Todo lo que necesita saber sobre las tecnologías avanzadas de calentamiento a alta temperatura para la industria

Descarbonizar la industria significa descarbonizar la electricidad y el calor. En principio, la industria puede descarbonizar bastante fácilmente su consumo de electricidad, basta con comprar electricidad verde.

El calor es el verdadero reto. La demanda industrial de calor es increíblemente diversa y abarca una amplia gama de temperaturas, desde ligeramente por encima de la temperatura ambiente para el calentamiento de fluidos hasta más de 1.400 °C para la fabricación de acero. Y sólo en la UE, más del 70% de la calefacción y la refrigeración se genera a partir de combustibles fósiles.

Echemos un vistazo al calor a alta temperatura.

• ¿Qué tecnologías existen?
• ¿Quién puede utilizarlas?
• ¿Cuáles son sus ventajas económicas?
• ¿Cuáles son los vínculos con la red y las tecnologías de almacenamiento?

Tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica

Ya existen varias tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica para sistemas con demanda de altas temperaturas. Y ofrecen una serie de ventajas como velocidades de calentamiento más rápidas, mayor eficiencia y mayor control sobre el proceso de calentamiento. Además, son más respetuosas con el medio ambiente, lo cual es una obviedad, ya que permiten utilizar electricidad verde.

He aquí algunos ejemplos:

1. Calentamiento por resistencia: Se trata de una tecnología de calentamiento habitual que consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de un material con gran resistencia, como un alambre metálico o una aleación. La resistencia genera calor, que se utiliza para calentar el material. El calentamiento por resistencia puede utilizarse para temperaturas de hasta 1.200 °C.
2. Calentamiento por inducción: Esta tecnología de calentamiento utiliza la inducción electromagnética para calentar un material. Se genera un campo magnético alterno alrededor del material, que induce una corriente eléctrica en el material, produciendo calor. El calentamiento por inducción puede utilizarse para temperaturas de hasta 2.500 °C.
3. Calentamientopor infrarrojos: El calentamiento por infrarrojos utiliza radiación infrarroja para calentar un material. La radiación infrarroja es absorbida por el material, que se calienta. El calentamiento por infrarrojos puede utilizarse para temperaturas de hasta 1.000 °C.
4. Calentamientopor microondas: La radiación de microondas se utiliza para calentar un material. Las microondas penetran en el material y excitan las moléculas, produciendo calor. El calentamiento por microondas puede utilizarse para temperaturas de hasta 3.000 °C.
5. Calentamiento de grafeno: Se trata de una tecnología de calentamiento relativamente nueva que utiliza grafeno para generar calor. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través del grafeno, la resistencia del material genera calor. El calentamiento por grafeno puede utilizarse para temperaturas de hasta 2.000 °C.
6. Calentamiento por nanotubos de carbono: Se trata de otra nueva tecnología de calefacción que utiliza nanotubos de carbono para generar calor. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de los nanotubos de carbono, éstos se calientan, generando calor. El calentamiento por nanotubos de carbono puede utilizarse para temperaturas de hasta 3000°C.

Atención

Si es usted un experto en calentamiento por nanotubos de carbono, envíeme un mensaje a juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

Estamos trabajando en un consorcio que desarrolla soluciones para el craqueo de metano sin CO2 produciendo nanotubos de carbono como subproducto, principalmente para su uso en aplicaciones de baterías. ¿Quizá exista la posibilidad de ampliar la aplicación?

Para más información sobre este proyecto, consulte https://storming-project.eu/

Uso industrial cases para tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica

Ya existen casos de uso industrial que permiten mejorar la eficiencia de los procesos y la calidad de los productos gracias a ventajas como el control preciso de la temperatura, el calentamiento uniforme o la rapidez de calentamiento. Como ya se ha dicho, las demandas industriales de calor son increíblemente diversas, por lo que probablemente se puedan encontrar oportunidades de aplicación significativas en muchos o en todos los sectores. No es de extrañar que, al buscar algunas, aparezca una lista de los sospechosos habituales. He aquí tres:

Industria química

La industria química tiene muchos procesos que requieren calentamiento a alta temperatura, como la polimerización, la destilación y los procesos de reacción. Las tecnologías avanzadas de calentamiento eléctrico pueden ofrecer un control preciso de la temperatura y velocidades de calentamiento rápidas.

Industria del vidrio

La producción de vidrio requiere calor a alta temperatura para la fusión, el conformado y el recocido. El calentamiento por infrarrojos y el calentamiento por grafeno pueden ofrecer un calentamiento uniforme y un control preciso de la temperatura.

Industria alimentaria

La industria alimentaria requiere procesos a alta temperatura para el procesamiento de alimentos, como el horneado, la cocción y la esterilización. Las tecnologías avanzadas de calentamiento eléctrico pueden ofrecer un control preciso de la temperatura y velocidades de calentamiento rápidas.

Economía: el elefante en la habitación

A uno de mis colegas, el presidente del EEIP, Rod Janssen, le encanta esta frase y ya la ha utilizado un par de veces al hablar de la eficiencia energética en la industria o los edificios. De hecho, todo el Grupo de Instituciones Financieras para la Eficiencia Energética (EEFIG), una iniciativa creada por la Comisión Europea (DG Energía) y UNEP FI en 2013, gira en torno a ella.

Cuando se trata de los aspectos económicos de las tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica para sistemas de demanda de alta temperatura, los responsables de la toma de decisiones en la industria las comparan con el estado actual de los sistemas de calefacción basados en combustibles fósiles. Y esto dista mucho de ser sencillo, ya que son muchas las dimensiones que influyen en los aspectos económicos y la evaluación también se ve afectada por factores como el riesgo o los KPI financieros utilizados en una determinada empresa.

Para profundizar un poco más en los aspectos económicos, hay que distinguir entre el coste real de la electricidad y el coste de los combustibles fósiles, las expectativas en cuanto a la evolución futura de los precios, la normativa y la percepción de los clientes. Otra forma de comparar ambos aspectos es trazar un mapa de los costes de capital (CAPEX) y los costes operativos (OPEX).

En general, las tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica suelen tener costes de capital más elevados que los sistemas de calefacción basados en combustibles fósiles. Sin embargo, tienen costes de funcionamiento más bajos debido a su mayor eficiencia y a sus menores requisitos de mantenimiento. Además, las tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica no emiten gases de efecto invernadero, por lo que pueden evitar los costes asociados a la tarificación del carbono o a la normativa sobre emisiones.

Obviamente, el coste de la electricidad es un factor crítico en la viabilidad económica de las tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica. Si la electricidad es cara o se genera principalmente a partir de combustibles fósiles, los costes de funcionamiento de las tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica serán superiores a los de los sistemas de calefacción basados en combustibles fósiles. Sin embargo, si la electricidad es barata o se genera a partir de fuentes de energía renovables, entonces las tecnologías avanzadas de calefacción eléctrica pueden ser más rentables.

Otros factores son el impacto de la economía de escala una vez que se generalice la adopción de estas nuevas tecnologías o los conocimientos necesarios para manejar estos sistemas en el taller, pero también a nivel de digitalización y control de procesos.

Almacenamiento térmico a alta temperatura e integración en la red

Las nuevas soluciones de almacenamiento de calor a alta temperatura y la integración con la red energética también pueden contribuir a reducir el riesgo de los sistemas avanzados de calefacción a alta temperatura, así como a mejorar el modelo de negocio subyacente, por ejemplo, participando en los mercados de flexibilidad de la red.

Para más información sobre los mercados de flexibilidad de la red, consulte el proyecto OneNet. EEIP participa en este proyecto principalmente en el ámbito de la participación de los clientes del sector.

Sin entrar en muchos detalles, he aquí un breve resumen de lo que quiero decir sobre la integración en la red:

1. Gestión de la demanda: Los sistemas de calefacción pueden programarse para que funcionen durante las horas valle, cuando la demanda de electricidad es menor, o pueden apagarse durante los periodos de mayor demanda de electricidad.
2. Almacenamiento de energía: Los sistemas de almacenamiento de energía pueden utilizarse para almacenar el exceso de electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables, como la eólica o la solar, y utilizarla para alimentar sistemas de calefacción de alta temperatura cuando sea necesario.
3. Almacenamientoa escala de red: Los sistemas de almacenamiento a escala de red, como el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo o el almacenamiento de energía por aire comprimido, también pueden utilizarse para almacenar el exceso de electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables.

Y aquí algunos ejemplos de soluciones de almacenamiento térmico de alta temperatura existentes hoy o que probablemente llegarán pronto:

1. Almacenamientoen sales fundidas: El almacenamiento en sales fundidas es actualmente una de las soluciones más comunes de almacenamiento térmico a alta temperatura. El sistema almacena energía térmica en forma de sal fundida, que puede calentarse a altas temperaturas y utilizarse para generar vapor que alimente turbinas para la generación de electricidad. Los sistemas de almacenamiento en sales fundidas se utilizan en centrales de energía solar concentrada (CSP) a gran escala y también se está estudiando su uso en aplicaciones industriales.
2. Almacenamiento de energía térmica con materiales de cambio de fase (PCM): El almacenamiento de energía térmica con materiales de cambio de fase (PCM) es otra solución de almacenamiento de calor a alta temperatura que está ganando popularidad. Los PCM pueden absorber y liberar energía térmica durante las transiciones de fase, como la fusión o la solidificación. Esta tecnología se está estudiando para su uso en edificios y aplicaciones industriales.
3. Almacenamiento de energía térmica con materiales cerámicos: Los materiales cerámicos también pueden utilizarse para almacenar calor a alta temperatura. Los materiales cerámicos pueden almacenar energía térmica absorbiendo y liberando calor durante los cambios de fase. Se están desarrollando sistemas cerámicos de almacenamiento de energía térmica para su uso en centrales ESTC y aplicaciones industriales.
4. Almacenamiento de energía envolantes de inercia: Se están desarrollando sistemas de almacenamiento de energía en volantes de inercia para el almacenamiento de calor a alta temperatura. El sistema almacena energía cinética en forma de volante giratorio. El sistema puede liberar la energía almacenada en forma de electricidad o energía térmica. Se están desarrollando sistemas de almacenamiento de energía por volante de inercia para su uso en centrales ESTC y otras aplicaciones industriales.
5. Almacenamiento de energía de metallíquido: Los sistemas de almacenamiento de energía de metal líquido son una tecnología relativamente nueva que se está desarrollando para el almacenamiento de calor a alta temperatura. El sistema almacena energía térmica en forma de metal líquido, que puede calentarse a altas temperaturas y utilizarse para generar vapor que alimente turbinas para la generación de electricidad. Se están desarrollando sistemas de almacenamiento de energía de metal líquido para su uso en centrales ESTC y otras aplicaciones industriales.
6. Nivel de investigación: Superconductores de alta temperatura para almacenamiento de energía
7. Nivel de investigación: Nanomateriales para el almacenamiento de energía térmica

Dado que la descarbonización del calor a alta temperatura es un tema tan importante (y desafiante), nos encantaría recibir sus comentarios y aportaciones.

Si conoce otras soluciones o casos prácticos, envíeme un mensaje a juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

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