A medida que la atención mundial se desplaza hacia los impactos del cambio climático y el medio ambiente, la industria toma nota. Se están implementando medidas reactivas en casi todas las facetas de la vida humana y en cómo nosotros, como colectivo, podemos frenar el ritmo del cambio climático; desde la prohibición del uso de combustibles fósiles hasta el aumento de los impuestos a las emisiones. La industria de conformación de metales no es una excepción: ya se están dando pasos hacia una dirección ecológica, pero aún quedan muchos más hasta poder establecer una «industria verde». De forma realista, una «industria verde» depende de una multitud de factores que van mucho más allá de cualquier sector en particular y que este no puede influenciar fácilmente. Dicho esto, los pequeños cambios en los cimientos pueden generar un movimiento masivo en el estado general del medio ambiente.
Este artículo se propone destacar algunos de los factores clave del impacto ambiental y las formas de combatirlos dentro del ámbito del calentamiento de palanquillas.
El medio ambiente
Los sectores de metales ferrosos y no ferrosos representan el 8% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, más de 4 veces las del sector de la aviación[1]. El principal factor que provoca el cambio climático es la liberación de gases de efecto invernadero[2]. Los gases de efecto invernadero se denominan así debido al efecto invernadero que provocan. Una capa aislante de estos gases como el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), etc., provoca una acumulación excesiva de calor en la atmósfera, lo que a su vez causa el aumento del nivel del mar a través del derretimiento del hielo marino.
Se estima que para 2050, dado el ritmo actual de aumento de la temperatura, la Tierra estará 3 °C más caliente que en los niveles preindustriales. El «Escenario 2050» establece que dicho aumento de las temperaturas provocaría un incremento del nivel del mar de aproximadamente 3 metros para 2100, un aumento que dejaría a países como los Países Bajos prácticamente sumergidos[3]. Un escenario quizás más alarmante es el de la «Tierra Invernadero» («Hothouse Earth»). Esto plantea la hipótesis de que si las temperaturas aumentan 2 °C por encima de los niveles preindustriales, los efectos serán irreversibles: no habrá medidas que se puedan tomar para detener el aumento del nivel del mar y el daño irreversible a los ecosistemas. Por lo tanto, esta cifra de 2 °C se estableció como la línea base para el Acuerdo de París[4].
Métodos de calentamiento de palanquillas
El calentamiento de palanquillas ferrosas y no ferrosas es un proceso que consume mucha energía. Por lo general, las palanquillas se calientan mediante hornos de gas o a través de un proceso de calentamiento por inducción. Cada método está probado en la industria durante muchas décadas de extrusión y cada uno ofrece beneficios prácticos. Para poder realizar una comparación viable, se seleccionaron un calentador a gas y un calentador por inducción que proporcionan temperaturas y tasas de rendimiento másico nominalmente similares.
† 1 m3 de gas natural equivale aproximadamente a 10,28 kW, asumiendo una combustión con un 100% de eficiencia.
Gas e inducción
Históricamente, el uso de calentadores de gas suele ser más común en la industria. Tienden a tener costos de equipos de capital marginalmente más bajos y, dependiendo del país de uso, un costo operativo menor. En el tercer trimestre de 2020, el costo promedio por kWh de gas en el Reino Unido era de 0,180 £. El costo promedio de electricidad por kWh bajo la misma métrica es de 0,810 £[5]. Estos menores costos operativos se perciben como atractivos a corto plazo. Sin embargo, el Comité de Cambio Climático (Climate Change Committee) estima que estos precios cambiarán drásticamente para 2030. Las predicciones sugieren un aumento del 100% en el precio por kWh de gas natural para 2030, en comparación con un incremento del 42% por kWh de electricidad en el sector de la gran manufactura[6]. Esta disparidad se pone aún más de manifiesto en otros países europeos.
Los hornos de gas requieren un período de precalentamiento para alcanzar una temperatura establecida antes de poder calentar las palanquillas. Este tiempo depende por completo del tamaño del horno, así como de un aislamiento térmico adecuado. Por esta razón, los hornos de gas tienden a mantenerse «encendidos» a la temperatura deseada durante largos períodos de tiempo, consumiendo energía independientemente de si se están calentando palanquillas o no. Por el contrario, al utilizar la inducción, la energía solo se consume al calentar activamente una palanquilla y prácticamente no se utiliza energía cuando la palanquilla no está pasando por el proceso térmico. Para los operadores de líneas de prensas, esto a menudo se considera un método más flexible, ya que el suministro de palanquillas calentadas se puede modificar más fácilmente para adaptarse a las tasas de rendimiento de la prensa sin desperdiciar energía.
Un aspecto positivo del calentamiento a gas es su diseño simplificado, lo que puede facilitar la instalación y operación por parte de los empleados de la planta. A menudo, esto se considera un beneficio clave por el cual una empresa puede elegir un calentador de gas en lugar de una alternativa más avanzada tecnológicamente. A medida que las palanquillas pasan por el calentador, se homogenizan a la temperatura establecida en todo su volumen. Esto llevará considerablemente más tiempo que la inducción y a menudo puede causar cascarilla en el exterior de la palanquilla, lo que puede afectar la calidad de la extrusión final.
La mayor ventaja de utilizar la inducción es que permite el calentamiento cónico (taper heating). El calentamiento cónico se utiliza para lograr un gradiente a lo largo de la longitud de una palanquilla, un factor clave para reducir el desgaste de la matriz de la prensa y ofrecer una extrusión isotérmica a plena velocidad de prensa. El diseño de los hornos de gas incorpora un revestimiento refractario que deberá reemplazarse periódicamente; esto puede provocar tiempos de inactividad prolongados en las líneas de prensas. Del mismo modo, las bobinas de inducción también deberán reemplazarse, aunque esto puede llevar tan solo treinta minutos. En los últimos años ha habido avances tecnológicos en los sistemas relacionados con la recuperación de gases de combustión y los depuradores (scrubbers) de gases de CO2. Estos permiten una mayor eficiencia y menores emisiones, respectivamente.
Otros métodos
Los métodos de calentamiento de palanquillas no se limitan a los dos procesos mencionados anteriormente. Los calentadores magnéticos y el uso de superconductores están empezando a ser eficaces en el sector. Ambos métodos dependen de la electricidad en lugar de combustibles fósiles para funcionar.
Impacto ambiental
Ambos métodos de calentamiento de palanquillas analizados en el artículo provocarán un impacto ambiental negativo debido a la liberación de gases de efecto invernadero. En el caso del calentamiento a gas, el CO2 se libera en las instalaciones de fabricación. La inducción depende enteramente de la red eléctrica de cada país y, por lo tanto, de la combinación energética local. Utilizando la Figura 1, es posible determinar las emisiones potenciales de CO2 para cada caso. La quema de gas natural libera 0,185 kg/kWh de CO2, mientras que la producción de electricidad en el Reino Unido produce 0,256 kg/kWh[5].
La gran diferencia entre ambos métodos se atribuye estrechamente a los tiempos en que cada sistema permanece «encendido»: la inducción solo consume energía por cada palanquilla procesada. A medida que el Reino Unido orienta su enfoque hacia fuentes de energía renovables, se espera que las emisiones de 0,256 kg/kWh de CO2 se reduzcan a 0,100 kg/kWh para el año 2030[8].
Tal como se muestra en la Figura 3, se prevé que las emisiones de CO2 disminuyan en el marco del enfoque climático del Reino Unido denominado «Zero Neto para 2050» («Net Zero by 2050»).
Utilizando los valores determinados en las Figuras 2 y 3, es posible calcular las emisiones de CO2 esperadas durante un período de 10 años.
Los datos de la Figura 4 asumen un rendimiento de 1000 kg/h, 16 horas al día, 5 días a semana, 52 semanas al año. Estos valores por sí solos no son especialmente cuantificables desde una perspectiva personal. Se puede visualizar más fácilmente de la siguiente manera: un Boeing 747-400 completamente cargado emite aproximadamente 90 kg/h de CO2 por hora de vuelo y por pasajero[9]. Las emisiones de la planta durante 10 años procedentes de un calentador de palanquillas a gas relativamente pequeño, tal como se especifica en la Figura 1, equivalen aproximadamente a volar en un Boeing 747 desde Heathrow hasta JFK 34 veces, o a conducir un Aston Martin DB9 hasta la Luna y de regreso 27 veces.
Este nivel de impacto ambiental no es sostenible.
El futuro
El mercado de extrusión de metales ferrosos y no ferrosos está en expansión. Las cifras actuales estiman una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 3,8% entre 2021 y 2027[10] para la extrusión de aluminio. Esta CAGR prevista haría que los ingresos previstos del mercado aumentaran de 57.300 millones de dólares a 91.670 millones de dólares para 2027. Esto inevitablemente provocará un impacto cada vez mayor en el medio ambiente a medida que se expanda el sector.
El gobierno del Reino Unido ha implementado recientemente una iniciativa dirigida a la gran industria que ofrece subvenciones para ayudar a aumentar la eficiencia energética y reducir la huella de carbono. La Fase 1 destina hasta 40 millones de libras para «proyectos que implementen tecnologías que mejoren la eficiencia energética de los procesos industriales» y para «estudios de viabilidad e ingeniería sobre eficiencia energética y medidas de descarbonización profunda para procesos industriales»[11]. Otros países, como Noruega, han cuadruplicado recientemente el precio por tonelada de CO2 emitido[12]. Los avances adicionales en la recuperación de gases de combustión y en los depuradores de CO2 para hornos de gas están ayudando a aumentar la eficiencia y a reducir las emisiones de CO2.
Las medidas reactivas son aquello en lo que nosotros, como sociedad, hemos confiado, pero no dejan de ser un mero parche. Debemos transformar lo reactivo en proactivo. Tomar medidas activamente para mejorar el medio ambiente. A nivel individual, es fácil mantenerse al margen de las decisiones que se toman en relación con el medio ambiente. Podemos elegir la opción más fácil o más barata simplemente porque es eso: más fácil y más barata. Lo que resulta más difícil de aceptar es el daño que hemos causado, causamos y causaremos a nuestro planeta. Sin embargo, se pueden tomar medidas para frenar este daño. La humanidad se enfrenta a una crisis climática, y esta se puede detener.
Thomas Postins, B.Eng.
Sales Manager Banyard – Inductotherm Heating and Welding
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