Sabemos cómo descarbonizar la producción de energía con combustibles renovables y el transporte terrestre con vehículos eléctricos. Se están desarrollando proyectos para ecologizar barcos y aviones. ¿Pero qué pasa con los grandes procesos industriales?
Parecen ser los opositores a la descarbonización, las últimas y más fuertes emisiones de CO2 que debemos eliminar si queremos alcanzar las emisiones cero a mediados de siglo. En concreto, ¿cómo podemos hacer para que las tres mayores industrias pesadas del mundo, el acero, el cemento y el amoníaco, emitan conjuntamente una quinta parte del CO2 antropogénico, sean más ecológicas?
Nuestro entorno urbano moderno está construido en gran parte con hormigón, que está hecho de cemento, y acero. La mayoría de nuestros alimentos se cultivan con abonos a base de amoníaco. Estos materiales industriales más comunes se producen con enormes cantidades de energía y emisiones de dióxido de carbono.
Su equilibrada industria ha prosperado durante más de un siglo, utilizando procesos de producción prácticamente inalterables. Pero la necesidad urgente de producir amoníaco, acero y cemento ecológicos está empezando a sacudirlos. La investigación está abriendo nuevas posibilidades de cambios fundamentales en los procesos químicos. Y en las últimas semanas, los principales actores han anunciado importantes iniciativas en cada uno de estos tres sectores.
Dos tecnologías de vanguardia se anuncian como “soluciones” a la problemática descarbonización de las industrias. Uno de ellos es la captura y el almacenamiento de carbono (CAC), cuyo objetivo es capturar las emisiones de CO2 en chimeneas y enterrarlas en estructuras geológicas como antiguos yacimientos de petróleo o minas de sal. El otro es el “hidrógeno verde”, producido por la división del agua mediante fuentes de energía renovables. Algunos consideran que el hidrógeno verde es el combustible soñado del futuro, que alimentará desde los aviones y las centrales eléctricas hasta los hogares y la industria pesada.
La Secretaria de Energía de EE.UU., Jennifer Granholm, declaró en junio que “el hidrógeno limpio cambia las reglas del juego” porque “ayudará a descarbonizar las industrias pesadas y altamente contaminantes”.
Pero ambas tecnologías se enfrentan a críticas técnicas y acusaciones de exageración. Se ha acusado a la CAC de estar diseñada para prolongar el futuro de las industrias de combustibles fósiles en lugar de descarbonizar la economía mundial. E incluso el hidrógeno verde, que es esencialmente un conducto de energía renovable, parece inútil para aplicaciones en las que la energía renovable puede utilizarse directamente, como la conexión a los coches eléctricos.
No obstante, cada uno de ellos podría desempeñar un papel en determinados sectores, según los analistas de la industria.
“El acero primario y la producción de amoníaco son puntos de entrada razonables para el hidrógeno verde”, afirma Falco Ukerdt, del Instituto Potsdam de Investigación del Impacto Climático de Yale Environment 360 . Por ejemplo, el hidrógeno es muy eficiente como combustible para los procesos industriales a alta temperatura, por lo que el hidrógeno verde puede ser a veces una propuesta realista para la industria pesada, que actualmente requiere combustibles fósiles como parte del proceso (acero), ya utiliza hidrógeno (fertilizantes) o lo necesita. el hidrógeno a altas temperaturas es bueno para la producción (de cemento).
Tomemos cada una de estas industrias. ¿Qué necesitan para descarbonizarse?
La producción de acero representa actualmente el 11% de las emisiones antropogénicas de CO2. La mayor parte de la producción comienza quemando carbón con mineral de hierro en un alto horno. El carbón genera calor, pero forma parte del proceso químico del horno. Elimina el oxígeno del mineral para obtener hierro puro, conocido como arrabio, que se convierte en acero en el horno de arco eléctrico. Pero el subproducto -de la combinación del carbono del carbón con el oxígeno del mineral- es una gran cantidad de dióxido de carbono. Todo el proceso emite una media de 2,2 toneladas de CO2 por cada tonelada de acero.
¿Qué se puede hacer para reducir estas emisiones?
Lo primero que hay que hacer es aspirar a un uso más eficiente y al reciclaje del producto. El reciclaje evita la etapa de los altos hornos, con sus elevadas emisiones. La chatarra se introduce en un horno de arco eléctrico, que suele producir sólo 0,3 toneladas de CO2 por cada tonelada de acero. Las emisiones podrían reducirse aún más si se cambian los combustibles fósiles por la generación de electricidad. Pero los beneficios potenciales del reciclaje son limitados, según los analistas. Alrededor del 85% de la chatarra de acero ya se recoge para su reciclaje. Pero la larga vida útil del acero hace que, según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), esta chatarra reciclada sólo represente un tercio de la producción total de acero.
La adopción generalizada de la CAC tiene el potencial de reducir aún más las emisiones. Pero los beneficios podrían ser mayores si se suprimiera el alto horno. La principal alternativa para producir arrabio es hacer pasar una fuerte corriente eléctrica continua a través del mineral. Este proceso, conocido como electrólisis, consiste en convertir el mineral de bauxita en aluminio. Las necesidades energéticas son enormes, pero sin necesidad de carbón como parte del proceso en sí, esta energía puede provenir de una fuente baja en carbono como el hidrógeno verde. Por tanto, el hidrógeno verde se considera vital para la producción de acero verde.
Esta ruta del hidrógeno se está probando actualmente en Europa con subvenciones gubernamentales tanto de ArcelorMittal, el segundo mayor fabricante de acero del mundo, como de un proyecto anunciado a principios de este mes en los Países Bajos por la india Tata Steel.
Podría haberse puesto de moda. Un enfoque atractivo sería producir hidrógeno en el mismo sitio que el acero. Jessica Allen y Tony Honeyands, de la Universidad de Newcastle (Nueva Gales del Sur), dijeron que representaba una “enorme oportunidad” para Australia, que tiene grandes minas de hierro y mucha energía solar. “Aumentaría nuestras exportaciones, ayudaría a compensar las inevitables pérdidas de puestos de trabajo en la industria de los combustibles fósiles y supondría una gran diferencia a la hora de abordar el cambio climático”, afirmaron en una reciente entrada de su blog .
La producción de fertilizantes de amoníaco ha sido una de las industrias de más rápido crecimiento en el mundo durante el último medio siglo. Fue la espina dorsal de la revolución verde agrícola de finales del siglo XX, y hoy alimenta los cultivos que alimentan al 40% de la población mundial. Los fertilizantes son, con mucho, el principal uso de los 176 millones de toneladas de amoníaco que se producen cada año.
El amoníaco se produce mediante el proceso Haber-Bosch, inventado por el químico alemán Fritz Haber en 1908. Diez años más tarde recibió el Premio Nobel. El proceso consta de dos pasos. En primer lugar, produce hidrógeno, normalmente a partir de gas natural; después sintetiza el hidrógeno con nitrógeno atmosférico. Para ello es necesario romper los estrechos vínculos que mantienen unidas las moléculas de nitrógeno en el aire, y se requiere una alta presión y una temperatura de unos 500 °C.
Tanto la producción de hidrógeno como la síntesis de amoníaco consumen mucha energía. Todo el proceso, llevado a cabo en gigantescas plantas industriales, emite unas dos toneladas de CO2 por cada tonelada de amoníaco y representa alrededor del dos por ciento de las emisiones antropogénicas de CO2.
El fertilizante es uno de los productos que más carbono desperdicia. Según Xin Zhang, científico medioambiental de la Universidad de Maryland, menos de la mitad de lo que se vierte en los campos llega a las raíces, una proporción que ha ido disminuyendo en los últimos años. Esto no sólo provoca emisiones innecesarias de CO2, sino que también satura el entorno natural con nitrógeno, provocando la proliferación de algas en los ríos y zonas muertas en los océanos y un daño casi generalizado a la biodiversidad. Por lo tanto, un uso más eficiente de los fertilizantes debe ser una prioridad.
Pero más allá de eso, hay que descarbonizar las dos etapas del proceso de producción de fertilizantes. La primera etapa, la producción de hidrógeno, debería ser la más factible. En abril, CF Industries, el mayor productor de amoníaco del mundo, anunció sus planes de “ecologizar” parte de la producción de hidrógeno en su mayor complejo de producción de Donaldsonville (Luisiana). Está instalando equipos de fabricación alemana para producir hidrógeno mediante la división del agua utilizando fuentes de energía renovables.
La descarbonización de la segunda etapa, la síntesis de amoníaco, requiere una mejora significativa o la sustitución del proceso existente. Justin Hargreaves, de la Universidad de Glasgow (Escocia), afirma que los catalizadores desempeñan un papel fundamental en el proceso. Son necesarios para romper el fuerte enlace de la molécula de nitrógeno para que el elemento pueda combinarse con el hidrógeno.
El proceso Gaber-Bosch utiliza un catalizador de hierro. Pero desde su invención, el juego ha consistido en encontrar algo que funcione eficazmente a temperaturas y presiones más bajas. “La solución a la síntesis a baja temperatura del amoníaco es uno de esos santos griales de la química”, dice Levi Thompson , ingeniero químico de la Universidad de Michigan. Pero la química necesaria para lograrlo ha eludido a los investigadores hasta ahora.
“La naturaleza lo hace”, dijo Hargreaves a Yale Environment 360 . “La fijación de nitrógeno por parte de las bacterias en las raíces de las plantas se produce en condiciones ambientales, sin altas temperaturas ni presiones. Pero el ritmo de producción es demasiado lento para ser utilizado para la producción a gran escala”. Existe la esperanza de que el catalizador adecuado pueda cambiar esta situación. “Si pudiéramos hacerlo, sería un gran premio”, dijo Hargreaves.
Hay muchos industriales en juego. La empresa japonesa JGC cuenta con una planta piloto en Fukushima que utiliza la energía solar para producir hidrógeno verde mediante un nuevo catalizador de rutenio desarrollado para la síntesis de amoníaco. La empresa afirma haber reducido en tres cuartas partes la presión necesaria para la producción. Otro equipo japonés, dirigido por Hideo Hosono, del Instituto Tecnológico de Tokio, promueve un catalizador de lantano y cobalto. Afirma que esto reduce la temperatura necesaria a 400 C.
Algunos prevén que en el futuro se elimine por completo el proceso tradicional Haber-Bosch. En junio, Doug McFarlane y sus colegas de la Universidad de Monash (Australia) anunciaron el éxito en el desarrollo de un proceso electroquímico de ruptura de enlaces de nitrógeno que podría producir amoníaco a temperatura ambiente. Se dice que la clave fue la adición de la sal de fosfonio , que aceleró drásticamente la reacción.
El tercer dinosaurio del carbono -y quizás el más difícil de transformar- es el cemento Portland, llamado así porque se parece a la piedra de construcción que se extrae en Portland, en una península del sur de Inglaterra. Fue inventado en 1824 por un cantero inglés llamado Joseph Aspdin. En el proceso de producción, la tiza o la piedra caliza (carbonato de calcio) se mezclan con la arcilla y la mezcla se cuece en un horno a 1.450 °C, lo que provoca cambios químicos que crean un sólido llamado clinker, que se mezcla con el yeso para fabricar el cemento. A continuación, el cemento se mezcla con los áridos y el agua para crear el hormigón.
Las altas temperaturas del horno requieren mucha energía, generalmente derivada de la quema de combustibles fósiles, que liberan CO2. Además, cuando el carbonato de calcio se convierte en el horno, el principal subproducto es aún más dióxido de carbono. Cuando el combustible del horno es el carbón, los hornos emiten aproximadamente una tonelada de CO2 por cada tonelada de cemento producida.
Cada año se producen más de cuatro mil millones de toneladas de cemento Portland, más de media tonelada por cada habitante del planeta. Hace nuestro mundo de presas, carreteras, puentes, edificios altos, rompeolas y aparcamientos. Y representa alrededor del 8% de las emisiones de CO2 producidas por el hombre.
¿Cómo cambiar esto? Mientras que la mayor parte del acero del mundo se recicla, se recicla muy poco hormigón. Los edificios pueden diseñarse de forma que puedan desmontarse y reutilizarse sus componentes. Pero hay muy pocos. Cuando llegan los equipos de emergencia, la pequeña cantidad de escombros que crean no encuentra ningún uso futuro que no sea el de vertedero o el de agregado. Esto tiene que cambiar, dice Brian Norton, del Instituto Tecnológico de Dublín. “Los edificios… deben diseñarse de manera que puedan desmontarse fácilmente al final de su vida útil. O podríamos utilizar otros materiales de construcción, como la madera procedente de fuentes sostenibles.
¿Y el propio proceso de producción de cemento?
Si se sustituyera el carbón del horno por hidrógeno verde, se podrían reducir las emisiones totales de CO2, pero sólo en un tercio. Así que hay que hacer algo para eliminar el CO2 generado en el proceso de producción.
Una forma es la CAC para capturar las emisiones de CO2. La AIE, en un reciente informe sobre las vías hacia las emisiones cero, mostró que para 2050 la CAC contribuirá hasta el 55% de la reducción potencial de emisiones de la industria. Otra forma es encontrar aplicaciones industriales para el CO2. A principios de este mes, el fabricante francés de cemento Vicat anunció sus planes de desviar el 40% de las emisiones de CO2 de su horno de Montallier-Vercier, cerca de Lyon, para producir metanol que sirva de combustible a los nuevos buques portacontenedores que está construyendo Maersk, la mayor naviera del mundo.
Pero también hay opciones de descarbonización para sustituir la materia prima en el proceso de producción de cemento. Según la AIE, hasta la mitad del clinker del cemento podría sustituirse por otros materiales, desde la piedra caliza bruta hasta las cenizas de las centrales eléctricas, los neumáticos desechados y los residuos domésticos.
De forma más radical, investigadores alemanes sugieren en un estudio publicado el mes pasado que al menos la mitad de la piedra caliza del horno podría sustituirse por una arcilla rica en alúmina conocida como arcilla de Balterra, que suele cubrir las reservas geológicas de bauxita, la materia prima del aluminio. Herbert Pollmann, de la Universidad Martin Luther (Alemania), afirma que este cemento a base de sulfoaluminato de calcio evita las emisiones de CO2 de la cocción de carbonato de calcio y reduce la temperatura de cocción de 1.450 C a 1.250 C. “Nuestro método no sólo emite menos CO2 durante la conversión química, sino también al calentar los hornos rotatorios”, dice Pollmann , reduciendo potencialmente las emisiones totales en dos tercios.
Otra posible solución, inventada hace 20 años por el químico industrial australiano John Harrison, es sustituir la piedra caliza por una roca similar, el carbonato de magnesio, a menudo conocido como magnesita, que se encuentra en el mineral magnetita y en mezclas con carbonato de calcio, como las rocas conocidas como dolomita, que se cuecen a temperaturas mucho más bajas, en torno a los 650 °C, por lo que sólo se necesita la mitad de energía. Pero Harrison afirma que la mayor ventaja del carbonato de magnesio es la capacidad del hormigón resultante de absorber el CO2 atmosférico durante su uso.
Esta “carbonización” continúa mientras el material esté expuesto al aire, devolviendo potencialmente todo el CO2 liberado durante su fabricación. De este modo, dice, las estructuras hechas con su “cemento ecológico” pueden comportarse como la madera, absorbiendo continuamente el CO2.
El cemento convencional también se carboniza, pero Harrison dice que su versión dura mucho más. Esta afirmación fue puesta en duda hace cinco años, cuando un estudio demostró que la carbonización del cemento ordinario era mayor de lo que normalmente se suponía. El estudio reveló que, sin que los científicos del clima lo sepan, “las reservas de cemento existentes en todo el mundo absorben unos mil millones de toneladas de CO2 atmosférico cada año”.
No obstante, Michael Taylor, de la Asociación de Productos Minerales de Londres, cree que el invento de Harrison tiene un valor potencial. Cree que su principal problema puede residir en el notorio conservadurismo de la industria del cemento. Los costes iniciales de las nuevas formulaciones son elevados y garantizar la longevidad del producto final puede llevar décadas. “Los innovadores… perciben este conservadurismo como un serio obstáculo y pueden creer que simplemente está diseñado para frustrar sus objetivos”, dice Taylor.
Es un problema conocido. Pero, al igual que con el acero y el amoníaco, la presión política a favor de procesos más ecológicos puede marcar la diferencia.