Horno de arco eléctrico vs alto horno: emisiones de CO2, costes y el futuro de la siderurgia
Definición: horno de arco eléctrico vs alto horno
Un alto horno (BF, por sus siglas en inglés) utiliza mineral de hierro y carbón de coque para producir hierro fundido, que luego se convierte en acero en un convertidor de oxígeno básico (BOF). Un horno de arco eléctrico (EAF) utiliza arcos eléctricos de alta tensión para fundir chatarra de acero y convertirla en acero líquido. La ruta del alto horno emite aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de acero; la ruta del arco eléctrico emite aproximadamente 0,77 toneladas. La producción siderúrgica mundial se divide aproximadamente en un 70% BF-BOF y un 30% EAF, pero ese equilibrio está cambiando a medida que crece la presión por la descarbonización.
Tabla de contenido
- La ruta del alto horno: del mineral de hierro al acero
- La ruta del horno de arco eléctrico: de la chatarra al acero
- Comparación de emisiones de CO2
- Comparación de costes: costes operativos y de capital
- Lo que el EAF no puede fabricar: limitaciones de grado de acero
- Cuota global: por qué existe la división 70/30
- DRI de hidrógeno verde: la tercera vía
- Lo que esto significa para el comercio de materias primas
- Preguntas frecuentes
- Puntos clave
La ruta del alto horno: del mineral de hierro al acero
El alto horno ha sido la tecnología siderúrgica dominante durante más de 150 años. Es un proceso masivo y continuo que funciona las 24 horas del día, todos los días, hasta por 20 años entre reconstrucciones mayores.
El mineral de hierro —normalmente pellets de mineral de hierro o sinterizado (una aglomeración horneada de mineral fino) con un contenido de hierro del 62-65% Fe— se carga en la parte superior del alto horno junto con coque (un material carbonoso poroso producido horneando carbón de coque en hornos sin oxígeno) y piedra caliza (un fundente que elimina las impurezas).
Se inyecta aire caliente (a veces enriquecido con oxígeno) en la parte inferior a través de unas toberas llamadas tuyeres. El coque se quema y genera temperaturas superiores a los 1.500 °C. El monóxido de carbono del coque en combustión reduce el óxido de hierro del mineral a hierro fundido. La piedra caliza reacciona con las impurezas (sílice, alúmina) para formar escoria, un líquido más ligero que flota sobre el hierro y se extrae por separado.
El hierro fundido —llamado arrabio o metal caliente— se extrae de la parte inferior del horno hacia vagones torpedos y se transporta al convertidor de oxígeno básico (BOF). En el BOF, se inyecta oxígeno puro a través del metal caliente a alta velocidad. Esto quema rápidamente el exceso de carbono y otras impurezas (en unos 20 minutos), convirtiendo el arrabio en acero fundido.
Luego, el acero se moldea en planchones, palanquillas o desbastes para su laminación y fabricación posterior.
Un solo alto horno grande puede producir entre 10.000 y 12.000 toneladas de metal caliente al día. Las principales plantas siderúrgicas integradas (alto horno + BOF) incluyen las plantas de ArcelorMittal en Bélgica y Alemania, las instalaciones de Tata Steel en Port Talbot (Reino Unido) y las masivas instalaciones de POSCO y NSSMC en Corea del Sur y Japón.
La ruta del horno de arco eléctrico: de la chatarra al acero
Un horno de arco eléctrico (EAF) es fundamentalmente más sencillo que un alto horno. Es, en esencia, un gran recipiente revestido con ladrillo refractario, equipado con tres grandes electrodos de grafito. Cuando la electricidad de alta tensión pasa a través de los electrodos, se generan arcos eléctricos entre ellos y la carga metálica; las temperaturas cerca del arco superan los 3.500 °C.
El material de carga principal es la chatarra de acero, cortada, triturada y clasificada por tipo:
- Chatarra pesada (HMS 1&2): Acero estructural grande, equipos industriales demolidos.
- Chatarra triturada: Automóviles y electrodomésticos triturados.
- Chatarra industrial: Nueva chatarra proveniente de operaciones de estampado, recortes de construcción.
- Hierro de reducción directa (DRI) / hierro briqueteado en caliente (HBI): Utilizado para diluir elementos residuales (véase la sección de limitaciones más abajo).
La chatarra se carga en el horno, se bajan los electrodos y el arco calienta y funde el material en 40-60 minutos. Se inyecta oxígeno para quemar el carbono y las impurezas. Se añade cal para formar escoria. Se añaden aleaciones (manganeso, silicio, cromo) para lograr la química objetivo del acero.
El resultado es acero líquido que se vierte en una cuchara y se procesa aún más en un horno de cuchara para ajustar la temperatura y la química antes de la colada continua.
Los EAF son más pequeños y flexibles que los altos hornos. Un EAF típico produce entre 200 y 400 toneladas de acero por colada (ciclo de fusión), con múltiples ciclos al día. Las plantas EAF pueden detenerse durante períodos de precios elevados de la electricidad y reiniciarse, algo imposible con un alto horno que funciona de forma continua.
Comparación de emisiones de CO2
Aquí es donde las dos rutas divergen de forma más dramática.
| Ruta | Intensidad de CO2 | Fuentes de emisiones |
|---|---|---|
| BF-BOF (integrada) | ~2,33 t CO2 por tonelada de acero | Combustión de carbón de coque, reducción de mineral, uso de energía |
| EAF (basada en chatarra) | ~0,77 t CO2 por tonelada de acero | Generación eléctrica (red), consumo de electrodos, fundentes |
| DRI-EAF (basada en gas) | ~1,0-1,4 t CO2 por tonelada de acero | Gas natural para reducción de DRI, electricidad |
| H2-DRI-EAF (hidrógeno verde) | <0,1 t CO2 por tonelada de acero | Solo electricidad renovable |
La ruta BF-BOF emite aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de acero bruto, según los datos de la World Steel Association. La gran mayoría de estas emisiones provienen del carbón de coque; el carbono es químicamente necesario en el proceso de alto horno como combustible y como agente reductor. No se puede eliminar el carbón de un alto horno y seguir produciendo hierro.
La ruta EAF emite aproximadamente 0,77 toneladas de CO2 por tonelada de acero, principalmente a través de la electricidad utilizada para alimentar el arco. Esta cifra depende críticamente de la intensidad de carbono de la red eléctrica. Un EAF que funciona con electricidad 100% renovable emite casi cero CO2 directo. Un EAF que funciona con electricidad generada por carbón emite más.
En el contexto de la UE: el precio del carbono en el EU ETS (actualmente entre 50 y 70 € por tonelada de CO2) significa que la producción de acero integrada BF-BOF conlleva ahora un coste de carbono implícito de aproximadamente 115-165 € por tonelada de acero. Esta es una desventaja competitiva significativa frente a los productores de EAF o las importaciones de países sin fijación de precios del carbono, que es precisamente para lo que se diseñó el CBAM (Mecanismo de Ajuste en Frontera por Carbono) de la UE.
Comparación de costes: costes operativos y de capital
Las dos rutas tienen estructuras de costes opuestas.
Costes de capital (construcción de la planta):
| Ruta | Coste de capital típico | Notas |
|---|---|---|
| Integrada BF-BOF (nueva construcción, 3-4 Mtpa) | 2-4 mil millones de $ | Incluye alto horno, baterías de coque, BOF, trenes de laminación |
| Mini-mill EAF (nueva construcción, 1-2 Mtpa) | 300-600 millones de $ | Mucho menor por tonelada de capacidad |
Un alto horno requiere un complejo integrado completo: planta de coque, planta de sinterización, alto horno, tren de bandas en caliente o laminador de chapa, y toda la infraestructura asociada. El coste de capital por tonelada de capacidad anual oscila entre 600 y 1.000 dólares.
Una mini-mill EAF puede construirse por 300-400 dólares por tonelada de capacidad anual. Es por ello que la tecnología EAF ha permitido que “mini-mills” —empresas como Nucor, Steel Dynamics y Commercial Metals en EE. UU.— construyan plantas siderúrgicas regionales a costes mucho menores que las siderúrgicas integradas.
Costes operativos:
Las plantas BF-BOF tienen costes de materia prima elevados (mineral de hierro + carbón de coque), pero una economía unitaria relativamente predecible una vez que el horno está en marcha. El carbón de coque representa normalmente entre el 30% y el 40% de los costes operativos del BF-BOF. El alto horno no puede detenerse y reiniciarse a bajo coste: funciona de forma continua o no funciona en absoluto.
Las plantas EAF tienen menores costes de materia prima (la chatarra es más barata que las unidades de hierro virgen por tonelada de hierro contenido), pero son altamente sensibles a los precios de la electricidad. La electricidad puede representar entre el 25% y el 35% de los costes operativos del EAF. Cuando los precios de la electricidad se disparan —como en Europa en 2022— las plantas EAF absorben el coste o recortan la producción. Varios fabricantes europeos de acero EAF redujeron su producción en 2022 específicamente porque los precios de la electricidad hicieron que la fabricación de acero no fuera rentable.
El EAF también ofrece flexibilidad operativa: las plantas pueden quedar inactivas durante períodos de precios altos de la electricidad y reiniciarse. Esta es una ventaja significativa en mercados eléctricos con gran volatilidad de precios.
Lo que el EAF no puede fabricar: limitaciones de grado de acero
La ruta EAF tiene una limitación metalúrgica fundamental: la contaminación por elementos residuales de la chatarra.
La chatarra de acero no es hierro puro. Contiene elementos de aleación residuales de la composición original del acero: cobre, estaño, níquel, molibdeno, cromo. Estos elementos sobreviven al proceso de fusión y no pueden eliminarse mediante oxidación (a diferencia del carbono, el silicio y el azufre, que pueden quemarse). Se acumulan en el metal fundido.
El principal culpable es el cobre. El cobre en el acero por encima de ciertos niveles umbral (típicamente 0,1-0,2%) degrada la trabajabilidad en caliente; la superficie del acero se agrieta durante la laminación en caliente. Esto se denomina fragilidad en caliente. Para los grados de acero comerciales (barras corrugadas, perfiles estructurales, alambrón), las tolerancias de cobre son flexibles y la producción basada en chatarra EAF funciona bien. Para los productos de acero plano, como los paneles de carrocería automotriz, acero eléctrico y acero para envases estañados, el cobre debe ser muy bajo, a menudo por debajo del 0,04%.
No existe ningún método económicamente práctico para eliminar el cobre del acero líquido una vez que está en el baño de fusión. La única solución es la dilución: añadir unidades de hierro virgen (arrabio, DRI o HBI) que no contengan cobre. Las plantas EAF que producen acero plano de calidad (como el laminador de chapa de Nucor en Crawfordsville) hacen exactamente esto, mezclando arrabio o DRI comprado con chatarra.
La consecuencia práctica: los mercados de acero para automoción, acero eléctrico y acero laminado plano de alta calidad siguen siendo atendidos en gran medida por productores integrados BF-BOF porque utilizan mineral virgen sin contaminación de elementos residuales. El EAF destaca en productos largos (barras, perfiles, alambrón) y productos planos de menor grado.
Esta limitación será cada vez más importante a medida que aumenten las tasas de reciclaje de chatarra y la calidad de la chatarra se degrade aún más con la acumulación de elementos residuales.
Cuota global: por qué existe la división 70/30
La producción mundial de acero bruto es de aproximadamente 1.900 millones de toneladas al año (datos de 2023). La división es:
- BF-BOF: aproximadamente 70% (~1.330 millones de toneladas)
- EAF: aproximadamente 29% (~550 millones de toneladas)
- Otros (horno Martin, hornos de inducción): ~1%
La razón del dominio del BF-BOF es China. China produce más del 50% del acero mundial —aproximadamente 1.000 millones de toneladas al año— y cerca del 90% de la producción china utiliza la ruta BF-BOF. China ha construido una enorme base de siderúrgicas integradas en los últimos 30 años, y el suministro de chatarra ha estado limitado por la juventud relativa del stock industrial chino (la mayor parte de la infraestructura y los edificios se construyeron hace poco y aún no han llegado a su vida útil para convertirse en chatarra).
Fuera de China, la cuota de EAF es mucho mayor:
– Estados Unidos: ~70% EAF, 30% BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics y Commercial Metals son importantes productores de EAF.
– UE: ~40% EAF (varía según el país: Italia cerca del 70% EAF; Alemania sigue siendo intensiva en BF debido a la demanda automotriz).
– Turquía: ~70% EAF (gran importador de chatarra que utiliza flujos de chatarra mediterráneos).
A medida que la base industrial de China envejece y aumenta la disponibilidad de chatarra, se espera que la cuota de EAF de China aumente del ~10% al 20-25% para 2035, un cambio significativo en la dinámica del mercado global.
DRI de hidrógeno verde: la tercera vía
El desarrollo más importante en la tecnología siderúrgica para la próxima década es la reducción directa de hierro basada en hidrógeno (H2-DRI), combinada con la fabricación de acero en EAF.
El hierro de reducción directa (DRI) es hierro producido reduciendo pellets de mineral de hierro con un gas reductor (tradicionalmente gas natural, principalmente metano) a temperaturas inferiores al punto de fusión (~800-1.100 °C). El mineral permanece sólido pero se reduce químicamente de óxido de hierro a hierro metálico. El resultado es un material metálico esponjoso que puede introducirse directamente en un EAF como sustituto de la chatarra.
El proceso DRI convencional (utilizando gas natural) produce aproximadamente 1,0-1,4 toneladas de CO2 por tonelada de DRI; mejor que el alto horno, pero no carbono cero.
El gran avance es reemplazar el gas natural con hidrógeno verde: hidrógeno producido mediante electrólisis del agua utilizando electricidad renovable. Cuando el hidrógeno reduce el mineral de hierro, el único subproducto es agua (H₂O), no CO2. Combinado con la fabricación de acero en EAF alimentada por energías renovables, la ruta completa H2-DRI-EAF puede producir acero con menos de 0,1 toneladas de CO2 por tonelada, una reducción de ~95% respecto al BF-BOF.
Dos proyectos importantes lideran esta tecnología:
HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology): Una empresa conjunta entre SSAB (Suecia), LKAB (el mayor productor de mineral de hierro de Suecia) y Vattenfall (empresa energética sueca). HYBRIT produjo el primer acero reducido con hidrógeno del mundo entregado a un cliente (Volvo AB) en 2021. La producción a escala comercial está prevista en la planta de SSAB en Luleå para 2026-2030.
H2 Green Steel (ahora Stegra): Una nueva planta en construcción en Boden, Suecia. Con un objetivo de 5 millones de toneladas anuales de acero verde para 2030, alimentada por energía hidroeléctrica y eólica sueca y utilizando tecnología H2-DRI-EAF.
Otras empresas que persiguen rutas similares incluyen ArcelorMittal (plantas de DRI basadas en MIDREX con transición a hidrógeno), thyssenkrupp (proyecto tkH2Steel en Duisburg) y Salzgitter (programa SALCOS).
El desafío comercial: el hidrógeno verde cuesta actualmente 4-8 $/kg, frente al gas natural a un equivalente energético de 1-2 $/kg. El acero verde producido mediante H2-DRI conlleva una prima de coste de 100-300 $/tonelada frente al acero BF-BOF convencional. Si esa prima puede trasladarse a los compradores a través de “primas verdes” o absorberse mediante el precio del carbono es la cuestión comercial central de la descarbonización de la industria siderúrgica.
Lo que esto significa para el comercio de materias primas
La división EAF/BF-BOF tiene implicaciones directas para los flujos comerciales de materias primas que respaldan cada ruta.
Demandas de BF-BOF: Mineral de hierro (enviado desde Australia, Brasil) y carbón de coque (enviado desde Australia, EE. UU., Canadá, Rusia). Estos son dos de los comercios de graneles sólidos marítimos de mayor volumen del mundo. Un cambio que se aleje del BF-BOF reduce directamente la demanda de carbón de coque y pellets de mineral de hierro de primera calidad, un lastre a largo plazo para esos mercados de materias primas.
Demandas de EAF: Electricidad y chatarra de acero. El comercio mundial de chatarra es significativo: Turquía es el mayor importador de chatarra de acero del mundo, abasteciéndose de EE. UU., la UE y el Reino Unido. El aumento de la producción de EAF a nivel mundial significa una mayor demanda de chatarra, lo que empuja los precios de la chatarra al alza y hace que el abastecimiento de chatarra sea más competitivo.
Demandas de H2-DRI: Pellets de mineral de hierro de alta ley (el DRI requiere un mayor contenido de hierro —67%+ Fe— que el mineral estándar de alto horno BF-BOF). Esto crea un mercado premium para pellets de mineral de hierro de alta ley de LKAB (Suecia), CVRD/Vale (Brasil) y Bahrain Steel. La transición a H2-DRI es alcista para el mineral de hierro de alta ley y bajista para el mineral de alto horno de grado medio.
Preguntas frecuentes
¿Qué es más barato de operar, un alto horno o un EAF?
Depende del coste de las materias primas en cada ubicación. Donde la chatarra es barata y la electricidad asequible, el EAF es más barato de operar. Donde la chatarra es escasa y la electricidad cara, el BF-BOF tiene la ventaja. Las mini-mills EAF en EE. UU. tienen costes consistentemente más bajos que los productores integrados de BF-BOF, ya que la chatarra estadounidense es abundante y relativamente barata. Los productores europeos de EAF se vieron presionados en 2022 cuando los precios de la electricidad se dispararon debido a la crisis del gas.
¿Puede un horno de arco eléctrico fabricar acero para automoción?
Algunos pueden, con importantes matices. El acero laminado plano de alta calidad para aplicaciones automotrices requiere niveles muy bajos de cobre (por debajo del 0,04%) para evitar la fragilidad en caliente durante la laminación. Las plantas EAF que producen acero de grado automotriz deben diluir la chatarra con unidades de hierro virgen sin cobre: arrabio, DRI o HBI. Los laminadores de Nucor en Gallatin y Crawfordsville hacen exactamente esto. Pero el techo de calidad para el acero plano EAF es más bajo que para las plantas integradas BF-BOF sin una adición significativa de DRI.
¿Qué es el acero verde y cuánto cuesta más?
El acero verde es acero producido con emisiones de CO2 significativamente menores que la fabricación de acero convencional, generalmente definido como menos de 0,5 toneladas de CO2 por tonelada de acero. La vía principal es el H2-DRI-EAF utilizando hidrógeno verde alimentado por energías renovables. El acero verde actual conlleva una prima de coste de 100-300 $/tonelada frente al acero convencional, dependiendo del coste del hidrógeno verde. A medida que caigan los costes de la energía renovable, se espera que esta prima se reduzca.
¿Por qué China domina la ruta BF-BOF?
China construyó la mayor parte de su capacidad siderúrgica en los últimos 30 años utilizando la tecnología BF-BOF porque era la forma más barata de ampliar rápidamente la producción, porque disponía de carbón de coque y porque la chatarra era escasa en una economía en rápida industrialización. China produce más de mil millones de toneladas de acero al año, ~90% vía BF-BOF. A medida que la base industrial de China envejece y aumenta la disponibilidad de chatarra, su cuota de EAF está aumentando gradualmente desde el ~10% actual.
¿Qué es HYBRIT y por qué importa?
HYBRIT es una empresa conjunta entre SSAB, LKAB y Vattenfall con el objetivo de producir acero libre de combustibles fósiles utilizando reducción directa de hidrógeno. En 2021 entregó el primer acero libre de fósiles del mundo —producido sin carbón de coque ni gas natural— a Volvo AB. HYBRIT importa porque demuestra que la ruta H2-DRI-EAF puede funcionar comercialmente. Si se escala, podría eliminar aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de acero en toda la industria BF-BOF.
Puntos clave
- La ruta del alto horno-BOF (BF-BOF) utiliza mineral de hierro y carbón de coque; el horno de arco eléctrico (EAF) utiliza chatarra de acero y electricidad. Son cadenas de suministro de materias primas fundamentalmente diferentes.
- El BF-BOF emite aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de acero; el EAF emite aproximadamente 0,77 toneladas, una reducción del 67%.
- El EAF tiene costes de capital mucho menores que el BF-BOF (~300-400 $ por tonelada de capacidad frente a 600-1.000 $) y mayor flexibilidad operativa, pero es sensible a los precios de la electricidad.
- El EAF no puede producir fácilmente grados de acero plano de alta pureza para aplicaciones automotrices sin añadir unidades de hierro virgen para diluir los elementos residuales —especialmente el cobre— que se acumulan de la chatarra.
- La siderurgia mundial se divide aproximadamente en un 70% BF-BOF y un 30% EAF; la cuota de EAF está aumentando a medida que crece la disponibilidad de chatarra e intensifica la presión de descarbonización.
- El precio del carbono del EU ETS (~50-70 €/tonelada de CO2) añade 115-165 €/tonelada de coste de carbono implícito al acero BF-BOF, creando una presión competitiva que el EAF y las importaciones sin fijación de precios de carbono no enfrentan por igual.
- El DRI de hidrógeno verde (H2-DRI-EAF) es la ruta siderúrgica con menores emisiones de carbono, reduciendo el CO2 hasta en un 95% frente al BF-BOF; HYBRIT y Stegra en Suecia son los proyectos líderes a escala comercial.
- El cambio de BF-BOF a EAF/DRI-EAF es bajista a largo plazo para el carbón de coque y el mineral de hierro estándar, y alcista para los pellets de mineral de hierro de alta ley y la chatarra de acero.
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