Bajas emisiones y alta eficiencia energética – Reciclaje de carburo de silicio con RECOSiC©

RECOSiC utiliza residuos y subproductos del proceso de Acheson y los transforma en carburo de silicio de alta pureza en un horno de alta tecnología cerrado. El producto del proceso es SiC en forma de polvo. © Fraunhofer IKTS / RECOSiC

La gráfica muestra las ventajas de RECOSiC frente al método Acheson: las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de electricidad disminuyen significativamente, al mismo tiempo que la producción de SiC de alta calidad es mucho mayor. © Fraunhofer IKTS

El gráfico muestra las ventajas de RECOSiC© en comparación con el proceso de Acheson: las emisiones de dióxido de carbono y el consumo de energía se reducen significativamente, mientras que el rendimiento de SiC de alta calidad es mucho mayor. © Fraunhofer IKTS

Los investigadores están trabajando también en utilizar componentes de cerámica defectuosos o usados como materia prima para producir SiC de alta calidad en el futuro. © Fraunhofer IKTS

El material industrial de carburo de silicio es muy demandado para muchas aplicaciones. El material extremadamente duro y resistente al calor se utiliza, por ejemplo, para componentes refractarios o semiconductores. Sin embargo, su fabricación es intensiva en energía y emite mucho dióxido de carbono. Además, se generan grandes cantidades de subproductos y residuos. Investigadores del Instituto Fraunhofer para Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS han desarrollado con RECOSiC© un proceso de reciclaje especialmente ecológico, que convierte estos subproductos y residuos en carburo de silicio de alta calidad. El nuevo proceso mejora el rendimiento y reduce también la dependencia de los proveedores de materias primas.

El material industrial de carburo de silicio (fórmula química: SiC) es muy valorado en la industria por su dureza enorme —casi tan dura como el diamante— y su resistencia al calor. El SiC se emplea en aplicaciones en la industria química, como cerámica técnica, en componentes refractarios, pero también en semiconductores. En la fabricación mediante el llamado proceso de Acheson, se calienta arena de cuarzo y coque de petróleo en un horno de aire libre con forma cilíndrica a aproximadamente 2500 °C. La reducción carbotérmica que se inicia produce carburo de silicio como producto final. Aunque el proceso no es complicado, genera mucho CO2: solo por la reducción carbotérmica se liberan aproximadamente 2,4 toneladas de gas de efecto invernadero por cada tonelada de SiC. Además, se consume una enorme cantidad de electricidad, 7,15 MWh/t, para el funcionamiento de varios días del horno. En este proceso se generan otras 1,8 toneladas de CO2 por tonelada de SiC.

»El proceso de Acheson tiene casi 130 años y pertenece a los procesos industriales clásicos y contaminantes, que en realidad ya no encajan en nuestro tiempo», explica Jörg Adler, jefe del departamento de cerámica no oxidante en el Instituto Fraunhofer para Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS en Dresde. Su equipo ha desarrollado, junto con el socio industrial ESK-SiC GmbH, un proceso de reciclaje para los residuos y subproductos generados en el proceso. RECOSiC© reduce la carga ambiental y transforma los materiales reciclados en carburo de silicio de alta calidad. La ESK-SiC GmbH, con sede en Frechen cerca de Colonia, tiene una amplia experiencia en el tratamiento y la refinación de materias primas.

Horno de alta tecnología convierte residuos y subproductos en SiC

En las zonas periféricas de los enormes hornos de aire libre de Acheson, una parte significativa de las materias primas primarias, arena de cuarzo y carbón, no puede reaccionar completamente para formar carburo de silicio, porque la temperatura aquí no es lo suficientemente alta. Debido al tamaño de los hornos y al calor extremo, su instalación en una nave de fábrica resulta casi imposible. Además, en el horno de aire libre se añaden contaminantes del aire. El SiC no convertido, junto con los residuos y subproductos, solo puede ser utilizado en aplicaciones de menor calidad o debe ser desechado. Aquí entra en juego RECOSiC©, patentado. »Calentamos estos subproductos en una atmósfera de gases protectores en un horno de alta tecnología a temperaturas de hasta 2400 °C. De esto se obtiene nuevamente SiC de alta calidad. La absorción de energía en RECOSiC© es un 80 por ciento menor que en el proceso de Acheson, lo que también reduce significativamente las emisiones de CO2«, explica Adler.

En contraste con el proceso de Acheson, en el horno de alta tecnología se generan muy pocos residuos o subproductos. Las impurezas se depositan o vaporizan durante la reacción química. Metales como el hierro forman grumos bajo altas temperaturas, que pueden eliminarse mecánicamente. La eficiencia de recuperación alcanza casi el 100 por ciento.

Otra gran ventaja: en RECOSiC© se produce SiC de alta calidad con un grado de pureza del 99 por ciento e incluso superior. Matthias Hausmann, director general de ESK-SiC GmbH, lo explica con una comparación ilustrativa: »Es como si tuviera un proceso que convierte papel usado en papel, que es igual o incluso mejor que el papel original.«

Las especificaciones y la pureza del SiC son controlables

Para lograr esta alta calidad, los investigadores del Fraunhofer IKTS no se limitan a introducir el material en el horno. Primero se analiza, preprocesa y complementa la materia prima de forma estequiométrica. Esto significa que los componentes de partida se mezclan en la proporción exacta necesaria para que en el proceso químico se forme la sustancia deseada con las propiedades requeridas. Si es necesario, los expertos también añaden ciertos aditivos. Finalmente, se ajustan los parámetros del proceso en el horno. Esto incluye la temperatura máxima, la duración y el control de la evolución de la temperatura durante todo el proceso. De este modo, pueden controlar el proceso y determinar de antemano propiedades del producto final, como el tamaño de las partículas o el grado de pureza. Aquí también se beneficia el equipo del IKTS de su amplia experiencia y conocimientos en materiales cerámicos.

»Junto con nuestro socio industrial ESK-SiC, podemos como proveedores de tecnología suministrar el material de SiC con las especificaciones deseadas para la aplicación concreta del cliente«, comenta Adler. »Al mismo tiempo, podemos desarrollar con socios en la industria cerámica materias primas y procesos a medida, que permitan nuevas propiedades del producto e incluso la circularidad.«

El proceso innovador no solo trata residuos del proceso de Acheson. También componentes cerámicos defectuosos o gastados, como filtros de partículas diésel o losetas de calor de incineradoras, probablemente puedan reciclarse. En general, cualquier material con al menos un 50 por ciento de contenido de SiC es apto para convertirse en carburo de silicio de alta calidad.

Reducir la dependencia de los proveedores de materias primas

Matthias Hausmann afirma: »Con RECOSiC©, hacemos que un proceso industrial que hasta ahora era muy contaminante y dañino para el clima sea mucho más limpio y además ahorramos recursos valiosos. Es un paso importante hacia una economía circular sostenible.«

El mejor aprovechamiento de las materias primas primarias también reduce la dependencia de proveedores extranjeros y las cadenas de suministro cada vez más frágiles. El IKTS del Fraunhofer ha desarrollado y probado RECOSiC© con una planta a escala de laboratorio. Desde el segundo trimestre de 2023, la ESK-SiC GmbH opera una planta de laboratorio a escala industrial. Está prevista una ampliación de capacidades. En este proceso, se crearán empleos tecnológicos atractivos en Alemania en tecnologías sostenibles en la industria intensiva en energía.