Metalurgia solar en Chile Identificación de oportunidades para la intergración de las tecnologías de concentración solar en la industria minera del cobre

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METALURGIA SOLAR EN CHILE: IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES 
PARA LA INTEGRACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS DE CONCENTRACIÓN 
SOLAR EN LA INDUSTRIA MINERA DEL COBRE 
 
Alonso E.*, Cruz I.**, López-Delgado A.***, Gallo, A.*, Robla, J.I.*** 
 
* Universidad de Antofagasta, Centro de Desarrollo Energético Antofagasta, Chile. Avda. 
Angamos, 601, 1270300 Antofagasta, Chile. 
** Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de México, Avda. 
Xochicalco s/n, A.P. 34., Temixco 62580, Morelos, México. 
*** Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM, CSIC). Avda, Gregorio del 
Amo 8, 28040 Madrid, España. 
 
 
RESUMEN 
 
La minería del cobre es la principal actividad económica del Norte de Chile y su consumo 
de energía en general y energía térmica en particular es muy elevado. Por otra parte, el 
norte de Chile cuenta con unas condiciones excelentes para la explotación de la energía 
solar. Estas dos circunstancias ponen de manifiesto la necesidad de explorar diferentes 
opciones para introducir la energía solar en el sector de la minería del cobre. Este trabajo 
explora el nicho existente para la integración de las tecnologías de concentración solar en la 
minería del cobre, desde tres puntos de vista: aporte de calor de proceso, valorización de 
residuos con energía solar e investigación de procesos alternativos para la producción de 
cobre metálico, recopilando la información existente y proponiendo diferentes 
oportunidades de investigación y desarrollo. 
 
PALABRAS CLAVE: Metalurgia del Cobre, Energía Solar de Concentración, 
Chile. 
 
 
ABSTRACT 
 
Copper mining is the main economic activity in the Northern Chile and thermal and 
electrical consumption are very high. Furthermore, Northern Chile has excellent conditions 
for concentrated solar energy exploitation. These reasons highlight the need to explore 
different options to integrate solar energy into the copper mining sector. This work explores 
the existing niche for solar concentration technologies in copper mining, from three points 
of view: process heat production, waste recovery with solar energy and searching for 
alternative processes for metallic copper production. Existing information is compiled and 
different research and development opportunities are proposed.. 
 
 
KEYWORDS: Cupper Metallurgy, Concentrating Solar Energy, Chile. 
INTRODUCCIÓN 
 
La minería del cobre es la principal actividad económica de Chile, que aporta más de un 
50% del valor total de los bienes exportados en todo el país. Chile es, de hecho, el primer 
productor de cobre del mundo, con aproximadamente el 30% de la producción mundial. 
Los grandes emplazamientos mineros, situados en de las regiones del Norte, tienen 
asociado un elevado consumo de energía eléctrica y combustibles, superando los 20 PJ 
anuales. En particular, la demanda de calor de la industria minera, asciende a 
aproximadamente 6 PJ anuales que se proporcionan por medio de combustibles fósiles. 
Cerca del 40% de la demanda de combustible se emplea en aquellos procesos de la 
extracción del cobre que ocurren a alta temperatura, como son la fundición, la conversión 
del mate o el refinado (Cochilco, 2015). 
 
Por otro lado, el Norte de Chile es el lugar del mundo con mayor radiación solar, 
alcanzando niveles de irradiancia medios anuales superiores a 3800 kWh/m2. Los 
principales centros de producción minera del país se encuentran en lugares con excelente 
radiación, por lo que son varios los estudios existentes en la actualidad que buscan la 
integración de las distintas tecnologías solares en la industria minera. La mayor parte de los 
estudios centran su enfoque en la producción de electricidad con tecnologías solares 
(principalmente fotovoltaica) para abastecer a los emplazamientos mineros. Así mismo, 
también hay algunos ejemplos de uso de la energía solar térmica de baja temperatura para 
alimentar con agua caliente a procesos como la electroobtención o la electrorrefinación. Sin 
embargo, el uso de la energía solar concentrada en la minería del cobre es aún un nicho por 
explorar. 
 
El objetivo de este trabajo es presentar las distintas oportunidades que, desde la 
investigación actual, se están teniendo en cuenta para la intervención de las tecnologías de 
concentración solar en la pirometalurgia del cobre. La información procede tanto de 
revisiones bibliográficas como de una interacción directa con distintos agentes implicados 
en la temática: investigadores y personal de empresas que ha puesto de manifiesto las 
necesidades del sector. La información se ha dividido en tres grupos: aporte de calor de 
proceso a alta temperatura en diferentes puntos de la cadena productiva del cobre, uso de 
las tecnologías de concentración solar para la valorización de residuos de la minería y 
procesos alternativos a los de la industria actual para la obtención de cobre a partir de 
concentrados. 
 
 
ANÁLISIS 
 
La producción de ánodos de cobre, cuya pureza ronda el 99.7 %, se lleva a cabo a través de 
una serie de etapas con las que el mineral bruto extraído en el yacimiento se va sometiendo 
a trasformaciones que incrementan su contenido en cobre. La Fig. 1 muestra un diagrama 
de flujo que contempla las principales operaciones de la cadena productiva de ánodos de 
cobre por vía pirometalúrgica (Schlesinger et al., 2011). Cabe mencionar que dicho 
diagrama puede variar dependiendo de la empresa minera en concreto, las características 
del emplazamiento, etc. Por lo tanto se ha considerado el presente esquema como un caso 
representativo y generalizado que contempla las principales etapas. En el caso de la 
producción de cátodos de cobre, de mayor pureza que los ánodos se añadiría un proceso de 
electrorrefinación a 65ºC después de la refinación térmica. 
https://www.google.es/search?hl=es&tbo=p&tbm=bks&q=inauthor:%22Mark+E.+Schlesinger%22
 
 
Figura 1. Principales etapas de la cadena productiva del cobre a partir de mineral bruto. 
 
La producción primaria de cobre comienza con la extracción del mineral. Si dicho mineral 
tiene un elevado contenido en sulfuros, se procesa a través de la vía pirometalúrgica. Si, en 
cambio, el mineral es rico en óxidos de cobre, se trata con métodos hidrometalúrgicos. En 
Chile, las previsiones indican un progresivo incremento de mineral con base de sulfuro: la 
producción hidrometalúrgica pasa de una participación de 30,8% de la producción total en 
2015, a un 12% el 2027, y la producción pirometalúrgica pasa de una participación del 
69,2% al 89,9% hacia el 2027. (Cochilco, 2017). 
 
El mineral de alto contenido en sulfuro es molido y concentrado mediante un proceso de 
flotación. Seguidamente, existe una etapa de tostación que no está siempre presente. Los 
objetivos de la tostación son reducir parcialmente la humedad y el contenido en azufre de 
los concentrados para mejorar el desempeño de las siguientes etapas, y también eliminar 
algunas impurezas mediante su volatilización (por ejemplo, óxidos de arsénico o 
antimonio). Seguidamente tienen lugar las etapas de función y conversión. El objetivo final 
es transformar los concentrados de cobre en cobre metálico con una pureza de 99%. 
Aunque de forma teórica los sulfuros se pueden oxidar en una sola etapa, la fundición 
convencional se desarrolla en dos. Finalmente se realiza un refinado térmico que reduce el 
contenido de azufre y oxígeno del cobre hasta alcanzar niveles de pureza en torno al 99,7%. 
 
Tomando como base la Fig. 1, a continuación se profundiza en el análisis de las 
oportunidades encontradas para intervenir con las tecnologías solares de concentración en 
la cadena productiva del cobre. 
 
Aporte de calor de proceso 
 
Los procesos de molienda y flotación ocurren a temperatura ambiente por lo que no 
presentan un consumo significativo de energía calorífica. Sin embargo, la Fig. 1 muestra la 
existencia de cuatro etapas que ocurren aalta temperatura y que conllevan un consumo de 
calor elevado. Como se ha mencionado, en todo Chile, dicho consumo asciende hasta los 
2.4 PJ anuales, aproximadamente, por lo que cobra importancia el potencial de la energía 
termosolar para abastecer estas etapas con calor de proceso. En algunos casos, el proceso 
demanda aire precalentado, lo que implica un medio directo para proporcionar la energía 
termosolar. Los sistemas de torre con receptor central son una alternativa viable para dicho 
fin. En el caso de la tostación, sería factible proporcionar aire caliente a la temperatura 
máxima de trabajo, mientras que para las etapas de función, conversión y refino, la 
introducción de aire precalentado supone una contribución al gasto térmico del proceso que 
se traduce en la disminución del consumo de combustible y/o oxígeno (Cruz et al, 2017). 
Otras alternativas pueden ser el precalentamiento de sólidos que después deben ser 
introducidos en los hornos. La Tabla 1 muestra diferentes propuestas para introducir calor 
solar en diferentes puntos de la línea de producción. 
 
Tabla 1. Propuestas para el abastecimiento de calor de proceso con energía solar de 
concentración a la etapas de alta temperatura de la línea de producción de cobre 
 
Etapa Medio 
Rango de 
temperatura (ºC) 
Posible receptor 
Tostación Aire precalentado 600-750 Receptor volumétrico 
Fundición Aire precalentado 700-800 Receptor volumétrico 
Fundición 
Partículas sólidas 
precalentadas (SiO2, CaO) 
800-1000 
Receptor 
rotativo/Lecho 
fluidizado 
Conversión Aire precalentado 700-800 Receptor volumétrico 
Conversión 
Partículas sólidas 
precalentadas (SiO2) 
800-1000 
Receptor 
rotativo/Lecho 
fluidizado 
Refinado Aire precalentado 700-800 Receptor volumétrico 
 
 
Valorización de residuos 
 
La flotación produce relaves como residuos, los que en su mayoría son desechados. La 
composición de este material es variable, pero presentan diferentes óxidos metálicos como 
componentes mayoritarios (Vargas y López, 2018, Liu et al., 2018). 
 
La reducción térmica de óxidos metálicos con energía solar de concentración con o sin 
atmósfera reductora, es un proceso ampliamente estudiado en contextos como la 
producción de combustibles solares, el almacenamiento termoquímico de energía solar o la 
producción de metales. Basándose en las mismas tecnologías y con las lecciones aprendidas 
en estos campos, se plantea el aprovechamiento de relaves para la recuperación de metales. 
Hasta ahora, no se han encontrado referencias en la literatura donde se profundice sobre 
este tema, sin embargo, como muestra del potencial de la propuesta, a continuación se 
presentan los resultados obtenidos en un experimento de reducción de relave de escoria en 
un horno solar. El relave empleado fue cedido por la empresa Glencore Internacional y 
pertenece a la fundición de Alto Norte, en la región de Antofagasta (Chile). No se trata de 
un relave como el descrito en este trabajo, sino que es relave de escoria. Esto significa que 
procede de un proceso de flotación secundario que es realizado a la escoria generada en la 
etapa de fundición. La escoria de la función tiene cierto contenido en cobre, variable según 
el proceso. Algunas empresas mineras optan por aprovechar dicho contenido para lo cual 
someten la escoria a un tratamiento extractivo (en caso contrario la escoria, como el relave, 
podría ser aprovechada para la obtención de metales). El primer paso (después de la 
molienda/trituración) es concentrar los minerales de cobre contenidos en la escoria, 
mediante procesos de flotación que pueden ser similares a los presentados para la obtención 
de concentrados primarios. Como residuo de ese proceso, se obtiene el relave de escoria. La 
Tabla 3 muestra la composición del relave de escoria de Alto Norte, obtenido mediante 
Fluorescencia de Rayos X (FRX, Bruker, modelo S2Ranger, con detector de energías 
dispersivas). Se aprecia un elevado contenido en magnetita y en sílice, aparte de otros 
óxidos metálicos y no metálicos presentes en menor proporción. 
 
Tabla 3. Composición de la muestra de relave de escoria cedida por Alto Norte. 
 
Componente Fe2O3 SiO2 Al2O3 ZnO K2O CaO Na2O SO3 
% 51,98 30,86 7,39 2,27 2,11 1,39 1,00 0,62 
Componente MgO TiO2 MoO3 PbO CuO As2O3 Cl P2O5 
% 0,60 0,31 0,30 0,25 0,20 0,17 0,14 0,13 
 
Este relave fue sometido a una reducción a alta temperatura en atmosfera reductora, 
formada por 5% de H2 y 95% de N2. Se empleó la instalación solar de PROMES-CNRS, en 
Odeillo (Francia), constituida por un horno solar de tamaño medio de eje vertical, que 
suministra en el foco una potencia de 1,5 kW con un flujo de 16 MW/m2 y un spot de 1,5 
cm de diámetro. El esquema del equipamiento experimental se muestra en la Fig. 2. La 
muestra se colocó en la zona focal del concentrador, cerrada en el interior de una cúpula 
transparente, y contenida en una navecilla de alúmina refractaria de 7 cm de longitud. La 
navecilla se desplazaba en dirección XY para que, mediante barridos continuos, todo el 
material fuera sometido a la zona focal del horno solar. La temperatura, medida en el centro 
de la muestra, ascendió hasta 1000 ºC, con una rampa de calentamiento ligeramente 
superior a 30 ºC/min y una etapa de equilibrio térmico a 1000 ºC de 10 min de duración. 
 
En la Fig.3a se muestra una imagen del corte transversal (Microscopio estereoscópico 
Nikon SMZ1500) de la muestra después del ensayo de reducción, en la que se observa el 
reducido con algún poro o incrustación. En la Fig. 3b se presenta el espectro de 
microfluorescencia de rayos-X obtenido por dispersión de energía en un equipo 
Fischercope X-ray XUV773, sobre la superficie de corte presentada en la Fig. 3a. Se 
observa que la muestra principalmente consiste en Fe con algunas inclusiones de escoria 
(Si, Ca, Al, …). 
 
 
Figura 2. Montaje experimental para la reducción de relave de escoria en atmósfera de 
hidrógeno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. a) Corte transversal de la muestra reducida. b) Espectro de microfluorescencia de 
rayos-X. 
 
Los gases de escape de las diferentes etapas a alta temperatura tienen un alto contenido en 
SO2. Particularmente en la etapa de fundición los gases pueden alcanzar hasta un 70% de 
SO2. Este gas es enviado a una planta de captura con agua, transformándolo en ácido 
sulfúrico. Por lo tanto, las producciones de ácido sulfúrico procedentes de la pirometalurgia 
del cobre son muy elevadas. En 2015, se produjeron más de 5 millones de toneladas de este 
ácido en Chile. A su vez, existe un consumo de ácido sulfúrico en la propia minería, 
concretamente en los procesos que componen la vía hidrometalúrgica. La Fig. 4 muestra 
una previsión de los balances de ácido sulfúrico del mercado chileno hasta 2025. Como se 
observa, actualmente el balance general es deficitario pero se prevé que la producción 
superará al consumo en el año 2021 (Cochilco, 2016). 
 
 
Figura 4. Balances del mercado chileno del ácido sulfúrico 2016 - 2025 
 
El ácido sulfúrico sobrante puede ser empleado para diferentes usos, sin embargo, una 
aplicación interesante es su descomposición con energía solar de concentración para 
producir oxígeno mediante dos etapas consecutivas: 
 
H2SO4 → SO3 + H2O (400ºC) 
SO3 → SO2 + 1/2O2 (1000Cº) 
 
donde el SO2 producido puede ser nuevamente capturado en agua para generar más H2SO4. 
La viabilidad de estas dos reacciones llevadas a cabo con energía solar de concentración ha 
sido probada porque forman parte del ciclo Westinghouse, híbrido termoquímico-
electroquímico para producir hidrógeno (Brecher et al, 1976, Thomey et al, 2012). 
 
Esta aplicación tiene un gran interés debido al consumo de oxígeno que tiene lugar en la 
pirometalurgia del cobre, sobre todo en la etapa de fundición. Según datos proporcionados 
por Glencore, la fundición de Alto Norte requiere 0,3 toneladas de oxígeno para procesaruna tonelada de concentrados, lo que asciende a 250.000 toneladas anuales de oxígeno. 
 
Procesos alternativos 
 
Los componentes mayoritarios de los concentrados que se alimentan a los hornos de 
fundición son sulfuros en forma de CuFeS2, CuS y FeS. En los procesos industriales estos 
componentes se oxidan con aire enriquecido en oxígeno para dar lugar a cobre metálico, 
óxidos de Fe y Cu y SO2. Un problema asociado a este proceso es la formación de óxidos 
de cobre que quedan mezclados con la escoria. 
 
Winkel (2008) propone como alternativa la descomposición térmica de los concentrados 
para producir cobre metálico, sulfuro de hierro y azufre elemental. La fuente de energía 
térmica sería la radiación solar concentrada y el proceso evitaría el consumo de O2 y por lo 
tanto la producción de SO2. Esta autora realizó ensayos experimentales en el horno solar del 
PSI, trabajando a una temperatura de aproximadamente 1650 ºC en atmósfera de argón. Sin 
embargo, estas elevadas temperaturas provocaba la fusión de las muestras, lo que generaba 
problemas de transferencia másica del SO2 contenido en el interior y perjudicaba a la 
separación del cobre y el sulfuro de hierro. 
 
Otro proceso alternativo consistiría en la descomposición térmica en atmósfera reductora, 
por ejemplo con cierto porcentaje de H2. De esta forma cabría esperar la obtención Cu y Fe 
sólidos y SH2 en forma gaseosa. Las temperaturas de trabajo se verían reducidas con 
respecto a las requeridas en el proceso propuesto por Winkel gracias a la presencia de 
hidrógeno. 
 
El tratamiento por descomposición térmica en atmósfera inerte o reductora, como 
alternativa a las oxidaciones realizadas en los procesos industriales también puede ser 
considerado en las etapas de conversión y refinado. No existe literatura significativa al 
respecto, sin embargo, en la actualidad la Universidad de Antofagasta y el CENIM están 
llevando a cabo los primeros estudios experimentales tanto en laboratorio como en 
dispositivos de concentración solar, con muestras de materiales procedentes de 
emplazamientos mineros reales. 
 
 
CONCLUSIONES 
 
Este trabajo pone de manifiesto el nicho existente para la integración de las tecnologías de 
concentración solar en la minería del cobre, desde tres puntos de vista: Aporte de calor de 
proceso, valorización de residuos con energía solar e investigación de procesos alternativos 
para la producción de cobre metálico. Es deseable que los grupos de investigación 
involucrados en esta temática puedan orientar sus trabajos hacia alguna de las 
oportunidades expuestas en este trabajo. 
 
 
 
REFERENCIAS 
 
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Cochilco, 2015. 
 
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Cruz, I., Vazquez-Vaamonde, A., Alonso, E., Pérez-Rábago, C., Estrada, C.(2017) Potential 
of Solar Central Tower Systems for Thermal Applications in the Production Chain of 
Copper by Pyrometallurgical Route. En: 23rd SolarPACES conference, conference 
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Vargas, F., López, M. (2018). Development of a new supplementary cementitious material 
from the activation of copper tailings: Mechanical performance and analysis of factors. J. 
Clean. Prod. 182, 427–436. 
 
Liu, S., Li, Q. Song, J. (2018). Study on the grinding kinetics of copper tailing 
powder. Powder Tech.330, 105–113 
 
Mercado chileno del ácido sulfúrico al 2025. Cochilco, 2016 
 
Brecher L.E., Spewock, S., Warde, J. (1976). The Westinghouse sulfur cycle for the 
thermochemical decomposition of water. En: 1st World Hydrogen energy conference, 
conference proceedings, Miami Beach, Florida. 
 
Thomey, D., de Oliveira, L., Säck, J.-P., Roeb, M., Sattler, C. (2012).Development and test 
of a solar reactor for decomposition of sulphuric acid in thermochemical hydrogen 
production. Int. J. Hydrogen Energy, 37, 16615-16622. 
 
Winkel, L., Alxneit, I., Sturzenegger, M. (2008). Thermal decomposition of copper 
concentrates under concentrated radiation — Mechanistic aspects of the separation of 
copper from iron sulfide phases. Int. J. Miner. Process. 88, 24–30. 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Los autores agradecen la financiación de este trabajo a CONICYT a través del proyecto 
FONDAP/ 15110019 “Solar Energy Research Center” SERC-Chile y el Programa de 
Pasantías en el Extranjero para Investigadores y Profesionales del Sector Público y Privado, 
Programa en Energías- Convocatoria 2017. 
 
 
https://www.google.es/search?hl=es&tbo=p&tbm=bks&q=inauthor:%22Mark+E.+Schlesinger%22