Níquel verde para una electrificación sostenible
Los científicos han desarrollado un método de extracción de níquel para baterías, imanes y acero inoxidable que no emite carbono y ahorra energía
Para combatir el cambio climático y conseguir una industria climáticamente neutra, hay que reducir drásticamente las emisiones de carbono. Un elemento clave de esta transición es la sustitución de los vectores energéticos basados en el carbono por la electricidad, sobre todo en el transporte y las aplicaciones industriales. Sin embargo, este cambio depende en gran medida del níquel, un material fundamental utilizado en las baterías y el acero inoxidable. Para 2040, se espera que la demanda de níquel se duplique debido a la creciente electrificación de las infraestructuras y los sistemas de transporte. Sin embargo, la producción de una tonelada de níquel emite actualmente unas 20 toneladas deCO2, lo que suscita la preocupación de trasladar la carga medioambiental del transporte a la metalurgia. Investigadores del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) han desarrollado un método de extracción de níquel que no emite carbono y ahorra energía. Su método también permite utilizar minerales de níquel de baja calidad, que se han pasado por alto debido a la complejidad de los procesos de extracción convencionales. El equipo del Max Planck publica ahora sus resultados en la revista Nature.
Un solo paso hacia el níquel ecológico
"Si seguimos produciendo níquel de la forma convencional y lo utilizamos para la electrificación, sólo estamos desplazando el problema en lugar de resolverlo", Ubaid Manzoor, investigador doctoral en MPI-SusMat y primer autor de la publicación.
Manzoor y sus colegas han desarrollado un nuevo método para extraer níquel de los minerales en un solo paso, utilizando plasma de hidrógeno en lugar de procesos basados en el carbono. Si se tienen en cuenta las emisiones deCO2 generadas durante la extracción del mineral de níquel y su transporte, el nuevo proceso reduce las emisiones deCO2 en un 84%. Además, el proceso es hasta un 18% más eficiente desde el punto de vista energético si se utiliza electricidad renovable e hidrógeno verde, ya que se evita el calentamiento y enfriamiento repetidos del mineral, habituales en los procesos convencionales.
Tradicionalmente, la industria se basa en minerales de alta ley, ya que extraer níquel de minerales de calidad inferior es mucho más complejo debido a su composición químicamente intrincada. A diferencia del hierro, que puede reducirse en un solo paso eliminando el oxígeno, el níquel de los minerales de baja calidad está químicamente ligado a complejos silicatos de magnesio u óxidos de hierro. La extracción convencional implica múltiples etapas como la calcinación, la fundición, la reducción y el refinado, que consumen mucha energía y tienen una gran huella de carbono. Un gran avance de este método es su capacidad para procesar minerales de níquel de baja calidad (que representan el 60% de las reservas totales de níquel) en un único horno reactor, donde la fundición, la reducción y el refinado se producen simultáneamente, produciendo directamente una aleación refinada de ferroníquel.
"Mediante el uso de plasma de hidrógeno y el control de los procesos termodinámicos en el interior del horno de arco eléctrico, somos capaces de descomponer la compleja estructura de los minerales en minerales de níquel de baja calidad en especies iónicas más simples, incluso sin el uso de catalizadores", el profesor Isnaldi Souza Filho, jefe del grupo "Síntesis Sostenible de Materiales" en MPI-SusMat y autor correspondiente de la publicación.
Hacia la aplicación industrial
Este método no sólo reduce las emisiones y el consumo de energía, sino que también amplía el espectro de minerales de níquel utilizables, haciendo que la extracción sea más rentable y sostenible. El siguiente paso del equipo Max Planck es ampliar el proceso para aplicaciones industriales.
"La reducción de los minerales de níquel en especies iónicas más simples sólo se produce en la interfaz de reacción, no en toda la masa fundida. En un sistema ampliado, es crucial garantizar que la masa fundida no reducida llegue continuamente a la interfaz de reacción", explica Ubaid Manzoor.
Esto puede lograrse utilizando arcos cortos con corrientes elevadas, integrando un dispositivo externo de agitación electromagnética bajo el horno o empleando la inyección de gas. Se trata de técnicas industriales consolidadas que permiten su integración en los procesos existentes.
La vía verde de producción de níquel abre la puerta a una electrificación más sostenible del sector del transporte. La aleación de níquel reducido puede utilizarse directamente en la producción de acero inoxidable y, con un refinamiento adicional, como material para electrodos de baterías. Además, la escoria producida durante el proceso de reducción puede servir como valioso recurso para la industria de la construcción, incluida la producción de ladrillos y cemento. El mismo proceso puede aplicarse también al cobalto, que se utiliza en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía.
La investigación ha sido financiada por una Advanced Grant del Consejo Europeo de Investigación.
Al grano
- Desafío de la demanda de níquel: se prevé que la demanda de níquel se duplique, mientras que la producción convencional de níquel emite unas 20 toneladas deCO2 por tonelada de níquel.
- Nuevo proceso sostenible para la producción de níquel: Los investigadores han descubierto una forma de extraer níquel de minerales de baja calidad utilizando plasma de hidrógeno en lugar de carbono. El proceso, de un solo paso,no emite CO2 y ahorra energía y tiempo.
- Posibilidad de ampliación: Para ampliar la escala, es necesario utilizar arcos cortos con corrientes elevadas, integrar un dispositivo externo de agitación electromagnética bajo el horno o emplear la inyección de gas, asegurándose de que la masa fundida no reducida llegue continuamente a la interfaz de reacción.
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