La industria representa la cuarta parte del consumo de energía en Europa, aproximadamente el 70% de la demanda de energía industrial se utiliza para fines térmicos, y una tercera parte de esta es directamente desechada.
La industria representa la cuarta parte del consumo de energía en Europa, aproximadamente el 70% de la demanda de energía industrial se utiliza para fines térmicos, y una tercera parte de esta es directamente desechada. En general, las tecnologías de recuperación de calor residual se han limitado principalmente a fuentes de calor residual de temperaturas media-alta, pero la mayor parte de este calor residual se rechaza a temperaturas muy bajas. Desgraciadamente, este calor residual no está considerado para ser recuperado y reusado debido a que no se considera ni técnica ni económicamente viable con las tecnologías asentadas actuales. Es por ello que el desarrollo de tecnologías enfocadas a este calor residual de baja temperatura se presenta como una gran oportunidad para reducir el consumo de energía primario de la industria.
Las tecnologías por absorción han despertado un gran interés en los últimos años (enfriadoras por absorción, transformadores de calor, ciclos de desecantes líquidos…). En concreto, el transformador de calor por absorción (en inglés ‘Absorption Heat Transformer’, AHT) es una de estas tecnologías, que viene despertando el interés, tanto en la comunidad científica, así como en el tejido industrial. El AHT es una versión del ciclo de absorción diseñado para la revalorización del calor residual, aumentando su temperatura, y pudiendo ser reutilizado en proceso. El AHT opera a la inversa del ciclo de una enfriadora por absorción, pero mientras las enfriadoras han alcanzado una importante cota de mercado, los AHT están todavía en fase de demostración para muchas aplicaciones.
Los AHTs de efecto simple pueden aumentar la temperatura de aproximadamente el 50% de la energía residual en aproximadamente 50 K (dependiendo de las condiciones de contorno). El AHT, como la enfriadora por absorción, consta de los siguientes componentes principales: un condensador, un evaporador, un absorbedor y un generador. Sin embargo, en el AHT el absorbedor y el evaporador operan a alta presión, y el condensador y el generador a baja presión. El AHT funciona a tres niveles de temperatura: el calor residual de baja temperatura, generalmente procedente del proceso industrial, encargado de activar el AHT; la fuente de calor revalorizada; y el foco de temperatura de disipación, generalmente a temperatura ambiente.
El proyecto Indus3Es es una iniciativa de I+D+i coordinada por Tecnalia y financiada por la Comisión Europea dentro del programa H2020. En este proyecto se ha desarrollado un prototipo de AHT con una capacidad de revalorización de entre 200 y 220 kW, que ha sido instalado en la petroquímica Tüpras, en Izmit (Turquía). En el mismo participan también Aiguasol, ingeniería de detalle; Circe, agente de investigación; y Repsol y Fertinagro como usuarios finales. El desarrollo de AHT realizado en el proyecto ha contemplado:
La implementación de dos modos de operación de absorción adiabática: A través de un sistema de distribución de espray, en combinación con un sistema de distribución por goteo que dispone de una bandeja abierta para promover la absorción adiabática del vapor de agua por parte de la solución salina. Las mediciones de laboratorio han demostrado que estos modos aumentan la temperatura de revalorización en el absorbedor. Para fines de demostración e investigación, el modo de atomización puede activarse/desactivarse.
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Un innovador sistema de purga de gases no condensables: La presencia de gases no condensables reduce drásticamente el proceso de absorción, lo cual es crítico para el comportamiento del AHT. El sistema desarrollado en Indus3Es recolecta, mediante la absorción adiabática, los gases no condensables en un depósito. Estos son descargados periódica y automáticamente al medio ambiente. Esta solución, simple y económica, optimiza el funcionamiento del equipo y reduce su mantenimiento.
Sistema de control automático basado en el enfoque ‘Ecuación Característica’: Además de los procedimientos para el ajuste automático de operación óptimo, se han considerado nuevos modos anti-cristalización, lo que es potencialmente más arriesgado que con las enfriadoras por absorción.
Indus3Es ha considerado igualmente las barreras técnicas asociadas a la instalación de un nuevo equipo en un entorno industrial, En el caso de una refinería se tuvieron que considerar todos los requisitos de alta seguridad, especialmente para ambientes explosivos.
El demostrador de Izmit emplea como fuente de calor residual vapor de un tanque de condensados a 100 °C. Este calor se transfiere a un circuito cerrado, que alimenta y activa el AHT a aproximadamente 95 °C, devolviéndose a 90 °C al intercambiador cerrando el circuito. La temperatura de la corriente de agua a revalorizar, agua desmineralizada de suministro, se considera constante durante todo el año e igual a 65 °C. Parte de la corriente residual se emplea para precalentar el agua desmineralizada del cabezal de suministro desde 65 a 95 °C, para después elevarla hasta 135 °C con el calor suministrado por el absorbedor del AHT. Aproximadamente el 50% del calor suministrado a través del generador y el evaporador se revaloriza en el absorbedor del AHT, y se entrega a través del circuito absorbedor a una temperatura de aproximadamente 140 °C.
El prototipo se instaló durante el año 2019. Desde noviembre de ese año se encuentra en operación, realizándose un seguimiento de su funcionamiento en modo no-adiabático y en modo adiabático. En modo no-adiabático, en condiciones nominales, el AHT revaloriza hasta 198 kW. El sistema completo, considerando el precalentamiento, aporta aproximadamente 268 kW. Mediante el uso del distribuidor adiabático, la capacidad del AHT se incrementa hasta unos 214 kW. Durante los modos de funcionamiento el COP térmico del AHT era aproximadamente del 50 %.
Durante su vida útil de 20 años, el prototipo ahorraría:
Los consumos y costos asociados son:
Por ello, los ahorros netos resultantes serían:
Este primer prototipo ha sido concebido bajo un enfoque de ‘potencia-mínima-escalable’ debido a limitaciones técnicas y de inversión. El periodo de retorno para el mismo sería de 9,96 años, su tasa interna de rendimiento del 8,51% y su valor actual neto 1.185.555 €. Según estimaciones realizadas por el consorcio del proyecto, una máquina de estas características industrializada y comercializada podría tener tasas de retorno entorno a los 5 años. Normalmente el sector industrial solicita períodos de retorno inferiores normalmente a 3 años. Este hecho, unido a que la industria no realiza inversiones para ahorrar en bajas emisiones de CO2, impulsan el desarrollo de AHTs de mayor capacidad. Las extrapolaciones realizadas apuntan a que en una futura instalación comercial en la que la capacidad del AHT aumente de 200 a 600 kW, el período de recuperación de la inversión se vería reducido de aproximadamente 6 años a 3; y para un AHT de 1 MW, a 2 años.
Bajo la perspectiva del usuario final, uno de los principales objetivos del proyecto ha sido el de disponer una tecnología que se pueda ampliar a megavatios de recuperación y revalorización. La cantidad de calor residual de baja temperatura en la mayoría de los sectores industriales es enorme. Por ello el AHT tiene un enorme potencial para implementarse en el futuro. Incluso equipos de baja capacidad (entre 200 y 400 kW AHT) obtendrían números económicos atractivos. La implementación de AHTs en procesos industriales supondría una inversión importante que contribuiría a la descarbonización futura de la industria, sin grandes riesgos económicos.
En el marco del proyecto se ha desarrollado una herramienta que permite a a cualquier usuario potencial realizar una evaluación preliminar del potencial técnico y económico para la instalación de un sistema de recuperación de calor basado en un transformador de calor de absorción en su proceso industrial. Esta herramienta está disponible en https://api-indus3esweb.azurewebsites.net/