La electricidad sólida, el aluminio

La sociedad depende de la energía y los materiales, al igual que el cuerpo humano depende de los huesos, músculos y la sangre, para mantenerse vigorosos. Es por ello, que a continuación voy a tratar de la “electricidad sólida” como catalogó Javier Blas y Jack Farchy en su interesante libro de “El Mundo está en Venta” sobre los comerciantes de materias primas.

El aluminio es un metal estratégico, utilizado por las industrias de defensa, aeroespacial, de la construcción y digital, pero también cada vez más para la transición energética. De hecho, es un componente crucial de los vehículos eléctricos, las redes eléctricas, las turbinas eólicas y los paneles solares. Estados Unidos, Canadá y la Unión Europea han incluido el aluminio en su lista de minerales críticos. La UE categoriza un material estratégico en función de los siguientes dos parámetros: importancia económica y riesgo de suministro; y entre los 70 materiales analizados en 2023, 30 de ellos resultaron críticos, entre ellos, el aluminio/bauxita.

Por lo que, mediante este análisis quiero acercar al lector, a un material que sin lugar a duda resultará fundamental en las próximas décadas. El aluminio.

Motivos

Para alguien con cierta formación en ciencias, el aluminio es descrito como un metal gris plateado y ligero, y un buen conductor tanto de calor como de la electricidad. De primeras, se le empiezan a intuir ciertas aplicaciones: buen conductor o pesa poco. Las propiedades mecánicas que ofrece son nada desdeñables, como su gran relación resistencia / peso.

A parte de eso, el metal de aluminio tiene un bajo punto de fusión de 660 °C, lo que, a la práctica se traduce en muy maleable y versátil. Y, por si fuera poco, tiene capacidad de formar numerosas aleaciones que mejora su versatilidad. A su vez, cabe destacar, que tiene una muy buena resistencia contra la corrosión, dado que genera una capa de óxido natural que lo protege contra la corrosión. A esa capa, los más puristas lo llaman pasivado. Por último, y muy destacable, es totalmente reciclable y reutilizable un número infinito de veces. Para muestra, las tasas de reciclaje de las latas de aluminio en Europa, donde el promedio supera el 75%.

Origen

El 8 % de la corteza terrestre lo forma el aluminio, lo que lo convierte en el elemento químico más abundante después del oxígeno (47%) y el silicio (28%). No se presenta puro en la naturaleza, sino que aparece combinado fundamentalmente con el oxígeno, formando óxidos e hidróxidos, que a su vez se hallan mezclados con óxidos de otros metales y con sílice. El mineral del que se extrae el aluminio casi exclusivamente se llama bauxita. La bauxita contiene generalmente más del 40% de óxido de aluminio.

La bauxita se refina para obtener un producto intermedio, el óxido de aluminio (alúmina), que luego se reduce a aluminio.

La producción de aluminio comienza con la extracción de la bauxita como materia prima, un tipo de suelo arcilloso que se encuentra en un cinturón alrededor del ecuador. La bauxita se extrae a unos pocos metros por debajo del nivel del suelo. Su color es blanco grisáceo, marrón rojizo y marrón amarillento. Como he mencionado previamente, la bauxita se forma a partir de la roca madre en climas cálidos y húmedos, por eso se encuentra en el ecuador del planeta.

Por desgranar un poco el proceso, en primer lugar, una vez la bauxita se encuentra en la planta procesadora, se lava la arcilla y se pasa la bauxita a través de una trituradora hasta obtener un polvo fino. Posteriormente, mediante un proceso de refinado químico, empleando una solución caliente de sosa cáustica y cal, se extrae la alúmina (óxido de aluminio) de la bauxita. Ya que, la sosa disuelve los compuestos del aluminio que, al encontrarse en un medio fuertemente básico, se hidratan.

Tras ello, se purifica la alúmina, calentando la mezcla y filtrándola, obteniendo un polvo blanco al finalizar el proceso de secado. Profundizando en esta etapa de purificación, los materiales no alumínicos se separan por decantación. La solución cáustica del aluminio se enfría luego para recristalizar el hidróxido y separarlo de la sosa. Finalmente, se calcina el hidróxido de aluminio a temperaturas cercanas a 1000 °C, para formar la alúmina (Al₂O₃).

En el siguiente gráfico podéis comprobar los 10 principales productores de bauxita a nivel mundial de los últimos 40 años. Australia y Guinea han sido los dominadores del mercado, copando durante mucho tiempo más del 50% de la producción. Pero desde el inicio de los 2000 se observa claramente la estrategia de china de aumentar su seguridad estratégica al convertirse en uno de los big-player del sector.

Electrólisis

Lo que mucha gente desconoce de este material es que la extracción del aluminio de la alúmina se realiza a través de la electrólisis. El óxido de aluminio obtenido en la fase anterior tiene un punto de fusión muy alto (2.000 °C) que hace imposible someterlo a un proceso de electrolisis. Por ello se mezcla la alúmina con fluoruro de sodio (criolita), que actúa de fundente, con lo cual la temperatura de fusión de esta mezcla se rebaja hasta 900 °C.

A continuación, se somete al proceso de electrólisis, sumergiendo en la cuba unos electrodos de carbono (tanto el ánodo como el cátodo). Al pasar la corriente eléctrica continua a través de esta mezcla descompone la alúmina en oxígeno y en aluminio; el metal fundido se deposita en el polo negativo (cátodo) del fondo de la cuba, mientras que el oxígeno se acumula en los electrodos de carbono (ánodo). Parte del carbono que está en el baño se quema por la acción del oxígeno, transformándose en dióxido de carbono. Si, desgraciadamente, la producción de aluminio primario emite CO₂ durante su etapa de producción.

El origen de la expresión de la “Electricidad sólida” proviene de este paso, ya que, para obtener un aluminio de purezas comprendidas entre 99,5 % al 99,9 %, hay que consumir mucha electricidad. Estamos hablando que, para obtener 1 t de aluminio es necesario consumir 14 MWh de electricidad. Por lo tanto, la producción de aluminio conlleva importantes emisiones de gases de efecto invernadero, asociadas en gran parte a la electricidad empleada en la electrólisis. Sin embargo, no todo el impacto esta exclusivamente ligado a la energía, en lo que respecta al consumo de bauxita para llegar a esos 1.000 kg de aluminio puro, son necesario 4.000 kg de bauxita, que en el paso intermedio se convierten en 2.000 kg de alúmina. Como podréis observar en la siguiente imagen, el refinado y producción de aluminio primario esta monopolizado por un país, China.

Por poner en perspectiva, la UE, que nunca ha destacado por sus recursos naturales, contribuyó con un total de 2.117 ktoneladas de producción de aluminio al año según las cifras promediadas durante el período 2016-2020. Esto corresponde aproximadamente al 3,4% de la producción mundial de aluminio. El podium de países europeos en función de la producción promediada por año (2016-2020) fue 532 kt en Alemania (25% de la producción de la UE), 406 kt en Francia (19% UE), 300 kt en España (14% UE).

En los próximos años, Europa tendrá que producir más aluminio para satisfacer las necesidades de su transición energética y reducir al mismo tiempo la huella de carbono de su industria. Aunque la tónica habitual ha sido el debilitamiento en las últimas décadas. Ya que, la distribución geográfica de la industria del aluminio ha cambiado significativamente durante los últimos 20 años hacia regiones dotadas de abundante bauxita o recursos energéticos.

Descarbonización

Como se ha observado previamente, el proceso industrial del aluminio primario se basa en el uso de grandes cantidades de electricidad. Por lo tanto, la medida más directa es reducir la intensidad de emisiones (kgCO2/MWh) de la electricidad empleada.

Actualmente, la industria europea del aluminio tiene una huella de carbono de 6,8 t CO₂/ t de aluminio primario, mientras que la media mundial ronda los 10.

Curiosamente, países con fuentes de generación de energía basada en combustibles fósiles, como el carbón, como ha sido el caso de China, se han beneficiado del incremento de la factura eléctrica de los consumidores industriales europeos. Ya que, en muchas fundiciones europeas el coste energético fue inasumible, llegando el caso a las paradas de producción por precios desorbitados. Gran sinsentido que hemos vivido en los últimos años, dado que las emisiones globales de CO₂ no tienen pasaporte. En la siguiente gráfica podéis observar como la producción de aluminio (en azul) sigue una senda ascendente, alcanzando los 108 Mt en 2022. Cabe destacar, que en los últimos años parece haberse iniciado una senda descendente en la intensidad de emisiones del aluminio, que tuvo su pico con los 11,6 t CO₂/ t de producto.

A parte de lo previamente expuesto, el sector deposita sus esperanzas en la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS). De hecho, se están desarrollando varios proyectos en Europa, especialmente en Noruega, Islandia y Francia. Sin embargo, esta tecnología requiere grandes cantidades de inversión y el humo emitido durante el proceso de electrólisis está poco concentrado en CO₂.

La otra tecnología son los ánodos inertes, para los que se están desarrollando actualmente tres proyectos en el mundo, en Canadá, Rusia y Alemania. Sin embargo, el despliegue de estas dos tecnologías a escala industrial no se espera antes de 2030 y, muy probablemente, para más adelante.

Por último, y sin dejar de lado la eficiencia energética, el reciclado es otro de los procesos fundamentales hacia la sostenibilidad. Ya que el aluminio reciclado consume un 96% menos de energía y emite alrededor de cuatro veces menos de gases de efecto invernadero (en lo que respecta a las emisiones directas) que el aluminio primario. Así pues, observaremos la evolución del sector, ya que recientemente, la UE ha reformado la legislación del régimen de comercio de derechos de emisión y ha incluido al aluminio en el Mecanismo de Ajuste en Frontera del Carbono (CBAM). Para quien lo desconozca, los importadores de productos específicos (cemento, hierro y acero, aluminio, fertilizantes, electricidad e hidrógeno) de países donde el precio del carbono es más bajo que en la UE deberán adquirir certificados de carbono, para que, de ese modo, el producto local no se encuentre en desventaja debido a pago de emisiones de CO₂ del mercado común. En la siguiente imagen se puede observar cómo, tras el hierro y el acero, el aluminio importado será uno de los mayores perjudicado del arancel al carbono europeo, que se comenzará a aplicar el 1 de enero de 2026.

Aguardaremos pacientes para analizar el recorrido del aluminio, metal estratégico, en el camino hacia la sostenibilidad. Análogamente, comprobaremos como conjugan la descarbonización con la competitividad tras la crisis de precios de la energía.

Ager Prieto Elorduy es divulgador y profesional del sector energético. Ingeniero de procesos en Sener.