Optimización de la eficiencia energética en la producción de hierro y acero

En los últimos años, la necesidad de un uso más racional y eficiente de la energía ha surgido como un tema estratégico y urgente. Tal necesidad se percibe particularmente en la producción de hierro y acero, no solo debido al aumento de los costos de la energía, sino también como consecuencia de la competencia, que enfatiza algunas características del proceso y sus productos finales (ej. costo y calidad). Además, el uso racional del recurso energético puede considerarse como un tema doble, un primer aspecto relacionado con la conciencia lograda de la disponibilidad limitada de la energía, considerada como fuente, y el segundo representado por una apreciación madura de los costos incurridos para procurar energía.

Globalmente, el consumo de energía cada vez mayor ha ido de la mano con crecientes preocupaciones sobre su conservación. Aparte de ser costosa y propensa a fluctuaciones bruscas de precios, la abrumadora mayoría de las fuentes de energía son no renovables. Por tanto, la conservación de energía se considera vital no solo para evitar el desperdicio de un recurso precioso, sino también para frenar el rápido agotamiento de los recursos de carbón, petróleo y gas natural. Sin embargo, con el movimiento ambiental ganando terreno en los últimos 30 años, las ramificaciones del uso insostenible de energía ya no se limitan solo a la economía. Como la mayor parte de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) son resultado de la quema de combustibles fósiles, la conservación de energía está hoy intrínsecamente ligada a la cuestión climática. Como detener el uso de combustibles fósiles no es una opción sin la viabilidad de fuentes alternativas, la única forma de reducir el uso de energía y gestionar emisiones es por tanto maximizar su eficiencia.

Importancia en el sector siderúrgico

Dado que la industria del hierro y acero presenta uno de los sectores más intensivos en energía dentro de la economía de cualquier país, es por tanto de particular interés en el contexto de discusiones ambientales tanto locales como globales.

El perfil de la eficiencia energética ha aumentado recientemente, debido a mayores preocupaciones sobre los impactos ambientales locales y globales del uso de energía. Los desafíos a la seguridad energética también han llevado la eficiencia energética al primer plano, ya que contribuyen directamente a reducir el uso de energía.

La eficiencia energética en la producción de hierro y acero es crucial para asegurar la reducción en el costo de producción, la competitividad de los productos de acero y minimizar impactos ambientales, como emisiones de GEI. La mayor parte de la entrada de energía en una planta siderúrgica integrada proviene de combustible y electricidad. La energía del combustible proviene principalmente de combustible sólido (principalmente carbón) y solo una pequeña entrada proviene de combustibles líquidos y gaseosos. El combustible en la producción de hierro y acero se usa para proporcionar energía térmica. También se usa como reductor para reducir el mineral de hierro y producir hierro. La energía eléctrica se usa para satisfacer necesidades de proceso, hacer funcionar los motores e iluminación de las instalaciones.

Historia y concepto de eficiencia energética

La persona que primero dio forma a la idea de eficiencia energética fue el físico y activista ambiental estadounidense Amory Lovins. Conmovido por la crisis del petróleo de 1973, Lovins postuló y popularizó el concepto de "negavatios", un sistema para satisfacer los requerimientos de energía no explotando mayores cantidades de energía, sino aumentando la eficiencia de las cantidades existentes. En otras palabras, para usar una expresión estadounidense, "obtener el máximo rendimiento por el dinero". Desde entonces, todos en todo el mundo trabajan para afinar la tecnología existente o idear soluciones completamente nuevas que maximicen el valor derivado de cada unidad de energía. Estos esfuerzos han sido ayudados por el apoyo de personas en autoridad, que han creado un entorno propicio para la motivación de usar energía eficientemente.

La producción de hierro y acero es intensiva en energía. Es el mayor consumidor de energía entre todos los sectores industriales. También es el mayor emisor de emisiones de CO₂. Constituye una porción significativa del costo de producción de acero. El costo de energía como porcentaje del costo total está en el rango del 20 % al 40 % dependiendo de la ruta de producción, tipo de mineral de hierro y carbón usado, la mezcla de productos de acero, tecnología de control de operación y eficiencia de materiales.

Las fuentes primarias de energía utilizadas en la producción de hierro y acero abarcan carbón de coque, carbón no de coque, aceites combustibles líquidos y electricidad. Dondequiera que el gas natural esté disponible se usa en la producción de hierro. De los diversos tipos de fuentes primarias de energía, el carbón de coque tiene la mayor parte de energía usada (65 % a 80 %). Mientras que el carbón de coque, carbón no de coque y aceites combustibles líquidos se usan principalmente en plantas siderúrgicas integradas, la electricidad presenta por lejos la mayor entrada para la fabricación de acero en mini-plantas que usan hornos de arco eléctrico o hornos de inducción.

Consumo específico de energía (CSE)

La intensidad energética se mide en términos físicos como consumo específico de energía por unidad de producto (CSE).

El consumo específico de energía (CSE) se define como sigue. El CSE se mide en GJ/ton de producto.

CSE = Energía usada / producto producido = (Energía importada – Energía exportada) / producto producido

Los procesos industriales a menudo usan energía en diferentes formas, como combustibles, vapor y electricidad, y el CSE de ese tipo de proceso se calcula como sigue:

CSE = E (combustibles) + E (vapor) + E (electricidad) / producto producido

Donde E (combustibles) es consumo de combustible, E (vapor) es consumo de vapor y E (electricidad) es consumo de electricidad del proceso.

En la mayoría de los casos, el CSE se compara con la mejor práctica para determinar el porcentaje de reducción en energía por unidad de producto que podría lograrse adoptando las mejores prácticas. El CSE para la producción de hierro y acero se ha reducido considerablemente en años recientes. Hoy el CSE en plantas eficientes energéticamente en el mundo usando la ruta alto horno – horno de oxígeno básico, varía desde 17 GJ/ton de acero en bruto a 23 GJ/ton de acero en bruto. En plantas no tan eficientes, está en el rango de 25 GJ/ton de acero en bruto a 34 GJ/ton de acero en bruto.

Esta variación del CSE está influenciada por/depende de la calidad del mineral de hierro y carbón, el grado de acero y la eficiencia de materiales. La ruta de horno abierto es más intensiva en energía y menos productiva.

Actualmente, solo una capacidad muy pequeña aún está en uso debido al reemplazo de esta tecnología por tecnología BOF. La ruta de producción de acero usando horno de arco eléctrico no requiere una planta de coque o sinter sino chatarra de acero reciclada. La intensidad energética de esta ruta varía desde 9,1 a 12,5 GJ por tonelada de acero en bruto donde la entrada es solo chatarra de acero.

Otra forma de producir acero en bruto es reduciendo directamente el mineral de hierro para producir hierro reducido directo (DRI). La intensidad energética promedio es típicamente entre 28,3 y 30,9 GJ por tonelada de acero en bruto. Esta tecnología mayormente usa gas natural o carbón no de coque. Estos días hay un interés considerable en el mundo para producir DRI usando gas de esquisto en aquellas áreas donde está disponible en abundancia.

El CSE típico y emisiones específicas de CO₂ de diferentes talleres en plantas de hierro y acero en Europa se da en la Tabla 1.

Tabla 1: CSE típico y emisiones específicas de CO₂ para producción de hierro y acero en Europa
Unidades de planta siderúrgica	Energía primaria	Energía directa	Emisiones totales CO₂	Emisiones directas CO₂
GJ/ton	GJ/ton	ton CO₂/ton	ton CO₂/ton
Planta de coque y subproductos	6,827	6,539	0,824	0,794
Planta de sinter	1,730	1,549	0,211	0,200
Planta de pelotización	1,204	0,901	0,075	0,057
Alto horno	12,989	12,309	1,279	1,219
Horno de oxígeno básico	-0,253	-0,853	0,202	0,181
Horno de arco eléctrico	6,181	2,505	0,240	0,240
Laminador de blum, planchón y palanquilla	2,501	1,783	0,125	0,088
Tren de laminación en caliente	2,411	1,700	0,120	0,082
Laminador de planchas	2,642	1,905	0,133	0,098
Laminador de perfiles	2,544	1,828	0,127	0,084
Línea de decapado	0,338	0,222	0,016	0,004
Molino de laminación en frío	1,727	0,743	0,075	0,008
Recocido	1,356	1,086	0,070	0,049
Línea de recubrimiento por inmersión en caliente	2,108	1,491	0,104	0,059
Línea de recubrimiento electrolítico	4,469	2,619	0,208	0,046
Línea de recubrimiento orgánico	1,594	0,758	0,074	0,003
Central eléctrica	12,173	12,173	1,989	1,989

Flujo de energía y utilización de gases de proceso en plantas integradas

La interdependencia energética en plantas siderúrgicas integradas es bastante compleja. La Figura 1 ilustra un ejemplo típico de los flujos de entrada y salida de diferentes tipos de energía y agentes reductores junto con el flujo interno de energía de una planta siderúrgica integrada japonesa.

Figura 1: Ejemplo de flujo de energía típico en una planta siderúrgica integrada japonesa

Las entradas dominantes usuales son carbón, aceite combustible y, si se compra de suministro externo, coque. Estas entradas se usan principalmente para la producción de coque en la planta de hornos de coque y como agentes reductores en el alto horno. Es común usar agentes reductores alternativos en el alto horno, como carbón, alquitrán de coque u aceite que se inyectan en el alto horno a nivel de tobera. Aceites usados, grasas, varios gases (ej. gas de horno de coque) e hidrocarburos varios, como plásticos de desecho, también pueden inyectarse.

La calidad (valor calorífico y limpieza) y volumen de los diferentes gases varían significativamente y estos factores tienen un impacto en donde los combustibles pueden usarse provechosamente. Para optimizar la eficiencia energética, es necesario que cada gas combustible se consuma en la planta más apropiada. La gestión energética juega un papel importante en este sentido. La tarea principal de la gestión energética es la distribución eficiente y uso de los gases de proceso y combustibles comprados. Una buena disposición de planta puede facilitar aún más esta tarea.

El gas de horno de coque (GHC), gas de alto horno (GAH) y gas de horno de oxígeno básico (GOB) constituyen la base del sistema energético en una siderúrgica integrada. La mayor parte de la demanda de energía se satisface con estos gases; la parte restante debe equilibrarse con energía comprada, normalmente energía eléctrica y otros combustibles como aceite combustible.

Los potenciales para mejoras de eficiencia energética se basan en gran medida en cambios en curso en el sector de hierro y acero. Surgen de mejoras en factores de entrada, de conversión tecnológica y reequipamiento, así como de reciclaje y recuperación de calor residual. El potencial en recuperación de calor residual, por ejemplo, es inmenso. Actualmente, más del 50 % de la energía se pierde en muchas de las plantas siderúrgicas. Las pérdidas ocurren como gases de escape y subproductos que no pudieron usarse para generación de electricidad o producción de vapor de baja temperatura.

Aunque la mayoría de las medidas para mejora de eficiencia energética son rentables y proporcionan beneficios netos dentro de un cierto período, solo unas pocas medidas han sido o están siendo implementadas actualmente en muchas de las plantas de hierro y acero. Las barreras para la mejora de eficiencia energética son principalmente la disponibilidad de capital en estas plantas de hierro y acero.

Mejora del CSE

La mejora en el CSE se obtiene a través de lo siguiente:

• Mejorando la eficiencia energética del proceso
• Seleccionando los materiales de entrada adecuados del proceso
• Reduciendo o tapando las pérdidas de energía del proceso
• Recuperando el calor residual del proceso
• Mejorando la monitorización del consumo de energía a través del sistema de gestión energética

Las áreas de mejoras se identifican a través de auditorías energéticas adecuadas. Las auditorías pueden hacerse internamente o a través de agencias externas calificadas. Las áreas de mejoras se deben categorizar en tres categorías:

• Corto plazo – Son aquellos elementos de mejora que pueden implementarse con prácticamente ninguna inversión o muy poca inversión. Estos son usualmente mejoras de proceso, monitorización mejorada, reciclaje de desechos y mejoras en entradas de proceso, etc.
• Mediano plazo – Estas mejoras necesitan adición/reemplazo de ciertos equipos/instrumentos que tienen período de recuperación muy rápido.
• Largo plazo – Estas mejoras necesitan inversión sustancial y pueden involucrar el desecho de equipos/procesos antiguos.

Para implementar cualquiera de las mejoras anteriores, el apoyo de la dirección es un ingrediente esencial. Sin el apoyo de la dirección, el programa de mejora de eficiencia energética no puede tener éxito.