Cinco vías hacia la descarbonización industrial

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), el sector industrial representó una cuarta parte de las emisiones directas del sistema energético mundial en 2022. Es urgente reducir estas emisiones si el mundo quiere limitar el calentamiento global y alcanzar los objetivos de cero emisiones netas. Lo más importante es que, en virtud del Acuerdo de París, los países acordaron limitar las emisiones de gases de efecto invernadero para que el aumento medio de la temperatura a largo plazo se limite a 1,5 °C por encima de la media preindustrial (1850-1900). La AIE señala que, para cumplir los objetivos de emisiones de 2050, las emisiones industriales deben reducirse en un 43 % para 2030, en comparación con las emisiones de 2019, y seguir disminuyendo a partir de entonces.

Una vez que han ido madurando las tecnologías de descarbonización, como los paneles solares y las baterías, los científicos centran ahora su atención en la descarbonización industrial. Dado que las instalaciones industriales tienen una vida útil media de 20 años, es fundamental que las instalaciones construidas a partir de 2030 no generen emisiones, lo que significa que las industrias necesitan soluciones tecnológicas ahora mismo. Hemos analizado la Colección de contenidos CAS^TM, el mayor repositorio de información científica seleccionada por expertos, y hemos observado un fuerte aumento de las publicaciones relacionadas con la descarbonización desde 2019 (véase la Figura 1).

El crecimiento de las publicaciones en revistas ha sido notorio, lo que sugiere que la investigación es pujante, aunque la comercialización aún puede retrasarse algunos años. La descarbonización de industrias pesadas como la producción de acero y cemento ha resultado difícil, ya que estos procesos utilizan el calor extremo generado por los combustibles fósiles para facilitar diversos procesos y reacciones de producción. Sustituir los procesos basados en combustibles fósiles ha sido en gran medida inviable desde el punto de vista tecnológico y económico.

Sin embargo, no hay tiempo que perder, ya que el mundo sigue batiendo récords de temperatura, incluida la superación del umbral de 1,5 °C por primera vez en 2024, y sufre tormentas, sequías e incendios forestales cada vez más graves. Para contribuir a los esfuerzos de sostenibilidad, examinamos cinco vías principales para la descarbonización industrial que actualmente se benefician de mejores tecnologías y aplicaciones más amplias.

Cinco vías hacia una descarbonización industrial positiva

1. Electrificación: la combustión directa de combustibles es responsable del 73 % del consumo energético industrial mundial, mientras que solo el 27 % proviene de la electricidad. Existen amplias oportunidades para electrificar más procesos industriales, al igual que se ha hecho con el transporte y la calefacción. Sin embargo, para lograr avances significativos en la reducción de emisiones, las fuentes eléctricas utilizadas en los procesos industriales deben ser renovables, como la eólica y la solar.

2. Eficiencia energética: la eficiencia energética industrial se centra principalmente en la adquisición de equipos más eficientes, pero el diseño de sistemas integrados basados en la eficiencia energética podría suponer un ahorro de energía de hasta el 90 %. Entre las consideraciones más importantes se encuentran los sistemas de vapor y de recuperación de calor, ya que representan un uso intensivo de la energía industrial. Por ejemplo, el uso de aire enriquecido con oxígeno para reaccionar con el combustible puede garantizar una combustión completa y mayores concentraciones de CO₂ en los gases de escape, que luego pueden capturarse antes de emitirse a la atmósfera.

3. Captura y almacenamiento de carbono: los procesos industriales como la producción de cemento utilizan altas temperaturas, que se consiguen fácilmente y a bajo coste con combustibles fósiles. Ha sido difícil alcanzar estas temperaturas y adaptar los métodos actuales a fuentes de energía descarbonizadas. En estas situaciones en las que el uso de combustibles fósiles es la única opción viable, las industrias pueden recurrir a la captura y almacenamiento del carbono (CAC), mediante la cual el CO₂ capturado se licua y almacena geológicamente en profundidades subterráneas. En determinados casos, el CO₂ capturado puede utilizarse como materia prima en la producción química. 

Se prevé que la tasa de captura mundial alcance entre 2 y 12 GtCO₂/año, y que la mayor parte de esta cantidad sea capturada por las industrias. El interés por la CAC ha crecido recientemente —hay más de 700 proyectos en diversas fases de desarrollo en todo el mundo—, pero esta estrategia deberá acelerarse y ampliarse para alcanzar los objetivos de cero emisiones netas.

4. Combustibles verdes: pasar a combustibles sin emisiones será crucial para la descarbonización industrial. Entre ellos se encuentra el hidrógeno, que no libera emisiones cuando se quema como sustituto de los combustibles fósiles, pero cuya producción sostenible puede resultar difícil. 

Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce mediante el reformado del metano con vapor, pero se trata de un proceso que genera muchas emisiones. Para descarbonizarlo, las industrias pueden utilizar la CAC o apostar por el hidrógeno verde. Para ello, se utiliza electricidad generada por fuentes renovables para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. A continuación, el hidrógeno puede almacenarse para su uso futuro, ya sea como combustible o como materia prima para el amoníaco verde. 

Los biocombustibles también pueden utilizarse en lugar de los combustibles fósiles, por ejemplo, en el combustible para aviación o como materia prima para diversos productos químicos. A menudo se obtienen a partir de la biomasa, normalmente residuos agrícolas, madera y otros residuos orgánicos.

5. Reciclaje: se espera que el reciclaje desempeñe un papel importante en la reducción de la demanda mundial de materias primas, especialmente en las industrias del acero, el aluminio y los plásticos. Las tasas de reciclaje de metales suelen superar el 50 %, pero se estimó que en 2022 solo se reciclaba el 9 % de los plásticos mundiales. Existe una necesidad urgente de innovaciones tecnológicas para mejorar los procesos de reciclaje de plásticos y ampliar tanto la recogida como el uso de materiales reciclados.

Descarbonizar las tres industrias con mayores emisiones

No todas las industrias producen la misma cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Como se observa en la Figura 2, las tres industrias con mayores emisiones son las del acero/hierro, química/plásticos y cemento. Cada una de estas industrias puede beneficiarse de las diversas vías de descarbonización y, a medida que las tecnologías se comercialicen, también será más viables desde el punto de vista económico. Aunque las emisiones del aluminio son actualmente bajas, su uso está destinado a crecer debido a la necesidad de materiales ligeros para mejorar la eficiencia energética (ref.).

1. Acero/hierro: electrificación, CAC, combustibles verdes. La industria siderúrgica representa el 7 % de las emisiones mundiales de GEI. El método más utilizado para la producción de acero es el alto horno (AH) o el horno básico de oxígeno (HBO). El mineral de hierro se reduce calentándolo con coque (carbón purificado) en un AH. En un HBO se lleva a cabo una modificación adicional del contenido de carbono y la aleación del acero. También se añade hasta un 30 % de chatarra reciclada (acero secundario) en el HBO para limitar la necesidad de mineral de hierro en bruto.Las emisiones medias del proceso AH/HBO oscilan entre 1,8 y 2,8 toneladas por tonelada de acero.  La combustión del carbón utilizado en el AH/HBO, el coque utilizado para la reducción y la carburación son las principales fuentes de emisiones de CO₂.

La AIE estima que, para alcanzar las cero emisiones netas en 2050, las emisiones de CO₂ de la industria siderúrgica deben reducirse a 600 kg por tonelada de acero. Las estrategias para alcanzar este objetivo incluyen reducir el uso de AH del 70 % actual al 30 %, duplicar el uso de hornos de arco eléctrico (HAE) para el reciclaje de chatarra de acero, capturar el carbono y usar hidrógeno como combustible limpio. Se están explorando otros procesos para reducir las emisiones de la industria siderúrgica, como los HAE en lugar de los HBO y el proceso HIsarna, para eliminar las etapas de altas emisiones en el proceso de producción. El uso de biocombustibles o hidrógeno —ya sean CAC o hidrógeno verde— para alimentar los AH/HBO también es una estrategia viable:

2. Productos químicos/plásticos: Electrificación, eficiencia energética, CAC, combustibles verdes y reciclaje.Los productos petroquímicos representan el 5 % de las emisiones globales de GEI y el 18 % de las emisiones industriales de CO₂. Más del 85 % de las emisiones de la producción química se emiten cuando se queman combustibles para proporcionar calor o vapor, ya que muchos de los procesos de producción requieren altas temperaturas. Las otras fuentes principales de emisiones son la generación de hidrógeno a partir de combustibles fósiles para la síntesis química, la producción de materias primas químicas a partir de combustibles fósiles y la energía necesaria para las etapas de destilación y filtración.

Para cumplir los objetivos de cero emisiones netas, la industria debe reducir las emisiones entre un 30 % y un 45 % con respecto a los niveles actuales. Del total de la reducción de emisiones requerida, se espera que la optimización de los procesos y la mejora de la eficiencia energética, como mejores métodos de separación y gestión del calor, contribuyan en un 25 %. La sustitución del carbón por gas natural o electricidad puede contribuir en otro 25 %. Se espera que el reciclaje de plásticos y la captura de carbono contribuyan con una reducción del 15 % y el 35 % de las emisiones, respectivamente.

3. Cemento: eficiencia energética, CAC y combustibles verdes. La industria del cemento emite entre el 8 % y el 9 % del total de las emisiones de GEI a nivel mundial, consume entre el 2 % y el 3 % de la demanda energética mundial y representa el 9 % de la extracción industrial de agua. La producción de 1 kg de cemento Portland ordinario emite una media de 0,86 kg de CO₂. El cemento es el material más utilizado del mundo, por lo que, aunque las emisiones de CO₂ por kg de cemento producido son inferiores a las de otros materiales, sus elevados volúmenes de producción hacen que la industria cementera sea esencial en la descarbonización. 

La producción de cemento implica un proceso denominado «cocción», que requiere altas temperaturas (~1500 °C) para producir los materiales básicos, denominados «clinker», que reaccionan con el agua para formar el hormigón. Las dos causas principales de las emisiones de CO₂ durante la fabricación del cemento son las emisiones procedentes de la quema de combustibles para alcanzar las altas temperaturas necesarias en el proceso de cocción y las emisiones de CO₂ procedentes de la descomposición del CaCO₃ (caliza) en CaO (cal), un ingrediente clave del clinker. Reducir la cantidad de calor necesario para el proceso será importante para reducir las emisiones, por lo que será necesario aumentar la eficiencia energética, capturar las emisiones de CO₂ inevitables y pasar a combustibles verdes. 

Las nuevas patentes pueden impulsar la innovación en materia de descarbonización

Aunque las publicaciones en revistas especializadas registraron el mayor aumento en la Colección de contenidos CAS, también se han producido muchos avances importantes patentados que podrían aportar innovaciones clave para su uso comercial. Hemos elaborado un panorama de las patentes utilizando los códigos de clasificación internacional de patentes (CIP) para analizar más a fondo la actividad reciente (véase la Figura 3). Las patentes relacionadas con la descarbonización pertenecen a dos secciones principales: química/metalúrgica y técnicas industriales/transporte. La sección de técnicas industriales contiene principalmente procesos relacionados con la captura de carbono mediante productos químicos y sorbentes. La sección de química/metalúrgica contiene patentes relacionadas con la fabricación de acero, cemento, hidrógeno y combustibles alternativos.

Los investigadores también han explorado el posible calendario para la descarbonización industrial (véase la Figura 4). Es posible que varios países alcancen estos objetivos antes de las fechas especificadas, pero este marco puede servir de guía general para los responsables políticos, los líderes industriales y los científicos.

La descarbonización de la industria pesada ha avanzado lentamente por muchas razones, sobre todo porque inexistencia o falta de rentabilidad de las tecnologías adecuadas. Sin embargo, el aumento de la investigación en los últimos años está cambiando las tornas, con instalaciones de hidrógeno verde a gran escala y el crecimiento de las fuentes de energía renovables para la electrificación. Los retos siguen siendo cuantiosos, pero el impulso es cada vez mayor y los procesos industriales están a punto de reducir sus emisiones.