21 de marzo de 2023.- El acero es un problema climático importante, pero tenemos herramientas comprobadas, además ya hemos fabricado una gran cantidad de acero. Hay cientos de miles de millones de toneladas de este material tirado por ahí, en su mayoría obsoleto, publica CleanTechnica.
Las emisiones de CO2 del acero representan alrededor del 7 % de todas las emisiones mundiales, y el acero absorbe alrededor del 8 % de la energía primaria a nivel mundial. Es un gran problema del cambio climático y un gran consumidor de energía.
Ha estado en mi radar durante años, pero había priorizado otras áreas de emisiones, incluido el transporte, la agricultura, el cemento y el calor. Ahora está en la parte superior de mi lista de cosas por hacer y pasé un montón de tiempo investigando varios caminos simultáneamente para entenderlo mejor.
El acero se fabrica aleando carbono y hierro en las proporciones adecuadas, y para variantes como el acero inoxidable con elementos como el cromo. Eso es principalmente un problema de temperatura y proceso mecánico, que opera a 1,600° C. En realidad, es relativamente fácil de electrificar, ya que el calor a esa temperatura es bastante trivial con los hornos de arco eléctrico (EAF), a pesar de afirmaciones notables como las del nuevo hidrógeno de EUA estrategia que las temperaturas superiores a 300° C necesitan algo para quemarse.
Así que esa parte de las cosas es una solución fácil. Alimente los hornos de arco eléctrico con hierro y sople oxígeno a través de la mezcla para obtener los niveles correctos de carbono para el acero. Es decir, técnicamente es fácil, pero en el desordenado mundo real intervienen muchas cosas.
Una gran cantidad de acero en estos días se fabrica a partir de chatarra de acero, con la adición de algo de hierro nuevo para obtener los componentes químicos correctos en el producto terminado.
Eso también pasa por hornos de arco eléctrico, por lo que también es muy susceptible de descarbonización simplemente descarbonizando la electricidad y electrificando el transporte. En la red promedio actual, eso tiene alrededor de 0.4 toneladas de Co2 por tonelada de acero, ya que la electricidad no se ha descarbonizado, así como el requisito de aproximadamente un 25% de hierro nuevo para mezclar con la chatarra de acero.
Una nota rápida sobre estas intensidades de carbono: cada una de ellas está sujeta a muchas variaciones según el proceso, los combustibles, la eficiencia y otros factores. Estos números son lo suficientemente buenos para cálculos de órdenes de magnitud, pero hay un número bastante absurdo de personas que trabajan duro para ser mucho más precisos sobre cada camino en toda su diversidad de ramificaciones.
Entonces necesitamos hierro o chatarra de acero y hierro para hacer acero. Pero, ¿qué hay de convertir el mineral de hierro en hierro? Eso es más difícil. El hierro por sí mismo, Fe, en realidad no existe en la naturaleza.
Eso es porque le gusta oxidarse, o más bien unirse con el oxígeno. Cuando se une con el oxígeno, pierde un par de electrones. El mineral de hierro de alta calidad todavía tiene muchas cosas que no son hierro oxidado, pero el hierro oxidado es el material útil.
Deshacerse de la oxidación y recuperar los electrones en el hierro para convertirlo en Fe puro es un proceso llamado reducción.
Existen algunos procesos industriales para reducir el hierro. Un par son los altos hornos y los hornos de hogar abierto que queman una gran cantidad de carbón o gas natural para fabricar el hierro. Temperaturas en el rango de 1,400° a 1,500° C, emisiones de CO2e muy altas, y el acero fabricado por esta vía tiene una deuda de carbono de 1.2 a 1.7 toneladas de CO2 por cada tonelada de hierro. No es bueno.
A la gente del gas natural y del acero les gusta afirmar que el gas natural es una victoria, pero en realidad no lo es.
Luego está la reducción directa de hierro (DRI), en la que el gas natural se convierte en un gas sintético y, a una temperatura mucho más baja de 1000 °C, el gas de síntesis produce monóxido de carbono e hidrógeno, que reducen el mineral de hierro a un 97 % de hierro puro.
Mucha menos energía y, como resultado, mucho menos emisiones de CO2, alrededor de 1.0 toneladas de CO2 por tonelada de acero (ignorando las molestas emisiones de metano aguas arriba). Produce hierro con diferentes formas físicas que salen de hornos altos o de hogar abierto, por lo que la forma diferente se convierte en un problema de procesamiento menor más adelante.
Para aquellos que miraron mis gráficos sobre aviación y transporte marítimo, donde comencé en 1990 y presenté datos históricos, luego articulé por qué el razonamiento inductivo de anteriores no era un buen modelo, mis esfuerzos iniciales en acero les resultarán familiares. Lo que hubiera sido muy agradable de ver y lo que esperaba era un gran crecimiento de los hornos de arco eléctrico con chatarra y reducción directa de hierro.
Esta es una visión década por década del acero desde 1990 hasta 2020 basada en informes anuales de la diligente Asociación Mundial del Acero. No es una gran noticia en la superficie, pero eso no significa que no se puedan extraer buenas noticias de ella. Vamos a desmontarlo poco a poco.
En primer lugar, los volúmenes de acero fabricados anualmente se han duplicado desde 1990, lo que significa que está emitiendo mucho más CO2 al aire. En segundo lugar, la mayor fuente de crecimiento se encuentra en los altos hornos (oxígeno) y los hornos de hogar abierto, que son los que generan más CO2. Sí, el mundo está fabricando mucho más acero y sus mayores emisiones, una mala combinación.
Y hay otra mala noticia ahí. Entre 1990 y 2000, la cantidad de procesos de chatarra de acero aumentó mientras que el acero nuevo disminuyó, lo cual tiene sentido dada la cantidad de acero que hemos fabricado y está disponible para chatarra. Sin embargo, después de eso, se disparó acero nuevo de hierro nuevo.
Como dato, hay alrededor de 350 millones de toneladas de acero solo en los oleoductos de combustibles fósiles de EUA, suficiente para cuatro años completos de producción en EUA no es que no tengamos mucho acero.
Estados Unidos ha estado fabricando alrededor del 70 % de su acero nuevo a partir de chatarra durante aproximadamente 20 años, por lo que en realidad no es la mayor parte de este problema hoy en día, aunque su fabricación histórica de acero durante la Revolución Industrial ciertamente lo fue, y solo lentamente. La red de descarbonización no está ayudando.
Entonces, ¿dónde se fabrica el nuevo acero? Bueno, históricamente Japón y los EUA fueron el número 1 y el número 2 en términos de países, aunque la suma de Europa era muy grande y posiblemente el número 1, pero no es así como se desglosan las estadísticas.
Sin embargo, en los últimos 20 años, China ha fabricado cantidades cada vez mayores de acero cada año para alimentar su construcción de infraestructura masiva. Aproximadamente el 55% del acero se utiliza en la construcción y la infraestructura, y el segundo mayor consumidor es el mercado de automóviles y vehículos ligeros.
Todas esas nuevas ciudades, 40,000 km de vías férreas de alta velocidad, proyectos hidroeléctricos y similares en China necesitaban acero. Y la fabricación de automóviles y vehículos ligeros en China también se ha disparado, con un promedio mundial de cada automóvil que requiere alrededor de 0,9 toneladas de acero, aunque China tiene millones de microcoches que usan menos acero.
India también ha estado acelerando su industrialización, aunque ni mucho menos al nivel de China. Como resultado, los números 1 y 2 son China e India, con Japón y EUA como 3 y 4.
Pero cuando proporcionamos esta clasificación, es importante tener en cuenta que realmente es China en el puesto número 1 y el resto del mundo combinado en el puesto número 2. Así es, China es al acero lo que EUA es al gasto militar. China fabrica 10 veces más acero que India ahora mismo cada año. Y China tomó los caminos más rápidos para fabricar acero, los de alto contenido de carbono, así que eso es un problema.
Entonces, ¿cuál es la buena noticia para el acero en esto? Bueno, tiene algunos componentes.
La primera es que ya hemos fabricado una gran cantidad de acero. Hay cientos de miles de millones de toneladas de este material tirado por ahí, gran parte obsoleto, gran parte unido temporalmente a automóviles y similares, y todo ello muy bien prepurificado para su desguace en miniacerías eléctricas de acero que se quedarán sin limpiador y electricidad más limpia cada año.
La próxima victoria es que estamos fabricando alrededor de 100 millones de toneladas de acero nuevo con reducción directa de mineral de hierro. Como recordatorio, tiene emisiones y requisitos de energía mucho más bajos que las alternativas anteriores. Esta no es una tecnología en el laboratorio, es una tecnología que bombea alrededor del 5% del acero nuevo global.
El siguiente punto es que hay muchas formas de descarbonizar la reducción directa del mineral de hierro. Para empezar, podemos ir un paso más allá y producir hidrógeno y agregarlo a las mezclas de gas de síntesis en cantidades cada vez mayores para maximizar los resultados de la reducción, aunque esto se convierte en un proceso que requiere que se agregue calor externo.
Midrex va por este camino y tiene una reducción directa de carbono más baja trabajando en su tecnología. Todavía están usando gas natural para proporcionar el calor, pero eso aún se reduce a 0.8 toneladas de CO2 por tonelada de acero, menos de la mitad de las emisiones de alto horno y hogar abierto.
Podríamos descarbonizar aún más el proceso de Midrex mediante el uso del biometano que estamos produciendo sin querer en vertederos y estiércol animal para crear gas de síntesis para la reducción. Hay suficiente que, incluso después de que lo mitigemos en la medida de lo posible, todavía estamos causando que se produzca demasiado biometano, y es mucho mejor usarlo para esto que sacar del suelo el CO2 secuestrado en forma de gas natural.
Y también podríamos proporcionar el calor de proceso a partir de la electricidad. Es probable que el proceso Midrex pueda reducir sus emisiones a 0.4 toneladas de CO2 por tonelada de acero, en torno a la chatarra de acero en hornos de arco eléctrico.
Pero luego dejamos atrás Midrex y la reducción directa de gas de síntesis con el proceso HYBRIT. HYBRIT, abreviatura de Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology, es una empresa conjunta entre SSAB, LKAB y Vattenfall.
Utiliza biometano, hidrógeno verde hecho de agua y electricidad verde sin ningún tipo de combustibles fósiles, para hacer que el hierro sea apto para introducirlo en hornos de arco eléctrico con chatarra.
Y utiliza mineral de hierro sin carbono extraído de la minería con cero emisiones, algo completamente dentro del ámbito de lo posible ya que estaba trabajando en una propuesta de minería de cero emisiones del Anillo de Fuego y una propuesta de energía eólica minera del norte de Quebec hace aproximadamente una década, y algo cada vez más vigente en la actualidad.
Solo se requieren entre 51 y 60 kg de hidrógeno para una tonelada de acero nuevo , algo que tiene algunas implicaciones positivas para mi estrategia de demanda de hidrógeno hasta 2100, donde el único punto de crecimiento es el acero.
El rango es interesante, ya que tres fuentes diferentes proporcionan tres números diferentes, 51, 58 y 60 kg por tonelada de acero. Todos son creíbles, y dos son revisados por pares. Elegí el número revisado por pares más reciente, 51 kg por tonelada a partir de 2022, como base para mis evaluaciones en el futuro.
Por último, el mayor fabricante de acero del mundo es China. Y ese es un país que en la actualidad ha demostrado ser radicalmente más rápido en pivotar y transformarse que cualquier otra jurisdicción, con la excepción de la estrecha geografía confinada de Silicon Valley.
China tiene más autobuses, camiones y trenes eléctricos que cualquier otro país del mundo. China generó tanta energía eólica marina en 2022 como el resto del mundo combinado en los cinco años anteriores. China ya está entregando los electrolizadores de hidrógeno más baratos. China fabrica más de la mitad del acero del mundo, pero también es más capaz de descarbonizar su acero rápidamente.
Solo se requerirá un 25 % de acero nuevo con chatarra cuando lleguemos a la economía circular máxima del acero dentro de algunas décadas. Solo 51 kg de hidrógeno por una tonelada de acero nuevo. Se requiere mucha menos energía primaria para los procesos de chatarra eléctrica y DRI.
China ralentiza su fase de construcción de infraestructura y vivienda. China gira hacia el acero limpio. Pero luego la iniciativa Belt & Road y la creciente riqueza en India, África y otros lugares para contrarrestar eso. Ese es un conjunto interesante de curvas y la base de otra evaluación o dos.
Reportacero
