Producción de acero verde: revolucionando la industria para un planeta más fresco

La temperatura media anual de la Tierra aumenta desde la revolución industrial, principalmente por la quema de combustibles fósiles que eleva las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) en la atmósfera. Antes de la era industrial, el CO₂ atmosférico era de 280 ppm (0,028 %) y alcanzó ~413 ppm (0,0413 %) a principios de 2019. La figura 1 muestra la evolución de la temperatura global y la concentración de CO₂ en los últimos 800 000 años (datos de NOAA y núcleos de hielo EPICA).

Efecto invernadero y calentamiento global

Sin atmósfera, la superficie terrestre estaría congelada. La luz solar calienta océanos y continentes; el calor se irradia al espacio como infrarrojo. Los «gases de invernadero» (vapor de agua, CO₂, metano) interactúan con ese infrarrojo reteniendo calor: el «buen efecto» se vuelve perjudicial cuando es excesivo. Desde la revolución industrial, el CO₂ subió de 280 a 413 ppm (datación por carbono vincula el aumento a combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas). La temperatura media global subió ~1 °C; aunque parece poco, se prevé que aumentos adicionales causen pérdida de hielo marino, retroceso de glaciares, subida del nivel del mar (actualmente 3,3 mm/año). Para evitar efectos graves, el calentamiento debe limitarse a <2 °C.

El sector siderúrgico: mayor emisor industrial

La industria del hierro y acero es el mayor emisor industrial global, responsable del 7-9 % de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y ~8 % de la demanda final de energía. El acero es vital para economías modernas y su demanda crecerá por necesidades socioeconómicas; además es insumo crítico para la transición energética limpia (propiedades ferromagnéticas para generación/uso de electricidad; turbinas eólicas, redes de transmisión, hidroeléctricas, nucleares).

Emisiones directas de CO₂: ~2,6 Gt/año (~¼ de emisiones industriales de CO₂) por dependencia del carbón/coque como combustible y agente reductor. Otras 1,1 Gt/año atribuibles a uso de gases de proceso y otros combustibles para electricidad y calor importados. La alta dependencia del carbón en la producción primaria, activos de larga vida (10-15 años), exposición al comercio internacional y competitividad hacen que la transición a emisiones cercanas a cero sea muy desafiante: sector «difícil de abatir».

Estudios recientes estiman que ~14 % del valor potencial de las siderúrgicas está en riesgo si no reducen su impacto ambiental. La descarbonización es prioridad para competitividad económica y licencia social para operar. Ciclos de inversión largos, necesidades de financiación multimillonarias y capacidades limitadas de proveedores exigen acción inmediata.

Avances y vías de acero verde

La industria reconoce la necesidad de soluciones a largo plazo y ha sido proactiva mejorando eficiencia energética y reduciendo CO₂. Desde 1975, las principales productoras han reducido ~50 % la energía por tonelada de acero bruto. Mejoras continuas con tecnologías *state-of-the-art*.

El «acero verde» agrupa procesos que reducen emisiones de CO₂. Desarrollo en UE, EE. UU., Canadá, Brasil, Japón, Corea del Sur, Australia y China. Cinco direcciones clave:

1. Tecnologías con uso de carbón.
2. Tecnologías basadas en hidrógeno.
3. Tecnologías basadas en electrones (electrólisis).
4. Tecnologías con biomasa.
5. Captura, uso y/o almacenamiento de carbono (CCUS).

La figura 2 muestra vías hacia tecnologíasruptura para producción de acero a partir de mineral.

Programas internacionales destacados

UE: Programa ULCOS (*Ultra-Low CO₂ Steelmaking*)

• Alto horno con recirculación de gas de tope (TGR-BF) + CCUS.
• Proceso HIsarna (reducción por fusión) + CCUS.
• ULCORED (nuevo concepto de reducción directa) + CCUS.
• Electrólisis.
• Uso de carbono de biomasa sostenible e hidrógeno.

EE. UU.: Alianza público-privada AISI-DOE

• Reducción por hidrógeno en suspensión de concentrado de óxido de hierro.
• Electrólisis de óxido fundido (MOE).
• Corto plazo: «paired straight hearth furnace» (horno de hogar recto pareado), proceso DRI y metal fundido basado en carbón para reemplazo a largo plazo de altos hornos y hornos de coque.

Japón: Programa COURSE50

Seis empresas siderúrgicas/ingeniería + JISF + NEDO. Objetivos:

• Reducir emisiones de CO₂ en reducción de mineral en alto horno con agentes alternativos (hidrógeno).
• Reformar gas de horno de coque para enriquecer H₂ aprovechando calor residual.
• Coque de alta resistencia y reactividad para reducción con H₂.
• Captura de CO₂ de gas de alto horno: absorción químico/física; reducción de energía para captura/separación/recuperación usando calor residual de la planta.

Corea del Sur: POSCO, RIST, POSLAB, POSTECH

Tres rutas prometedoras:

• Siderurgia baja en carbono: FINEX bajo en carbono, pre-reducción y recuperación de calor de sinter caliente.
• Captura y almacenamiento: absorción de CO₂ con solución de amoníaco, secuestro en yacimientos de gas oceánicos.
• Siderurgia con hidrógeno: reducción de mineral en FINEX con syngas enriquecido en H₂ y alto horno con soplado enriquecido en H₂.

Categorías de tecnologías emergentes

1. CCUS: captura emisiones de CO₂, las almacena (formaciones geológicas, yacimientos de gas submarinos agotados) o las procesa para uso posterior. Solo no alcanza neutralidad de carbono; puede ser balance negativo si biomasa reemplaza combustibles fósiles.
2. Reducción alternativa de mineral de hierro: reemplazo de coque/gas natural por agentes reductores alternativos (hidrógeno, corriente eléctrica directa). Teóricamente pueden hacer la producción totalmente verde, pero requieren más tiempo y fondos que CCUS.

Tecnologías CCUS

Separan CO₂ de otros gases de proceso, lo capturan, transportan (tubería/barco) a almacenamiento *on/off-shore* o uso. Procesos: captura post/pre-combustión, compresión, transporte, almacenamiento/uso. Figura 3: esquema CCUS para ruta BF-BOF simplificada.

Ventajas: integración relativamente fácil en plantas *brownfield* existentes; tecnología no específica del acero → otras industrias comparten costes de desarrollo/infraestructura; costes operativos futuros predecibles.

Desventajas: no totalmente neutro en carbono (captura ~90 % CO₂); aceptación pública del almacenamiento incierta (desventaja para *first movers*); actualmente, salvo almacenamiento *onshore* menor, el mar ofrece única ubicación grande → grandes esfuerzos de transporte; uso de emisiones debe garantizar que no haya liberación posterior de carbono; equipos CCUS aumentan cargas de mantenimiento y paradas, impactando costes operativos. Proyectos piloto de conversión de CO₂ a combustible sintético existen, pero no son neutros en carbono (CO₂ se emite después).

Reducción de mineral con biomasa + CCUS

Biomasa neutra en carbono reemplaza parcialmente combustibles fósiles en preprocesado o como agente reductor. Ejemplos: «chars» ricos en carbono de biomasa cruda (algas, hierba, madera) para coque sustituto; biogás inyectado en horno de *shaft* en lugar de gas natural. Procesos: pirólisis, carbonización hidrotermal. CCUS gestiona emisiones residuales. Biomasa sola reduce 40-60 % CO₂; + CCUS → neutralidad. Corto plazo: sustitución parcial instantánea en plantas existentes → reducciones rápidas. CO₂ reciclado vía CCUS puede producir biomasa fresca.

Retos: cultivo de biomasa difícil; riesgo ambiental (deforestación, contaminación, pérdida biodiversidad) y social (precios alimentos, uso suelo agrícola) → alta incertidumbre política/social; menor poder calorífico que fósiles, limita uso en grandes altos hornos o reduce eficiencia; alto contenido de agua → demasiado pesada para grandes altos hornos. Estudio de SWEREA en SSAB Luleå: potencial 28 % reducción CO₂ con biomasa.

Horno de *shaft* con hidrógeno para DRI

En lugar de agente reductor carbonoso (gas natural reformado), se usa hidrógeno para reducir *pellets* de mineral a hierro de reducción directa (DRI o hierro esponja). Reacción en horno de *shaft*. DRI producido se alimenta a horno de arco eléctrico (HAE) y, añadiendo carbono, se convierte en acero. DRI también puede alimentar alto horno como hierro briquetado en caliente (HBI), aumentando eficiencia y reduciendo consumo de coque. Tecnologías similares: Midrex, Energiron.

Reducción por H₂: reacción gas-sólido similar a ruta DRI, pero agente reductor es H₂ puro en lugar de CO, syngas o coque. Reducción en 2-3 etapas: >570 °C: hematita (Fe₂O₃) → magnetita (Fe₃O₄) → wüstita (FeₓO) → Fe metálico; <570 °C: magnetita → Fe directamente (wüstita inestable). Reacciones: 3Fe₂O₃+H₂=2Fe₃O₄+H₂O; xFe₃O₄+(4x-3)H₂=3FeₓO+(4x-3)H₂O; FeₓO+H₂=xFe+H₂O (x=0,95). Liberan vapor de agua (H₂O) en lugar de CO₂. Reacción global: Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O (endotérmica, ΔH₂₉₈=95,8 kJ/mol → requiere aporte energético con gas de reducción precalentado). Foco: optimizar temperatura de reducción, cinética, composición de *pellets*, tecnología de precalentamiento de gas.

Consumo estequiométrico H₂: 54 kg/t Fe. Planta 1 Mt/año necesita planta de H₂ de ~70 000 Nm³/h (STP). Cambio de comportamiento del reactor vs. mezclas H₂-CO: interacción de cinética, termodinámica, transferencia de calor, flujo de gas.

Ventajas: ruta primaria neutra en carbono y libre de fósiles si electricidad 100 % verde; alta flexibilidad productiva (arranque/parada fácil, unidades pequeñas escalables); DRI como HBI permite usar plantas *brownfield* convencionales mientras se escala *shaft*/HAE.

Retos: necesita *pellets* (su producción emite según fuente de calor); suministro masivo de H₂ requiere electrolizadores a gran escala eficientes; dependencia de energía verde barata → países importadores de H₂/hierro preprocesado si no rampan propia energía verde; incertidumbre en costes operativos futuros (precios H₂ y electricidad). Figura 4: horno de *shaft* con H₂ para DRI.

Proceso HYBRIT

HYBRIT = *HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology*. Abril 2016: SSAB, LKAB, Vattenfall AB lanzan proyecto para investigar factibilidad de DRI con H₂ y electricidad libre de CO₂. Joint venture HYBRIT Development AB. Pre-factibilidad 2017: técnicamente viable y económicamente atractivo para condiciones norte Suecia/Finlandia (tendencias futuras costes CO₂ y electricidad).

Reemplaza carbón por H₂ en reducción directa + HAE. Casi totalmente libre de fósiles, reducción sustancial de GEI. Entre iniciativas H₂-DRI/HAE. Producto: DRI/hierro esponja → HAE + chatarra → acero. Figura 5: diagrama de flujo principal HYBRIT.

Características clave: (i) combustibles no fósiles en producción de *pellets*; (ii) H₂ por electrólisis con electricidad libre de fósiles; (iii) almacenamiento H₂ en unidad diseñada como buffer a red; (iv) horno de *shaft* para reducción; (v) *pellets* a medida; (vi) gas de reducción precalentado antes de inyección; (vii) producto DRI/HBI libre de carbono o carburizado; (viii) DRI/HBI fundido con chatarra reciclada en HAE.

H₂ de electrólisis con electricidad renovable es la alternativa principal. Conversión a cadena de valor libre de fósiles (mina a acero acabado) incluye muchos desarrollos considerando mercado local y geografía. Suecia: sobrecapacidad eléctrica en norte, proximidad a minas, buen acceso a biomasa y acerías, red fuerte industria-investigación-universidades. HYBRIT está cerca de despliegue comercial. Ventaja ambiental clave: escape es H₂O, no CO₂ → reducción GEI. Como DRI convencional, hierro por H₂-DRI puede procesarse en HAE comercial. Producción H₂ y HAE pueden ser libres de carbono si electricidad/H₂ vienen de renovables (PV/eólica/hidro, fotoquímica, termoquímica solar).

Proceso de lecho fluidizado con hidrógeno para DRI

Similar al *shaft* pero reducción en lecho fluidizado y mineral fino/concentrado (no *pellets*). Reactores de lecho fluidizado mezclan continuamente sólidos con gas para producir sólido. Procesos similares: FINEX, Circored.

Ventajas: finos eliminan peletización → ahorro costes y altas emisiones CO₂ de ese paso; lecho fluidizado tiene menos problemas de pegado interno que *shaft* → mayor metalización (90-95 %).

Retos compartidos: suministro H₂, electrolizadores, costes operativos; electricidad 100 % verde para neutralidad; reactores de lecho fluidizado menos desarrollados en siderurgia → mayor inversión. Figura 6: proceso lecho fluidizado H₂-DRI.

HYFOR (*Hydrogen based Fine-Ore Reduction*)

Primer proceso de reducción directa para concentrados de mineral beneficiado sin preprocesado (sinterizado/peletización) → reduce CAPEX y OPEX. Procesa variedad de minerales (hematita, magnetita). Desarrollado por Primetals Technologies. Aplicable a todo mineral beneficiado. Tamaño partícula <0,15 mm (100 % alimentación), máx. 0,5 mm. Gran superficie → altas tasas de reducción a bajas T y P. Agente reductor primario: H₂ (renovable, o gases ricos en H₂ de pirólisis de gas natural, reformadores convencionales, o gases residuales ricos en H₂) → emisiones bajas o cero CO₂ en DRI resultante.

Planta piloto comisionada abril 2021 en voestalpine Stahl Donawitz, Austria. Diseño modular, 250 kt/módulo/año → apta para todas las tamaños de plantas. Objetivo: evidencia práctica y instalación de pruebas para recopilar datos para planta industrial posterior. Primeras pruebas exitosas abril/mayo 2021 (corridas de ~800 kg mineral). Operación ≥2 años en múltiples campañas para probar minerales y evaluar parámetros óptimos para siguiente escala. Se añadirá unidad de briquetado en caliente para verificar paso y calidad HBI esperada.

HYFOR reduce drásticamente CO₂ y ayuda a gestionar el reto de menor calidad de mineral (mayor necesidad de beneficiación). Demanda creciente de *pellets* para altos hornos y plantas DR → precios más altos, prima de *pellet*. HYFOR usa fino de alimentación de *pellet* directamente, beneficiándose de creciente oferta global de ultra-finos.

Planta piloto HYFOR en voestalpine Donawitz: (i) unidad de precalentamiento-oxidación, (ii) planta de tratamiento de gas, (iii) núcleo: unidad de reducción nueva y única. Precalentamiento-oxidación: concentrado fino calentado a ~900 °C → unidad de reducción. Gas de reducción: 100 % H₂ de proveedor externo. Recuperación de calor residual de gas de escape → uso energético óptimo; despolvoreo en seco maneja emisiones de polvo. HDRI sale de unidad de reducción a ~600 °C → enfriado y descargado.

HDRI a ~600 °C puede transportarse directamente a HAE o usarse para producir HBI (suministro al mercado). Próximo paso: instalación de prueba de briquetado en caliente para verificar características HBI. Objetivo: verificar proceso ruptura y servir como instalación de pruebas para base de datos de escalado a prototipo industrial.

Siderurgia por suspensión (*flash ironmaking*)

Molienda ultrafina de mineral de baja ley → concentrado <100 µm. Ultrafinos reducidos con H₂ en reactor *flash* de alta T por pocos segundos, produciendo hierro directamente al añadir carbono. Pre-reducción posible a T menor en reactor separado antes del *flash*. Figura 7: principio.

Tecnología transformacional *flash ironmaking* desarrollada en EE. UU. por consorcio con apoyo AISI. Reducción gaseosa directa de concentrado de óxido de hierro en proceso *flash*. Potencial: reducir consumo energético 32-57 % y emisiones CO₂ 61-96 % vs. operación BF promedio. Apta para operación industrial que convierte concentrado (<100 µm) a acero sin tratamiento adicional.

Produce hierro saltándose peletización/sinterizado y coquización. Proceso intensivo: partículas finas reducidas a gran velocidad a 1150-1350 °C → tiempos de residencia de segundos (vs. minutos/horas para *pellets* y finos). 90-99 % reducción en 2-7 s a 1200-1500 °C. Requerimiento energético con H₂: 5,7 GJ (1360 Mcal)/t hierro líquido.

Reducción directa mineral→acero en un reactor elimina siderurgia y sinter/peletización → grandes beneficios coste/emisiones. Acero «más limpio»: altas T y tiempos rápidos → menos impurezas. Con H₂: emisiones 0,04 t CO₂/t Fe líquido (2,5 % de ruta BF). Temperatura suficiente para que partículas cierren poros por remoción de O₂ → menos susceptibles a ignición por oxidación rápida. Universidad de Utah: muestras de polvo no son pirofóricas.

Aplicable a producción de hierro como alimentación a acero o parte de proceso continuo de acero directo. Justificado por datos experimentales, escalado en desarrollo en Universidad de Utah. Pruebas en horno *flash* de laboratorio: base de datos cinética en amplios rangos y diseño completo de reactor *bench* avanzado. Campaña de pruebas *bench* planificada para desarrollar tecnología *flash* industrialmente viable. Entregables: determinación de escalabilidad, resultados sustantivos de simulación, datos de ingeniería fundamentales para diseño/construcción de planta piloto industrial. Figura 8: diagrama de flujo tecnología *flash ironmaking*.

Producción directa de acero por plasma

Mineral de hierro (bruto, finos o *pellets*) reducido con plasma de hidrógeno en reactor de acero por plasma; simultáneamente se añade carbono para producir acero. Plasma de H₂ = gas H₂ calentado o cargado eléctricamente para separar/ionizar en partículas constituyentes. Puede usar plasma térmico (calentamiento directo H₂) o no térmico (corriente continua o microondas a través de H₂).

Elimina preprocesado de mineral y permite temperaturas de reactor más bajas. Altamente integrado: algunos métodos (reducción por fusión con plasma H₂) requieren solo un paso → atractivo comercial. Potencial: reducción considerable de costes, mayor calidad de producto, mejor flexibilidad productiva. Etapa muy temprana: proceso óptimo y diseño completo de reactor por desarrollar; factibilidad comercial por probar. Proyecto SuSteel (*Sustainable Steel*) de voestalpine: pequeño reactor piloto de reducción por plasma H₂ en Donawitz. Figura 9: proceso producción directa acero por plasma.

Procesos electrolíticos

Dos tipos: (i) electrólisis, (ii) electro-ganancia (*electro-winning*). Variantes ULCOWIN y ULCOLYSIS bajo ULCOS.

• ULCOWIN: opera ligeramente >100 °C en solución alcalina acuosa con granos finos de mineral. Mineral molido a concentrado ultrafino, lixiviado y reducido en electrolizador a ~110 °C. Planchas de hierro resultantes → HAE → acero.
• ULCOLYSIS: electrólisis de óxido fundido (MOE). Opera a T de acero (~1550 °C) con electrolito de sal fundida (escoria, piro-electrólisis). Transforma mineral en acero líquido usando electricidad como agente reductor. Figura 10: procesos electrolíticos para producción de acero.

Electrólisis desarrollada desde cero en ULCOS → aún escala laboratorio. Promete cero emisiones con electricidad verde, pero necesita 10-20 años para escala comercial. ULCOWIN: electrólisis alcalina de mineral de hierro. Electrólisis usada para otros metales, necesita mucha electricidad. Depende de fuente eléctrica baja en CO₂ (renovables, hidro, nuclear). ULCOLYSIS: electrólisis de óxido fundido. Corriente eléctrica a través de escoria fundida alimentada con óxido de hierro → Fe líquido + O₂ gas. Sin CO₂. Emisiones reducidas con electricidad baja en CO₂.

Al saltarse etapas aguas arriba (coque, H₂ como reductores), procesos electrolíticos tienen potencial para ser tecnologías siderúrgicas más eficientes energéticamente, especialmente electrólisis. Prometen reducir significativamente CAPEX (electrólisis: muy pocos equipos). Relativamente inflexibles vs. H₂-DRI (no se detienen fácilmente).