Recuperación de calor residual: aprovechar el calor residual para descarbonizar el cemento y el acero

Las industrias del cemento y del acero son notoriamente difíciles de descarbonizar, pero sus plantas de producción están generando la solución: el calor residual. Tobias Panse, de Siemens Energy, lo explica.

Pocos procesos industriales generan tanto CO2 como la producción de cemento.

Toma piedra caliza y la tritura, quema y muele usando una enorme cantidad de energía hasta convertirla en polvo, el material de construcción más omnipresente en el mundo. En el centro de este proceso se encuentran el precalentador y el horno rotatorio, que procesa piedra caliza y arcilla molidas a temperaturas de más de 1.300°C.

Eso es mucho calor... sin embargo, en muchas plantas de cemento, gran parte todavía desaparece a través de los gases de combustión y la disipación de la superficie: hasta un 40%-45% de lo que se ingresa. Aquí es donde entra en juego la recuperación de calor residual (WHR). El calor residual del horno y de otras áreas de la planta se puede reutilizar, cubriendo hasta un tercio de las necesidades energéticas de la planta.

En la industria, existen muchas aplicaciones para la recuperación del calor residual, incluida la generación de energía o vapor de proceso, la calefacción y refrigeración de espacios o la calefacción urbana. Sin embargo, podría decirse que tiene su mayor potencial en industrias difíciles de reducir como las del cemento, el acero o la petroquímica.

Pero aún así, muchas plantas de cemento en todo el mundo no utilizan esta forma energéticamente eficiente de reducir sus emisiones, a pesar de su necesidad de descarbonizar y al mismo tiempo mantener la eficiencia y la rentabilidad energética.

Este artículo forma parte de la serie 'Perspectivas energéticas futuras', en la que expertos de Siemens Energy comparten sus ideas sobre cómo podemos avanzar hacia un sistema energético descarbonizado.

La industria del cemento tiene mucho trabajo por delante: es el tercer mayor consumidor de energía industrial y representa alrededor del 7% de las emisiones industriales de CO2 a nivel mundial.

Si bien está avanzando en la reducción de su huella de carbono, se necesitarán acciones más agresivas para cumplir objetivos intermedios de emisiones e impulsar una transición energética exitosa. Y si bien WHR no es la única herramienta para reducir las emisiones de CO2 en la industria del cemento (la captura de carbono es otra opción), es una de las medidas que da sus frutos más rápidamente.

En 2021, la Asociación Mundial del Cemento y el Hormigón (GCCA) publicó una hoja de ruta formal para lograr emisiones netas de carbono cero para 2050.

La hoja de ruta establece un objetivo intermedio de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 25% para 2030, lo que requerirá acciones agresivas por parte de los productores en los próximos dos o tres años.

En general, el mejor lugar para capturar el calor residual en una planta de cemento son las corrientes de humos y gases residuales de la torre de precalentamiento y del enfriador de clinker. Sin embargo, no existe una solución única que sirva para todos: para cada planta de cemento, al igual que en otras industrias difíciles de reducir, las soluciones WHR deben personalizarse. Esto se debe a que la recuperación del calor residual depende de varios factores: temperatura del calor residual, composición, capacidad del horno y contenido de humedad de la materia prima.

Por lo tanto, se requiere un análisis detallado antes de implementar cualquier solución.

Para determinar la forma más eficiente de generar energía a partir de WHR para plantas de cemento, así como para plantas siderúrgicas y petroquímicas, Siemens Energy ha realizado varios estudios analizando diferentes opciones técnicas.

Todos utilizan una configuración similar: consisten en una caldera con líquido que se calienta con el calor residual hasta que se crea vapor caliente, que luego impulsa una turbina de vapor. Luego, el vapor fluye hacia un condensador para enfriarse antes de ser bombeado nuevamente a través de la caldera.

Lo que más diferencia a estas opciones es el medio utilizado. Nuestras pruebas muestran que el método tradicional de ciclo de vapor sobrecalentado, con sus temperaturas más altas y su mayor potencia de salida, se adapta mejor a la mayoría de las aplicaciones en plantas de cemento e incluso en plantas de acero.

Sin embargo, las alternativas no deben descartarse. Por ejemplo, cada vez más instalaciones utilizan también el Ciclo Rankine Orgánico (ORC), utilizando fluidos orgánicos. Su principal ventaja es su alta eficiencia para temperaturas más bajas y que no requiere agua.

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Otro, el ciclo de dióxido de carbono supercrítico, todavía se encuentra en fase de investigación y desarrollo, pero se están probando los primeros demostradores. Por ejemplo, una planta de fabricación de cemento en Prachovice (República Checa), financiada por el proyecto de la UE CO20LHEAT, utilizó calor a temperaturas de 400°C en comparación con soluciones de ciclo Rankine orgánico y vapor de temperatura más baja.

Actualmente estamos buscando otros socios para desarrollar otra planta piloto.

El calor adicional en las plantas de cemento y otras plantas de industrias difíciles de reducir se puede recuperar a partir de corrientes de escape calientes mediante un generador de vapor con recuperación de calor (HRSG) para sitios que utilizan generación de energía in situ con turbinas de gas.

Como existen varios tipos diferentes de HRSG (de tambor, de un solo paso, etc.), es fundamental trabajar en estrecha colaboración con los fabricantes de equipos originales para determinar la configuración óptima. El diseño del ciclo de vapor y el tamaño óptimo de la turbina de vapor también son importantes para garantizar la máxima potencia, dada la energía térmica disponible.

Estos métodos también se pueden aplicar en la producción de acero, que va a la zaga en el uso de sistemas WHR en comparación con la industria del cemento. Hay razones para ello: las fuentes de calor en las plantas siderúrgicas son de más difícil acceso y los procesos, como el horno de arco eléctrico, son discontinuos.

Sin embargo, estos desafíos pueden superarse. En Siemens Energy, estamos trabajando estrechamente con clientes de acero para desarrollar nuevas soluciones personalizadas para mejorar la eficiencia operativa de las plantas de acero y reducir su huella de carbono. La clave es incorporar las diversas fuentes de calor, utilizar almacenamiento de calor siempre que sea posible e instalar sistemas de control inteligentes.

Evidentemente se pueden integrar otras opciones para aprovechar el calor residual, creando soluciones híbridas, y una de ellas son las bombas de calor industriales. Si bien todavía no se han utilizado ampliamente para WHR en industrias difíciles de reducir, es probable que esto cambie a medida que la industria busque vías adicionales de descarbonización.

Una reciente aplicación exitosa de una bomba de calor a gran escala por parte de Siemens Energy es la primera bomba de calor de alta temperatura de 8 MW del mundo, ubicada en Berlín, en Potsdamer Platz.

Utilizando el calor residual de una planta de refrigeración, mejora y alimenta de forma flexible la red de calefacción urbana de la ciudad a temperaturas entre 85°C y 120°C.

Se han logrado mayores avances para ampliar este rango hasta 270°C mediante la compresión de vapor posterior. Estas configuraciones recientemente estuvieron listas para ser ofertadas en el mercado.

Otra opción para impulsar la descarbonización con calor residual es la captura de carbono.

La mayoría de los sistemas de captura de carbono, incluidas las soluciones basadas en aminas, requieren calor/vapor para liberar CO2 una vez que ha sido absorbido por la amina. Luego, el disolvente debe enfriarse para su absorción, de modo que pueda regenerarse y reciclarse.

Si bien el vapor a baja presión generado por la combustión de gases de combustión y residuales puede ser suficiente para satisfacer las demandas de calor del sistema de captura, reducirá la cantidad de vapor disponible para la generación de energía.

También se pueden instalar bombas de calor para capturar la energía térmica procedente de la adsorción de disolventes, así como del compresor de CO2 o del escape de las turbinas de gas. Al hacerlo, se mejora la eficiencia general del sistema de captura de carbono y se maximiza la producción de energía neta de la turbina de vapor.

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¿Qué impulsará la adopción de tecnologías WHR? Los factores más importantes son los precios de la energía y las emisiones, la regulación gubernamental y la competitividad de los costos.

Un factor limitante –al menos actualmente en las plantas de cemento– es el enfoque en aumentar la producción, lo que deja una inversión limitada disponible para mejorar la eficiencia.

China y la India muestran lo que es posible en términos de adopción de WHR a través de la legislación gubernamental y la competitividad de costos.

Finalmente, para cualquier solución, la cocreación es clave. Las soluciones WHR se adaptan no solo a una sola industria, como las plantas de cemento o acero, sino que también dependen de factores locales, como el costo y la disponibilidad de la electricidad, las otras industrias cercanas, las condiciones climáticas y más.

Teniendo en cuenta estos factores, trabajamos estrechamente con una empresa india para crear conjuntamente soluciones WHR que ofrecieran el mejor rendimiento posible a un costo óptimo.

Fueron diseñados para cada planta, adaptándose a las condiciones disponibles del sitio. Demostró que trabajar juntos en soluciones WHR con costes optimizados no sólo es posible, sino que se logra mejor trabajando juntos.

SOBRE EL AUTOR

Tobias Panse es vicepresidente senior de generadores y turbinas de vapor industriales en Siemens Energy.