- Por Wilmer Romero -
En capítulos precedentes sobre protagonistas del aluminio, aprendimos sobre el origen de la palabra aluminio, la manera en que se aisló por primera vez para poder determinar sus propiedades físicas básicas, su debut antes el mundo como un metal de origen noble y aristocrático, con el cual se ganó el apodo de metal de los reyes, empleándose como símbolo de prosperidad y distinción por algunas naciones.
También detallamos los acontecimientos que llevaron a la creación de la primera planta industrial para producir aluminio, en donde la comercialización del aluminio pasó de onzas a kilogramos. Finalmente, hablamos sobre Alessandro Volta y Michael Faraday, protagonistas del aluminio que lograron pavimentar el camino que condujo al nacimiento de la electrometalurgia del aluminio.
Para seguir con nuestra metodología de narrar la historia del aluminio de una forma sistemática y secuencial, en este capítulo les contaré los eventos que llevaron al desarrollo del segundo método industria para producir aluminio de una forma abundante y relativamente económica, acabando de una vez por todas con los últimos destellos aristocráticos que aún mantenía el aluminio para el año de 1888.
La época correcta
Para la década de 1880, ya existía un gran interés por encontrar un nuevo proceso industrial para producir aluminio de forma abundante y económica, tal como había sucedido con el acero en la década de 1860, en donde gracias al proceso Bessemer, la fabricación del acero se redujo de 15 días a unos 15 minutos, desplomándose así su precio.
La electroquímica había empezado a madurar como una ciencia aplicada, se había despertado también el interés en la química de las sustancias conteniendo fluoruro, como la criolita. Grandes dinamos generadores de electricidad estaban también disponibles comercialmente.
"Cuando el alumno está preparado, aparece el maestro". Proverbio Zen
En USA, J. D. Rockefeller estaba en los primeros años de desarrollo de la "Standard Oil“, por lo que había disponibilidad de Gasolina en toda el área de Cleveland, que era la ciudad más cercana al pueblo donde vivía nuestro protagonista estrella. La “Brush Electric” desarrollaba lámparas de arco de carbón/grafito para el alumbrado público en Cleveland, así que existía la disponibilidad comercial de barras de grafito. Cleveland fue la primera ciudad con calles iluminadas en USA.
La empresa “Grasselli Chemical” (actual Du Pont), líder en productos químicos en Cleveland, proporcionaba las sustancias químicas para baterías y reactivos químicos. Las condiciones estaban dadas para que alguien encontrara un nuevo método para producir aluminio.
Protagonistas estrellas
La solución llegó en febrero de 1886 de la mano de un joven de 22 años quien investigaba en un pueblo cercano a Cleveland, USA. Este joven recién graduado en química se llamaba Charles Martin Hall (1863 - 1914), nuestro protagonista estrella, un gran apasionado por el aluminio desde la edad de 16 años (un año antes de entrar a la Universidad). A esa edad, ya estaba fascinado por el proceso de fabricación del aluminio, le intrigaba el hecho de que a pesar de ser un metal tan abundante fuese tan difícil de producir.
Por casualidad del destino, otro joven de 22 años trabajando independientemente en el otro lado del océano, en Francia, hizo el mismo descubrimiento que Hall. Su nombre era Paul Héroult (1863 - 1914), quien a la edad de 15 años ya había leído las publicaciones de su compatriota francés Henri Sainte-Claire Deville, por lo que conocía las dificultades por la que atravesaba la producción del aluminio y soñaba con la posibilidad de descubrir un nuevo proceso para convertir al aluminio de un metal de reyes a un metal asequible a todos.
Gemelos del aluminio
Ninguno de los dos se conocían, pero ambos nacieron el mismo año, su apellido empezaba con la misma letra “H”, descubrieron el proceso el mismo año, lo patentaron el mismo año y murieron el mismo año, a la temprana edad de 51 años.
Ambos anhelaban desde su adolescencia, inventar un proceso que les permitiera producir aluminio de una forma mucho más económica. Dado todas estas coincidencias, los periódicos de la época los bautizaron con el apodo de gemelos del aluminio y el proceso pasó a llamarse “Hall-Héroult”.
Hall se enteró de la existencia de Héroult en 1886, porque la oficina de patente le envió una correspondencia indicándole que una patente francesa ya había sido introducida antes que la de él. De hecho, los libros de historia actuales señalan que Héroult realizó el descubrimiento un par de meses antes de Hall. Ambos tuvieron que litigiar por tres años y al final la patente se le confirió a Hall en USA, mientras que Héroult obtuvo la suya en Francia.
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| Protagonistas del proceso Hall-Héroult |
Si bien, los dos sentían la misma pasión por el aluminio y descubrieron el mismo método, sus personalidades no podrían haber sido más diferentes. Su educación, actitudes, naturalezas y comportamientos eran muy disímiles.
Hall y Héroult finalmente se conocieron 25 años después de sus descubrimientos, en un acto ceremonial que se celebró en Nueva York en honor a Hall. En esa ocasión (1911), Hall recibió la medalla Perkin por su contribución a la química, uno de los más grandes honores que otorga la sociedad americana de industria química, por lo cual recibió una gran publicidad internacional.
"La casualidad nos da casi siempre lo que nunca se nos hubiera ocurrido pedir". Alphonse De Lamartine
Paul Héroult cruzó el océano para asistir a la ceremonia y encontrarse cara a cara con Hall. Luego del discurso de Hall, Héroult habló sobre su interés en el aluminio durante sus días en la escuela y en la universidad, así como del crecimiento de la industria del aluminio y cerró su discurso de una forma humorística, diciendo:
“Mi amigo Hall y mi persona hemos estado cayéndonos a tiros por más de 15 años, pero la mayoría de los disparos han sido en vano, a causa de la gran extensión del océano atlántico. Sin embargo, desde que nos conocimos hemos entablado una mejor amistad y esta noche he tenido el gran placer en extenderle a mi amigo Hall, mis sinceras felicitaciones por adjudicarse la medalla Perkin”.
En 1997, el proceso descubierto por Charles Martin Hall fue declarado por la “American Chemical Society”, un hito histórico de la Química Norteamericana.
1886, un año milagroso para la ciencia
El año en que se patentó el proceso Hall-Héroult (1886), fue también un año grandioso para la química, ya que se descubrió el elemento Germanio, el Disprosio, se aisló por primera vez al Flúor, se descubrió a los protones, los rayos canales y las ondas electromagnéticas.
Por otro lado, se patentó también el primer vehículo automotor de combustión interna, se descubrió la fórmula mágica de Coca Cola, se inauguró la célebre estatua de la libertad y fue el año en que se estableció por primera vez las 8 horas de trabajo diarias. Con todos estos acontecimientos y descubrimientos es difícil olvidar el año en que se inventó el proceso Hall-Héroult.
Solución a problemas comunes del proceso
Antes de llegar a su descubrimiento, ambos tuvieron que resolver tres problemas básicos del proceso de reducción electrolítica. El primero fue encontrar o más bien seleccionar la materia prima a utilizar en su proceso (el electrolito). Sainte-Claire Deville había seleccionado para su proceso de reducción química un haluro inorgánico que consistía de una sal doble de aluminio y sodio (NaCl-AlCl3). Por su parte, Hall y Héroult después de realizar muchas pruebas eligieron un óxido, el óxido de aluminio, al cual llamamos alúmina (Al2O3).
La alúmina era un compuesto más simple y más económico que el haluro utilizado por Deville y justamente la idea era encontrar un nuevo proceso para producir aluminio al menor costo posible. Gracias al primer método de producción de aluminio desarrollado por Deville, la alúmina ya se producía industrialmente mediante el proceso “Le Chatelier”, el predecesor del proceso Bayer.
"No hay nada como un reto para sacar lo mejor de un hombre". Sir Sean Connery
El segundo desafío que enfrentaron fue encontrar una sustancia que disolviera a la alúmina, el cual es un requisito necesario para que pueda darse la electrolisis (½ Al2O3 (en criolita) = Al + ¾ O2). Encontraron que la criolita fundida (Na3AlF6), podía disolver fácilmente a la alúmina, así que se enfocaron en optimizar el baño para bajar su punto de fusión y disminuir su resistencia eléctrica, ambos factores favorecían la reducción del consumo eléctrico.
El tercer problema a resolver estuvo relacionado con la configuración de la celda o cuba electrolítica que debían implementar a escala industrial, es decir, el diseño de la tecnología de la celda. Recuerden que no existía un modelo para tomar como ejemplo o hacer reingeniería.
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| Modelo de una celda electrolítica moderna |
El método de reducción química anterior desarrollado por Deville, no aportaba nada al diseño de esta nueva tecnología, ya que el nuevo método no era una continuación del anterior proceso, así que no se trataba de una innovación evolutiva. Era una nueva manera de producir aluminio, un nuevo proceso que hoy lo catalogaríamos como una “Tecnología Disruptiva”.
Debido a ello, tanto Hall como Héroult tuvieron que diseñar desde cero su propia cuba, su geometría y tamaño, los materiales del ánodo y del cátodo, el número de ellos, su tamaño, forma, posición, etc.
En el proceso electrolítico, la alúmina se descompone en aluminio metálico y oxígeno. El Al se deposita en el cátodo, mientras que el oxígeno se combina con el carbono del ánodo, formando CO2 como subproducto del proceso. Este subproducto es un gas de efecto invernadero que amenaza la sustentabilidad del proceso. El gas CO2 es liberado a la atmósfera a una tasa de aproximadamente 1,5 kg CO2 por kg de metal producido.
En el vídeo de abajo podrás ver el proceso de fabricación de aluminio por el método Hall-Héroult, es corto y bien ilustrativo, así que si no estas familiarizado con el proceso, te recomiendo que lo veas.
En el proceso de reducción química, el subproducto que se obtenía era una sal (NaCl), por lo que no existía el problema de emisión de gases de efecto invernadero. Otros tipos de gases que se generan durante el proceso Hall-Héroult son los compuestos de perfluorocarbonos, en particular del tipo CF4 y C2F2 que se generan en las celdas debido a los efectos anódicos.
Estos gases tienen un
potencial de calentamiento global muy alto. Por ello, las nuevas tecnologías de
celdas electrolíticas buscan reducir el efecto anódico a cero. Existen otros residuos ambientalmente peligrosos que se generan como consecuencia del proceso Hall-Héroult, tales como la brea residual, los desechos catódicos y del revestimiento refractarios de las celdas,
De inventor a empresario
Hall no sólo descubrió el proceso de reducción electrolítica del aluminio, sino que también se dedicó a buscar inversores para llevar su proceso a una escala industrial y expandir su negocio. En mi siguiente artículo describiré todas las secuencias de eventos que llevaron a Hall al descubrimiento del proceso y a fundar la primera planta de aluminio.
Héroult, por su parte, no tuvo tanta suerte con los inversionistas y decidió vender en 1887 su patente a los ancestros de la empresa suiza que hoy conocemos como “Alusuisse”. Héroult años después perdió interés en el aluminio y se dedicó a desarrollar otros inventos.
Usando la patente de Héroult, se instituyeron dos empresas en Europa, la primera se fundó en 1888 en Suiza, mejor conocida como "Alusuisse", que ya mencionamos, y la otra en Francia, fundada en 1889 bajo licencia de Alusuisse, que llegó a conocerse a partir de 1950 como "Pechiney". En la década de 1890, Alussuise extendió sus operaciones a Alemania y luego en Austria.
Estas dos empresas Europeas y la norteamericana “Alcoa”, construyeron sus propios monopolios, protegidas por sus respectivas patentes. Para el momento de expirar la patente, ya habían desarrollado una economía de escala tal y un control de las materias primas, que hacía muy difícil que otras compañías pudiesen entrar en el negocio del aluminio.
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| Alcoa - Empresa pionera en el negocio del aluminio |
Hall siempre creyó firmemente en lo que hacía. Desde niño tuvo un gran sueño y se enfocó completamente en él hasta conseguirlo. Ese sueño era ser un gran inventor, famoso y con fortuna. Sabía lo que quería, trabajó en función de ello, se comprometió con ello, actuó y consiguió lo que buscaba a pesar de múltiples adversidades, de recursos, financieros y legales.
"Una forma de recordar quién eres, es recordar quiénes son tus héroes". Steve Jobs
Hall fue un ejemplo de cómo el poder de una gran idea puede sobreponerse a las limitaciones en equipos, herramientas, tecnología y experiencia. Es también un modelo a seguir, como persona, inventor y empresario, por todos aquellos jóvenes que se inician en este fascinante mundo de la investigación tecnológica.
Inicio del segundo método industrial para producir aluminio
Hablar de Hall es hablar de la compañía que él ayudó a construir y que hoy lleva el nombre de “Alcoa Corp”. El origen de esta compañía se remonta al año de 1888, cuando Hall consigue un inversionista y juntos conforman la primera empresa de reducción de aluminio usando la electrolisis de sales fundidas.
Durante la fase experimental, se le asignó a Hall el primer empleado de la empresa, llamado Arthur Vining Davis, quien se convirtió en un personaje legendario, ya que trabajó durante 69 años en la empresa y llegó a ser su presidente.
Inicialmente, las celdas o cubas electrolíticas eran muy rudimentarias, estaban totalmente abiertas, generando un ambiente de trabajo terrible debido a las emisiones y el polvo. El mismo Hall se refería a la primera planta que instalaron en Pittsburgh, como la “iglesia de satanás”, donde se necesitaba de una gran habilidad y agallas para soportar la suciedad, el hollín y las emisiones.
Afortunadamente hoy en día, la salud, la seguridad de los trabajadores y el medio ambiente es una parte integral del negocio del aluminio. En el año 2013, Alcoa tuvo que responder por daños medioambientales que ocasionó una de sus primeras plantas. La multa por los daños ocasionados fue de aproximadamente US$ 20 millones.
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| Tecnología de celdas Héroult en 1890 |
Las primeras celdas también eran pequeñas, algunos diseños tenían formas de ollas, pero fueron evolucionando y creciendo en forma rectangular. De hecho, desde el principio del siglo XX, el tamaño promedio de la celda se fue duplicando cada 18 años.
Hoy en día miden unos 18 metros de longitud, más largas que un autobús. Incrementar el tamaño de las celdas significaba reducir los costos laborales, aumentar la producción por metro cuadrado de construcción, mejorar la eficiencia energética (menor pérdidas de calor) y una mayor productividad al año por empleado.
Herencia dejada por el primer método de reducción química
Desde el mismo momento en que se iniciaron las operaciones en las celdas electrolíticas, empezaron las dificultades y problemas operativos para el manejo y control de este nuevo proceso. No era para menos, ya que no había experiencia previa, todo era nuevo, así que muchas cosas se aprendieron por ensayo y error, el empirismo era el maestro guía.
Se estaba construyendo una nueva industria desde cero y a medida que se aprendía, se empezaron a elaborar las prácticas de trabajo y los parámetros operativos.
El antiguo proceso de reducción química desarrollado por Henri Sainte-Claire Deville, no aportó ninguna experiencia o conocimiento previo para operar las celdas electrolíticas, por la sencilla razón de que se trataba de un proceso totalmente diferente. Como ya se mencionó anteriormente, Hall y Héroult iniciaron un nuevo proceso de producción de aluminio usando una tecnología disruptiva, que se alejaba de lo convencional.
"El verdadero progreso es el que pone la tecnología al alcance de todos". Henry Ford
El gran aporte del método de reducción química del aluminio, o más bien de la industria que se formó alrededor de él, fue haber dejado toda una infraestructura para la explotación de la Bauxita y la producción de alúmina mediante el proceso de “Le Chatelier”.
Hall utilizó el proceso Le Chatelier, que no estaba protegido por ninguna patente, hasta el año de 1911. A partir de allí, empezó a utilizar el proceso Bayer, el cual era más económico para producir alúmina, lo que permitió reducir aún más el precio del aluminio primario.
El proceso Bayer estuvo disponible desde 1888, pero Hall prefirió esperar a que su patente caducara para iniciar su propia planta de producción de alúmina mediante la ruta hidrometalúrgica (proceso Bayer). Otras infraestructuras que se desarrollaron en paralelo con el proceso Hall-Héroult, fueron las plantas de fabricación de ánodos y cátodos.
Debut del aluminio como metal industrial
En el año de 1889, un año después de que Hall formara la primera empresa para producir aluminio por electrolisis, y 34 años después del primer debut del aluminio en Francia, en donde se exhibió junto a las joyas de la corona francesa, la empresa de Hall presentó en la primera exposición mundial de Pittsburg, un bulto de lingotes de aluminio de una tonelada.
Era la primera vez que el público de todo el mundo pudo observar y tocar a este nuevo material, ya no como un metal semiprecioso, sino como un metal industrial.
¿Qué podemos aprender de la empresa de aluminio más antigua del mundo?
Alcoa es una de las empresas del aluminio con más historia del mundo y se ha mantenido en el negocio desde su fundación en 1888, por lo cual toda persona que entra en el negocio del aluminio debe estudiar su historia, para descifrar los secretos que le han permitido mantenerse como líder mundial por tantos años.
En los negocios siempre se busca aprender de los mejores, así sucedió en la industria automotriz con la "Ford motor", que llegó a ser una de las empresas manufactureras de automóviles más estudiada del mundo, por ser la primera en llevar la técnica de la línea de montaje o ensamblaje a la fabricación de automóviles, permitiendo la producción en masa de vehículos a una escala incomparable. Luego ese estudio se volcó al sistema de producción Toyota.
Durante toda su historia y hasta el año 2020, la empresa fundada por Hall fue cambiando de nombre y reestructurándose según el momento histórico por el que pasaba. Primero, comenzó llamándose la “Pittsburgh Aluminum Company”, rápidamente cambió a “The Pittsburgh Reduction Company”.
Reestructurando el negocio
A partir del primero de enero de 1907, la empresa cambió el nombre a “Aluminum Company of America”. Ese mismo año las operaciones de la empresa incluían la Bauxita en Arkansas, la refinación de alúmina en Illinois y la producción de aluminio en tres plantas ubicadas estratégicamente cerca de grandes fuentes de energía en el estado de Nueva York y Canadá.
La ubicación de las empresas en esos sitios era importante, ya que dentro de la estructura de costo en la producción de aluminio, la alúmina y la electricidad son los dos factores principales que ocupan la mayor carga financiera total de la producción.
Durante el inicio de la primera planta de aluminio, la alúmina representaba el 61,5% del costo de producción, la energía el 18,2% y los materiales del baño electrolítico el 5,3%.
"La innovación constante es la única forma de mantenerse competitivo, porque ninguna ventaja es sostenible en el largo plazo". Jorge Gonzalez Moore
Las ventajas competitivas de una empresa de aluminio se incrementan al tener acceso a fuentes de energía hidroeléctricas baratas y ecológicas y a extensos depósitos de Bauxitas, potencialmente costo-efectivo de explotar. Pero para que estas ventajas comparativas se puedan mantengan en el tiempo, es necesario que las innovaciones estén siempre presentes, desarrollando para ello una capacidad tecnológica que de respuestas oportunas a los cambios evolutivos de la industria.
Construyendo un gran negocio
La estrategia de integración vertical, implementada por la naciente empresa, le permitió garantizar el abastecimiento y control total de todas las etapas del proceso productivo del aluminio, desde la materia prima (aguas arriba), hasta el producto terminado (aguas abajo). Igualmente les permitió reducir los costos de transacción entre dichas industrias. La verticalización hacia adelante o aguas abajo, les ayudó a concentrarse en aquellos productos con una mayor diferenciación y rentabilidad.
Con este modelo de integración vertical, copiado de la industria del acero, aseguraban sus fuentes de abastecimiento de la materia prima, la estabilidad de sus precios, reducían sus costos de producción, potenciaban su economía de escala, e incrementaban la competitividad y la sustentabilidad del negocio en el tiempo. Además, se creaba una especie de barrera de entrada, que protegía a la empresa de otros competidores.
A través de la explotación de la economía de escala y el control de los insumos críticos: alúmina, carbón y electricidad, el precio del aluminio primario se redujo un 96% para el año de 1909, comparado con el precio previamente existente en el inicio de la industria. La producción de aluminio, por otro lado, crecía a nivel mundial.
En ese tiempo Alcoa controlaba el precio del aluminio, estableciendo su valor y el resto de los productores se alineaban a él. Eso aseguraba la predictibilidad de los precios, ya que no existía las fluctuaciones constantes que vemos hoy en día debido al LME.
Aunque la historia de la empresa se inició en el negocio del aluminio, sus operaciones se fueron extendiendo y diversificando a lo largo del tiempo, abarcando segmentos como la Bauxita, alúmina, fundiciones de aluminio, energía y productos laminados. Hasta el 2016, la compañía mantenía 43 ubicaciones operativas en 10 países, esparcidos por seis continentes diferentes.
Divisiones y surgimiento de nuevos productores
En 1928, la “Aluminum
Company of America” tuvo que dividirse para dar inicio a una nueva empresa
llamada “Aluminum limited of Canada”,
que luego en 1966 pasó a llamarse “Alcan”.
Esta empresa creció tanto que luego adquirió a la poderosa compañía francesa
“Pechiney” y en el año 2000 se fusionó con “Alusuisse”. Estas dos últimas
empresas, como ya se mencionó, fueron las pioneras de la industria del aluminio
en Europa, pero a pesar de ello no pudieron mantenerse independientes.
Al final, Alcan, Pechiney y Alusuisse terminaron perteneciendo a la corporación multinacional Australiana-Británica “Rio Tinto”, quien las adquirió en el año 2007, pasando a llamarse desde entonces “Rio Tinto Alcan Inc”.
"Una sola flecha se rompe fácilmente, pero no un fardo de diez". Proverbio Japonés
En 1937, la “Reynolds Metal”, la cual originalmente era una compañía de tabaco que usaba el papel de aluminio como envolvente, comienza a construir su propia empresa de aluminio primario.
Luego de la segunda guerra mundial, “Reynolds” siguió expandiéndose, a través de la adquisición de varias fabricas que el gobierno de USA había construido en los inicios de la segunda guerra mundial. Esta expansión convirtió a Reynolds en la segunda empresa más importante de USA.
Como Alcoa no tenia suficiente capacidad instalada, el gobierno Norteamericano tuvo que construir fabricas de aluminio para suplirse de grandes cantidades de aluminio que alimentaran su creciente industria militar. Así fue como el Aluminio ayudó a construir el poder militar de USA.
La “Reynolds Metal” fue una corporación muy conocida en Latinoamérica, ya que participó en la construcción de la empresa CVG Alcasa y posteriormente en CVG Venalum, en la ciudad de Puerto Ordaz, Venezuela. En el año 2000, la Reynolds tuvo que fusionarse con su rival histórico, Alcoa.
"Si no tienes una ventaja competitiva, no compitas". Jack Welch Jr
Al finalizar la segunda guerra mundial, el gobierno de USA vendió subsidiadas todas sus empresas de aluminio, con el objetivo de favorecer la competencia en la industria del aluminio y evitar el monopolio exclusivo de Alcoa.
Una compañía llamada “Kaiser”, dedicada a la construcción de barcos, compró varias plantas de aluminio primario al gobierno y se convirtió en la tercera productora de aluminio más grande de USA. En el 2002, se declaró en quiebra y dejó el negocio del aluminio primario, por lo que ahora sólo se dedica a la fabricación de componentes de aluminio para el mercado aeroespacial.
La industria del aluminio se expandió a Latinoamérica
Los registros históricos señalan que el primer lingote de aluminio primario en el hemisferio sur de nuestro continente, lo fabricó una empresa Brasileña llamada "Elquisa", electroquímica Brasileira S.A, en el año de 1945, justo al final de la segunda guerra mundial. Sin embargo, al año siguiente detuvieron la producción por no ser rentable.
En 1950, Alumínio do Brasil S.A., Alubrasil, subsidiaria de Alcan, compró dicha empresa y al año siguiente reinició la producción con una capacidad de 2.200 t/año. Alubrasil se convirtió en el primer productor industrial de aluminio en latinoamérica y en la primera empresa totalmente integrada de Brasil. Sus operaciones incluían los procesos de minería de la bauxita, refinación y reducción y contaba con su propia central eléctrica, todo en el estado de "Minas de Gerais", al sudeste de Brasil.
En 1955, cuatro años después de Alubrasil, inició operaciones la empresa CBA, Compañía Brasileña de aluminio, en el estado de Sao Paulo, estado vecino de Minas de Gerais. Su capacidad instalada fue de 6.000 t/año, operando de manera totalmente vertical, desde el procesamiento de bauxita hasta la fabricación de productos terminados.
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| Compañía Brasileña de aluminio: CBA |
En el transcurso del siglo XX, la producción de aluminio primario en Brasil se fue incrementando, surgiendo nuevas empresas, para un total de siete, hasta que se alcanzó el pico máximo de 1,6 millones de toneladas en el 2008. A partir del siguiente año, la producción empezó a descender y algunas plantas empezaron a cerrar, fundamentalmente por el alto costo de la energía eléctrica. El cierre de las plantas de aluminio primario en Brasil continuó hasta el 2015, quedando sólo dos en operación, las cuales continúan hasta la fecha.
La tercera empresa de aluminio que se instaló en Latinoamérica fue CVG Alcasa, ubicada en el estado Bolívar, al sureste de Venezuela. Inició operaciones en el año 1967, con una capacidad instalada para aquel entonces de 10.000 t/año.
La sexta planta de aluminio fue Aluar, aluminio Argentino, ubicada en la provincia del Chubut, al sur de Argentina, en una ciudad conocida como puerto Madryn, al noreste de Chubut. La empresa inició operaciones en el año 1974, con una capacidad de producción de 140.000 t/año. Estos tres países, Brasil, Venezuela y Argentina, son los únicos productores de aluminio primario en Latinoamérica.
Crisis petrolera de la década 1970
Es importante recalcar que por más de 80 años, la industria del aluminio en Norteamérica fue favorecida por los precios relativamente bajos de la energía, lo que ayudó a impulsar su crecimiento y expansión, hasta ser frenada por las dos crisis petrolera en la década de 1970.
La primera crisis petrolera a principios de los años de 1970, tuvo una gran implicación en la industria del aluminio mundial. Esta crisis llevó a una reducción de la producción, a una reestructuración radical de las empresas y al cierre de muchas de ellas, fundamentalmente en Japón.
Dado el costo de la energía, Japón decidió en la década de 1980 tomar el camino del reciclado de chatarra (explotar minas urbanas), el cual le permitiría ahorrarse el 95% de la energía que de otro modo necesitarían para fabricar aluminio primario. Del lado ambiental, reducirían a tan sólo 1% las emisiones de gases de invernadero, comparado con el 72% que emite el proceso electrolítico, dentro del sector de la industria del aluminio.
Las plantas de aluminio primarias japonesas fueron desmanteladas y vendidas de segunda mano a China. Empresarios japones empezaron a participar en proyectos de inversión en plantas de aluminio primario en Brasil y Venezuela (CVG Venalum), buscando asegurar materias primas para sus procesos aguas abajo.
La crisis petrolera de los años 1970, redujo por primera vez el consumo de aluminio en el mundo industrializado, el cual parecía indetenible. Al principio de la década, la tasa de crecimiento en el consumo de aluminio estaba alrededor del 9% anual y bajó a 1,8% en 1977, luego cambió a negativa, con -1,9% en 1980 y -5,6% en 1981. Las tasas de crecimiento que experimento la industria del aluminio en las décadas de 1950 y 1960 nunca más regresaron.
La respuesta de muchas industrias a estos cambios, a parte de reducir la producción y reestructurarse, como ya se mencionó arriba, fue abocarse a la orientación al mercado y diversificarse en otros mercados, de modo de poder compensar posibles pérdidas. Desde el año 2016, Alcoa ha estado revertiendo esta estrategia de diversificación, creando ahora empresas dedicadas a un solo tipo de negocio.
"Cuanto mayor es la crisis, al parecer, más rápida es la evolución". Elizabeth Gilbert
Antes de la primera crisis petrolera, la regla era construir las plantas de aluminio primario cerca de los grandes consumidores, los cuales eran los países industrializados. Esa fue la razón de que dichas industrias prosperaran en países como USA, Canadá, Europa y Japón, regiones caracterizada también por ser grandes consumidores de aluminio.
Luego de la primera crisis petrolera, la regla cambió totalmente, ya no representaba ninguna ventaja competitiva ubicar las fabricas en los países industrializados, sobre todo si dichos países carecían de abundante energía eléctrica de bajo costo.
Así fue que se empezó a invertir en aquellos países subdesarrollados que disponían de recursos muy favorables, tales como energía hidroeléctrica, insumos materiales, mano de obra baratas, etc. Estas mismas ventajas fueron la que permitieron abrir las primeras empresas en Brasil y Venezuela, ya que dichas ventajas se sobreponían a la desventaja de no estar a corta distancia de los grandes consumidores.
El pueblo de Alcoa, Tenesis
En 1998, la “Aluminum Company of America” cambió oficialmente su nombre corporativo a “Alcoa Inc.”, nombre corto por la que se le conocía en todo el mundo desde 1919. El nombre Alcoa provenía de un pequeño asentamiento que se había formando alrededor de una planta de aluminio, localizada cerca de Maryville, Tenesis, en USA.
En aquellos tiempos era común que los trabajadores y empleados vivieran en los alrededores de las fábricas, para lo cual la compañía planificaba y construía viviendas. No existían los suburbios urbanos, tal como lo conocemos hoy en día, tampoco el transporte público.
Hoy en día ese poblado llamado Alcoa es una pequeña ciudad en donde la mayoría de sus calles son nombradas en honor a sus inventores, científicos y escritores. La calle más prominente se llama Avenida Hall o “Hall Road”, en honor a Charles Martin Hall. El pueblo opera bajo una forma de gobierno de consejo de gerentes. Se nombra un gerente de la ciudad que es como el alcalde.
El nuevo milenio
Desde el inicio del nuevo milenio, la industria mundial del aluminio empezó una etapa de fortalecimiento a través de fusiones y adquisiciones de compañías más débiles, lo que llevo a una alta concentración de la cadena de bauxita-alúmina-aluminio primario en unas pocas empresas multinacionales.
Las fusiones permiten a las corporaciones aumentar aún más sus beneficios debido a la economía de escala, amplían su capacidad para atender las demandas de metal en cualquier parte del mundo, cortar duplicaciones y costos, sobre todo en fletes, aumentar la eficiencia en general y negociar directamente con otras grandes corporaciones mundiales, como la industria automovilísticas y aeronáuticas.
Surgieron corporaciones como Rio tinto Alcan, la cual incluye, aparte de Alcan a Comalco, Alusuisse y Pechiney. En Rusia, las mayorías de empresas se fueron fusionando entorno a "UC RusAl", mientras que en China la empresa más grande que surgió fue Chalco. Igualmente importante hoy en día en China son el "grupo Hongqiao" y "Xingfa", los cuales ocupan el primer y tercer lugar como productores mundiales de aluminio.
China surgió como la región productora más grande del mundo, al incrementar su participación de un 2% en 1972, a alrededor del 10% en el 2000, 45% en el 2013 y en el 2019 llegó al 56% de la producción mundial.
En el 2016, Alcoa Inc se volvió a dividir en dos compañías independientes, “Alcoa Corp” y “Arconic Inc”, la primera estaría a cargo de las operaciones de bauxita, alúmina y aluminio, mientras “Arconic Inc”, se encargaría de las operaciones aguas abajo, tales como laminación, extrusión, fundición de precisión y en general, en convertir el aluminio en productos de alta ingeniería.
"Pon tu esfuerzo y dedicación en lo que realmente estás preparado, no en lo que no te corresponde". Esopo
Esta división pone fin a la antigua estrategia de crecimiento aguas arriba y aguas abajo, dedicándose ahora a un solo tipo de negocio, al de la materia prima y productos básicos de aluminio (Alcoa Corp) o al negocio de los productos especializados (Arconic Inc), en donde la empresa ha estado expandiéndose. Este nuevo enfoque implica que si hay pérdidas en el negocio aguas arriba, ya no podrá ser compensado con las ganancia obtenidas de los negocios aguas abajo.
Con la creación de Arconic, la empresa se aleja de los mercados de productos básicos de aluminio y se adentra hacia nichos de productos especializados, donde la empresa puede agregar más valor y cobrar precios más altos.
Este tipo de divisiones han sido aplicadas por otras corporaciones pertenecientes a otros segmento de la economía, por ejemplo, Kraft / Mondelez, que se dedican fundamentalmente a la industria del alimento.
A principio del año 2020, Arconic Inc se dividió a su vez en dos negocios separados, “Howmet Aerospace Inc” y “Arconic Corp”, la primera incluye los negocios de componentes de motores, sistemas de sujeción, ruedas (rines) de aluminio forjadas y productos de ingeniería, mientras la nueva “Arconic Corp”, tomaría el mismo rol que su predecesora “Arconic Inc”.
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| Los productos especializados de Alcoa ahora son manejado por Arconic |
Desde la década de 1980, Alcoa ha dejado de otorgar licencias de tecnología de celdas a terceros, de hecho parece que ha abandonado por completo el desarrollo de nuevas tecnología de reducción convencional y se ha dedicado a usar la tecnología de otro, como Rio tinto Alcan.
Deduzco que su visión del negocio del aluminio apunta ahora hacia algo más grande, a eliminar la huella ambiental de la industria del aluminio, a través de la implementación de los ánodos inertes, que ha sido el Santo Grial de la industria del aluminio desde que se inventó el proceso Hall-Héroult.
Del arte a la ciencia del aluminio
Hall fue pionero en implementar mejoras operativas a su proceso, sabía que para que su empresa sobreviviera, debía estar constantemente mejorándola, innovando. No podía darse el lujo de dormirse en los laureles.
Gracias al trabajo constante de los primeros protagonistas del aluminio y a una extensa investigación y desarrollo, en conjunto con el empleo de potentes sistemas de modelación y simulación computacional que se fueron desarrollando bien entrada el siglo XX, lograron sentar la base para que el conocimiento técnico, tecnológico y científico del proceso de fabricación del aluminio, pasara del arte a la ciencia.
Primer centro de investigación del aluminio
Dado a que el trabajo de investigación se fue intensificando, en 1930 Alcoa se vio en la necesidad de abrir el primer laboratorio de investigación del aluminio en el mundo, implementando un programa sistemático de investigación de sus procesos productivos.
De esta manera, el año de 1930 marca el inicio de un nuevo capítulo en la industria del aluminio, la investigación y desarrollo aplicado a los procesos de fabricación primarios y del conformado plástico del metal.
La empresa Alcoa siguió creciendo, así que en 1965 se construyó un centro de investigaciones de metales ligeros, llamado el “Centro técnico Alcoa”, el cual era el más grande que existía en el mundo para ese entonces. Hoy en día dicho centro sigue impulsando las innovaciones tecnológicas de la empresa.
"Si supiese qué es lo que estoy haciendo, no lo llamaría investigación, ¿verdad?". Albert Einstein
Del centro técnico Alcoa han surgidos más del 90% de todas las aleaciones aeroespaciales que se utilizan actualmente en la industria aeroespacial. Hoy en día el centro sigue activo, y se sabe que están investigando y desarrollando procesos de impresión 3D avanzados y la famosa tecnología “Elysis” (ánodos inertes).
Todo el esfuerzo por mejorar el proceso, iniciado por Hall y las investigaciones realizadas por Alcoa, fueron reconocidos en el año 2005, cuando la empresa fue nombrada una de las tres corporaciones más sostenibles del mundo, distinción dada en el foro económico mundial en Suiza.
La clave del negocio está en la investigación y desarrollo
La competitividad en la industria del aluminio no dura para siempre, se va perdiendo con el tiempo, a menos que se esté constantemente adaptándose a las nuevas mejoras tecnológicas que van surgiendo y en desarrollar estrategias para maximizar la eficiencia de la energía.
Una tecnología nueva también se vuelve vieja algún día, la solución está en la investigación continua y en la innovación. Toda empresa que pretenda ser rentable en este negocio tiene que hacer uso eficiente de su capital, invertir en tecnología de punta y mantener un control riguroso en sus costos operativos.
En este tipo de industria, caracterizada por un alto consumo de energía y una alta vulnerabilidad a las fluctuaciones del precio del metal, no se le puede dar cavidad a la obsolescencia tecnológica, ni a la ineficiencia, ya que llevaría a la empresa a un cierre inminente.
Evolución del consumo de energía especifico
La figura de abajo muestra la evolución del consumo de energía en el transcurso del tiempo. Inicialmente, el consumo de energía especifico de las primeras celdas era enorme, unos 74 kWh/kg Al producido, bajando luego a un promedio de 16 kWh en 1980, hasta llegar a unos 12 kWh/kg Al en 2018, aunque actualmente algunas empresas que están desarrollando tecnología de celdas de alta eficiencia reportan valores de ~11,5 kWh/kg (tecnología “Ultra HAL4e” de Norsk Hydro).
Esa tecnología trabaja con una distancia ánodo-cátodo más corta, baño electrolítico de baja resistencia y un sistema avanzado de control que permite agregar alúmina con precisión, regular el balance de calor, manteniendo el desperdicio de energía al mínimo.
La primera crisis energética iniciada en 1973, hizo más evidente la necesidad de seguir reduciendo el consumo de energía. Durante esa década, los costos de energía de todas las plantas de aluminio primario que poseía Alcoa para ese entonces, incrementaron un 400%.
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| Histórico del consumo de energía especifico por kg de aluminio |
El objetivo actual es poder llegar a 10 kWh/kg Al, por lo menos esa es la visión de la empresa “Norsk Hydro”, aunque muchos expertos lo ponen en duda debido a los grandes desafíos tecnológicos que esto representa, sobre todo a escala industrial. El proceso de cloración del aluminio, que se menciona como una alternativa al proceso Hall-Héroult, tiene un consumo de energía <10 kWh/kg Al, por lo cual se haría menos atractivo si la industria del aluminio alcanza la meta.
Las proyecciones que se han hecho, considerando el uso de la digitalización y la automatización para minimizar las variaciones en el proceso, las reducciones en la caída de voltaje que aun pueden conseguirse, la recuperación de calor y otras mejoras tecnológicas, indican que dicha meta puede ser posible.
"La única manera de encontrar los límites de lo posible es yendo más allá de esos mismos límites y adentrarse en lo que creemos imposible". Arthur C. Clarke
Según la gráfica mostrada arriba, el consumo de energía especifico ha venido disminuyendo a aproximadamente 1,5%/año, si eso hubiese sido una buena predicción, como la "ley de Moore" en el área de microprocesadores, entonces en el año 2011 ya la industria del aluminio hubiese alcanzado los 10 kWh/kg Al. Todo indica que la tendencia indicada en la gráfica dejó de cumplirse hace una década.
La energía mínima teórica requerida para la electrolisis es de 6,34 kWh/kg Al, es decir 1,58 veces inferior al valor meta de 10 kWh/kg Al. El valor teórico que consume el proceso de electrolisis es inalterable, no puede reducirse, lo que deja un margen o diferencia de 3,66 kWh/kg, el cual es la energía extra máxima que es permitida perderse debido a la caída de voltaje en la celda, calentar/disolver las materias primas y pérdidas de calor al medio ambiente.
"En la física cuántica, el efecto observador afirma que allí donde pones la atención pones la energía". Joe Dispenza
En otras palabras, si se quiere llegar al valor meta, las nuevas innovaciones que surjan deben garantizar que el exceso del consumo de energía especifico a utilizar, no sobrepase el 58% del valor nominal teórico. Para ello sería necesario reducir el voltaje de celda a por lo menos 3,26 V e incrementar la eficiencia de corriente a 97%.
El Dr. Marc Dupuis, de "GeniSim Inc", ha intentado modelar y diseñar una nueva celda que funcione a 10 kWh/kg de Al, pero lo más cerca que ha llegado hasta ahora es a 10,23 kWh/kg Al, usando 530 kA, 0,66 A/cm2 de densidad de corriente anódica, voltaje de celda de 3,24 V y 94,3% eficiencia de corriente. A pesar que no ha podido obtener los 10 kWh/kg Al, opina que dicha meta pronto será alcanzada, por lo menos a nivel de modelación y simulación.
Se estima que por cada millón de toneladas/año de aluminio producido, la reducción del 1% en el consumo de energía especifico, ahorraría a la empresa entre US$ 4-5 millones al año.
Eficiencia de corriente meta: 97%
Este parámetro tecnológico nos permite describir de la manera más sencilla la cantidad de corriente que se utiliza para producir aluminio. La eficiencia de corriente de las primeras celdas estaba entre 75 a 78% en el mejor de los casos, pero desde principio del siglo XX se fue incrementado a una rata promedio de 1,5%/año, hasta alcanzar los 94 a 96% con las tecnologías de celdas actuales, siendo la meta 97%.
La eficiencia de corriente fue mejorando también al empezar a controlar la química del baño. Al principio, el baño electrolítico no era una prioridad técnica (ni económica), ya que no se entendía bien su función dentro del proceso electrolítico. La calidad del ánodo también mejoró significativamente en el transcurso del tiempo, contribuyendo en la mejora de la eficiencia de corriente.
El futuro está en seguir innovando
El consumo de energía se fue mejorando en gran parte a través del incremento del tamaño de la celda (aumento del amperaje de celda) y el uso de ánodos cada vez más grande y menos espaciados (menor densidad de corriente).
Cuando la intensidad de corriente de celda se fue aproximando a los 100 kA, la inestabilidad electromagnética empezó a volverse un problema severo, afectando la eficiencia de corriente. Para minimizar los efectos adversos del electromagnetismo, fue necesario realizar compensaciones magnéticas a nivel de las barras colectoras.
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| Hoy en día existen tecnologías de celdas que llegan a 600 kA. |
A medida que se incrementaba el amperaje de celda, a un promedio de 5%/año, también lo hacia el tamaño del ánodo. Hoy en día existen tecnologías de celdas de ultima generación que trabajan con intensidades de corriente nominal de 600 kA, tal como la AP60 de Rio tinto Alcan. Las tecnologías actuales de alto amperajes son más rentables, pero menos eficientes energéticamente.
También se fue mejorando el diseño del revestimiento del casco de las celdas para reducir las pérdidas de calor, así como su hermeticidad, desarrollándose un sistema para la captación y control de los gases o emisiones. En lo que respecta a la tecnología de alimentación de las celdas, se pasó de un sistema de alimentación central, a un sistema de alimentación puntual.
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| Tecnología de celdas de alto amperaje de Rio Tinto Alcan |
Algunas empresas interesadas en la fábrica del futuro, ya están iniciando su transformación digital, incorporando elementos de la industria 4.0 y el internet de las cosas, incluyendo la tecnología de los “Gemelos Digitales”, en un esfuerzo por aumentar su eficiencia, reducir sus costos y diferenciarse de la competencia. Incluso han creado una nueva posición de director de transformación digital, para impulsar dichos cambios.
Un aumento del uno por ciento en la eficiencia de las operaciones del proceso de reducción, puede contribuir a un ahorro global anual de US$ 970 millones en el costo total de producción, US$ 936 millones en aumento de producción y US$ 464 millones en ahorro por costos de operación y mantenimiento. Estos datos fueron presentados en el Foro sobre el futuro del aluminio llevado a cabo en Polonia en el 2019.
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| Visión del futuro de un centro de control digital para la producción de aluminio |
Programas informáticos
Los cálculos de los campos magnéticos y los patrones de flujo de la corriente eléctrica eran complicados de realizar, afortunadamente se empezaron a desarrollar poderosos programas informáticos para facilitar los cálculos y describir sus efectos fluidodinámicos de una manera más fácil.
Estas herramientas de modelado no sólo ayudaron a predecir los efectos magnéticos y magnetohidrodinámicos, sino también los efectos electrotérmicos y electromecánicos.
"Para progresar no basta actuar, hay que saber en qué sentido actuar". Gustave Le Bon
El control y supervisión del proceso evolucionó enormemente, inicialmente era manual y pasó a un control centralizado, con un solo computador para todas las celdas, hasta llegar al sistema actual de control automatizado de celdas, en la que se usa un microprocesador por cada celda.
Los algoritmos de control han alcanzado altos niveles de sofisticación, incluida la lógica difusa, además ahora se cuenta con el apoyo de sensores más robusto y el uso de la digitalización y la automatización que minimizan las variaciones en el proceso.
Ánodos inertes - el Santo Grial de la industria del aluminio
En el área de tecnología de fabricación de ánodos, la geometría o morfología de los ánodos pasó de una forma cilíndrica a rectangular, aumentando también su área, lo que permitió el incremento del amperaje operativo y una mejora en la densidad de corriente anódica.
Luego, bien entrado el siglo XX, se implementó los ánodos ranurados en la base de su superficie que está en contacto con el baño, lo que repercutió en un cierto aumento de la eficiencia de corriente. Finalmente, ya se están probando los primeros ánodos inertes, un proceso disruptivo que promete erradicar las emisiones de gases de efecto invernadero, reducir los costos operativos y aumentar la productividad de las celdas.
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| Tecnología de ánodos ranurados |
Para implementar esta nueva tecnología, se fundó una empresa en el año 2018, llamada “Elysis”, conformada por Alcoa y Rio Tinto Alcan, en donde también participan como inversores “Apple” y el gobierno de Canadá. Usar ánodos inertes ha sido uno de los deseos más antiguos de la industria del aluminio, incluso se menciona en la patente original de Hall y en donde se han gastado miles de millones en investigación y desarrollo.
Los cambios tecnológicos y las mejoras en el proceso que se iniciaron desde el arranque de la primera planta de aluminio, han traído como consecuencia el diseño de celdas más grandes (~600 kA) y eficientes, lo que ha permitido reducir el consumo de energía especifica a menos de 12 kWh/kg Al, incrementar la eficiencia de corriente y la vida útil de las celdas, optimizar el flujo del proceso, mejorar la higiene y seguridad de los operadores y en definitiva una industria más verde y de mayor productividad.
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