Resumen ejecutivo
- El sector industrial es responsable de aproximadamente una cuarta parte de las emisiones directas de energía a nivel mundial, y la Agencia Internacional de la Energía estima que las emisiones industriales deben reducirse un 43% para 2030 (en comparación con 2019) para mantener al mundo en camino hacia las cero emisiones netas para 2050. Dado que las instalaciones industriales tienen una vida útil media de unos 20 años, las plantas instaladas a partir de 2030 deberán ser libres de emisiones desde el primer día.
- Cinco vías están emergiendo como el conjunto de herramientas fundamental para la descarbonización industrial: la electrificación mediante energía renovable, las mejoras integradas en la eficiencia energética, la captura y almacenamiento de carbono (CAC), los combustibles verdes como el hidrógeno y los biocombustibles, y la expansión del reciclaje de metales y plásticos para reducir la demanda de materias primas.
- Tres industrias dominan las emisiones industriales globales y requieren la descarbonización más agresiva. El cemento lidera con un 8-9% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero, seguido por el acero y el hierro con aproximadamente un 7%, y los productos químicos y plásticos con alrededor de un 5% (lo que representa el 18% del CO2 industrial). Cada una requiere una combinación diferente de soluciones, incluyendo la reducción directa con hidrógeno en el acero, los craqueadores eléctricos en la petroquímica y formulaciones con menor contenido de clínker en el cemento.
- La actividad en patentes y publicaciones científicas sobre descarbonización se ha acelerado drásticamente desde 2019. La mayoría de las patentes se clasifican en química/metalurgia y operaciones/transporte, con un fuerte enfoque en absorbentes para la captura de carbono y la fabricación de acero, cemento, hidrógeno y combustibles alternativos más limpios. El despliegue comercial va por detrás de la investigación, pero el impulso es claramente creciente.
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. Reducir estas emisiones es urgente 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 se comprometieron a limitar las emisiones de gases de efecto invernadero para que el aumento de la temperatura media a largo plazo se limite a 1,5 °C por encima de la media preindustrial (1850-1900). La AIE señala que, para cumplir con los objetivos de emisiones de 2050, las emisiones industriales deben disminuir un 43% para 2030, en comparación con las emisiones de 2019, y continuar descendiendo a partir de entonces.
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A medida que tecnologías de descarbonización como los paneles solares y las baterías han madurado, los científicos están centrando su atención en la descarbonización industrial. Dado que las instalaciones industriales tienen una vida útil media de 20 años, es fundamental que las instalaciones instaladas a partir de 2030 no emitan emisiones, lo que significa que las industrias necesitan soluciones tecnológicas ahora. Analizamos la CAS Content CollectionTM, el mayor repositorio de información científica curado por expertos, y encontramos un fuerte aumento en las publicaciones relacionadas con la descarbonización desde 2019 (ver Figura 1).
El crecimiento en las publicaciones científicas ha sido notable, lo que sugiere que la investigación está floreciendo mientras que la comercialización podría estar todavía a unos años de distancia. Descarbonizar industrias pesadas como la producción de acero y cemento ha resultado difícil, ya que estos procesos utilizan un calor extremo generado por combustibles fósiles para impulsar diversos procesos y reacciones de producción. Reemplazar los procesos basados en combustibles fósiles ha sido, en gran medida, técnica y económicamente inviable.
Sin embargo, no hay tiempo que perder mientras el mundo sigue batiendo récords de temperatura, incluyendo superar los 1,5 °C por primera vez en 2024, y experimentando tormentas, sequías e incendios forestales cada vez más graves. Para apoyar los esfuerzos de sostenibilidad, examinamos cinco vías principales para la descarbonización industrial que ahora se benefician de mejores tecnologías y aplicaciones más amplias.
5 vías para una descarbonización industrial exitosa
- Electrificación: La combustión directa de combustible es responsable del 73% del consumo energético industrial mundial, mientras que solo el 27% proviene de la electricidad. Existe una amplia oportunidad para electrificar más procesos industriales, al igual que el transporte y la calefacción se han electrificado cada vez más. Sin embargo, para lograr un progreso significativo en la reducción de emisiones, las fuentes eléctricas utilizadas para los procesos industriales deben ser renovables, como la eólica y la solar.
- 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 generar hasta un 90% de ahorro energético. Las consideraciones principales incluyen los sistemas de vapor y la recuperación de calor, ya que representan un uso extensivo de la energía industrial. Por ejemplo, el uso de aire enriquecido con oxígeno para reaccionar con el combustible puede asegurar una combustión completa y mayores concentraciones de CO2 en los gases de escape, que luego pueden capturarse antes de ser emitidos a la atmósfera.
- Captura y almacenamiento de carbono: Los procesos industriales como la producción de cemento utilizan altas temperaturas, que se alcanzan con combustibles fósiles de forma fácil y económica. Ha sido difícil alcanzar estas temperaturas y equiparar los métodos actuales con fuentes de energía descarbonizadas. En estas situaciones donde el uso de combustibles fósiles es la única opción viable, las industrias pueden utilizar la captura y almacenamiento de carbono (CAC), donde el CO2 capturado se licúa y se secuestra geológicamente en las profundidades del subsuelo. En ciertos casos, el CO2 capturado puede utilizarse como materia prima en la producción química.
Se prevé que la tasa de captura global alcance entre 2 y 12 GtCO2/año, siendo la industria la responsable de la mayor parte de esta cantidad. El interés por la CAC ha crecido recientemente, con más de 700 proyectos en diversas fases de desarrollo en todo el mundo; sin embargo, será necesario acelerar y ampliar esta estrategia para cumplir los objetivos de cero emisiones netas.
- Combustibles verdes: La transición hacia combustibles sin emisiones será fundamental para la descarbonización industrial. Entre ellos se incluye el hidrógeno, que no libera emisiones al quemarse como sustituto de los combustibles fósiles, aunque su producción sostenible puede resultar compleja.
Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor, un proceso intensivo en emisiones. Para descarbonizarlo, las industrias pueden optar por la CAC o por el hidrógeno verde. Este último se obtiene utilizando electricidad generada por fuentes renovables para separar las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno puede almacenarse para su uso posterior, ya sea como combustible o como materia prima para el amoniaco verde.
Los biocombustibles también pueden utilizarse en sustitución de los combustibles fósiles, por ejemplo, en el combustible de aviación, o como materia prima para diversos productos químicos. Suelen derivarse de la biomasa, principalmente residuos agrícolas, madera y otros desechos orgánicos.
- Reciclaje: Se espera que el reciclaje desempeñe un papel fundamental 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 en 2022 se estimó que solo se reciclaba el 9% de los plásticos a nivel mundial. Existe una necesidad urgente de innovaciones tecnológicas que mejoren los procesos de reciclaje de plásticos y amplíen tanto la recogida como el uso de materiales reciclados.
Descarbonización de las tres industrias con mayores emisiones
No todas las industrias generan 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 la siderúrgica, la química/plásticos y la cementera. Cada una de ellas puede beneficiarse de las diversas vías de descarbonización y, a medida que las tecnologías estén disponibles comercialmente, serán también más viables económicamente. 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).
- 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 (BF) o el horno básico de oxígeno (BOF). El mineral de hierro se reduce calentándolo con coque (carbón purificado) en un alto horno. La modificación posterior del contenido de carbono y la aleación del acero tienen lugar en un BOF. En el BOF también se añade hasta un 30% de chatarra de acero reciclada (acero secundario) para limitar la necesidad de mineral de hierro bruto. Las emisiones medias del proceso BF/BOF oscilan entre 1,8 y 2,8 toneladas por tonelada de acero. La combustión de carbón utilizada en el BF/BOF, el coque empleado 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 altos hornos del 70% actual al 30%, duplicar el uso de hornos de arco eléctrico (EAF) para el reciclaje de chatarra, la captura de carbono y el uso de hidrógeno como combustible limpio. Se están explorando otros procesos para reducir las emisiones de la industria siderúrgica, como los EAF en sustitución de los BOF y el proceso HIsarna para eliminar las etapas de altas emisiones en el proceso de producción. El uso de biocombustibles o hidrógeno —ya sea mediante CAC o hidrógeno verde— para alimentar los BF/BOF es también una estrategia viable:
- Química/plásticos: Electrificación, eficiencia energética, CAC, combustibles verdes y reciclaje. La industria petroquímica representa el 5% de las emisiones mundiales de GEI y el 18% de las emisiones industriales de CO2. Más del 85% de las emisiones de la producción química se generan al quemar combustibles para obtener 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 sus emisiones entre un 30% y un 45% respecto a los niveles actuales. Del total de la reducción de emisiones necesaria, se espera que la optimización de los procesos y las mejoras en 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 a otro 25%. Se prevé que el reciclaje de plásticos y la captura de carbono contribuyan a una reducción de las emisiones del 15% y el 35%, respectivamente.
- Cemento: Eficiencia energética, CAC y combustibles verdes. La industria cementera libera entre el 8% y el 9% del total mundial de emisiones de GEI, consume entre el 2% y el 3% de la demanda energética mundial y representa el 9% de las extracciones industriales de agua. La producción de 1 kg de cemento Portland ordinario libera una media de unos 0,86 kg de CO2. El cemento es el material más utilizado en el mundo, por lo que, aunque el CO2 emitido por kg de cemento producido sea inferior al de otros materiales, sus elevados volúmenes de producción hacen que el cemento sea una industria vital para descarbonizar.
La producción de cemento implica un proceso llamado cocción, que requiere altas temperaturas (~1500 °C) para producir los materiales base, llamados "clínker", que reaccionan con el agua para formar hormigón. Las dos causas principales de las emisiones de CO2 durante la fabricación de cemento son las emisiones derivadas 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 (piedra caliza) en CaO (cal), un ingrediente clave del clínker. Reducir la cantidad de calor necesaria para el proceso será importante para disminuir las emisiones, por lo que serán necesarias una mayor eficiencia energética, la captura de las emisiones inevitables de CO2 y la transición a combustibles verdes.
Las nuevas patentes pueden impulsar la innovación en descarbonización
Aunque las publicaciones en revistas mostraron el mayor aumento en la CAS Content Collection, también ha habido muchos avances patentados importantes que podrían llevar innovaciones clave al uso comercial. Desarrollamos un panorama de patentes utilizando los códigos de la 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/metalurgia y operaciones/transporte. La sección de operaciones contiene principalmente procesos relacionados con la captura de carbono mediante productos químicos y absorbentes. La sección de química/metalurgia contiene patentes relacionadas con la fabricación de acero, cemento, hidrógeno y combustibles alternativos.
Los investigadores también han explorado cómo sería un cronograma 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 del sector y los científicos.
La descarbonización de la industria pesada ha avanzado lentamente por muchas razones, principalmente porque las tecnologías adecuadas no existían o no eran económicas. Sin embargo, el aumento de la investigación en los últimos años está cambiando esta situación, como demuestran las instalaciones de hidrógeno verde a gran escala y el crecimiento de las fuentes de energía renovables para impulsar la electrificación. Los retos siguen siendo considerables, pero el impulso está creciendo y los procesos industriales están preparados para reducir sus emisiones.
