Por: Carlos Villachica León, Capítulo de Ingeniería Metalúrgica, Consejo Departamental de Lima del Colegio de Ingenieros del Perú.

Producción simultánea de cal y cemento ecológicos y alimentos

El efecto del Cambio Climático azotan con manifestaciones extremas, sequias e inundaciones, que tienen una consecuencia nefasta y directa sobre la producción de alimentos en tierra y agua. La crisis alimentaria anunciada por la FAO para el 2050 si no incrementamos la producción de alimentos en un 70%, probablemente ocurra antes; ya en muchos países desarrollados la inflación del sector alimentos duplica la inflación general.

La mayor producción de alimentos agrícolas se centra en ampliar la frontera agrícola cuando hay gran extensión de terreno sin cultivar con agua y radiación solar, elementos fundamentales que con el CO₂ sostienen la fotosíntesis que genera biomasa. Es también un tema de productividad en países desarrollados que con condiciones menos favorables, pero tecnología apropiada, logran cosechas de papa cinco veces mayores que nuestra Sierra. En ello consiste la agricultura protegida (con invernaderos) realizada con control de temperatura, humedad, iluminación (natural y artificial), alta concentración de CO₂, y uso de fertilizantes químicos.

La FAO sostiene que el 93% de la biomasa de cualquier cultivo está constituida por carbono, oxígeno e hidrógeno que las plantas fijan vía fotosíntesis y donde el CO₂ es un componente indispensable y determinante de la tasa de crecimiento. En el hemisferio norte la aplicación de la “fertilización carbónica” con CO₂ de la combustión del sistema de calentamiento está documentada desde 1920, pero hoy está prohibida por los contaminantes del gas y los invernaderos buscan con urgencia una fuente barata de CO₂ limpio.

Figura 1. Según la FAO el 93% de la biomasa que constituye una planta está conformada por los elementos (C, O y H) que consigue vía fotosíntesis. El resto de los nutrientes generalmente obtenidos con fertilizantes químicos, crean las condiciones para que la planta absorba más CO₂. Por ejemplo, el sulfato de magnesio incrementa la producción de clorofila que es el catalizador de la fotosíntesis, otros incrementan la superficie foliar.

La masificación de la fertilización carbónica aquí propuesta incrementa la producción de alimentos y combate el Cambio Climático; las penalidades que ya se aplican a actividades que emiten CO₂ deben financiar tecnologías con cero emisión de carbono como HEVA. Esta tecnología, peruana, utiliza un reactor eléctrico al vacío que descompone la caliza en sus elementos básicos y a menor temperatura que el proceso convencional que usa combustible; este CO₂, limpio y concentrado, se aprovecha entonces para generar biomasa (alimentos) en medio agrícola o acuícola:

Descomposición térmica para producir Cal sin emisiones^[1]: CaCO3 + Calor à CaO + CO2 Fotosíntesis en medio agrícola: 5.H2O + 5.CO2 + luz à C5H10O5 (celulosa) + 5.O2 Fotosíntesis en medio acuícola: 6.H2O + 6.CO2 + luz à C6H12O6 (microalga) + 6.O2

El precio del permiso de carbono ha crecido exponencialmente alcanzando 102 €/T CO₂; por cada ton de cal o cemento se emite 1 Ton de CO₂, pero solo se carga 40 €/T al precio que corresponde a la emisión de la combustión más no el 60% restante del CO₂ de la propia roca caliza. Este menor recargo solo regirá hasta encontrar una tecnología que capture económicamente el 100% del CO₂.

Figura 2. Arriba, el crecimiento exponencial del permiso de emisión de CO₂ que paga la fabricación convencional de cal y cemento. Abajo, la producción HEVA de cal que captura CO₂ limpio y se utiliza para producir alimentos en medio agrícola y acuícola.

Lo anterior debiera preocupar a la minería y construcción donde se consume alrededor de 2.5 y 11 millones ton/año de cal y cemento, respectivamente. En el corto plazo, las penalidades se aplicarán también aquí incrementando en 100 $/Ton su precio. Es también una gran oportunidad para innovaciones disruptivas que, sin embargo, no convencen a los involucrados directamente con las emisiones de CO₂.

En cambio, los agricultores (y acuicultores) si apoyarían el desarrollo de tecnologías que brinden CO₂ limpio y barato para incrementar significativamente su productividad^[2], en especial en la Sierra donde la concentración de CO2 es 50% menor que en la Costa (Figura 3A). Es decir, que los mayores incrementos de productividad con inyección de CO2 ocurrirán en cultivos en altitud deficitarios en CO2 (Figura 3B).

La gran radiación solar de nuestra Sierra (promedio anual: 8 horas/día) comparada con 3 horas/año en Holanda (Figura 3C), permite conseguir una productividad similar a menor costo, pues prescindimos de iluminación artificial y contaríamos con una fuente barata de CO2.

1 El cemento “verde” o “ecológico” se obtiene en este caso a partir de la cal producida con el proceso HEVA, puede ser realizada en hornos convencionales abiertos calentados con electricidad (resistencia, inducción, arco), plasma o incluso radiación solar concentrada, a temperaturas de 1,500 °C. No hay emisiones de CO₂, ellas ya fueron capturadas.

CaO + SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + Calor à 3CaO.SiO2 + 3CaO.Al2O3 (clinker)

 2 Almería, España, produce en invernaderos el 70% de alimentos frescos que consume la Unión Europea. Cajamar es un cooperativa agrícola y acuícola con 1.3 millones de socios y 3.5 millones de clientes que destaca por su nivel de ventas, organización y apertura a la innovación. Han considerado conveniente realizar un pilotaje a escala industrial para validar los beneficios del CO2 HEVA y de la tecnología de CO2 pulverizado en lugar de CO2 gaseoso. El CO2 pulverizado tiene una eficacia del 95% frente a 30% del gas.

Figura 3. (A) Concentración CO₂ vs altitud. (B) Tasa fotosintética vs concentración de CO₂. (C) Productividad comparativa de tomate en cultivos a campo abierto, invernadero simple, invernadero con inyección de CO₂ e iluminación complementaria.

El impacto económico del nuevo sistema para producir cal se puede ilustrar con la producción de microalgas, un alimento con alto contenido proteico y gran demanda. En promedio, una Ton de Cal HEVA genera 0.65 Ton de CO₂ que a su vez generan 0.26 Ton de microalgas. La producción HEVA de 2.5 KKT/año³ de cal minera, evita emitir 2.5 KKT/año de CO₂ sucio y diluido que sería penalizado y genera 1.67 KKT/año de CO₂ limpio, que en acuicultura generan 0.67 KKT/año de microalgas.

Con una utilidad conservadora de 15 US$/Kg microalga, con esta aplicación se obtiene utilidades de 10,000 KKUS$/año comparado con 500 y -250 KK$/año de la venta de cal y la penalidad, respectivamente. Lo descrito aquí demuestra que la innovación metalúrgica puede extender sus beneficios a la producción sostenible de alimentos que el país demanda.

 Refinación de cobre enlazada con la producción de fertilizantes

Otro tema de interés es nuestra capacidad para refinar cobre y otros metales. Actualmente refinamos menos del 10% del metal rojo que producimos. El cambio de matriz energética avizora un incremento de 50% en su demanda y el Perú como segundo productor global debe sacar la mayor ventaja posible.

Nuestra gran reserva cuprífera orienta la atención a la implementación de nuevos megaproyectos, descuidando la refinación de la producción actual y futura que va a ser favorecida por el mayor costo de flete marítimo ya anunciada como consecuencia de la crisis climática. Los fabricantes van a optar por financiar refinerías en países productores y transportar solo 25% del peso, pero eso implica que los productores de fertilizantes en ultramar tendrán menos ácido sulfúrico disponible o deberán importarlo a un alto costo.

En el país productor y con la tecnología convencional se producirá 4 Ton de ácido por Ton de cobre refinado, generando un problema de demanda local. A diferencia de Chile, importante productor de cobre y ácido, Perú cuenta con la segunda mayor reserva de roca fosfórica de Latinoamérica después de Brasil, y este cuenta con muy pocas reservas de sulfuros para producir ácido.

Esto ofrece un excelente escenario para el desarrollo de la industria de fertilizantes que debe acompañar la mayor capacidad de refinación de cobre y otros sulfuros.

³ KKT: millones de Toneladas. KKUS$: millones de dólares.

Figura 4. Proyección de la producción nacional de cobre, capacidad de refinación y producción de ácido sulfúrico, producción de roca fosfórica y su requerimiento para producir fertilizante.

La Figura 4 relaciona la producción de cobre fino, capacidad de refinación, producción nacional de ácido sulfúrico, producción de roca fosfórica⁴ y el ácido necesario para convertirlo en fertilizante.

Además del valor agregado derivado del cobre refinado, el proceso establece una base firme para producir fertilizantes químicos que aseguren la alimentación futura de nuestra población.

En la actualidad, la producción de ácido solo alcanza para procesar el 30% de la roca fosfórica, el resto se exporta a países de los cuales importamos el fertilizante. Recién en 10 años, cuando incrementemos 3.7 veces nuestra capacidad de refinación (hasta 1 KKT/año) produciríamos suficiente ácido para procesar la actual producción de roca fosfórica.

Hay otras fuentes de ácido en el país, pero debemos enfatizar que la refinación de cobre ofrece la mejor oportunidad para garantizar nuestra seguridad alimentaria.

 ⁴ El Perú posee también reservas importantes de dolomitas (para sulfato de magnesio), cloruro de potasio y gas natural (ahora también en la refinería de Talara) para producir urea o sus equivalentes (sulfato de amonio) y fuentes de energía renovable para producir amoniaco a partir de hidrógeno verde. El ácido sulfúrico es necesario para la gran variedad de fertilizantes químicos que demanda la agricultura.