Los materiales metálicos son la columna vertebral de las economías modernas. Sin embargo, grandes cantidades de CO ₂ se producen durante su producción y procesamiento. Por tanto, la industria del metal debe utilizar procesos más respetuosos con el clima en el futuro. El co ₂ El equilibrio de las aleaciones y sus componentes también debe mejorarse durante toda su vida útil. Dierk Raabe, Director del Max-Planck-Institut für Eisenforschung en Düsseldorf, explica las posibilidades que ya tienen las empresas industriales a este respecto, así como las tareas que deben asumir los metalúrgicos para lograr el objetivo de una industria metalúrgica sostenible.

Profesor Raabe, ¿Qué podrían hacer hoy la industria del acero y otros sectores metalúrgicos para reducir su consumo de recursos y su CO ₂ ¿Huella rápida y notablemente?

La protección contra la corrosión tiene un efecto considerable porque hace que los productos sean más duraderos. No se trata solo de hierro, que se oxida, pero también otros materiales como el aluminio o el níquel. También se trata de la corrosión por hidrógeno, por ejemplo, que tiene un efecto mucho más extremo sobre los metales que el agua y el oxígeno. Puede causar fragilización por hidrógeno, Daños que pueden provocar una falla catastrófica repentina de los componentes. Esta fue una de las causas del desastre de Deep Water Horizon, por ejemplo. Sin embargo, también juega un papel en las centrales eléctricas, edificios industriales, y transporte, especialmente si queremos depender más del hidrógeno como fuente de energía en el futuro. Incluso si la protección contra la corrosión no suena tan emocionante para la gente común, tiene un apalancamiento considerable porque hasta el 4% de la producción económica mundial es destruida por la corrosión cada año.

¿En qué áreas es la corrosión un problema particularmente grande?

En algunas áreas, la protección contra la corrosión ya está bastante extendida. Por ejemplo, en la industria automotriz. Solía ​​haber una pregunta importante al comprar un automóvil:¿qué tan rápido se oxida? Eso es ahora cosa del pasado. Sin embargo, infraestructuras industriales, rascacielos puentes Las centrales eléctricas o los trenes —simplemente piense en el accidente ferroviario cerca de Eschede en 1998— todavía son altamente susceptibles a la corrosión. Y esto solo se multiplicará cuando se agregue hidrógeno como fuente de energía en los próximos diez años.

¿Dónde ve otras oportunidades para hacer que el acero y otros materiales metálicos sean más sostenibles?

La electrificación de la producción de metales también tendrá una gran influencia. aluminio, el segundo material metálico más importante después del acero para la industria aeronáutica y automotriz, se ha sintetizado durante mucho tiempo a través de la reducción electrolítica de mineral de aluminio. Esto requiere una gran cantidad de electricidad, algunos de los cuales ya se obtienen de fuentes renovables como la energía hidroeléctrica. También puede producir otros metales, incluso hierro, por electrólisis. Sin embargo, esto no vale la pena debido a los altos precios de la electricidad. Considerándolo todo, La electrificación es una de las mayores palancas para la sostenibilidad de la producción primaria y el procesamiento posterior de metales si la electricidad proviene exclusivamente de fuentes renovables.

¿Qué condiciones son necesarias para producir hierro con electricidad?

La lenta expansión de las líneas eléctricas para la electricidad verde debería finalmente acelerar el ritmo. Porque debe quedar claro que en regiones como el Ruhr, donde se produce el hierro, Tendrá que esperar muchos años más para obtener una conexión a una fuente de alimentación ecológica suficiente para esas industrias, como muestra un vistazo a la página de inicio de la Agencia Federal de Redes. Además, estimaciones de mercado del Instituto Wuppertal, por ejemplo, muestran que podrían pasar hasta 20 años antes de que los procesos totalmente eléctricos se vuelvan competitivos.

Para la industria del acero, sin embargo, esto significaría que tendría que pasar de la producción en altos hornos a procesos completamente nuevos. ¿Es eso realista?

Incluso para piezas individuales de acerías integradas y fundiciones de aluminio, los costos de inversión son tan altos que la industria no puede permitirse reconstruirlos cada diez años. Inicialmente, sin embargo, los altos hornos podrían incluso dejarse como están. La industria puede reemplazar el carbono para la reducción (es decir, coque, carbón, biomasa, y residuos plásticos) con hasta un 20% de hidrógeno, Cuál debería, por supuesto, tienen que generarse a partir de agua utilizando electricidad regenerativa. Y debido a que la industria del acero representa alrededor del 6% del CO2 total del mundo ₂ emisiones, esto tendría un impacto considerable. Estos procesos ya se están probando en varios lugares del mundo. La industria también puede cambiar la producción a reducción directa a mediano plazo. El proceso implica el llenado de gránulos de óxido granular (como los suministrados por las minas después del procesamiento del mineral) como sólidos en un horno y convertirlos directamente con metano. Esto se ha hecho durante mucho tiempo en países donde el metano es asequible. Este proceso tiene la ventaja de que las plantas pueden, en principio, convertirse en hasta un 100% de hidrógeno.

Entonces, ¿cuándo se fundirá el hierro con hidrógeno?

El proceso completamente basado en hidrógeno necesitará de 10 a 12 años antes de que pueda comercializarse. Se estima que serán aprox. 30% más caro que la producción actual de altos hornos. Y el CO ₂ el aumento de precios aún no se ha determinado completamente. Por tanto, puede ser que en 10 años, un aumento del 30% será un precio de mercado competitivo si los materiales competidores menos sostenibles procedentes de fuera de la UE se someten a condiciones comparables. La peor de todas las soluciones sería que la producción de metales desapareciera de Europa y que compráramos metales insostenibles de países fuera de la UE. Europa necesita una industria de elaboración y producción de metales independiente y sostenible, sobre todo porque genera alrededor de 400 000 millones de euros al año.

¿Qué interés podría tener la industria de países como Alemania en cambiar sus plantas por plantas de reducción directa?

Por un lado, la industria del acero puede producir hierro en un CO ₂ -forma reducida. Las empresas ya ven la necesidad de esto porque pueden estimar que los costos aumentarán en los próximos años debido al CO ₂ precios y porque los fabricantes de automóviles, por ejemplo, Esperamos utilizar una fracción cada vez mayor de CO ₂ -acero reducido en el futuro. Por otra parte, la reducción directa también permite a las empresas ser más flexibles. Un alto horno debe mantenerse en funcionamiento de forma continua. De lo contrario, se romperá. Con hornos de reducción directa, las empresas pueden adaptarse de forma mucho más flexible al mercado y producir aceros en diversas calidades. También nos sorprende que la industria del acero ya esté planificando y comenzando a realizar la conversión a tales plantas a gran escala en todo el mundo. Algunas plantas existentes ya se están convirtiendo en hidrógeno. En los nuevos años la industria del metal sufrirá uno de los mayores trastornos de la historia. Durante más de 3500 años, El hierro se ha producido (en principio) utilizando el mismo proceso de reducción.

¿Qué condiciones marco políticas deben crearse para que la producción de metales sea más sostenible?

Al tomar decisiones políticas, deberíamos, En todo caso, Analizar cómo las medidas legislativas como las subvenciones o prohibiciones afectan a la OC ₂ equilibrio a lo largo de ciclos de vida completos. Por ejemplo, si invirtiera mucho dinero en la producción de acero completamente electrolíticamente, sonaría genial. Sin embargo, un vistazo a la combinación de electricidad muestra que, como con el coche eléctrico, todavía hay un 25% de electricidad de lignito. Entonces no hemos ganado nada. La sostenibilidad también debe pensarse de forma sostenible. No sirve de nada presumir.

En tu opinión, ¿Dónde tendrían sentido las regulaciones legales?

Por ejemplo, en incentivos para ciclos cerrados de chatarra en la industria. Les daré un ejemplo:hay algunas compañías de automóviles que ya producen principalmente automóviles de aluminio en el segmento premium y, en algunos casos, procesar hasta 300, 000 toneladas de aluminio al año. Sin embargo, cuando los componentes se perforan fuera de la chapa, se pierde hasta el 45% del material. Ahora pensarías que recogerían su propia chatarra. Porque cuando el aluminio es tan puro, es como dinero en efectivo en la mano. Pero solo unas pocas empresas lo hacen de manera constante. Por ejemplo, aquí en la UE. De lo contrario, para muchas empresas sigue siendo mucho más barato comprar material nuevo en el mercado en lugar de establecer ciclos cerrados de chatarra. Y la mayor parte de la chatarra ya está mezclada, lo que reduce su valor a tan solo una décima parte. Por ejemplo, la creación de incentivos fiscales para ciclos separados de chatarra en una etapa temprana haría mucho más que simplemente recolectar cápsulas de café o envoltorios de papel de aluminio, que nosotros, como consumidores, producimos. Eso no quiere decir que no debamos preocuparnos por ellos. Pero en comparación con los residuos industriales, es cuestión de decimales.

¿Qué necesidades de investigación ve para los materiales metálicos sostenibles?

En este momento, Se utilizan muchas aleaciones diferentes en muchos productos porque todos tienen alguna propiedad especial. Inicialmente, observamos qué elementos se encuentran en las aleaciones cuando se usa una cierta cantidad de chatarra. Por ejemplo, ya se puede encontrar el neodimio extremadamente caro de los motores eléctricos de las ventanillas y similares en el aluminio reciclado que se usa en los automóviles hoy en día, porque no se separan antes de fundirse. Por lo tanto, encontramos más de 20 elementos en aleaciones que no habíamos tenido antes. Estamos investigando cómo tales impurezas cambian las propiedades de las aleaciones. Esperamos descubrir cuán impuro puede ser un material y aún así cumplir su propósito. Si podemos probar científicamente que un material puede ser menos puro, podemos aumentar el contenido de chatarra y así reducir masivamente el CO ₂ huella.

¿Se puede reciclar la chatarra de una industria en otra?

Estamos analizando esas posibilidades. Observamos sistemáticamente dónde se consume una gran cantidad de material y si podemos hacer aleaciones que puedan tolerar más impurezas. Por ejemplo, Hemos descubierto que la industria de la construcción utiliza cada vez más aleaciones de aluminio relacionadas con la aleación de aluminio-manganeso de latas de bebidas para tejas, revestimiento elementos de carga, ascensores, y similares. En el caso de las latas, la proporción de reciclaje y, por lo tanto, la cantidad de impurezas ya es bastante alta, porque la aleación es relativamente bondadosa y no tiene que poder hacer mucho. Ahora queremos investigar si la lata se desecha, que muchos países producen en cantidades mayores que en Alemania, también se puede utilizar para la construcción.

What is the second step for research?

We are trying to reduce the number of alloys and develop a kind of unitary alloy. This would be much better to recycle because much less sorting would be required. Hasta ahora, the specialization of materials has always been obtained at the price of a chemical change:Material scientists fiddle with the chemical composition until the fender, aircraft component, or turbine gets better. We would like to reduce this extreme diversification of varieties, which makes recycling difficult. A specific example:a car manufacturer could demand that a steel or aluminum producer use only two alloys instead of five, all of which have been perfected to impart a certain property such as strength or surface quality.

How could the diversity of alloys be limited?

The fundamental question here is whether we can achieve diversification not only through chemical composition but also primarily through changes in the micro- and nanostructure. This has traditionally worked well with metals. Sin embargo, you must invest a lot more effort in the production in order to achieve a certain size and orientation of the crystals (as an example). This approach shifts the basic approach of material production from materials chemistry to metal physics.

How many alloys do you expect would remain?

Por ejemplo, if you purchase an aluminum alloy today, you can choose between up to 280 alloys that can do anything that aluminum should be able to do. But if you look at what is really sold in large quantities, there are only 50 or 60 alloys left. And if you take a closer look at exactly what these alloys are supposed to achieve, you might end up with only 20 or 30 alloys. Por supuesto, that's just a rough estimate.

The CO ₂ emissions of the metal industry could also be reduced by using less material. Do you see possibilities to make car bodies lighter, ¿por ejemplo?

First of all:cars have become bigger and heavier in the past decades, partly because of additional equipment such as air conditioning, wiring, or on-board computers, which are considered the minimum standard today. And of course the situation is quite extreme with electric vehicles in which the battery alone weighs up to 800 kg. But you could add another 200 or 300 kg if the bodies hadn't already become much lighter because the alloys were getting harder and harder. Sin embargo, the competition among material manufacturers is still continuing to see who can supply the strongest steels and aluminum alloys. Because we are still at only about one tenth of the theoretically possible strength of these materials. So there is still a lot of research to be done to bring the materials to their physical limits.

Perhaps you as a metal researcher are not the right addressee for the next question. Nevertheless:would it make sense to replace metallic materials with plastics in some places?

You really are asking the wrong person. De hecho, polymer materials with carbon fibers have been propagated time and again for car bodies. But in terms of the ecological balance, this is really nonsense. The production of carbon fibers requires an extremely high amount of energy and releases large amounts of CO ₂ . And in the end, you can only throw most of these materials into the waste incineration plant. It is often stated that these polymer-based materials can be recycled. But you can really only chop them up and make mats out of them. Metals, por otra parte, can be recycled infinitely often, provided that the scrap is collected by type, the effect of impurities is understood and controlled, and the variety of alloys used is reduced. And lightweight magnesium components already come very close to polymer components in terms of weight but are completely recyclable.