Un juego de la industria del acero

Dan Carrigan, técnico de investigación del NRRI, conSteve Zaitz, técnico sénior de investigación, mide las bolas verdes que se dispararán en el horno Pot Grate para un proyecto de investigación.

Un paseo en bicicleta entre dos investigadores de minerales del norte de Minnesota puede convertirse en uno de los mayores avances de la industria siderúrgica nacional.

Investigadores del laboratorio Coleraine del Instituto de Investigación de Recursos Naturales (NRRI), un laboratorio de conversión de minerales, metalurgia y biomasa en Coleraine, Minnesota, están probando biocarbono diseñado que podría reemplazar parte del carbono fósil utilizado en la producción de acero en hornos de arco eléctrico ( EAF), dicen los funcionarios del laboratorio.

"Con la transición en curso de los altos hornos a la fabricación de acero por arco eléctrico, todos en la industria están buscando cómo reducir su huella de carbono", dijo Kevin Kangas, director del laboratorio de Coleraine. "Están estudiando cómo producir materia prima para los EAF y cómo reducir las emisiones en todo, desde la mina hasta los vagones".

Reemplazar los combustibles fósiles utilizados en la industria siderúrgica nacional por combustibles de biomasa neutros en carbono (también llamados productos de biocarbono diseñados) es un desafío.

Desde los inicios de la industria siderúrgica, los combustibles fósiles han sido la base energética y la fuente de carbono para la fabricación de acero nacional.

Sin embargo, en las últimas décadas las siderúrgicas nacionales ya han logrado avances significativos para volverse más ecológicas.

La industria siderúrgica estadounidense es la más limpia y energéticamente eficiente de las principales industrias siderúrgicas del mundo, según el Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI), con sede en Washington, DC.

Una gran parte de esto se debe al uso de pellets de mineral de hierro de origen nacional, el alto porcentaje de acero elaborado a partir de chatarra reciclada y un mayor uso de gas natural en lugar de carbón y coque en la fabricación de acero, lo que resulta en menores emisiones, según la AISI.

Pero a medida que los fabricantes de acero buscan volverse aún más ecológicos, la demanda de carbono no fósil que ofrezca emisiones reducidas de carbono es enorme, dijo Kangas.

"Hay muchos clientes interesados ​​en un producto de biomasa para esto, aquello o lo otro", afirmó Kangas. "Pero muchas veces ni siquiera saben cómo empezar".

Ahí es donde entra en juego el laboratorio Coleraine.

El laboratorio, ubicado en 27 acres en un antiguo sitio de US Steel cerca del centro de Coleraine, realiza investigaciones sobre técnicas innovadoras de minería, procesamiento y fabricación de acero que ayudan a las industrias de taconita y acero del estado y la nación.

El laboratorio realiza pruebas a escala de banco y pruebas a nivel piloto destinadas a llevar ideas al uso comercial.

Una subvención de 4 millones de dólares del Departamento de Energía de Estados Unidos está ayudando a impulsar el proyecto de biomasa/biocarbono.

"Es un proyecto apasionante", afirmó Rolf Weberg, director ejecutivo de NRRI. "Fuimos recompensados ​​por tener una propuesta realmente buena que toma el biocarbono, por así decirlo, y lo hace apto para su uso en un horno de arco eléctrico".

La investigación sobre biomasa en Coleraine se centra en convertir productos renovables en una forma que pueda utilizarse en los EAF, dijo Weberg.

Los combustibles renovables para la industria EAF podrían producirse potencialmente a partir de madera, desechos agrícolas u otros recursos renovables.

En Coleraine, la atención se centra actualmente en la biomasa leñosa.

Pero debido a que algunos productos renovables son livianos y se mueven si se introducen en un EAF en forma cruda, el material necesita convertirse en un producto que no se vuele dentro de un EAF, dijo Weberg.

Un combustible EAF renovable podría venir en forma de briquetas, pellets u otra forma, dijo Weberg.

Brett Spigarelli, ingeniero metalúrgico del laboratorio de Coleraine, dice que la alimentación de biocarbono para EAF que se está desarrollando en el laboratorio está hecha de productos renovables producidos en Minnesota.

"Lo que estamos fabricando son productos de biocarbono diseñados", dijo Spigarelli. “Si tiene éxito, probablemente podrá reemplazar en los EAF más del 90 por ciento del carbón que se utiliza, pero no podrá reemplazar elementos como el gas natural. Pero esperamos que sea un reemplazo para cualquier lugar donde se utilice carbono fósil en las instalaciones. Fabricaremos toneladas de biocarbono en Coleraine y lo enviaremos a nuestros socios del proyecto en una instalación de Nucor y lo colocaremos en sus EAF de grado comercial”.

Curiosamente, la idea de desarrollar un producto de biocarbono en Coleraine surgió durante un paseo en bicicleta por grava en el que Spigarelli y Matt Mlinar, investigador interino de minerales y metalurgia del laboratorio de Coleraine y líder del grupo, comenzaron a hablar sobre el proyecto, dijo Spigarelli.

“Matt y yo estábamos paseando ideas de un lado a otro”, dijo Spigarelli. "Fue una suerte de tonta, pero siempre estamos pensando en formas en que podemos utilizar nuestros recursos".

La investigación y las pruebas en el laboratorio han llevado al desarrollo de un producto de biocarbono que es lo suficientemente denso y contiene suficiente energía para ser utilizado en EAF, dijo Mlinar.

"Nuestra innovación es donde descubrimos que a través de nuestra tecnología podemos replicar algunas de las propiedades químicas, físicas y metalúrgicas de los combustibles fósiles utilizando biomasa leñosa", dijo Mlinar.

Quien encuentre un producto que funcione eficientemente en EAF, tendrá un mercado enorme para el producto, afirmó Weberg.

Y Minnesota, a través del NRRI, espera estar a la vanguardia.

"Si nos fijamos en el hierro y el acero en general, Minnesota tiene una oportunidad realmente maravillosa de lograr un impacto global en las emisiones de carbono al acelerar realmente la idea del hierro verde", dijo Weberg. “Eso comienza tomando un electrón verde y produciendo hierro verde a partir de él. Es un concepto apasionante, pero el diablo está en los detalles. Esas son las piezas en las que NRRI, debido a que hemos invertido en todo el instituto, está preparado para asociarse con el gobierno estatal y el gobierno federal y más allá para brindar ese tipo de oportunidades a Minnesota”.

Minnesota, el NRRI, su laboratorio Coleraine y sus grupos forestales y de recursos hídricos en Hermantown están trabajando juntos en la investigación y el desarrollo de productos EAF de biomasa, dijo Weberg.

Desarrollar un producto de biomasa que pueda producirse a gran escala cambiaría las reglas del juego para la región, el estado, la nación y la industria del acero, dijo.

"Es emocionante porque encaja en una conversación más amplia que se está iniciando en todo el norte de Minnesota", dijo Weberg. "La idea de la descarbonización industrial es ahora una conversación nacional e internacional, y Minnesota, debido a lo que estamos haciendo y los recursos que tenemos, podría ser un punto focal importante para la carbonización industrial en los Estados Unidos".

Aunque siempre se necesitará algo de carbono en la fabricación de acero para lograr los requisitos de resistencia necesarios en el acero, la descarbonización de la industria (o defosilización) continúa avanzando, dijo Kangas.

Y ese sigue siendo un foco de atención del NRRI, dijo Kangas.

"La gente habla de fabricar acero ecológico y de cómo hay que hacerlo", afirma Kangas. “Se puede hablar de hidrógeno, pero no tenemos el suministro en este momento, así que tenemos que trabajar en eso. Y se puede hablar de biocarbono y ahí es donde se centra nuestra investigación en este momento, en eliminar el uso de carbono fósil con biocarbono y eso no es simple. Pero hacia allá es hacia donde vamos”.

La investigación sobre biocarbono del NRRI podría tener beneficios de gran alcance, afirmó Weberg.

“Me encanta la palabra oportunidad”, dijo Weberg. “Es una oportunidad para que Minnesota lidere y tenga un impacto en la nación y a nivel mundial. Y nos ayuda a aumentar nuestra cartera de productos valiosos a partir del hierro aquí en el estado, lo cual es bueno para la economía, bueno para el empleo y, francamente, también bueno para el medio ambiente”.

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Actualizado: 28 de agosto de 2023 a las 1:08 p.m.

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