La energía solar concentrada, una alternativa sostenible en pirometalurgia

Daniel Fernández González »

La extracción de metales a partir de los minerales que aparecen en la naturaleza se lleva a cabo de dos maneras fundamentales que son la ruta hidrometalúrgica y la pirometalúrgica, aunque hay una serie de metales que se pueden encontrar de manera nativa en la naturaleza, como el cobre o el oro, si bien en cantidades que no los hacen comercialmente atractivas.

En la vía hidrometalúrgica el metal de interés es lixiviado empleando, por lo general, un ácido (muy frecuentemente el ácido sulfúrico) y, posteriormente, por electrolisis (aunque no sería la única alternativa posible, i.e. la cementación o el control de pH) se obtiene el metal.

En la vía pirometalúrgica el metal de interés se extrae empleando calor, generado por combustión de combustibles fósiles (gas natural, carbón o derivados del petróleo) o electricidad, y generalmente algún tipo de reductor, como por ejemplo el coque (destilado del carbón) que se emplea en la producción del arrabio (precursor del acero), aunque en algunos casos el proceso tiene lugar en ambiente oxidante, como en el caso del cobre.

En otras situaciones, como por ejemplo el aluminio, la extracción del metal requiere de un proceso electroquímico complejo basado en sales fundidas que consume ingentes cantidades de energía.

El denominador común de los procesos pirometalúrgicos es el consumo de energía eléctrica o química (combustibles) para generar calor. En este sentido, en un contexto de transición energética es necesario buscar alternativas medioambientalmente sostenibles para generar ese calor para los procesos pirometalúrgicos sin emplear rutas generadoras de gases de efecto invernadero. Así que ¿por qué no emplear la energía del sol para los procesos pirometalúrgicos? Adentrémonos, pues, en el empleo de la energía solar en la extracción de metales.

Desde Arquímedes hasta nuestros días

A quien le gusten las películas de Indiana Jones, en la película estrenada en 2023 Indiana Jones y el dial del destino hay unos fotogramas hacia el final de la película en los que se ve a Arquímedes y los soldados de Siracusa hundir barcos de la flota romana, que asediaban esta ciudad en el 212-214 a. C., empleando espejos que concentraban la luz solar, como un rayo, y los incendiaban y hundían. En esta película se recoge esta leyenda, que para muchos de los cinéfilos habrá pasado desapercibida, pero se trata de un hecho histórico recogido por pintores en grabados y pinturas de diferentes periodos históricos, como una pintura de Giulio Parigi de 1600 que se encuentra en la Galería Uffizi (Italia) en la Figura 1.

El empleo de espejos o lentes (procediendo tal y como cuando se hace una llama empleándose una lupa) fue posteriormente empleado por varios investigadores en la Edad Moderna y comienzos de la Edad Contemporánea para fundir materiales cerámicos y metales, como Ehrenfried Walter Von Tschirnhaus, que diseñó, construyó y logró fundir hierro y obtener cerámicas (porcelanas) empleando energía solar en el siglo XVII, o Lavoisier en el siglo XVIII, que alcanzó el punto de fusión del platino y empleó atmósferas especiales para sus experimentos.

Desde ese momento y hasta los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial, cuando se construyó el horno solar de Mont-Louis en Francia gracias a la labor de Felix Trombé y sus colaboradores, la investigación en la aplicación de la energía solar en el campo de los materiales fue poca, lo mismo que ocurrió desde los años 40 hasta el boom de finales del siglo XX y comienzos del siglo XXI.

Se puede encontrar más información acerca de la investigación en el campo de la energía solar en los trabajos: Concentrated solar energy applications in materials science and metallurgy [1] y A State-Of-The-Art Review on Materials Production and Processing Using Solar Energy [2], pero en las siguientes líneas me centraré en la obtención de tres de los principales metales en términos de producción: hierro, aluminio y cobre.

La producción de hierro, cobre y aluminio empleando energía solar

Como comentaba en las líneas anteriores, algunos investigadores habían hecho experimentos orientados a fundir metales con energía solar. Para lograr la fusión de estos metales empleaban fundamentalmente lentes a modo de lupas. En la actualidad se puede recurrir a los concentradores de tipo lente, como los concentradores de Fresnel, pero sobre todo a los concentradores parabólicos, que constan de un heliostato que dirige la radiación del sol hacia un espejo con forma de parábola, como el que se muestra en la Figura 2, que hace converger la radiación en una superficie de unos centímetros de diámetro.

Numerosas investigaciones se vienen llevando a cabo desde los años 80, siendo la producción de zinc por disociación térmica un ejemplo relevante al haber alcanzado la escala de planta piloto; el sol proporciona la energía correspondiente a la entalpía estándar de reacción para la descomposición del óxido de zinc. Sin embargo, como indiqué antes, los metales más relevantes en términos de producción son el hierro, el cobre y el aluminio.

Hierro

El hierro (arrabio) se produce en los hornos altos donde el sínter (mineral de hierro aglomerado junto con fundentes, coque y otros aditivos) y el coque se disponen en capas alternas y se reduce el mineral de hierro con carbono, pero sobre todo con monóxido de carbono formado por medio de la reacción de Boudouard, siendo posible resumir el proceso con las siguientes reacciones:

FeO (s) + CO (g) ⟶ Fe (l) + CO₂ (g)
CO₂ (g) + C (s) ⟶ 2 CO (g)

Hay otras reacciones de reducción (Fe₂O₃ ⟶ Fe₃O₄ ⟶ FeO) hasta la obtención del FeO en las capas superiores de mineral, que van descendiendo a medida que se extrae el metal formado del horno por la parte inferior.

En 2019, investigadores de la Universidad de Oviedo [3] replicaron la estructura de capas alternas de coque-sínter en crisoles cerámicos y aplicaron energía solar concentrada en la capa superior (de sínter), lo que les permitió obtener hierro (Figura 3). Llevaron a cabo los experimentos en un horno solar de escala de laboratorio ubicado también en Francia (Figura 4).

Antes de este trabajo, algunos investigadores exploraron la posibilidad de producir hierro y gas de síntesis (CO + H₂) empleando energía solar como fuente de calor para algunas de las reacciones involucradas en el proceso [4]. Esto iba un poco en la línea de lo que se lleva a cabo en las plantas de hierro de reducción directa, generándose un gas que podría ser empleado como combustible de bajo contenido en carbono o como reductor de otras materias primas. La reacción es:

Fe₃O₄(s) + 4 CH₄(g) ⟶ 3 Fe + 4 CO(g) + 8 H₂(g)

El tema pasó un poco sin pena ni gloria hasta que hace unos años se vio que esta reacción podría tener interés no solo en la transición energética, sino que podría ir acompañada de otra reacción más para generar hidrógeno a partir del agua.

Es esa una línea de investigación relevante en el campo de la energía solar concentrada, la de los combustibles metálicos (aprovechamiento del calor generado en la oxidación de un metal, i.e. aluminio o magnesio, y regeneración del metal empleando calor generado por energía solar concentrada) y la de la generación de hidrógeno empleando metales. Se menciona ahora la reacción que acompañaba a la anterior en la generación de hidrógeno [5]:

3 Fe(l) + 4 H₂O(g) ⟶ Fe₃O₄(s) + 4 H₂(g)

Cobre

Investigadores suizos estudiaron la descomposición de sulfuros de cobre empleando energía solar [6]. Realizaron los trabajos de investigación en atmósfera inerte, de tal manera que, al descomponerse los sulfuros, se obtenía S₂ en lugar de SO₂ y cobre metal por otro lado, no generándose gases contaminantes durante el proceso. La línea de investigación se encuentra todavía en fase incipiente, aunque parece una ruta prometedora para obtener cobre metálico de una manera medioambientalmente sostenible.

Aluminio

Más allá de la producción de aluminio para su aplicación en el campo de los combustibles metálicos [2], que es hacia donde se está dirigiendo la investigación en la actualidad, los estudios se encaminaron al inicio hacia la búsqueda de alternativas a la ruta basada en la electrolisis en baños de sales fundidas, que tiene un consumo energético enorme (211.5 GJ/t), el mayor de todos los metales de uso habitual.

El primero en proponer el empleo de la energía solar en la producción de aluminio fue un estadounidense, J.P. Murray, a finales del siglo XX, que sugirió dos posible alternativas consistentes, por un lado, en el empleo de un proceso de reducción directa a aluminio o a la aleación aluminio-silicio, y, por otro lado, un proceso de reducción a productos intermedios como nitruros y sulfuros de aluminio que pudieran ser más fácilmente procesados por electrolisis que la alúmina [7].

Otros investigadores vinieron después a proponer la reducción carbotérmica de la alúmina en condiciones de vacío [8, 9], aunque con resultados no satisfactorios debidos a la formación de carburos. En cualquier caso, parece que la reducción carbotérmica con atmósfera controlada parece la ruta más atractiva para la obtención de aluminio metal [10].

Sin embargo, me parecía oportuno remarcar los trabajos de un investigador ucraniano [11] que propuso un procedimiento que replicaba la ruta actual (proceso Hall-Hérault) empleando una batería alimentada por energía solar como fuente de electricidad para el proceso y el calor para la celda de electrolisis era proporcionado por un concentrador solar. Puede parecer una idea un tanto simple; sin embargo, esta es la ruta que se viene ejecutando en la actualidad en las plantas de aluminio localizadas en países del Golfo Pérsico, donde se produce electricidad mediante energía solar térmica y fotovoltaica y vapor para procesos también empleando concentradores solares [2].  

Como se puede apreciar, la energía solar concentrada puede ser empleada como una fuente de energía-calor para reacciones habituales en química, como son las de reducción o las de descomposición. El aprovechamiento de esta química junto con esta fuente de calor renovable puede tener un interés en la producción de no sólo metales, sino que también de gases, como el hidrógeno, combustible verde llamado a ser el combustible y reductor del futuro.

Bibliografía

[1] Fernández-González, D., Ruiz-Bustinza, I., González-Gasca, C., Piñuela-Noval, J., Mochón-Castaños, J., Sancho-Gorostiaga, J., Verdeja, L.F., Concentrated solar energy applications in materials science and metallurgy, Solar Energy, 2018, 170: 520-540. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.065

[2] Fernández-González, D., A State-Of-The-Art Review on Materials Production and Processing Using Solar Energy, Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 2023. https://doi.org/10.1080/08827508.2023.2243008

[3] Fernández-González, D., Prazuch, J., Ruiz-Bustinza, Í., González-Gasca, C., Piñuela-Noval, J., Verdeja González, L.F., Iron Metallurgy via Concentrated Solar Energy, Metals, 2018, 8: 873.  https://doi.org/10.3390/met8110873

[4] Steinfeld, A., Kuhn, P., Karni, J., High-temperature solar thermochemistry: Production of iron and synthesis gas by Fe₃O₄-reduction with methane, Energy, 1993, 18 (3):239–49. https://doi.org/10.1016/0360-5442(93)90108-P

[5] Chuayboon, S., Abanades, S., Rodat, S., Stepwise solar methane reforming and water-splitting via lattice oxygen transfer in iron and cerium oxides, Energy Technology, 2019, 8 (8):1900415. https://doi.org/10.1002/ente.201900415

[6] Winkel, L., Wochele, J., Ludwig, C., Alxneit, I., Sturzenegger, M., Decomposition of copper concentrates at high-temperatures: An efficient method to remove volatile impurities, Minerals Engineering, 2008, 21(10): 731-742. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2008.02.003

[7] Murray, J. P., Aluminum production using high-temperature solar process heat, Solar Energy ,1999, 66 (2):133–42. https://doi.org/10.1016/S0038-092X(99)00011-0  

[8] Murray, J. P., Solar production of aluminum by direct reduction: Preliminary results for two processes, Journal of Solar Energy Engineering, 2001, 123 (2):125–32. https://doi.org/10.1115/1.1351809

[9] Kruesi, M., Galvez, M. E., Halmann, M., Steinfeld, A., Solar aluminum production by vacuum carbothermal reduction of alumina-Thermodynamic and experimental analyses, Metallurgical and Materials Transactions B, 2011, 42B:254–60. https://doi.org/10.1007/s11663-010-9461-6  

[10] Puig, J., Balat-Pichelin, M., Experimental carbothermal reduction of Al₂O₃ at low pressure using concentrated solar energy, Journal of Sustainable Metallurgy, 2020, 6:161–73. https://doi.org/10.1007/s40831-020-00266-7

[11] Lytvynenko, Y.M., Obtaining aluminum by the electrolysis with the solar radiation using, Applied Solar Energy, 2013, 49 (1): 4-6. https://doi.org/10.3103/S0003701X13010088