Centro para desarrollar un método rentable para la fabricación descarbonizada para la fabricación de acero sin alto horno.

El acero tiene un gran impacto en la vida de todos y en nuestra economía. Es crucial para automóviles, camiones, aviones, edificios y más. Sin embargo, existe un problema importante con su proceso de producción. A nivel mundial, representa un gran porcentaje de las emisiones de gases de efecto invernadero del sector industrial.

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) anunció recientemente una financiación de 19 millones de dólares durante cuatro años para que el Laboratorio Nacional Argonne del DOE dirija el Centro multiinstitucional para la electrificación del acero mediante electrosíntesis (C-STEEL). El objetivo del centro es desarrollar un proceso innovador y de bajo costo que reemplazaría los altos hornos en la fabricación de acero y reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero en un 85%.

"Es un gran objetivo que tiene una gran recompensa si se logra", dijo Brian Ingram, director de C-STEEL y líder del grupo Argonne y científico de materiales.

C-STEEL es un proyecto clave de la iniciativa Industrial Heat Energy Earthshot del DOE, cuyo objetivo es reducir significativamente las emisiones del proceso de calefacción industrial que consume mucha energía. Los socios del centro incluyen el Laboratorio Nacional Oak Ridge, la Universidad Case Western Reserve, la Universidad del Norte de Illinois, la Universidad Purdue del Noroeste y la Universidad de Illinois en Chicago.

"Si bien la fabricación de acero actual requiere un calor intenso de los altos hornos, nuestro proceso de electrodeposición necesitará un aporte de calor bajo o incluso nulo". — Brian Ingram, director de C-STEEL y líder del grupo Argonne y científico de materiales

El paso que consume más energía en la producción de acero consiste en convertir el mineral de hierro en metal de hierro purificado o aleaciones de hierro mediante altos hornos. Esto exige temperaturas de 2500 a 2700 grados Fahrenheit, más calientes que un volcán en erupción. El objetivo del centro es desarrollar un proceso que esencialmente elimine esa demanda de calor, logrando una reducción del 85% en las emisiones de gases de efecto invernadero para 2035.

"Si bien la fabricación de acero actual requiere un calor intenso de los altos hornos, nuestro proceso de electrodeposición necesitará un aporte de calor bajo o incluso nulo", dijo Ingram. "También será rentable y adaptable a operaciones a escala industrial".

El proceso de electrodeposición implica disolver mineral de hierro en una solución y usar electricidad para iniciar una reacción que deposita un metal o aleación de hierro utilizable para la fabricación de acero. La solución es un electrolito líquido similar a los que se encuentran en las baterías.

"Aprovecharemos la inmensa base de conocimientos que adquirimos sobre diferentes electrolitos de baterías a partir del trabajo realizado por el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía, dirigido por Argonne", dijo Ingram.

El proyecto tiene tres ejes. Dos de ellos investigarán diferentes procesos de electrodeposición. Un proceso funcionará a temperatura ambiente utilizando electrolitos a base de agua. El otro utilizará un electrolito a base de sal y funcionará a temperaturas de 1800 a 2000 grados Fahrenheit por debajo de los altos hornos actuales. La energía para este proceso es lo suficientemente baja como para que pueda ser proporcionada por energías renovables o por el calor residual de un reactor nuclear.

Un tercer impulso se centrará en obtener una comprensión a nivel atómico de cada proceso. El objetivo de este impulso es ejercer un control preciso tanto sobre la estructura como sobre la composición de los productos metálicos para que puedan incorporarse a los procesos posteriores existentes de fabricación de acero.

Cada impulso incorporará una plataforma basada en inteligencia artificial para garantizar un enfoque unificado para el diseño de electrolitos. Con ese fin, C-STEEL aprovechará los recursos computacionales de clase mundial de dos instalaciones de computación de liderazgo, una en Argonne y la otra en Oak Ridge. Ambas son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

C-STEEL también aprovechará las capacidades de caracterización de materiales de otras dos instalaciones de usuarios del DOE en Argonne, Advanced Photon Source y el Centro de Materiales a Nanoescala.

"Otra parte clave del centro es que una de las universidades asociadas es una institución que presta servicios a minorías, la Universidad de Illinois Chicago", dijo Ingram. "A través de su participación y otras acciones, formaremos un equipo diverso para contribuir a nuestros esfuerzos de investigación". C-STEEL también planea implementar iniciativas de divulgación, programas de tutoría y oportunidades de desarrollo profesional para estudiantes y postdoctorados para entusiasmar a la próxima generación de científicos.

Esta investigación está financiada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE y el programa de Investigación en Computación Científica Avanzada del DOE.

Acerca del Centro de materiales a nanoescala de Argonne
El Centro de Materiales a Nanoescala es uno de los cinco Centros de Investigación Científica a Nanoescala del DOE, principales instalaciones nacionales para usuarios de investigación interdisciplinaria a nanoescala respaldadas por la Oficina de Ciencias del DOE. Juntos, los NSRC comprenden un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de última generación para fabricar, procesar, caracterizar y modelar materiales a nanoescala, y constituyen la mayor inversión en infraestructura de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. Los NSRC están ubicados en los Laboratorios Nacionales Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos del DOE. Para obtener más información sobre los NSRC del DOE, visite https://​sci​ence​.osti​.gov/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​ i​e​s​/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​i​e​s​-​a​t​-​a​-​ Mirada.

La instalación de computación de liderazgo de Argonne proporciona capacidades de supercomputación a la comunidad científica y de ingeniería para avanzar en el descubrimiento y la comprensión fundamentales en una amplia gama de disciplinas. Con el respaldo del programa de Investigación en Computación Científica Avanzada (ASCR) de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), el ALCF es una de las dos instalaciones de computación de liderazgo del DOE en el país dedicadas a la ciencia abierta.

Acerca de la fuente de fotones avanzada

La Fuente Avanzada de Fotones (APS) de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne es una de las instalaciones de fuentes de luz de rayos X más productivas del mundo. El APS proporciona haces de rayos X de alto brillo a una comunidad diversa de investigadores en ciencia de materiales, química, física de la materia condensada, ciencias biológicas y ambientales e investigación aplicada. Estos rayos X son ideales para exploraciones de materiales y estructuras biológicas; distribución elemental; estados químicos, magnéticos, electrónicos; y una amplia gama de sistemas de ingeniería de importancia tecnológica, desde baterías hasta aerosoles para inyectores de combustible, todos los cuales son la base del bienestar económico, tecnológico y físico de nuestra nación. Cada año, más de 5,000 investigadores utilizan el APS para producir más de 2,000 publicaciones que detallan descubrimientos impactantes y resuelven estructuras de proteínas biológicas más vitales que los usuarios de cualquier otra instalación de investigación con fuentes de luz de rayos X. Los científicos e ingenieros de APS innovan en tecnología que es fundamental para el avance de las operaciones de aceleradores y fuentes de luz. Esto incluye los dispositivos de inserción que producen rayos X de brillo extremo apreciados por los investigadores, lentes que enfocan los rayos X hasta unos pocos nanómetros, instrumentación que maximiza la forma en que los rayos X interactúan con las muestras que se estudian y software que recopila y gestiona la enorme cantidad de datos resultantes de la investigación de descubrimiento en la APS.

Esta investigación utilizó recursos de Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU. operada para la Oficina de Ciencias del DOE por el Laboratorio Nacional Argonne bajo el contrato número DE-AC02-06CH11357.

Argonne National Laboratory busca soluciones a los acuciantes problemas nacionales en materia de ciencia y tecnología. Argonne, el primer laboratorio nacional del país, lleva a cabo investigaciones científicas básicas y aplicadas de vanguardia en prácticamente todas las disciplinas científicas. Los investigadores de Argonne trabajan en estrecha colaboración con investigadores de cientos de empresas, universidades y agencias federales, estatales y municipales para ayudarlos a resolver sus problemas específicos, promover el liderazgo científico de Estados Unidos y preparar a la nación para un futuro mejor. Con empleados de más de 60 países, Argonne es administrada por UChicago Argonne, LLC para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

La Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. es el mayor defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.