¿Es posible la inyección de hidrógeno en la industria cementera?
La industria cementera es uno de los sectores industriales más difíciles de descarbonizar. Las principales razones son el alto consumo de energía y la alta generación de emisiones de CO2 que genera el horno de clínker (elemento principal y base para la fabricación del cemento).
En una planta cementera, las emisiones de CO2 tienen dos orígenes principales:
- Emisiones de proceso, generadas durante la calcinación de la caliza (proceso de descomposición del carbonato de calcio para convertirse en óxido de calcio, componente base para formar los compuestos de clínker).
- Emisiones de combustión, asociadas al uso de combustibles fósiles para alcanzar las altas temperaturas necesarias en el horno.
En este contexto, el hidrógeno renovable puede reducir las emisiones asociadas al combustible, pero no elimina por sí solo las emisiones químicas del proceso de calcinación. Por eso, debe entenderse como una herramienta muy útil dentro de una estrategia más amplia de descarbonización industrial, no como una solución única.
En este artículo analizamos cómo puede integrarse el hidrógeno en un horno de clínker. Las ventajas que aporta al proceso, sus limitaciones y los aspectos técnicos y de seguridad que deben considerarse antes de su implantación.
El clínker: el corazón del proceso cementero
El cemento se produce a partir de una mezcla de materias primas minerales. La principal es la caliza, que aporta carbonato cálcico y que se combina con materiales como la arcilla u otros correctores para ajustar la composición química del proceso.
Tras su extracción, estos materiales se trituran, dosifican, muelen y homogeneizan hasta obtener una mezcla fina que recibe el nombre de harina cruda, que posteriormente se introduce en el sistema de precalentamiento y en el horno.
Durante la etapa de calcinación se descompone el carbonato cálcico contenido en la harina cruda formando óxido de calcio, como se adelantaba anteriormente, que reaccionará con los demás componentes para la formación del clínker (ACA, 2026).
El clínker es el producto intermedio que se obtiene al calentar la harina cruda en un horno rotatorio hasta temperaturas de integración en el proceso de 1.400 – 1.500ºC. A esas temperaturas, se forman las fases minerales que posteriormente darán al cemento sus propiedades mecánicas (Kurdowski, W, 2014).
De forma simplificada, el proceso de producción del cemento puede dividirse en las siguientes etapas:
- Preparación de materias primas: extracción, trituración y acondicionamiento.
- Molinda y homogeneización: hasta obtener una mezcla fina y químicamente uniforme.
- Precalentamiento: calentamiento progresivo de la llamada harina cruda.
- Calcinación: a alta temperatura se forman los minerales del clínker.
- Enfriamiento del clínker: el material se enfría rápidamente para estabilizar sus fases minerales.
- Molienda final: el clínker se muele junto con yeso y otros componentes para obtener el producto final.
El horno de clínker es, por tanto, el núcleo térmico de una planta cementera. Cualquier modificación de combustible debe analizarse cuidadosamente, porque puede afectar a la estabilidad térmica, consumo energético, emisiones y calidad final del producto.
Procedencia de las emisiones
Distinguimos, tal y como se adelantaba al principio, entre dos fuentes de emisiones de dióxido de carbono:
- Emisiones de proceso
Son emisiones procedentes de la transformación química de la materia prima. Durante la calcinación, el carbonato cálcico presente en la harina cruda se descompone según la siguiente reacción:
El CO2 procede de la propia materia prima de la reacción. Por eso, en esta parte, aunque el horno funcionase con un combustible renovable, seguiría existiendo una parte relevante de emisiones asociadas al proceso.
El Joint Research Centre estima que, en el caso del clínker, aproximadamente el 65% de a huella de carbono está asociado a las emisiones del proceso, mientras que el 35% restante procede de la combustión en el horno (European Commission, 2021).
- Emisiones de combustión
Tradicionalmente, los hornos cementeros han utilizado combustibles como los siguientes:
- Coque de petróleo
- Carbón
- Gas natural
- Combustibles alternativos de origen residual o biomásico.
Todos esos combustibles contienen carbono, por lo tanto, al quemarse, producen CO2. En esta parte es en la que el hidrógeno puede tener un papel relevante:
Si sustituye parcialmente a los combustibles fósiles, se reducen las emisiones asociadas a la combustión
La diferencia entre combustibles es sencilla:
- Un combustible fósil aporta calor, pero también introduce carbono en la combustión.
- En cambio, el hidrógeno aporta calor sin introducir carbono en la ecuación.
- Por tanto, al quemarse, el hidrógeno produce simplemente vapor de agua según la siguiente reacción:
Esta sustitución reduciría una de las fuentes principales de CO2: la parte energética del horno.
¿Por qué es una industria difícil de descarbonizar?
La Agencia Internacional de la Energía (AIE) señala que reducir las emisiones del cemento es difícil principalmente por dos motivos: la dependencia de materias primas que contienen carbono y la necesidad de calor a altas temperaturas (IEA, 2023).
En la práctica, esto implica varios retos simultáneos: temperaturas elevadas, garantía de estabilidad y disponibilidad, garantía de la calidad final del clínker y las infraestructuras específicas ya existentes en las plantas.
Por eso, la descarbonización de una cementera, normalmente, requiere de una combinación de diferentes palancas:
- Mejora de la eficiencia energética
- Mayor uso de combustibles alternativos
- Sustitución parcial de combustibles fósiles
- Captura, uso y almacenamiento de carbono
- Electrificación de equipos auxiliares
- Optimización del control de proceso
El hidrógeno renovable encaja especialmente en la sustitución parcial de combustibles fósiles en procesos de alta temperatura.
Papel del hidrógeno en el horno de clínker
El hidrógeno, como ya se vino adelantando en apartados anteriores de este artículo, puede utilizarse como combustible complementario en el horno, sustituyendo parcialmente a los combustibles convencionales usados en la actualidad.
En la mayoría de los casos, el escenario realista no se trata de una sustitución al 100%, sino de un avance mediante porcentajes progresivos de sustitución. Una estrategia gradual de ese estilo permite:
- Probar el comportamiento del horno con bajos porcentajes de hidrógeno
- Analizar la estabilidad de llama
- Medir el impacto del hidrógeno en la reducción de emisiones
- Verificar la calidad del clínker
- Ajustar el quemador y la estrategia de combustión
- Escalar la sustitución de forma controlada
Propiedades relevantes del hidrógeno
Las propiedades del hidrógeno, gas incoloro e inodoro, lo hacen muy interesante, pero también obligan a diseñar cuidadosamente su integración.
Alto poder calorífico por unidad de masa
El pode calorífico inferior del hidrógeno es de, aproximadamente, 120 MJ/kg (33,3 kWh/kg) (AEH2, 2026). Es decir, por cada kilogramo, el hidrógeno contiene mucha energía.
Sin embargo, debido a su baja densidad, su energía por unidad de volumen es mucho menor que la de otros combustibles.
En una planta cementera, esto tiene varias implicaciones prácticas:
- Se necesitan caudales volumétricos elevados si se trabaja a baja presión.
- Las tuberías, válvulas y sistemas de regulación deben dimensionarse adecuadamente.
- El control del caudal debe ser preciso para asegurar estabilidad térmica.
Por lo tanto, el hidrógeno requiere un exigente diseño desde el punto de vista volumétrico y operativo.
Temperatura de llama compatible con clinkerización
Uno de los puntos clave que justifican el uso del hidrógeno, es su capacidad de alcanzar temperaturas suficientes para el proceso de clinkerización.
Concretamente, la temperatura de llama del hidrógeno en aire es de aproximadamente 2.000ºC, la cual es superior a la temperatura determinada anteriormente dentro del horno cementero, 1.400-1.500ºC (H2Tools, 2026).
Ahora bien, aunque se demuestra que la temperatura de llama del hidrógeno es térmicamente compatible con el proceso, no se elimina la necesidad de estudiar correctamente el diseño de combustión.
En un proceso real intervienen otros muchos factores que afectan a la temperatura efectiva del horno:
- Mezcla combustible-aire
- Transferencia de calor al material
- Presencia de otros combustibles
- Pérdidas térmicas
- Condiciones internas del horno
Alta velocidad de combustión
El hidrógeno tiene una velocidad de llama significativamente superior a la de combustibles como el metano, permitiendo una liberación de calor rápida e intensa.
En un horno, esta característica contribuye a aportar energía de forma localizada y eficaz, pero también puede generar una serie de retos para tener en cuenta:
- Modificación de la longitud de llama y cambio en la distribución de calor
- Aumento del riesgo de retroceso de llama en caso de mal diseño del sistema
- Afectación a la interacción con otros combustibles
Es necesario analizar la combustión, el mezclado, la velocidad de salida del gas del quemador y la estabilidad de llama, no solamente la inyección de hidrógeno.
Mezcla rápida con el aire
El hidrógeno es un gas a temperatura ambiente con un coeficiente de difusión muy bajo, de 0,61 cm2/s (H2Tools, 2026).
Gracias a ese bajo coeficiente, un gas que se difunde y se mezcla muy rápidamente con el aire. Esta es una propiedad que puede favorecer una combustión eficiente con un sistema bien diseñado.
Sin embargo, debido también a la baja densidad volumétrica del gas, se requiere especial atención en caso de fuga del gas.
En operación normal, una buena y rápida mezcla puede mejorar la combustión. Pero en caso de fuga en una zona mal ventilada, se puede generar una mezcla inflamable si se alcanzan concentraciones en el rango de inflamabilidad del hidrógeno (4.0 – 75.0 vol% en aire) (ICSC, 2018).
A continuación, la siguiente tabla muestra una serie de propiedades del hidrógeno y su comparación con alternativas fósiles:
| Propiedad | Hidrógeno | Comparación |
| Densidad (gas) | 0,089 kg/m³ (0°C, 1 bar) | 1/10 de Gas Natural |
| Densidad (líquido) | 70,79 kg/m³ (-253°C, 1 bar) | 1/6 de Gas Natural |
| Punto ebullición | -252,76°C (1 bar) | 90°C por debajo de GNL |
| Poder Calorífico Inferior (PCI) | 120,1 MJ/kg | 3x que la gasolina |
| Poder Calorífico Superior (PCS) | 141,7 MJ/kg | 3x que la gasolina |
| Velocidad de llama | 346 cm/s | 8x Metano |
| Rango de ignición | 4–75% en aire por volumen | 6x más que el Metano |
| Temperatura de autoignición | 571°C | 220°C para gasolina |
| Energía de ignición | 0.02 MJ | 1/10 de Metano |
Producción in situ mediante electrólisis
Uno de los grandes retos y limitaciones del uso del hidrógeno es su disponibilidad y suministro, ya que una cementera necesitaría hidrógeno de forma continua y en grandes cantidades. De esta forma, el transporte de hidrógeno desde puntos externos, puede no ser una alternativa viable.
En estos casos, sería interesante producir el hidrógeno directamente en la planta mediante una planta auxiliar de electrólisis con electricidad renovable, puesto que, para que el hidrógeno pueda contribuir a la reducción de las emisiones, debe ser producido mediante electricidad de muy bajas emisiones, pues de esta manera pueden obtenerse los certificados de origen renovable de la molécula.
Ventajas de la producción in situ
La producción in situ, puede aportar varias ventajas:
- Reduce la dependencia logística externa, evitando depender completamente del transporte del hidrógeno desde otra instalación.
- Permite ajustar la producción al consumo real, dimensionándose en función de las necesidades de la planta.
- Facilita la integración con renovables, combinándose con electricidad renovable contratada o generada en la propia instalación.
- Mejora el control sobre la calidad del gas, controlando condiciones de producción, purificación del gas y suministro.
- Por último, permite una implantación más progresiva del hidrógeno en el sistema, comenzando con una capacidad limitada y ampliando en fases posteriores.
La producción in situ no elimina todos los retos, pero puede facilitar la integración industrial y reducir parte de las complejidades logísticas.
Adicionalmente, cabe destacar que serían necesarios más equipos auxiliares a mayores del propio electrolizador para la producción de hidrógeno y oxígeno.
Conclusiones
Desde el punto de vista térmico, el hidrógeno puede alcanzar temperaturas suficientes para procesos de altas temperaturas. Sin embargo, la operación exclusiva con hidrógeno aún presenta retos muy significativos.
- Necesidad de grandes volúmenes de hidrógeno.
- Costes elevados
- Rediseño y adaptación de la estrategia de combustión.
- Gestión de seguridad a gran escala y control de emisiones NOx.
- Validación de la calidad del clínker e integración con la operación existente de la planta.
También, el hidrógeno por si solo puede reducir las emisiones asociadas al combustible, pero las emisiones de proceso siguen existiendo mientras se utilicen materias primas carbonatadas.
Por eso, una estrategia completa debería incluir varias líneas de actuación y la combinación de varias tecnologías para alcanzar una descarbonización completa del proceso.
Una de las tecnologías claves con las que se debe combinar es la captura de carbono, para abordar la absorción de las emisiones derivadas del propio proceso de combustión del horno.
El cemento es un sector exigente, intensivo en energía y con un enorme potencial de transformación. En AtlantHy, acompañamos a las empresas en la identificación de oportunidades, integración del hidrógeno en el proceso productivo y el diseño de soluciones, para avanzar hacia procesos más sostenibles y eficientes.
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Referencias
ACA. (2026). Obtenido de https://www.cement.org/cement-concrete/how-cement-is-made
AEH2. (2026). Hidrógeno. Obtenido de https://aeh2.org/hidrogeno/
DOE USA. (2026). Hydrogen Storage. Obtenido de https://www.energy.gov/cmei/fuels/hydrogen-storage
European Commission. (2021). Deep decarbonisation of industry: The cement sector. Obtenido de https://setis.ec.europa.eu/system/files/2021-02/jrc120570_decarbonisation_of_cement_fact_sheet_2.pdf
H2Tools. (2026). Basic Hydrogen Properties. Obtenido de (https://h2tools.org/basic-hydrogen-properties-chart
ICSC. (2018). Fichas Internacionales de Seguridad Química. Obtenido de https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_card_id=0001&p_version=2&p_lang=es
IEA. (2023). Cement. Obtenido de https://www.iea.org/reports/cement-3
Kurdowski, W. (2014). Cement and >Concrete Chemistry.
McKinsey & Company. (2020). Laying the foundation for zero-carbon cement.
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