CIC energiGUNE ha desarrollado un sistema de almacenamiento de energía térmica de alta densidad y bajo coste, especialmente apropiado para maximizar la recuperación rentable del calor residual en los procesos industriales.

El objetivo es reducir la factura energética de la industria proporcionando una solución rentable que haga posible la recuperación de gran cantidad de energía residual para ser utilizada bajo demanda. El ahorro en la factura energética de la industria puede llegar a ser de hasta un 30%, contribuyendo al mismo tiempo a alcanzar los objetivos europeos de eficiencia energética.

Es simple, de bajo coste (5-10 €/kWh), sin mantenimiento y fácil de operar. Esta tecnología se basa en un lecho compactado formado por partículas sólidas de bajo coste, en el que para realizar las operaciones de carga y descarga del almacenamiento, el calor se intercambia directamente entre el flujo de calor residual y las partículas sólidas en forma de calor sensible, aumentando o disminuyendo la temperatura de las partículas sólidas. El secreto reside en el desarrollo de un adecuado material de relleno sólido, así como en la aplicación de técnicas de modelización fluidodinámica para la optimización del diseño del sistema.

Hace más de 10 años, CIC energiGUNE inició una intensa actividad de investigación en el almacenamiento de energía térmica para los procesos industriales con el fin de hacer de la recuperación del calor residual industrial una solución competitiva. La actividad comprendía una profunda investigación sobre materiales, modelización fluidodinámica e ingeniería, dentro de varios proyectos europeos e industriales como ORC-Plus y ReSlag. Este trabajo condujo a la puesta en marcha con éxito de varios prototipos a escala real realizados en el ámbito del grupo de ingeniería de sistemas del CIC energiGUNE, como la unidad de recuperación de calor residual de horno eléctrico puesta en marcha en la principal empresa siderúrgica del mundo, ArcelorMittal.

Recuperación de calor residual industrial o recuperación de la conciencia medioambiental industrial

La necesidad de emprender acciones contundentes contra el calentamiento global es incuestionable y la industria de procesos puede desempeñar un papel importante.

El sector industrial es responsable de más de un tercio del consumo total de energía en todo el mundo, con una tendencia al alza impulsada principalmente por el ligero crecimiento de las industrias de uso intensivo de energía (IIE). Las IIE son las industrias con mayor huella de carbono y suelen estar representadas por: alimentación, pasta y papel, productos químicos básicos, refinado, hierro y acero, metales no férreos (principalmente aluminio) y minerales no metálicos (principalmente cemento).

El principal tipo de uso final de la energía entre estas industrias es el calor, que representa el 50% del consumo total de calor en todo el mundo, lo que supone, con diferencia, el mayor tipo de uso final de la energía.

En cuanto a la oferta, hoy en día los medios de producción de calor están claramente dominados por los combustibles fósiles, pero lo peor de todo es que una vez que el calor termina su misión en un proceso industrial, entre el 20 y el 50% de la energía aportada se pierde como calor residual. Los gases de escape calientes, las corrientes de agua de refrigeración o las emisiones de calor de las superficies incandescentes son ejemplos muy extendidos de una contribución gratuita al aumento de la exergía del universo.

Además, la mayoría de las veces, se introduce aún más energía en el proceso para enfriar la fuente de calor residual, ya que la temperatura es demasiado alta para liberarla directamente a la atmósfera.

Se podría concluir fácilmente que el uso del calor industrial es la forma menos eficiente de utilizar la energía, pero sería una conclusión poco precisa. Las ineficiencias pertenecen a un escenario caprichoso en el que quemar combustibles fósiles sigue siendo más barato que recuperar y reutilizar el exceso del llamado calor residual.

Sin embargo, las reglas del juego están cambiando rápidamente, principalmente representadas por el progreso hacia la eliminación de los subsidios a los combustibles fósiles, mientras que los subsidios a la eficiencia energética siguen aumentando.

La contribución de estas políticas, en conjunto con el desarrollo tecnológico, están llegando a un punto en el que el retorno de la inversión de una solución para recuperar y reutilizar el calor residual comienza a despertar el interés de los gestores financieros, ya que se está convirtiendo en una inversión fiable.

Análisis económico de un caso real en la industria siderúrgica

Teniendo en cuenta el valor medio del precio de la electricidad en Europa en la actualidad (0,125 €/kWh), el estado actual de las soluciones de conversión de calor residual en electricidad dentro de la industria siderúrgica puede garantizar un retorno medio de la inversión de unos 4 años, que aún puede disminuir en los próximos años.

Para apoyar esta conclusión, presentamos en detalle el análisis de un caso real.

Dentro de la industria siderúrgica, el horno de arco eléctrico ha experimentado un importante crecimiento en el concepto de siderurgia moderna y, por tanto, se considerará como escenario de referencia.

El balance energético de un horno de arco eléctrico típico implica el consumo de 700 kWh por tonelada de acero producida, de los cuales, casi 150-250 kWh por tonelada de acero se identifican en los manuales como el total de la energía térmica sensible liberada a la salida del horno como gases de escape calientes.

Si, debido a las interferencias en el proceso de producción de acero, el flujo de gases de escape no puede extraerse justo a la salida del horno de arco eléctrico (lo que puede ocurrir a menudo), un escenario más conservador y realista consideraría que el contenido energético útil del flujo de gases de escape en el siguiente punto de extracción disponible puede disminuir hasta unos 100 kWh/t.

El proceso de fundición en un horno eléctrico implica unos 40-45 minutos de fusión de la chatarra y 15-20 minutos de manipulación del proceso. Esto significa que el calor residual sólo está disponible durante 45 minutos en el curso de una hora.

Si se considera que una acería funciona de forma continua durante todo un año, con un horno de arco eléctrico con una capacidad de producción media de 100 t/colada, la producción total de calor residual al año supone 65,7 GWh, como energía térmica. Teniendo en cuenta que los rendimientos de los sistemas comerciales de conversión de calor en electricidad (a menudo ciclos orgánicos de Rankine) se sitúan en el rango del 10-20%, la producción eléctrica correspondiente puede alcanzar los 9,8 GWh al año, con una potencia eléctrica de 1,5 MW.

Según los datos facilitados por el proyecto LIFE HRII, el coste CAPEX y OPEX de toda la planta de conversión de calor residual en electricidad necesaria para este caso concreto, sin considerar ningún tipo de almacenamiento, alcanzaría unos 4 M€ y 200 k€/año, respectivamente.

Los ingresos del caso práctico están representados por la producción de electricidad de la planta y el correspondiente ahorro en la factura eléctrica. Los precios de la electricidad para los consumidores no domésticos se han mantenido estables en Europa durante los últimos 10 años, aumentando de forma similar a la inflación general, pero el peso de los impuestos ha aumentado de forma continua desde el 13,8 % en el primer semestre de 2008 hasta el 35,3 % en el primer semestre de 2020, convirtiéndose en un aumento global significativo.

La evolución del precio medio de la electricidad en Europa para los consumidores no domésticos se muestra en la siguiente figura, representando un escenario muy prometedor para la inversión en instalaciones de producción de electricidad. Teniendo en cuenta los datos anteriores, incluimos a continuación una aproximación sencilla al cálculo del ROI del caso de estudio de referencia en el mercado español y en el mercado medio europeo (precios de la electricidad fijados al valor de 2020).

Como se puede deducir del gráfico, los resultados del ROI pueden variar entre menos de 4 y 5 años y por tanto, teniendo en cuenta que los precios de la electricidad seguirán aumentando, se convierte en una inversión muy interesante.

Cabe destacar que este planteamiento representa un escenario muy conservador, ya que no se han considerado en los cálculos las múltiples subvenciones disponibles en los países europeos para las acciones de mejora de la eficiencia energética ni los beneficios relativos a una mayor disposición de derechos de emisión.

El papel del almacenamiento térmico (TES)

Existe la creencia generalizada de que un sistema TES es necesario sólo para desacoplar la fuente de calor de la demanda, especialmente adecuado para los procesos por lotes. Sin embargo, el efecto más relevante de incluir un sistema TES en una solución de recuperación de calor residual, es garantizar un cálculo fiable del retorno de la inversión (ROI) de un sistema de recuperación de calor residual a los posibles inversores, que de otro modo puede presentar importantes incertidumbres.

Cualquiera que trabaje en la industria, y especialmente en las IIE, estará de acuerdo en que las condiciones de producción ideales son algo que no sucede muy a menudo durante una carrera profesional. Desde perturbaciones de producción debidas a fallos de las máquinas, pasando por inesperados cambios de planificación, hasta las actividades de mantenimiento, la producción nunca se mantiene de forma continua durante las 24 horas, los 7 días de la semana. Por otro lado, muchas actividades industriales ya están diseñadas como procesos por lotes con operaciones discontinuas inherentes al propio diseño del proceso.

Como ejemplo práctico, si consideramos el caso particular de la corriente de gases producidos en los hornos de arco eléctrico (EAF) dentro de las acerías, se produce una corriente caliente no uniforme sólo durante el tiempo de colada que dura aproximadamente 40-45 min, durante los restantes 15-20 min de la hora, hay una disminución significativa en la energía que puede ser extraída de los gases del EAF y entregada al sistema de conversión de calor a electricidad.

La consecuencia de estos flujos no uniformes y de las intermitencias, obliga a sobredimensionar la planta de generación, aumentando el coste de la inversión, o a perder eficiencia debido a las continuas cargas parciales o a las operaciones de encendido y apagado. En este caso, la eficiencia del ciclo organico indicada por el fabricante del ORC y utilizada para estimar el ROI puede no alcanzarse nunca, por lo que debe tenerse muy en cuenta si alguien está considerando un proyecto de inversión de este tipo.

Como se puede observar en las siguientes figuras, estos efectos tienen un impacto significativo en la viabilidad financiera de la tecnología. Teniendo en cuenta los datos facilitados anteriormente sobre los costes de inversión y el mercado español como escenario de referencia, una caída de la eficiencia del ORC del 15% (línea morada) al 10% (línea azul) casi duplicaría el tiempo de retorno de la inversión de una solución de recuperación de calor residual. Por otro lado, la eficiencia de las turbomáquinas ORC es muy sensible a las cargas parciales, y esta pérdida de eficiencia del 5% puede producirse fácilmente cuando la carga disminuye por debajo del 50%, lo que en el caso del EAF ocurre cada hora durante 15-20 min.

Sin embargo, la solución a esta debilidad inherente a los procesos discontinuos o por lotes está mucho más cerca y es más sencilla de lo que se puede imaginar, pero probablemente todavía se enfrenta a problemas de falta de difusión.

La inclusión de un dispositivo TES en una solución de recuperación de calor residual para tratar la intermitencia y la naturaleza no uniforme de la temperatura del calor residual industrial es un enfoque bien conocido y la tecnología desarrollada por CIC energiGUNE ha sido diseñada para satisfacer las necesidades de la industria.

En primer lugar, el efecto positivo de la tecnología TES desarrollada por CIC energiGUNE en la planta de recuperación de calor residual puede observarse en las siguientes imágenes, aplicando la solución a un perfil particular de salida de temperatura de los gases de combustión en un punto de extracción potencial determinado. Recogiendo el flujo de gases de escape a través de un sistema TES adecuado, el perfil de temperatura no uniforme puede convertirse en un flujo casi isotérmico durante todo el ciclo de funcionamiento del horno de arco eléctrico, garantizando una eficiencia de ORC alta y constante y, por lo tanto, proporcionando datos fiables para evaluar la viabilidad de la solución de recuperación de calor residual.

Finalmente, la actividad de investigación de CIC energiGUNE se ha traducido en una tecnología TES personalizable con un rendimiento óptimo y un coste de capital en el rango de 5-10 €/kWh.

La siguiente imagen muestra el efecto insignificante del coste de la solución TES en el cálculo global del ROI de la planta de recuperación de calor residual, que apenas aumenta en dos meses, manteniéndose por debajo de los 5 años, mientras que permite un rendimiento fiable de ORC y un dimensionamiento óptimo de la potencia de ORC, convirtiéndose en una solución muy interesante para impulsar la recuperación de calor residual en la industria.

En pocas palabras, CIC energiGUNE contribuye a que la recuperación del calor residual industrial sea un enfoque viable, no sólo para mejorar nuestro legado industrial medioambiental, sino también para dar un paso adelante en la competitividad industrial. En CIC energiGUNE nos unimos a los mejores expertos y conocimientos en la materia para hacerlo realidad y aportar la mejor solución para cada caso particular.

Es el momento de unirse hacia una revolución industrial más sostenible y verde.