Cómo la recuperación del calor residual cambiará los paisajes

Cada año, las industrias de toda Europa dejan escapar por sus chimeneas una valiosa fuente de energía térmica. Un proyecto financiado por la UE llamado ETEKINA ha reimaginado una tecnología de décadas de antigüedad llamada intercambiadores de calor de tubo que permite a las empresas reutilizar el calor que generan. Hasta ahora, tres centros que han instalado el prototipo han reducido sus costes de combustible en un 40%: una planta de producción de fundición de aluminio en España (Fagor Ederlan), una acería en Eslovenia (SIJ Metal Ravne) y un productor de cerámica en Italia (Atlas Concorde).

Hussam Jouhara, profesor de Ingeniería Térmica en la Universidad de Brunel de Londres, es el coordinador técnico del proyecto y compartió sus ideas sobre el mismo con ESCI.

Entrevistador: Profesor Jouhara, usted y el equipo del proyecto ETEKINA han encontrado la forma de incorporar un nuevo tipo de intercambiador de calor para recuperar el calor de un proceso industrial y reutilizarlo en otra parte de la fábrica. ¿En qué consiste esta tecnología?

Hussam Jouhara: Un tubo de calor es un superconductor térmico. La clave es que no es necesario forzar un fluido mediante bombas o tuberías de fluidos entre la región caliente y la fría para facilitar el proceso de transferencia de calor. El propio tubo de calor puede hacerlo de forma pasiva siempre que se le permita el acceso a la corriente caliente y a la corriente fría en las condiciones correctas de transferencia de calor.

Cuando se observa el sistema desde el exterior, parece bastante sencillo. Los tubos se encuentran entre dos cámaras, y estos tubos sólo absorben el calor y lo entregan donde se necesita. Pero si se mira más profundamente dentro de cada tubo, se tiene una ciencia muy compleja. Se trata de una transferencia de calor bifásica: el líquido cambia de fase y pasa a ser vapor, y en el proceso transporta el calor latente para llevarlo a la sección del condensador, donde el vapor se condensa y calienta el fluido calefactor.

¿Puede dar algunos ejemplos sobre los diferentes líquidos que se pueden utilizar o los diferentes materiales?

En el proyecto ETEKINA utilizamos dos fluidos dentro de esos sistemas de tubos de calor. Uno de los fluidos es agua ultrapura. Pero cuando tenemos aplicaciones de alta temperatura, también tenemos fluidos que se pueden utilizar eficazmente dentro del propio intercambiador de calor para que los tubos de calor funcionen con seguridad. Como estos fluidos están confinados dentro del sistema, sólo se utiliza una pequeña cantidad de ellos.

El proyecto ETEKINA comenzó hace cuatro años. ¿Cuál era su intención para el proyecto? ¿Qué le hizo comenzar con esta idea?

La idea de poner en marcha el proyecto ETEKINA era demostrar la importancia y el potencial de la tecnología de tubos de calor y cómo puede utilizarse para recuperar el calor residual de flujos muy difíciles que otros sistemas convencionales no podrían recuperar y reutilizar el calor que se recupera en la propia planta. De este modo, se reduce la huella de carbono de la planta y se reduce la demanda de energía y se mejora la eficiencia energética de la planta en general.

También creo que ETEKINA está contribuyendo a mejorar la eficiencia de estos sistemas, utilizando la tecnología adecuada que lo facilite. El objetivo de ETEKINA era recuperar el 40% del calor disponible que se desperdicia de los flujos de escape. Me complace decir que, después de cuatro años y de haber instalado las tres unidades, el consorcio ha conseguido alcanzar el 40% como mínimo.

De hecho, estamos por encima de eso en los tres casos de demostración. Es un placer informar de ello y es un éxito para todo el consorcio.

La otra intención era ofrecer un diseño de intercambiador de calor de tubo de calor de alto TRL que pudiera entregarse directamente a la comunidad industrial en general. Además, los IDT participantes en este proyecto han desarrollado capacidades de modelización de sistemas que pueden ayudar a cualquier industria interesada a modelizar diversas opciones de recuperación de calor residual para lograr la mayor eficiencia térmica posible.

Creo que es una pregunta crítica: ¿por qué sólo ahora hemos podido diseñar, construir y aplicar esta tecnología de tubos de calor? El principio tiene unos cuarenta años .

Hay que entender bien la química. Hay que entender la ciencia de los materiales. Hay que entender bien el argumento comercial para asegurarse de que es algo que tiene sentido comercial para cualquier empresa que lo adopte. También hay que entender fenómenos de transferencia de calor muy complejos; principalmente la transferencia de dos fases, el flujo de dos fases, términos complejos. Hay que combinar los conocimientos de todo ello para comprender los requisitos del diseño.

Y ha sido un verdadero placer trabajar estrechamente con nuestra empresa de fabricación en Gales, en el Reino Unido, para desarrollar las capacidades de fabricación de esos tubos de calor. Diseñamos juntos el proceso de fabricación y la instalación.

¿Puede dar algunos ejemplos de lo que ha mencionado que la tecnología de tubos de calor tratará, por ejemplo, la caja de acero? ¿Sabe a qué tipo de temperaturas nos enfrentamos? ¿Cuál es la situación en un horno de acero?

Tenemos un caso de demostración en Italia -el productor de cerámica Atlas Concorde- y el requisito es proporcionar agua caliente a alta presión hasta los ciento setenta grados para su uso en el propio proceso en varias áreas. Y esta agua se calentará utilizando el calor residual que recuperamos de nuestro intercambiador de calor.

La característica única del intercambiador de calor que construimos es que la corriente de escape pasa por una sección que está a una presión casi atmosférica. Por lo tanto, no es necesario invertir en equipos de alta presión en la corriente de escape, lo que hace que el sistema sea rentable. Además, hemos gestionado el ensuciamiento que se espera de la carga de partículas en este escape.

La fábrica de acero SIJ Metal Ravne, en Eslovenia, necesita varios disipadores de calor. Los fluidos de los disipadores de calor son los que se calientan a partir del calor recuperado. Así, en Eslovenia, la unidad tenía dos disipadores de calor. El primero recupera el calor de un escape de alta temperatura que entra, y este calor tiene un uso directo en el precalentamiento del aire que se utiliza en la cámara de combustión, que conducirá directamente a la reducción del combustible que se está utilizando para darles la temperatura que requieren en el proceso.

Este escape dejará esa sección con suficiente energía también que puede ser recuperada para calentar agua a 90 grados. La empresa no sólo reutiliza el calor que recupera. También exporta energía a la zona más amplia, lo que la hace más integrada en la comunidad.

En cuanto a la línea de producción de aleaciones de aluminio de Fagor Ederlan en España, que es la unidad de una de nuestras instalaciones asociadas, esa unidad se enfrenta a temperaturas muy altas. Altas temperaturas que suelen requerir diseños muy complejos y un enfoque muy iterativo para garantizar que, en cualquier circunstancia, no se produzca ninguna contaminación cruzada entre los dos flujos, y que se gestione la alta temperatura para dar al proceso calores de alta temperatura y fluidos que puedan utilizar en el proceso. Es algo que realmente hemos gestionado en ETEKINA de forma rentable y hemos instalado la unidad con éxito.

Cada una de las unidades que entregamos en este proyecto se ocupó de una corriente de escape compleja y desafiante de una manera específica. Eso es lo que hace única a la tecnología de tubos de calor. Puede ofrecer soluciones a situaciones complejas.

Además, desde el punto de vista del inversor, las cifras son sorprendentes.

En este proyecto no se trata sólo de un reto académico. Es un proyecto aplicado. Teníamos que entregar tres sistemas con una cifra de retorno de la inversión en 24 meses o menos. De lo contrario, no podemos convencer a la industria en general de que lo adopte.

Por eso, como ha dicho, el argumento comercial de las unidades fue bastante sorprendente, y la validación vino de los datos que recogimos hasta ahora. Estamos logrando nuestro objetivo si estas unidades se instalan o se diseñan para un proceso similar en cualquier lugar de Europa o del mundo.

Entonces, ¿qué es lo siguiente? ¿Vamos a salvar el mundo con esta tecnología?

Bueno, eso espero. La cuestión es que hoy en día en Europa, si pensamos en nuestro continente, el coste de las emisiones es extremadamente caro. Lo interesante de este proyecto es que a mitad de camino de ETEKINA y realizando algunos experimentos en uno de los sitios, nos dimos cuenta de que podíamos hacer aún más cosas con esta tecnología.

Mientras trabajábamos en este proyecto y colaborábamos con socios muy capacitados, desvelamos otra idea que ahora estamos explorando en otro proyecto. Y ese proyecto esperamos que salve al mundo de nuevo porque no sólo recuperará el calor desperdiciado, sino que también recuperará las aguas residuales.

¿Y qué tipo de explotación ve para ETEKINA a nivel comercial?

Ahora tenemos una tecnología que está en el nivel adecuado de preparación tecnológica (TRL) que permitirá al fabricante en este caso, Econotherm, tener mercados mucho más amplios para suministrar estas unidades a las industrias en el nivel adecuado de negocio.

Todavía se pueden ver chimeneas que emiten vapores. Esto nos dice que hay algo más que podemos hacer, y hay algo que podemos hacer para eliminar esas chimeneas y reciclar todo en la propia planta, lo cual no es un sueño. Puede ser una realidad con el enfoque adecuado.

¿Qué tipo de impacto tiene ETEKINA en el mundo académico?

Nuestro objetivo es ofrecer nuevas soluciones a industrias consolidadas y líderes en sus campos. Pero, paralelamente, colaboramos con universidades e institutos de investigación.

Por ejemplo, hemos conseguido nuevas capacidades de modelización. Normalmente, estas capacidades de modelización suponen una investigación muy costosa. Es decir, si se quiere hacer en el laboratorio, sería extremadamente caro poder hacer esa investigación y utilizar equipos informáticos. Y los publicamos.

Ahora están disponibles para la comunidad investigadora en general en todo el mundo que tiene acceso a estos artículos. Eso hace que ETEKINA sea tan útil para el mundo académico como lo fue para el sector industrial.