La obtención de hierro para fabricar acero utiliza gases que generan enormes cantidades de CO₂. Una nueva simulación computacional reproduce el proceso para generarlo — la reducción de óxidos de hierro — utilizando hidrógeno en lugar de los gases contaminantes. Los resultados de la simulación, que combina modelos de dinámica de fluidos, movimiento de partículas y reacciones químicas, muestran que la conversión a hierro metálico supera el 90 % en algunos casos, y que la temperatura y la presión aceleran el proceso en sus primeras etapas. La investigación allana el camino hacia el “hierro verde”, una producción de acero sin emisiones de CO₂ y una siderurgia más limpia.
La industria del acero es una de las más importantes del mundo, pero también una de las que más dióxido de carbono emite. Para fabricar acero se necesita hierro, y parte de ese hierro puede obtenerse revalorizando residuos óxidos de la propia industria. Para recuperarlo hay que transformar los óxidos de hierro mediante un proceso conocido como reducción. El problema es que, tradicionalmente, este proceso usa gases derivados del petróleo o el carbón, y genera enormes cantidades de CO₂. Ante la urgencia del cambio climático, el proyecto ZHyRON apunta a una solución radicalmente distinta para obtener el denominado “hierro verde”: usar hidrógeno en lugar de esos gases contaminantes.
Cuando se usa hidrógeno para transformar los óxidos de hierro, el único residuo que se produce es agua. Nada de CO₂. Pero para poder aplicar este proceso a escala industrial, primero hay que entenderlo muy bien. Y ahí es donde entra nuestro trabajo.
Simulación computacional mediante gemelo digital
Hemos desarrollado una simulación computacional que reproduce, con gran detalle, lo que ocurre dentro de un reactor donde los óxidos de hierro se transforman en hierro metálico bajo una atmósfera de hidrógeno. La simulación funciona como un gemelo digital o laboratorio virtual que permite realizar experimentos de forma rápida y sin el coste asociado a operar el reactor real. De esta forma se acelera el proceso de desarrollo y optimización del equipo industrial.
Nuestra herramienta combina tres métodos que trabajan al mismo tiempo e intercambian información entre sí. El primero modela el comportamiento del gas de hidrógeno dentro del reactor, calculando cómo fluye, a qué temperatura se encuentra y cómo varía la presión en cada punto. El segundo sigue el movimiento de cada una de las partículas sólidas de óxido de hierro, como si fueran piedras pequeñas moviéndose dentro de un recipiente. El tercero simula las reacciones químicas que ocurren en el interior de cada partícula: el óxido de hierro va transformándose en capas progresivas, como una cebolla que se pela de dentro hacia fuera, hasta convertirse en hierro puro.
Una imagen fiel y completa del proceso
Lo novedoso de nuestra propuesta es que estos tres métodos se ejecutan acoplados, es decir, comunicándose en tiempo real. Esto permite obtener una imagen fiel y completa del proceso: sabemos en cada momento la temperatura, la composición y el estado de conversión de cada partícula, así como las condiciones del gas que la rodea. Hasta ahora, las simulaciones existentes eran mucho más simples y no captaban toda esta riqueza de fenómenos simultáneos.
Hemos ajustado el modelo usando muestras reales de briquetas industriales, que son pequeñas piezas compactadas de óxidos de hierro procedentes de residuos siderúrgicos. Los resultados de la simulación reproducen bien las composiciones iniciales y finales de esas briquetas. En algunos casos, el hierro metálico recuperado supera el 90 % de la composición final de la partícula, lo que demuestra una capacidad de recuperación muy alta.
También hemos estudiado cómo afectan la temperatura y la presión del hidrógeno al proceso. Hemos comprobado que aumentar cualquiera de los dos parámetros acelera la transformación en las primeras etapas. Sin embargo, si se mantienen muy altos durante mucho tiempo, la velocidad de conversión disminuye y el resultado final puede ser peor. Este comportamiento, que en principio puede parecer sorprendente, ha sido confirmado también por experimentos reales publicados por otros investigadores, lo que da solidez a nuestro modelo.
Además, la simulación nos permite ver qué ocurre dentro del reactor en cada punto del espacio: si hay zonas que se calientan más, si el hidrógeno llega por igual a todas las partículas o si hay regiones donde la transformación avanza más lentamente. Esta información es imposible de obtener directamente en un experimento real, y resulta clave para diseñar reactores más eficientes.
El camino hacia una siderurgia más limpia
En resumen, hemos creado una herramienta que permite a los ingenieros optimizar este proceso verde de recuperación de hierro sin necesidad de construir plantas piloto costosas. El siguiente paso será obtener datos experimentales más detallados para afinar aún más las predicciones. Pero ya desde ahora, este tipo de simulación abre el camino hacia una siderurgia más limpia, capaz de recuperar hierro de residuos industriales usando hidrógeno y sin emitir CO₂.
Roberto Arévalo, Maycon F. Magalhães, Simulation of iron oxides reduction under hydrogen using CFD-DEM, Results in Engineering, Volume 30, 2026, 110401, ISSN 2590-1230,
https://doi.org/10.1016/j.rineng.2026.110401.
Autor del artículo divulgativo:
Roberto Arévalo Turnes
CIRCE-Technology Center
STEAM-Universidad Europea de Valencia
Fuente: Scientias
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