrá que remodelar fundamentalmente la forma en que se fabrica el material, y hacerlo con bastante rapidez”.
Una tecnología alternativa que se está probando reemplaza el coque con hidrógeno. En Suecia, híbrido—una empresa conjunta entre la siderúrgica SSAB, el proveedor de energía Vattenfall y LKAB, un productor de mineral de hierro— está poniendo a prueba un proceso que tiene como objetivo reutilizar un sistema existente llamado hierro de reducción directa. El proceso utiliza coque de combustibles fósiles para extraer oxígeno de los gránulos de mineral de hierro, dejando un gránulo de hierro poroso llamado hierro esponja.
En cambio, el método Hybrit extrae el oxígeno utilizando gas hidrógeno libre de fósiles. El gas se crea a través de la electrólisis, una técnica que utiliza una corriente eléctrica, en este caso, de una fuente de energía libre de fósiles, para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. (Hidrógeno más puro hoy en día se fabrica con metano, que produce CO2 cuando se quema). La esponja de hierro resultante luego pasa a un horno de arco eléctrico, donde finalmente se refina en acero. El proceso libera solo vapor de agua como subproducto.
“Esta tecnología se conoce desde hace tiempo, pero hasta ahora solo se ha hecho en el laboratorio”, dijo Mikael Nordlander, jefe de descarbonización de la industria en Vattenfall. “Lo que estamos haciendo aquí es ver si puede funcionar en [the] nivel industrial.”
El pasado agosto, Hybrit alcanzó su primer hito: SSAB, que produce y vende el producto final, entregó su primer lote de acero libre de fósiles al fabricante de automóviles Volvo, que lo usó en prototipos de vehículos. También está planificando una planta para la producción a escala comercial, que pretende completar para 2026.
Otra empresa sueca, H2 Green Steel, está desarrollando una planta de acero de hidrógeno a escala comercial similar con la ayuda de 105 millones de dólares recaudados de inversores privados y empresas como Mercedes-Benz, Scania e IMAS Foundation, una organización vinculada a Ikea. La empresa planes para comenzar la producción en 2024 y producir 5 millones de toneladas de acero de cero emisiones anualmente para el final de la década. Otras empresas que prueban la fabricación de acero impulsada por hidrógeno incluyen ArcelorMittal, Thyssenkruppy Salzgitter AG en Alemania; posco en Corea del Sur; y Voestalpine en Austria.
La electricidad también se puede utilizar para reducir el mineral de hierro. Boston Metal, por ejemplo, ha desarrollado un proceso llamado electrólisis de óxido fundido, en el que una corriente se mueve a través de una celda que contiene mineral de hierro. A medida que la electricidad viaja entre ambos extremos de la celda y calienta el mineral, el oxígeno burbujea (y se puede recolectar), mientras que el mineral de hierro se reduce a hierro líquido que se acumula en el fondo de la celda y se extrae periódicamente. Luego, el hierro purificado se mezcla con carbón y otros ingredientes.
“Lo que hacemos es básicamente intercambiar carbono por electricidad como agente reductor”, explicó Adam Rauwerdink, vicepresidente senior de desarrollo comercial de la empresa. “Esto nos permite fabricar acero de muy alta calidad utilizando mucha menos energía y en menos pasos que la fabricación de acero convencional”. Mientras la energía provenga de fuentes libres de fósiles, agregó, el proceso no genera emisiones de carbono.
Dijo que la compañía, que actualmente opera tres líneas piloto en sus instalaciones de Woburn, está trabajando para llevar su concepto de laboratorio al mercado, utilizando $ 50 millones recaudados el año pasado de un grupo inversor que incluye a Breakthrough Energy Ventures, respaldado por Bill Gates, y el fabricante de automóviles alemán BMW. Se espera que una planta de demostración a escala comercial esté en funcionamiento para 2025.
“Creo que todas estas soluciones tienen su lugar, según la ubicación, la disponibilidad de recursos y el producto objetivo”, dijo Sridhar Seetharaman, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Arizona. “Sin embargo, no creo que por ahora nadie solo le dé una bala de plata para satisfacer la demanda”.
“El hidrógeno tiene un poco de ventaja al estar basado en un sistema establecido y también está a la vanguardia en comercialización”, dijo Bataille, economista de energía de IDDRI. “Pero lograr una industria siderúrgica neta cero requerirá más caminos libres de carbono, por lo que creo que al final habrá suficiente espacio en el mercado para todos ellos”.
Si bien los procesos de fabricación de acero más ecológicos parecen estar cobrando impulso, aún quedan varios desafíos serios por enfrentar. El principal de ellos es la expansión masiva en la infraestructura de energía renovable que implicaría un cambio en toda la industria a estos nuevos métodos, dijo Thomas Koch Blank, director senior de la organización sin fines de lucro con sede en Colorado. Instituto de las Montañas Rocosas. Estima que el mundo necesitaría hasta tres veces las fuentes de energía solar y eólica actualmente instaladas para electrificar la producción primaria de acero existente.
Otra barrera es el costo. Cambiar a electricidad o hidrógeno requeriría grandes cantidades de gasto de capital para construir nuevas plantas y modernizar las antiguas. En el caso del método de hidrógeno limpio, el precio del acero aumentará en gran medida porque los productores de acero están ubicados cerca del carbón coquizable de bajo costo en lugar del hidrógeno de bajo costo, señaló Koch Blank. “Es probable que estos costos iniciales hagan subir el precio tanto del acero como de los productos finales, al menos al principio”.
Según Rissman, el analista de San Francisco, la legislación tanto del lado de la oferta como de la demanda podría ayudar a compensar esos costos más altos y fomentar una mayor inversión en tecnologías más ecológicas. Los gobiernos, dijo, podrían incentivar el uso de acero con bajo contenido de carbono para la construcción y la infraestructura al exigir que los proyectos financiados por el estado utilicen versiones bajas en carbono de los materiales de construcción designados. También podrían hacer cumplir políticas que encarecen la compra en países donde las normas sobre emisiones son menos estrictas. Eso ayudará a los productores nacionales a “mantenerse competitivos” a medida que el mercado de acero limpio “crece y los nuevos procesos de producción logran economías de escala”, dijo Rissman.
“Es un desafío fantástico al que nos enfrentamos”, dijo Rauwerdink. Pero agregó: “Estamos demostrando que las soluciones existen y funcionan.“
Quizás el mayor obstáculo sea China, donde alrededor del 90 por ciento de la producción de acero se logra utilizando altos hornos. En septiembre de 2020, el presidente Xi Jinping Anunciado que el país aspira a convertirse en carbono neutral para 2060. En un intento por reducir la contaminación de las acerías nacionales, que representan aproximadamente el 15 por ciento de las emisiones totales de carbono de la nación, Beijing también se comprometió a alcanzar el pico de emisiones de acero para 2030. Aun así, se anunciaron 18 nuevos proyectos de altos hornos en China solo en los primeros seis meses de 2021, de acuerdo a al grupo de investigación con sede en Helsinki Centro de Investigación sobre Energía y Aire Limpio.
El acero es una de las industrias más importantes y desafiantes para descarbonizar, dijo Rissman, por lo que la coordinación global sería de gran ayuda.
De vuelta en Boston, Rauwerdink, que inspeccionaba las líneas de la fábrica de Boston Metal, estuvo de acuerdo. “Es un desafío fantástico al que nos enfrentamos”, dijo. Pero, agregó, “estamos demostrando que las soluciones existen y funcionan”.