Descarbonización del calor industrial: El sector siderúrgico

Titulares

• La producción actual de acero primario está muy integrada; las mejoras de eficiencia incrementales sólo pueden reducir las emisiones en un 10% aproximadamente. El análisis de los escenarios publicados recientemente por diversas fuentes muestra que:
• Lograr una profunda descarbonización para 2050 sólo es posible mediante nuevos procesos de producción.
• La demanda de electricidad del sector podría triplicarse de aquí a 2050, a partir de un cambio hacia el acero fabricado por reducción de hidrógeno o electrólisis directa.
• Para 2050, la producción de acero a partir de chatarra reciclada aumenta entre un +30% y un +70% con respecto a 2018, lo que se traduce en una cuota potencial del 50% al 77% de la producción total de acero para 2050.

Recomendaciones políticas

• Aumentar el apoyo a la I+D de tecnologías compatibles con la descarbonización profunda del sector (H-DRI, electrólisis, CAC/U).
• Supervisar y mejorar el impacto de las políticas destinadas a maximizar la reutilización de la chatarra de acero.
• Establecer políticas de atracción de la demanda para crear un mercado para el "acero verde", como la contratación pública ecológica para las infraestructuras financiadas con fondos públicos.

Panorama del sector siderúrgico

La producción de hierro y acero es uno de los principales contribuyentes a las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE. El sector representó el 4% de todas las emisiones de la UE en 2017, y el 23% de la industria manufacturera. La producción de acero bruto en la UE ha sido constante desde 2010, en torno a 170Mt por año, y para 2050 oscila entre 153Mt y 172Mt en los escenarios del modelo FORECAST, que alimentó el análisis de la industria de la Visión Estratégica a Largo Plazo de la Comisión Europea. En la UE hay dos rutas principales de fabricación de acero:

• El 60% del acero se fabrica por la vía integrada, que produce acero virgen a partir del mineral de hierro. El hierro, en forma de sinterizado, se reduce en presencia de coque en un alto horno (BF) y luego se convierte en acero bruto en un horno básico de oxígeno (BOF).
• El 40% del acero se fabrica por la vía del reciclaje, donde la chatarra se rep

Resumen del calor de proceso

Alrededor del 95% de la demanda de calor del proceso de fabricación de hierro y acero se produce a temperaturas muy altas (>500oC), y el carbón/coque es el principal aporte de energía al proceso, ya que sirve como fuente de combustible y como materia prima en forma de coque.

Aunque tanto la ruta integrada como la de reciclaje requieren procesos a muy alta temperatura, sus intensidades de emisión y energía difieren significativamente:

• La ruta integrada se basa en la producción de coque como materia prima para reducir el hierro en el alto horno, y el propio mineral de hierro debe convertirse en sinterizado antes de ser introducido en el alto horno. Tanto la coquización como la sinterización se producen en la planta siderúrgica y requieren temperaturas superiores a los 1000oC. Estos materiales se introducen en un alto horno, donde el aire caliente a más de 1000oC forma gases reductores del coque, que reaccionan con el mineral para formar hierro reducido; las emisiones de CO2 de este proceso son un producto inevitable de la reducción química del mineral de hierro. Con 1,2tCO2 emitidas por tonelada de acero, el alto horno es responsable de más del 60% de las emisiones de CO2 en la ruta integrada. El horno de coque emite ~15%, la planta de sinterización algo más del 10% y los demás procesos (horno básico de oxígeno, planta de pellets) ~10% del total de emisiones de CO2 (estimación propia, basada en datos de emisiones de).
• Sin embargo, no es fácil atribuir las emisiones a procesos específicos. Los gases residuales del horno de coque y del alto horno se recuperan para proporcionar calor y también para alimentar las centrales eléctricas de la planta, en un circuito muy optimizado. La eliminación o la sustitución de las emisiones de gases residuales por procesos alternativos perturbaría toda la ruta de la siderurgia.
• La demanda de calor en la ruta de reciclaje está casi totalmente electrificada. Un arco eléctrico a 1600oC funde directamente la chatarra para producir acero líquido. Con la intensidad media actual de CO2 de la electricidad en la UE, la ruta EAF emite de 0,2 a 0,3 tCO2 por tonelada de acero, es decir, un 80% menos que la ruta integrada.

Potencial de mejora limitado

Las plantas siderúrgicas integradas han optimizado sus flujos de materiales y energía a lo largo de los años, y las que mejor funcionan en la UE ya se acercan a los niveles óptimos. Se calcula que la aplicación de nuevas mejoras de eficiencia y mejores prácticas sólo reducirá las emisiones de CO2 en un 10% aproximadamente (estimación propia, basada en datos de emisiones de). Para alcanzar la ambición de la Comisión Europea de lograr cero emisiones netas de gases de efecto invernadero en 2050, es necesario considerar nuevas tecnologías de vanguardia, CAC/U (captura y almacenamiento/utilización de carbono) y un aumento del acero reciclado.

Escenarios de descarbonización para 2050

Para explorar posibles vías para lograr una profunda descarbonización del sector en 2050, se comparan ocho escenarios de cuatro publicaciones (Figura 2). Mientras que la demanda de energía final en 2050 disminuye en todos los escenarios, entre un -10% (ECF, Captura de Carbono) y un -50% (ECF, Economía Circular e ICF, Mix80 y Mix95), la demanda de acero varía ampliamente, entre un -17% (ECF, Economía Circular) y un +10% (ECF, Nuevos Procesos y Captura de Carbono) en comparación con 2015.

Nuevos procesos de fabricación de acero

Las nuevas tecnologías de fabricación de acero con hidrógeno que se están investigando actualmente pretenden sustituir el gas natural utilizado en la reducción directa del hierro (DRI), un proceso existente, por hidrógeno verde (H-DRI). Si la electricidad renovable es utilizada tanto por la planta de hidrógeno como por la siderúrgica, que procesa el hierro hasta convertirlo en acero, este proceso podría emitir hasta un 95% menos de CO2 que la ruta integrada actual. Cuatro proyectos europeos, HYBRIT, SALCOS, H2Future/SuSteel (que investiga la reducción de la fundición por plasma de hidrógeno) y ThyssenKrupp, están desarrollando toda la cadena de valor de la siderurgia de hidrógeno; no se espera que el primer proyecto de demostración comience antes de 2025.

La electrólisis directa del mineral de hierro, o "electroobtención", para producir acero bruto está siendo desarrollada por el proyecto SIDERWIN. Si se utiliza únicamente electricidad renovable, la producción de acero podría emitir hasta un 87% menos de CO2 que la actual ruta integrada. Todavía está en una fase temprana de desarrollo y sólo se ha probado a escala de laboratorio.

Para el año 2050, la fabricación de acero con hidrógeno y la electro-obtención se han implantado en 7 de los 8 escenarios, lo que supone hasta un 35% (65Mt) de la producción total de acero (ECF, New Processes). Incluyendo la producción de hidrógeno, la demanda anual de electricidad del sector podría crecer hasta 3 veces la actual, hasta 360TWh en 2050 (ECF, New Processes y EC, 1.5TECH). Esta cantidad equivale al 35% de la producción actual de electricidad renovable de la UE. Otros retos clave serán la ampliación de la infraestructura de hidrógeno y las inversiones necesarias para las amplias conversiones de zonas industriales o los despliegues de zonas verdes.

Utilización de la captura y el almacenamiento de carbono

Dos proyectos europeos, Steelanol y Carbon2Chem, exploran la valorización de los gases residuales de los altos hornos para producir bioetanol y materias primas químicas. Aunque se encuentran en una fase de desarrollo más avanzada -la planta de demostración de Steelanol se está construyendo actualmente en Bélgica-, la reducción máxima de las emisiones de estos procesos es más limitada (hasta un 65% si se despliega completamente) y dependerá de si el carbono se libera de nuevo al final de la vida útil de los productos químicos resultantes.

Las nuevas tecnologías de fundición combinadas con la CAC, como el proceso HIsarna, generan gas residual rico en CO2 para facilitar la captura de carbono. En comparación con la ruta actual, las emisiones podrían reducirse hasta un 80%. Sin embargo, la aplicación de estas tecnologías requeriría profundos cambios en los procesos de fabricación de acero, de una escala similar a la de las tecnologías de hidrógeno o electrólisis.

Las tecnologías de captura de carbono están muy implantadas en 2 de los 8 escenarios de descarbonización (AIE, B2DS y ECF, Captura de carbono), con hasta un 30% (54Mt) de la producción total de acero en 2050 procedente de plantas equipadas con CAC/U (ECF, Captura de carbono).

Aumento de la cuota de acero reciclado

En 2050, en 7 de los 8 escenarios la siderurgia reciclada se convierte en una vía más importante, con un aumento de la producción que oscila entre el +30% (91Mt) y el +70% (118Mt) en comparación con 2018 (70Mt) (escenarios ECF, Captura de carbono e ICF, Mix95 respectivamente). Esto corresponde a una cuota del 50% al 77% de la producción total de acero bruto en estos escenarios (frente al 42% en 2018).

Los principales retos para lograr una mayor producción de acero secundario pasan por aumentar la tasa de reciclado del acero (que actualmente se sitúa entre el 70% y el 95%, dependiendo del uso final) y por mejorar la calidad de la chatarra. La chatarra reciclada suele estar contaminada con otros elementos residuales, de los cuales el cobre es el más importante. La contaminación por cobre limita el uso del acero a aplicaciones que toleran el acero de menor calidad, como las barras de refuerzo en la construcción. Aunque el sector de la construcción utilizó el 34% (54Mt) de la demanda total de acero acabado en 2018, es probable que la demanda de acero de mayor calidad (especialmente en el sector del automóvil) aumente a un ritmo más rápido en el futuro. La calidad de la chatarra puede aumentarse en sentido descendente, mejorando el desmantelamiento y la clasificación de los productos al final de su vida útil. En las fases anteriores, los cambios de diseño para reducir el uso de cobre o facilitar el desmontaje de los productos al final de su vida útil pueden reducir la necesidad de intervenciones posteriores. Los responsables políticos de la UE pueden contribuir a afrontar estos retos supervisando y mejorando el impacto de las políticas destinadas a maximizar la reutilización de la chatarra de acero.

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