Europa se esfuerza por ser el primer continente del mundo con un clima neutro para 2050. Esta declaración abre el camino a muchos esfuerzos, normativas, innovaciones y cambios por los que tienen que pasar los ciudadanos y las industrias europeas.
Construir un futuro mejor para la sociedad a través de la neutralidad climática es una gran oportunidad, pero también está llena de retos. Sectores económicos como el transporte, la construcción, la agricultura y la industria desempeñarán un papel importante en la consecución de este objetivo. El próximo hito de Europa es reducir las emisiones de CO2 en un 90% en 2040 respecto a los niveles de 2019, y no es tarea fácil.
Todos conocemos los vehículos eléctricos y su superioridad frente a los motores de combustión interna convencionales en lo que se refiere a eficiencia energética. Los motores eléctricos son 3 veces más eficientes que los motores de combustión, razón principal de su rápida adopción en la última década.
También sabemos por qué ciertas tecnologías, como la energía solar fotovoltaica o la generación de electricidad mediante energía eólica, son superiores a la forma convencional de generar electricidad mediante centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles.
Se puede argumentar que lo mismo ocurre con toda nueva tecnología antes de que el mercado la adopte plenamente: es mejor, pero puede parecer más cara a primera vista.
La industria europea contribuye hoy en día a aproximadamente un tercio de la demanda final de energía de la UE y a cerca del 20% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero en Europa.
Si nos fijamos en cualquier industria actual, las necesidades energéticas pueden clasificarse en dos categorías:
- Electricidad para alimentar las líneas de producción, la maquinaria y proporcionar luz, así como para permitir que los equipos de refrigeración y enfriamiento contribuyan al proceso industrial.
- Combustible fósil para alimentar calderas industriales que generan agua caliente, vapor o calientan indirectamente el aire para procesos como el secado y el horneado.
En este artículo, nos centraremos en una tecnología y una industria para demostrar cómo podemos abordar la oportunidad de la descarbonización paso a paso.
Bombas de calor & Industria alimentaria
La industria alimentaria y de bebidas, donde la proporción entre combustibles fósiles y electricidad es de 80/20 aproximadamente. La mayor parte del combustible fósil utilizado es para alimentar calderas industriales que calientan el proceso a temperaturas que rara vez superan los 150°C.
Es una de las industrias más fáciles de descarbonizar hoy en día debido a la presencia de bombas de calor industriales que pueden sustituir fácilmente o minimizar la dependencia de las calderas de combustibles fósiles. Cada Estado miembro tiene cientos, si no miles, de fábricas que suministran alimentos y bebidas a la población, además de exportarlos a otros países.
Las bombas de calor son los vehículos eléctricos de la calefacción; no sólo proporcionan calefacción sostenible y acaban con la dependencia de las calderas de gas, sino que pueden aprovecharse para proporcionar refrigeración si se diseñan e integran correctamente en un proceso.
La mayoría de los lectores saben que las bombas de calor de 10 kW pueden sustituir a las calderas en casa para proporcionar agua caliente a 55°C de una forma muy eficiente que puede proporcionar un retorno de la inversión y un ahorro económico muy corto, pero no muchos saben cómo puede funcionar en una instalación industrial para proporcionar agua caliente o vapor hasta 150°C. Todos los procesos industriales emiten calor residual que se expulsa a la atmósfera; pensemos en los condensadores de los sistemas de refrigeración, las torres de refrigeración, las plantas de cogeneración y los gases de combustión, la mayoría de los cuales representan una fuente de calor perfecta para una bomba de calor industrial a escala industrial.
Por ejemplo, si se aprovecha el calor residual a 50 °C y se eleva a 100 °C mediante una bomba de calor, se obtiene un coeficiente de rendimiento (COP) de 4,5 utilizando R-1233zd ; esto significa que puede ser casi un 500% más eficiente que una caldera de gas industrial convencional.
Este ejemplo puede reducir al mínimo o eliminar el uso de combustibles fósiles, reducir las emisiones de CO2, proporcionar al proceso el calor necesariopara producir el producto final y, al mismo tiempo, ahorrar en OPEX.
Hoy en día hay decenas de procesos que pueden beneficiarse de las bombas de calor industriales, como la esterilización, la pasteurización, la cocción, el secado, la elaboración de cerveza, la destilación, el escaldado y muchos otros dentro de la industria F&B.
La ventaja adicional de utilizar bombas de calor es que también se puede obtener frío de ellas, lo que puede ayudar a satisfacer las necesidades de refrigeración del proceso y reducir el consumo de los enfriadores de proceso existentes.
Refrigerantes
La gente suele conocer el principio de funcionamiento de las bombas de calor: un fluido de trabajo (refrigerante) absorbe el calor de un lado (fuente de calor), luego se comprime mediante un compresor para elevar su presión y después se expulsa el calor por el otro lado (disipador de calor). Sin embargo, no todas las bombas de calor son iguales.
Hay muchos aspectos que se pasan por alto y uno de ellos es la selección del fluido de trabajo (refrigerante). Hay diferentes aspectos que hay que tener en cuenta antes de elegir el refrigerante para su aplicación:
- PCG* y ODP*
- Clase de seguridad (de no inflamable, no tóxico a altamente inflamable y altamente tóxico).
- Envolvente de funcionamiento (temperatura de ebullición y temperatura crítica).
- Presión de funcionamiento
- Capacidad calorífica volumétrica.
- Eficiencia.
Para las aplicaciones de bombas de calor industriales, los principales refrigerantes que se utilizan son:
- Amoniaco: Muy bajo PCG, clasificado como B2L lo que significa que es ligeramente inflamable pero es altamente tóxico en concentraciones muy bajas.
- Hidrocarburos (butano, pentano, isobutano, isopentano): Muy bajo PCG, combinan buena capacidad calorífica y eficiencia pero son altamente inflamables y explosivos (A3).
- HFO (Hidrofluoroolefinas): La 4ª generación de gases fluorados, de muy bajo PCG y ODP, cada HFO está diseñado para un caso de uso específico, con un espectro de diferentes propiedades termodinámicas y de seguridad. Algunos de los más populares que se utilizan en aplicaciones de bombas de calor industriales son el R-1234ze(E) y el R-1233zd (E) bajo la marca Solstice de Honeywell.
- Agua: Podría decirse que es el único refrigerante que se utiliza exclusivamente para la generación de vapor o la recompresión de vapor.
La importancia de la seguridad
La seguridad desempeña un papel muy importante en cualquier proceso industrial. Hay una gran diferencia entre el funcionamiento de una bomba de calor para una vivienda unifamiliar, donde la carga de refrigerante no supera los 200 gramos, y el funcionamiento de una bomba de calor para un proceso industrial, donde la carga de refrigerante comienza a partir de 50 kg y puede llegar a miles de kg. En un mundo real en el que pueden producirse fugas, las cosas pueden descontrolarse si el refrigerante utilizado es tóxico y funciona por debajo de 80 barg o es altamente inflamable y explosivo en un entorno con riesgo de explosión, como la destilación de bebidas alcohólicas, una fábrica de azúcar o una planta de papel y pasta de papel. El ejemplo anterior demuestra que las bombas de calor pueden contribuir a descarbonizar la industria alimentaria. Ciertos tipos de refrigerantes presentan riesgos, a diferencia de los clasificados como no tóxicos y no inflamables, que pueden ser extremadamente eficientes y seguros en una instalación.
Reflexiones finales
Las bombas de calor pueden desempeñar un papel decisivo en la descarbonización de la industria ligera en Europa para acelerar los objetivos de NZE.
la tecnología está lista y muchos estados miembros proporcionan diferentes tipos de subvenciones, fondos y subvenciones para apoyar a la industria en la inversión inicial, así como los costes de funcionamiento, las bombas de calor son una opción viable para las industrias que tienen una planta de cogeneración existente para producir su propia electricidad, así como los estados miembros que tienen una relación de precios de la electricidad al gas de (bomba de calor COP – 1).
Ejemplo: Si la bomba de calor tiene un COP de 4 y el precio de la electricidad respecto al gas es de 3, entonces la bomba de calor será una opción viable.
La elección de un refrigerante no tóxico y no inflamable, o ligeramente inflamable, elimina muchos de los riesgos que los usuarios industriales finales tienen que afrontar si optan por un refrigerante tóxico o inflamable.
Por último, las bombas de calor pueden ser una gran solución para que el sector industrial europeo sea más competitivo, ya que permitirán a la industria tener una intensidad energética mucho menor para los productos finales y, por tanto, disminuir la carga de los costes energéticos y abrir la puerta a aumentar los beneficios de la industria, ofrecer precios más competitivos o incluso aumentar la capacidad de producción y evitar cuellos de botella.
* PCG: Potencial de Calentamiento Global.
* ODP: Ozone Depleting Potential = Potencial de Agotamiento de la Capa de Ozono (PAO).
* OPEX: OPerational EXpense = gastos de Operativos (GOP).