ULCOS: revolucionando la producción de acero con emisiones ultra bajas de CO₂

Siderurgia con emisiones ultra bajas de CO₂ – ULCOS

El cambio climático ha sido identificado por la industria siderúrgica mundial como gran reto ambiental desde hace más de dos décadas y media. Mucho antes de los hallazgos del IPCC en 2007, los grandes productores reconocieron que se necesitaban soluciones a largo plazo para abordar las emisiones de CO₂ en la producción de acero.

Como resultado, la industria ha sido muy proactiva mejorando consumo energético y reduciendo emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). El GEI más relevante es el CO₂. Según World Steel Association (WSA), de media se emiten 1,8 t CO₂ por cada tonelada de acero bruto. Según Agencia Internacional de Energía (IEA), en 2010 la industria del hierro y acero representó ~6,7 % de emisiones mundiales de CO₂.

Límites de tecnologías actuales

Las emisiones de CO₂ por tonelada de acero bruto son ahora ~50 % menores, reduciendo drásticamente impacto climático. Las mejores plantas operan cerca de límites termodinámicos de tecnologías actuales, limitando mejoras adicionales de eficiencia energética. Con la mayoría de grandes ahorros ya logrados, reducciones adicionales grandes no son posibles con tecnologías presentes.

Disminuir más emisiones GEI requiere tecnologías de ruptura (breakthrough). Reducir CO₂ al nivel que políticas post-Kioto exigen necesita pensamiento «fuera de la caja», planteando retos específicos. No hay procesos simples disponibles «listos para usar». Se requieren cambios de paradigma profundos en la forma de producir acero, diseñando y desarrollando tecnologías de ruptura correspondientes. Gobiernos y organismos internacionales exigen invención e implementación de tecnologías de producción radicalmente nuevas.

Programa ULCOS

Este es el trasfondo de la creación de ULCOS (Ultra-Low CO₂ Steelmaking), iniciativa cooperativa europea de I+D lanzada en 2004 como consecuencia del Protocolo de Kioto. ULCOS busca formas de lograr reducciones drásticas adicionales de CO₂. Objetivo clave: buscar rutas de proceso de ruptura que, cuando estén totalmente desarrolladas, demuestren potencial de grandes recortes de CO₂ en producción de acero a partir de mineral. Meta: reducir emisiones ≥50 % vs. tecnologías actuales. Lograr tal objetivo requiere cambio de paradigma que cambiará forma de operar de plantas siderúrgicas mundiales. ULCOS forma parte de programa mundial de la industria para identificar tecnologías con potencial de reducción sustancial de CO₂. Bajo este programa se intenta responder: ¿cómo hacer acero de la forma más sostenible?

Miembros: consorcio de 48 empresas/organizaciones de 15 países europeos, incluyendo todas las grandes siderúrgicas UE, socios energéticos e ingeniería, institutos de investigación y universidades. Apoyado por Comisión Europea. ULCOS es programa europeo, pero mayor iniciativa mundial proactiva buscando soluciones al calentamiento global. Experiencia del consorcio abarca siderurgia, producción de biomasa, almacenamiento geológico de CO₂, ingeniería de procesos, economía de energía, estudios de prospectiva climática.

Hoy, ULCOS es la mayor iniciativa mundial proactiva buscando soluciones al calentamiento global. Socios financian 60 % de presupuesto 75 M€; Comisión Europea aporta 40 % vía programas RTD y RFCS (Research Fund Coal Steel), creados para promover investigación industrial y desarrollo tecnológico en Europa.

Rutas de proceso con bajo CO₂

Tecnología actual se basa en carbón (carbono), gas natural (carbono+hidrógeno) y hornos eléctricos de arco con chatarra. Para identificar rutas con bajo CO₂, tres grandes vías: (i) alejarse del carbón (descarbonización), sustituyendo carbono por hidrógeno o electricidad (reducción por hidrógeno, electrólisis de mineral); (ii) introducción de CCS (captura y almacenamiento de CO₂) y tecnologías de carbonatación mineral; (iii) uso de biomasa sostenible.

ULCOS es programa amplio para retos complejos a largo plazo. Tiene cuatro pasos: (i) construcción de conceptos de proceso, (ii) demostración a gran escala, (iii) experimentación a gran escala de primera planta comercial, (iv) despliegue en Europa y mundo. ULCOS, que era iniciativa de investigación, se ha convertido en iniciativa de demostración.

Investigación y selección de conceptos

Desde 2004 se ha investigado considerablemente. Estudio inicial de factibilidad (4-5 años) investigó >80 tecnologías/conceptos en fase inicial, usando modelado y laboratorio para evaluar potencial en emisiones CO₂, consumo energético, coste operativo y sostenibilidad. Se investigaron varios conceptos en paralelo. Entre todos, se seleccionaron las siguientes familias amplias para investigación posterior y escalado a tamaño comercial:

• Variante de alto horno (AH) con reciclaje de gas de tobera y captura de CO₂: gas de tobera pasa por captura de CO₂ y gas reductor restante se reinyecta en base del reactor, operado con oxígeno puro en lugar de aire caliente. Llamado AH con reciclaje de gas de tobera (TGR-BF). Corriente rica en CO₂ va a almacenamiento (CCS).
• Proceso de reducción por fusión HIsarna: basado en combinación de ciclón caliente y baño de fusión, incorpora características de HIsmelt. Usa oxígeno puro y genera gas de salida casi listo para almacenamiento (CCS).
• Proceso de reducción directa ULCORED: produce DRI (hierro reducido directo) en horno shaft, ya sea de gas natural o gas de gasificación de carbón. Gas de salida del shaft se recicla al proceso tras captura de CO₂, saliendo en corriente concentrada hacia almacenamiento (CCS).
• Dos variantes de electrólisis: ULCOWIN y ULCOLYSIS. ULCOWIN opera ligeramente >100 °C en solución alcalina acuosa con granos finos de mineral (electro-ganancia). ULCOLYSIS opera a temperatura de acería con electrolito de sal fundida hecha de escoria (piro-electrólisis).
• Dos opciones más: (1) uso de hidrógeno para reducción directa, cuando esté disponible sin huella de carbono; (2) uso de biomasa sostenible, primera encarnación: carbón vegetal de plantaciones sostenibles de eucalipto en países tropicales.

El uso de CCS y carbonatación mineral en nuevas tecnologías ULCOS también se ha evaluado. CCS identificada desde inicio como solución potente. Sobre carbonatación mineral: solo resultaría en reducciones moderadas, aunque importantes, de emisiones globales.

Procesos en examen y desarrollo

Fig. 1 Procesos bajo examen y desarrollo en programa ULCOS

ULCOS ha seleccionado ahora cuatro conceptos de proceso –probados experimentalmente– que podrían reducir emisiones CO₂ más de la mitad vs. mejores prácticas actuales. Se están implementando en plantas siderúrgicas reales en fase 2. Resultados de fase 2 podrían trasladarse a plantas de producción en 15-20 años. Conceptos seleccionados: (i) reingeniería de AH para incorporar CCS en núcleo del proceso; (ii) reducción por fusión con capacidad CCS; (iii) uso masivo de gas natural con tecnologías más bajas en CO₂; (iv) siderurgia con hidrógeno y electrólisis de mineral.

El TGR-BF aparece como solución más prometedora a corto plazo, ya que AH existentes pueden adaptarse a la nueva tecnología, manteniendo bajo control los elevados gastos de capital necesarios para cambiar a tecnologías de ruptura. Además, el principio del proceso aporta ahorros energéticos porque captura de CO₂ y reciclaje de gas purificado desplazan equilibrios químicos a alta temperatura (reacción Boudouard) y usan coque y carbón con mayor eficiencia dentro del AH que en operación convencional. Esto equilibra en parte los costes extra de captura y almacenamiento. El concepto aplicado en TGR-BF es captura de CO₂ en proceso, con operación con oxígeno. La parte de oxígeno es similar a operación oxi-combustible pero no idéntica. La parte de reciclaje es original y clave para ganancias de ahorro energético y recorte de coste operativo. Concepto probado en alto horno de laboratorio a gran escala en Luleå, Suecia, con resultado positivo.

Donde hay disponibilidad de gas natural, ruta ULCORED es opción atractiva. Concepto similar a TGR-BF, incluye oxígeno puro y reciclaje en proceso de gas de tobera del shaft, además de reactores de shift en serie en bucle de reciclaje. Para validación, se planea piloto de 1 t/h en Luleå en próximos años por LKAB, socio de ULCOS.

El proceso HIsarna en desarrollo será opción disponible en próximos años probablemente para plantas greenfield. Difiere de TGR-BF y ULCORED al no involucrar bucle de reciclaje de gas. Gas de fusión se oxida a nivel de ciclón, donde se realiza reducción junto con combustión para precalentar y fundir mineral. Hay flujo contracorriente de gas contra corriente de hierro, agotando su energía química. Piloto de 8 t/h erectedo y probado en ULCOS. Iniciado abril 2011; primera campaña 18/4–11/6/2011, cuatro arranques, tres exitosos. Tasa de inyección 60 % capacidad. Datos muestran operación como se esperaba pero se necesitan más horas. Segunda campaña inició 16/10/2012 hasta finales noviembre 2012.

Procesos de electrólisis desarrollados desde cero en ULCOS, aún en escala laboratorio. Prometen cero emisiones si tienen electricidad verde, pero requieren 10-20 años para escalado comercial. ULCOWIN: electrólisis alcalina de mineral. La electrólisis se usa para producir otros metales y requiere grandes cantidades de electricidad; dependería de fuente eléctrica baja en CO₂ (hidro, nuclear). ULCOLYSIS: electrólisis de óxido fundido. Funciona pasando corriente a través de escoria fundida alimentada con óxido de hierro; este se descompone en hierro líquido y oxígeno gaseoso. No se produce CO₂. Emisiones se reducen más con electricidad baja en CO₂.

En siderurgia con hidrógeno, hierro se reduce de mineral a altas temperaturas (>1300 °C) y tiempos de reacción muy cortos. No emite CO₂ pero producir hidrógeno requiere grandes cantidades de electricidad baja en CO₂. También puede operar con combustibles bajos en CO₂ como gas natural.

Siderurgia con hidrógeno depende fuertemente de disponibilidad de hidrógeno verde; uso de carbón vegetal lejos de países productores requeriría logística compleja, infraestructura pesada a través de continentes.

ULCOS es iniciativa a largo plazo de la industria. Llena de promesas pero también riesgos y trampas, situación similar a otros sectores. Riesgos ligados a complejidad, que exige desarrollo e implementación de tecnologías de ruptura bajo plazos muy cortos. Paciencia, apoyo, sinceridad y determinación continua son necesarios para que sea iniciativa exitosa y logre la mayoría de objetivos.