Descarbonización de la Producción de Acero Impulsada por Hidrógeno: Camino hacia una Industria Sostenible

Hidrógeno y Descarbonización de la Producción de Acero

Los principales impulsores de un futuro energético sostenible giran en torno a: (i) reducir emisiones globales CO₂ y mejorar calidad aire, (ii) garantizar seguridad suministro energético y avanzar hacia recursos energéticos sostenibles, (iii) crear nueva base industrial y tecnológica energética, crucial para economía futura. Evaluaciones modernas futuros energéticos globales coinciden: crecimiento demanda debe satisfacerse cada vez más por mezcla energética diversa que incluya fuentes renovables/sostenibles.

Crecimiento preocupaciones ambientales tangibles proporciona fuerza impulsora principal desarrollo energía sostenible. Principal: liberación y acumulación atmósfera CO₂ y otros gases efecto invernadero. Emisiones ahora indiscutiblemente muy por encima niveles preindustriales, responsables aumento temperatura global (promedio) por efecto gases efecto invernadero (GEI). Sin reducciones drásticas CO₂ liberado al medio ambiente, consecuencias potencialmente desastrosas clima global. Tales preocupaciones transforman indudablemente evaluación y uso energía y sus vectores, desplazando balance desde base hidrocarburo tradicional hacia fuentes renovables/sostenibles.

Hidrógeno: combustible alternativo atractivo. Sin embargo, a diferencia carbón, gas o petróleo, no es fuente energía primaria. Su rol refleja más de cerca electricidad como 'vector energético' secundario: primero producido usando energía otra fuente, luego transportado para uso futuro donde su energía química latente plenamente realizada.

Hidrógeno promete futuro energético global verdaderamente sostenible. Interés hidrógeno como forma prestar servicios energéticos crece años recientes respuesta a crecientes preocupaciones impacto ambiental uso energía y preocupaciones seguridad suministro combustibles fósiles. Hidrógeno: vector energético conocido, versátil, limpio, ampliamente usado industria. Mayoría tecnologías hidrógeno tienen larga historia. Historial industrial usando hidrógeno y uso actual varias aplicaciones demuestra seguridad. Hidrógeno ofrece varias opciones producción, distribución, uso. Uso actual expandible seguramente otros usos.

Potencial del Hidrógeno como Vector Energético

Hidrógeno, como vector energético, puede en principio reemplazar todas formas energía final en uso hoy. Servicios energéticos todos sectores economía. Ventajas ambientales potenciales sobre combustibles fósiles. Punto uso: hidrógeno quemado produciendo cero emisiones dañinas. Si hidrógeno producido sin emitir CO₂, base sistema energético verdaderamente sostenible: economía hidrógeno.

Hidrógeno ha experimentado ciclos altas expectativas seguidos realidades impracticables. Caída precios energía renovable y requisitos regulatorios estrictos por cambio climático llevan cambio paradigma actual: economía carbono → economía hidrógeno mundial. Transición economía hidrógeno no ocurrirá de la noche a la mañana: necesita estrategia dedicada y esfuerzos.

Hidrógeno: primer elemento tabla periódica. Más ligero, abundante, uno elementos químicos más antiguos universo. En tierra: moléculas complejas (agua, hidrocarburos). Para uso forma pura, debe extraerse. Llama hidrógeno: incolora, inodora. Necesita colorantes/odorantes para hacerla visible/detectable. Molécula menor que gas natural: fugas más fáciles. Característica puede ser problema particular donde fuga hidrógeno cause acumulación concentración espacio cerrado.

Hidrógeno papel crucial descarbonización industrial global. Situación actual: economía hidrógeno prioridad. Emisiones netas cero CO₂ requieren eliminación total combustibles fósiles. Impacto climático hidrógeno depende enteramente cómo producido. Control cambio climático global: hidrógeno producido electrólisis agua energizada renovables indispensable neutralidad climática. Transición economía hidrógeno necesita enorme inversión nueva infraestructura producir, transportar, almacenar, entregar hidrógeno usuarios finales.

Consenso creciente reconoce necesidad objetivo emisiones netas cero 2050 limitar aumento temperatura global 1.5 °C sobre niveles preindustriales. Para llegar: reemplazar combustibles fósiles que satisfacen 4/5 requisitos energéticos globales. Restringir aumentos 1.5 °C calentamiento global: hidrógeno consistentemente papel central vector energético. Rol comparable al que ahora juegan carbón, petróleo, gas en economía carbono. Procesos industriales producción acero, cemento, vidrio, químicos necesitan calor alta temperatura. Actualmente: quemando combustibles fósiles. Sectores industriales difíciles reducir CO₂: esencialmente no hay forma alcanzar emisiones netas cero escala necesaria sin hidrógeno.

Fallo descarbonizar economía no opción disponible. Largo plazo: hidrógeno junto energía renovable generada capacidad proveer solución descarbonizar sectores difíciles reducir (hard-to-abate) como acero. Sin embargo, existen desafíos requeridos superar.

Hidrógeno: producto químico básico altamente versátil usado tanto fuente energía como materia prima procesos industriales (producción amoníaco fertilizantes, refino, alimentación, electrónica, vidrio, metales). Uso fuente energía gran importancia descarbonizar economía. Nueva evidencia indica hidrógeno importante papel potencial reducir emisiones calor industrial, especialmente donde llama (y gases combustión subsiguientes) necesita contacto directo material/producto producido (ej. hornos, hornos cerámicos).

Hidrógeno características útiles: producido gama formas bajo-carbono; uso (combustión o reacción electroquímica pila combustible) produce cero emisiones GEI. Pila combustible: uso hidrógeno produce cero emisiones contaminantes aire (único subproducto agua). Mejora significativamente calidad aire vs combustibles fósiles desplaza.

Combustión hidrógeno genera altas temperaturas: reemplazo combustibles fósiles donde calor alta temperatura necesario (ej. aplicaciones industriales). Sin embargo, hidrógeno quema mayor temperatura: óxidos nitrógeno (NOx), contaminante dañino, puede ser problema.

Aunque hidrógeno significativamente menos denso energéticamente que combustibles fósiles, comprimido tiene densidad energética significativa. Almacenable grandes volúmenes, cantidades duran meses no horas/días. Gas compresible: entregable alta tasa tuberías.

Hidrógeno, vector energético, similar electricidad en algunos aspectos: ambos generados, no ocurren forma útil extraíble como combustibles fósiles. Producible gama métodos bajo-carbono: electrólisis electricidad bajo-carbono o captura/almacenamiento/utilización carbono (CCS/U) combinado gasificación/reformado hidrocarburos (biomasa, gas natural).

Hidrógeno almacenable y distribuible varias formas. Alta densidad energética gravimétrica. Opciones transporte comparables vectores fósiles: transporte camión gas/licuado, barco, bombeo hidrógeno gaseoso tuberías. Mezcla red gas natural existente posible, importante especialmente período transición. Varias opciones almacenamiento, algunas en desarrollo.

Cambio métodos producción hidrógeno sostenibles procesos industriales depende reconocimiento creciente combustibles verdes y precio adecuado productos industriales verdes, materializable mediante precio carbono adecuado y marco regulatorio. Uso hidrógeno verde procesos industriales también ventaja: contribuir demanda hidrógeno gran escala y consecuente menor costo producción, impactando positivamente otros sectores (movilidad).

Producción de Hidrógeno: Códigos de Color y Rutas

Hidrógeno no fuente energía sino vector. Debe producirse y almacenarse antes uso. Molécula H₂ almacena energía: restaura combústión o pila combustible. Combustión 1 kg hidrógeno libera 3x más energía 1 kg gasolina produciendo solo agua. Pila combustible: energía química H₂ y O₂ convertida electricidad par reacciones redox (reducción-oxidación). Residuo: agua.

Impacto reducción CO₂ hidrógeno determinado combinación huella CO₂ cómo producido y emisiones actividad donde usado. Emisiones CO₂ asociadas producción hidrógeno estrechamente ligadas tecnología usada y estructura red eléctrica proveyendo energía proceso. Descarbonización producción actual hidrógeno desafiante, pero impacto positivo emisiones CO₂ y papel importante reduciendo costos. Costo producción hidrógeno electrólisis renovables esperado disminuir.

Dos categorías básicas procesos producción hidrógeno: (1) extrae hidrógeno agua con electricidad (electrólisis); (2) aprovecha combustibles fósiles fuente energía y/o hidrógeno. Extrayendo hidrógeno con/desde combustible fósil (gas natural, petróleo, carbón), emisiones CO₂ ancladas reacción química catalizada. Caso electricidad electrólisis: emisiones asociadas causadas intensidad CO₂ fuente electricidad.

Fuente energía y método producción definen si informalmente considerado gris, azul, verde. Presente ~96% hidrógeno producido combustibles fósiles procesos intensivos carbono: hidrógeno gris. Dos procesos principales: reformado metano vapor y gasificación carbón. Cuando CO₂ emitido durante producción estos procesos secuestrado CCS/U: hidrógeno azul. CCS/U activos hidrógeno tasa captura hasta 90%: ruta efectiva perspectiva GEI.

Hidrógeno baja/cero emisiones producido electrólisis usando energía eléctrica generada renovables: hidrógeno verde. Otro código color: hidrógeno electrolizadores electricidad centrales nucleares: hidrógeno amarillo (o púrpura). Producción hidrógeno electrólisis agua mínima actualmente: necesita grandes cantidades electricidad, costosa. Tecnología normalmente usada solo producir hidrógeno muy alta pureza.

Asunto adicional electrólisis: consumo agua. Consumo agua pura generalmente 10-15 litros/kg hidrógeno salida; agua entrada desionizada. Ausencia fuentes agua dulce: opciones desalinización agua mar o recuperación aguas residuales.

Tres vías principales producir hidrógeno cero emisiones: (i) reformado metano vapor (SMR) usando biometano o combinado CCS/U, (ii) electrólisis electricidad generada renovables, (iii) gasificación biomasa. SMR y electrólisis tecnologías maduras; gasificación biomasa y SMR con CCS/U aún desarrollo. Presente: casi toda producción hidrógeno reformado combustible fósil: ruta más económica.

Rutas hidrógeno azul: consumo agua aspecto frecuentemente pasado por alto. Rutas azul consumen cantidad significativa agua, algunos casos incluso > electrólisis. Comparando agua incorporada ciclo vida: consumo agua/kg hidrógeno hasta 24 L SMR, 38 L gasificación carbón.

Vía adicional: hidrógeno turquesa (verdeazulado) aún etapa TRL (nivel preparación tecnología). Pirólisis metano. Soluciones tecnológicas desarrollo varias ubicaciones mundial. Gas natural materia prima; consumo energía electricidad, presumiblemente fuentes bajo-carbono. Metano dividido altas temperaturas en hidrógeno y carbono sólido (negro carbón). Figura 1 muestra identificación rutas generación hidrógeno con representación color.

Electrólisis Agua

Electrolizadores alcalinos: estado arte proceso. Otros en desarrollo: tecnologías membrana intercambio protón (PEM) fase demostración; electrolizadores óxido sólido: investigación y desarrollo. Electrolizadores PEM ventajas para consumo energético comparable: mayores presiones salida, mejor rango carga parcial, arranque y variaciones carga más rápidos.

Presente: hidrógeno casi totalmente suministrado gas natural y carbón. Hidrógeno ya desplegado escala industrial global, pero producción responsable emisiones CO₂ anuales. Producción hidrógeno baja-carbono costosa. Presente: hidrógeno verde gas costoso. Sin embargo, costo producir hidrógeno electricidad renovable cayendo rápidamente.

Producción hidrógeno electrólisis 'excedentes' renovables y/o nuclear: alternativa costo-efectiva, pero tamaño oportunidad pequeño vs demandas potenciales hidrógeno. Producción hidrógeno gran escala electrólisis: mucho más costosa y requiere tasas construcción extremadamente desafiantes capacidad generación electricidad. Hidrógeno verde electricidad renovable: crecimiento rápido proyectado próximos años. Muchos proyectos en curso y planificados apuntan esta dirección.

Hidrógeno verde energía renovable: técnicamente viable y acercándose rápido competitividad económica. Interés creciente opción suministro impulsado por caída costos energía renovable y desafíos integración sistemas por cuotas crecientes suministro renovable variable. Foco actual: despliegue y learning-by-doing reducir costos electrolizadores y logística cadena suministro.

Tres parámetros cruciales viabilidad económica hidrógeno renovables: (i) CAPEX electrolizador, (ii) costo electricidad renovable proceso (LCOE - coste nivelado electricidad) y horas operación (factor carga) base anual. Mayor factor carga electrolizador, menor costo unidad hidrógeno, inversiones fijas diluidas mayor cantidad producto. Factor carga electrolizador normalmente >50% niveles coste inversión actuales, pero costos hidrógeno casi óptimos logrados >35%. Capacidad electrolizadores hidrógeno verde crecido exponencialmente años recientes.

Escalado electrolizadores muy rápido: escala megavatio (MW) a gigavatio (GW), tecnología evoluciona. Progreso gradual, sin avances radicales esperados. Coste electrolizadores proyectado reducirse mitad 2040-2050; costes electricidad renovable también seguirán cayendo. Hidrógeno renovable pronto opción suministro hidrógeno limpio más barata muchas aplicaciones greenfield futuro próximo.

Transición energética global con empuje mayor descarbonización ahora-2050: necesidad reemplazar producción electricidad actual 24.000 TWh (teravatio-hora) con renovables. Crecimiento población y mejoras nivel vida crearán necesidad adicionales 23.000 TWh renovables. Consumo electricidad global se duplicará próximos 30 años sin hidrógeno. Crecer economía hidrógeno verde necesitará otros 20.000 TWh. Gran desafío cambio economía hidrógeno.

Almacenamiento e Infraestructura Hidrógeno

Almacenamiento hidrógeno beneficios perspectiva abastecimiento/precio electricidad, pero no crítico concepto proceso. Hoy: alternativa más costo-eficiente almacenamiento hidrógeno: almacenamiento subterráneo presurizado, donde formaciones salinas subterráneas alternativas más costo-eficientes. Tecnología probada escala industrial. Otras soluciones atrayendo interés: utilizar tuberías gas natural y conversión amoníaco/hidrocarburos almacenamiento intermedio hidrógeno. Evaluación inicial tecnología Caverna Roca Revestida (LRC - Lined Rock Cavern) usada Suecia gas natural: prometedora. Métodos alternativos desarrollo: almacenamiento hidruros metálicos y materiales porosos.

Inversiones hidrógeno necesitan horizonte largo 10-20 años. Especialmente primeros años: inversiones infraestructura antes demanda consumidor aumente. Falta objetivos claros vinculantes reducción emisiones o estímulos sectores específicos disuade inversores potenciales asumir riesgo largo plazo.

Hidrógeno en Producción Acero

Demanda predominante hidrógeno hoy: uso materia prima industrial. Sin embargo, hidrógeno usado estos procesos no proviene fuentes bajo-carbono. Aplicaciones calefacción industrial futuras: producción acero donde industria usa carbón. Consumo estequiométrico hidrógeno reducir mineral hematita (Fe₂O₃): 54 kg/ton hierro. Planta 1 millón ton/año acero basada reducción hidrógeno necesitará capacidad planta hidrógeno ~70.000 m³ STP (temp/presión estándar) hidrógeno/hora.

Cambiar dependencia industria acero carbón → hidrógeno: no solo reto tecnológico/financiero. Puede impactar organización industria acero nivel nacional, regional, global. Históricamente, fácil acceso carbón aspecto importante determinando ubicación plantas acero. Plantas frecuentes cerca yacimientos carbón nacionales, o plantas dependientes carbón importado cerca puertos.

Uso hidrógeno producción acero: tecnología etapa desarrollo. Objetivo: reemplazar proceso horno oxígeno básico (BOF - blast oxygen furnace), tecnología prevaleciente siderurgia primaria usando coque coquizable como fuente calor y reducir oxígeno mineral hierro, con proceso reducción directa hierro (DRI - direct reduction of iron) donde hidrógeno fuente calor y agente reductor.

Idea usar hidrógeno agente reductor: principalmente cambio climático. Descarbonización proceso siderúrgico necesita reemplazar carbono/monóxido carbono reacción reducción con otro gas emisiones carbono menores/cero. Gas puede ser metano o hidrógeno. Uso metano (CH₄), compuesto químico conteniendo carbono e hidrógeno, permite reducción emisiones CO₂, reemplazándolas parcialmente vapor agua (H₂O) pero no completamente. Uso hidrógeno permite descarbonizar completamente proceso: solo produce vapor agua subproducto químico.

Ambas alternativas técnicamente bien entendidas. Metano componente principal gas natural: disponible grandes cantidades. Ya usado grado limitado producción acero, uso generalizado permite descarbonización parcial procesos. Hidrógeno: permite descarbonizar completamente siderurgia. Sin embargo, hidrógeno solo producido cantidades limitadas, uso producción acero aún necesita afinado producción escala industrial.

Descarbonización producción acero plantea dos retos mayores: (i) optimizar y escalar ruta producción hierro/acero base hidrógeno mediante plantas piloto, (ii) escalar producción hidrógeno: mayores cantidades menor costo mayor eficiencia. Tarde o temprano, cambio hidrógeno producción acero necesitará nuevas instalaciones producción hidrógeno escala sin precedentes. Éxito esfuerzos acero base hidrógeno depende crucialmente hacer grandes cantidades hidrógeno disponibles ampliamente menor costo posible.

Dos Vías Usar Hidrógeno (Verde) Producción Acero

1. Material inyección alternativo PCI (inyección carbón pulverizado) para mejorar desempeño altos hornos convencionales. Aunque PCI común, primeras plantas piloto inyección hidrógeno recientemente establecidas evaluar potencial descarbonización. Inyección hidrógeno (verde) altos hornos reduce emisiones carbono hasta 20%, pero no ofrece producción acero carbono-neutral ya que coque coquizable regular sigue siendo agente reductor necesario alto horno.
2. Reductante alternativo producir DRI procesable acero usando HAE (horno arco eléctrico). Usar hidrógeno reductor libera solo agua (no emisiones carbono). Ruta DRI/HAE: proceso producción probado aplicado actualmente usando gas natural reductor. Reducción directa también realizable con hidrógeno. Basado uso hidrógeno verde y electricidad renovable eólica, solar, hídrica, configuración DRI/HAE permite producción acero casi carbono-neutral. Organizaciones suecas y alemanas experimentando 'acero verde' calentado hidrógeno limpio, primer ensayo exitoso 2020 Suecia.

DRI base hidrógeno verde y chatarra combinación HAE reemplaza combustibles fósiles etapa producción DRI con hidrógeno energía renovable. Representa método producción técnicamente probado permitiendo producción acero casi libre emisiones. Todos grandes actores acero europeos construyendo/probando procesos producción acero base hidrógeno: hidrógeno sustituto PCI o reducción directa base hidrógeno.

Sin embargo, requisitos capital configuración producción acero pura base hidrógeno (DRI + HAE) combinación transporte/almacenamiento hidrógeno requeridos bastante significativos. Figura 2 muestra diagrama flujo típico proceso reducción directa hidrógeno.

Tecnología HYBRIT

Reducción directa hierro usada ~8% producción hierro global. Presente: gas reductor derivado gas natural o carbón. 2016: tres empresas suecas (SSAB, LKAB, Vattenfall AB) anunciaron planes desarrollar método descarbonizar proceso producción hierro 'reducción directa' usando hidrógeno gas reductor. Concepto: Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT). Basado hidrógeno único gas reductor, produce agua subproducto en lugar CO₂. Resultante 'hierro reducido directo' (DRI) convertido acero HAE misma forma DRI tradicional. Figura 3 muestra diagrama principio flujo proceso HYBRIT.

Características principales HYBRIT: (i) combustibles fósiles no usados producción pellets, (ii) hidrógeno producido electrólisis electricidad libre fósiles, (iii) almacenamiento hidrógeno unidad diseñada específicamente como buffer red, (iv) horno shaft usado reducción mineral hierro, (v) pellets a medida usados alimentación mineral, (vi) gas reducción/mezcla precalentado antes inyección shaft, (vii) producto DRI o HBI (hierro briquetado caliente), (viii) DRI/HBI fundido junto chatarra reciclada HAE.

HYBRIT evaluado consumo energía extremo-extremo (end-to-end) cadena suministro nueva y caso referencia alto horno. Incluye minería extraer mineral hierro. Según análisis: AH emite 1.600 kg CO₂ combustión coque coquizable y petróleo producir 1 ton acero crudo. Ruta DRI emite solo 25 kg CO₂ consumiendo ~50 kg hidrógeno, usando 2.633 kWh energía. Efectividad reducción emisiones: 32 kg CO₂/kg H₂.

Cálculo preciso reducción emisiones hidrógeno consumido, pero DRI crea producto intermedio esponja hierro requerido procesar HAE producir acero crudo, producto final BOF. Normalizar comparación otros usos finales hidrógeno: consumo electricidad HAE 855 kWh/ton acero crudo podría producir otros 16 kg hidrógeno, efectividad normalizada 24 kg CO₂/kg H₂. Figura 4 compara siderurgia AH-Horno Convertidor (BF-BOF) con HYBRIT.

Producción acero base hidrógeno HAE técnicamente factible y considerada parte solución potencial largo plazo descarbonizar industria acero gran escala. Pregunta no si sino cuándo y qué extensión transformación puede ocurrir. Variedad factores interdependientes determinan cuándo punto inflexión descarbonización industria acero. Factores externos darán forma desarrollo futuro y tiempo adopción acero base hidrógeno verde.

Cambio hacia acero base hidrógeno no ocurrirá noche a mañana. Presente: solo una tecnología producción clave disponible para industria acero carbono-neutral. Futura disponibilidad energía barata renovables y cuestiones regulatorias: dos impulsores clave adopción acero base hidrógeno. Meta carbono neutral ~28 años futuro, crucial actuar ahora. Sitios industriales vidas >50 años, horizontes planificación inversión 10-15 años. Decisiones activos y huella deben tomarse ahora siguiendo hoja ruta descarbonización clara. Hoja ruta combinar metas largo plazo con quick wins accionables permitir cambio gradual descarbonización manteniendo todos stakeholders.

En general, cambio oportuno carbono→hidrógeno procesos siderúrgicos necesita acción política coordinada amplia gama campos, subiendo precio carbono mientras bajando precio hidrógeno. Reducción precio hidrógeno necesita desarrollo conjunto amplio coordinado medidas. Medidas esenciales promover tanto demanda hidrógeno como aumento capacidades suministro como parte empuje coherente economía hidrógeno.