Después del hierro el metal más utilizado:cada año se producen 94 toneladas de aluminio electrolíticamente en todo el mundo. Hasta ahora, la electricidad para esto ha venido de centrales hidroeléctricas, pero a menudo también de centrales eléctricas convencionales. De media, la producción de una tonelada de aluminio en Alemania genera, por tanto, más de ocho toneladas de CO 2 . Crédito:123RF
Seis por ciento del CO global 2 emisiones — 4.4. mil millones de toneladas por año, actualmente son producidas por la industria del acero y el aluminio. En un artículo de resumen para la revista Naturaleza , Dierk Raabe, Director del Max-Planck-Institut für Eisenforschung en Düsseldorf, y científicos del MIT en Cambridge Massachusetts describen cómo el inmenso CO 2 se puede reducir la huella en la producción y el uso de metales. Por un lado, proponen medidas que pueden implementarse rápidamente y con relativamente poco esfuerzo. Por otra parte, formulan metas a largo plazo que sólo pueden lograrse con la ayuda de una investigación básica integral.
Las sociedades modernas difícilmente podrían funcionar sin metales:solo se producen 1,7 mil millones de toneladas de acero y 94 millones de toneladas de aluminio al año. Apoyan literalmente la producción industrial, edificios y transporte, así como suministro de energía, telecomunicaciones y medicina. Y para 2050, la cantidad de materiales metálicos producidos y utilizados anualmente podría volver a duplicarse, e incluso triplicarse, para algunos materiales. Sin embargo, La extracción de metales de los minerales consume mucha energía y produce enormes cantidades de CO. 2 emisiones, contribuyendo así al cambio climático. Los productores de acero y aluminio emiten el 30% de los gases de efecto invernadero emitidos por las empresas industriales en todo el mundo. "Debemos reducir estos CO industriales 2 emisiones, ", dice Dierk Raabe." Y la industria de los metales puede hacer una contribución significativa ". Entre otras cosas, porque las naciones industrializadas quieren ser en gran medida climáticamente neutrales (es decir, tener un CO positivo 2 saldo) a partir de 2050.
Creciente demanda de materiales metálicos y disminución de CO 2 presupuesto:para conciliar estos escenarios, Dierk Raabe analiza cómo reducir el CO 2 emisiones en la industria del metal junto con los investigadores del MIT C. Cem Tasan y Elsa A. Olivetti. "Esta es una tarea para ambos, industria e investigación básica, ", dice el científico de Max Planck." Por un lado, la industria del metal ya tiene oportunidades para reducir eficazmente el CO 2 A corto plazo. Sin embargo, todavía hay muchas áreas potenciales para la investigación básica en el desarrollo de aleaciones sostenibles ". Los científicos arrojaron luz sobre cinco campos en los que las empresas industriales y los investigadores pueden, y deben, participar activamente:
Más sostenibilidad en la producción y el procesamiento
Para reducir el CO 2 emisiones en producción, la industria debe reciclar más chatarra. Derretir un metal consume considerablemente menos energía que extraerlo de su mineral. "Esto se aplica sobre todo a los residuos generados en la propia industria del metal porque se trata de grandes cantidades, y se pueden separar de forma relativamente homogénea, "dice Dierk Raabe.
En la producción de metales y sus aleaciones, CO 2 -Se requieren cada vez más procesos neutrales. De este modo, los respectivos minerales se pueden reducir electrolíticamente directamente a los metales correspondientes con electricidad regenerada. Sin embargo, los metales también se pueden obtener en su totalidad o en parte con la ayuda de hidrógeno regenerativo.
Las empresas también pueden ahorrar mucha energía y, por lo tanto, CO 2 al procesar metales, especialmente reduciendo las pérdidas considerables que se producen en todas las etapas. Por ejemplo, El 40% del aluminio fundido se pierde incluso antes de que se convierta en una hoja de metal. En el caso del acero, esta chatarra asciende al 25% al comienzo del procesamiento.
La industria del acero mira hacia el futuro hacia un cambio sostenible:el hierro todavía se produce en gran medida hoy en día en altos hornos y con carbón como agente reductor. En el futuro, El hidrógeno producido de forma regenerativa podría utilizarse inicialmente, pero a largo plazo, los altos hornos deberían incluso ser reemplazados por celdas de electrólisis, si la electricidad proviene de fuentes regenerativas. Crédito:123RF
La ciudad como mina:clasificación y reciclaje
Para poder incrementar la proporción de metal reciclado, la chatarra debe clasificarse mejor, ya que una aleación cumple su función solo si no contiene demasiadas impurezas. Por lo tanto, el reciclaje necesita técnicas sofisticadas para identificar, separar, limpio, y triturar aleaciones. Antes de que estos procesos sean perfeccionados y competitivos, la investigación para la industria del metal podría desarrollar aleaciones cuyas propiedades apenas se vean afectadas, o nada, por las impurezas. Los metalúrgicos se dedican cada vez más a mejorar las posibilidades de reciclaje.
Diseño de aleación sostenible para materiales reciclables
Por un lado, Los investigadores ya están investigando aleaciones para diversas aplicaciones cuyas propiedades no se ven afectadas significativamente por impurezas. Sin embargo, primero deben comprender cómo los rastros más pequeños de otros elementos pueden afectar una aleación en la que en realidad no deberían aparecer. Por otra parte, Los científicos de materiales están perfeccionando las posibilidades de controlar el comportamiento de los materiales metálicos no solo por su composición química sino también por su micro y nanoestructura. Cuando el número de aleaciones que difieren químicamente disminuye, resulta más fácil separar y reciclar la chatarra. En una dirección similar, se están realizando esfuerzos para componer aleaciones unitarias o cruzadas. Dichas aleaciones deberían poder realizar diversas tareas para las que se desarrollaron previamente materiales especializados. "La investigación en materiales metálicos se enfrenta a un cambio de paradigma, "dice Dierk Raabe." Hasta ahora, Las aleaciones se han optimizado para un solo uso. Todavía, en el futuro, tendremos que prestar más atención a la reciclabilidad al diseñar la composición y las propiedades ".
Mayor vida útil gracias a la protección contra la corrosión y al uso repetido
La huella ecológica de la industria del metal se puede reducir drásticamente simplemente haciendo que las aleaciones (o los componentes fabricados con ellas) sean más duraderas. Será necesario producir menos metales para reemplazarlos. "Sobre todo, la protección contra la corrosión tendría un gran efecto aquí, ", dice Dierk Raabe. La industria del metal y los científicos de materiales se ocupan de diferentes tipos de corrosión según el metal involucrado y el entorno químico en el que se utilice un material. Esto va desde el óxido convencional u otras formas de corrosión electroquímica hasta el desgaste causado por componentes mecánicos pesados. el estrés y la fragilización por hidrógeno. Los esfuerzos para contrarrestarlos son tan variados como los propios efectos corrosivos. La industria protege muchos metales de la descomposición electroquímica con ánodos de sacrificio (cuyo material se corroe primero). Los científicos de materiales también están investigando aleaciones que curan las grietas y otros se dañan a sí mismos al cambiar su microestructura También están desarrollando recubrimientos que pueden eliminar (o al menos mitigar) los daños por corrosión.
Corroído por hidrógeno:en fragilización por hidrógeno, el elemento perfora metales de modo que se forman grietas muy rápidamente y el material se rompe. Si es hidrógeno, cuyas diminutas moléculas penetran muchos materiales, se utiliza cada vez más en el futuro, esta forma de corrosión podría convertirse en un problema aún mayor. Crédito:MPI für Eisenforschung
Sin embargo, no todos los componentes metálicos se descartan o reemplazan porque están desgastados o corroídos. A menudo deben ceder por motivos económicos. Usarlos en otro lugar sin fundirlos primero y luego volver a producir el mismo componente también ahorraría mucha energía. "Para crear cadenas de reciclaje adecuadas, Deben establecerse incentivos adecuados a nivel político, "dice Dierk Raabe.
Eficiencia energética a través de una construcción liviana y una mejor resistencia a la temperatura.
El ecobalance de los propios productos metálicos puede mejorarse utilizándolos durante el mayor tiempo posible. Sin embargo, También se puede ahorrar energía si el diseño de los materiales y componentes se optimiza en consecuencia. Por ejemplo, los coches con carrocerías más ligeras consumen menos combustible, y las turbinas que pueden operar a temperaturas más altas generan electricidad más eficiente a partir del calor de los combustibles fósiles. En algunos casos, la eficiencia de la aplicación aún puede mejorarse mediante el diseño de los componentes; La impresión 3D crea aquí nuevas posibilidades. En muchos casos, sin embargo, una vez más, se pide a los metalúrgicos que desarrollen las aleaciones adecuadas. Al cambiar la composición y la microestructura, pueden aumentar la resistencia de los materiales, reducir su densidad, o aumentar su resistencia a las altas temperaturas.
"Los materiales metálicos son indispensables en una economía moderna, "resume Dierk Raabe". Afortunadamente, tenemos numerosas oportunidades para adaptarlos a un entorno sostenible y, sobre todo, de CO 2 -neutral — economía ".
