Mientras las empresas del sector agroalimentario (IAA) aceleran su transición para dejar de depender de los combustibles fósiles, las bombas de calor industriales gozan de un reconocimiento cada vez mayor como tecnología clave para reducir las emisiones de carbono. Sin embargo, la sustitución de una caldera de gas solo representa una parte del reto. Para muchas fábricas agroalimentarias, la cuestión crucial es ahora la siguiente: ¿cómo producir vapor a baja presión de forma sostenible, eficiente y rentable?
Un nuevo libro blanco de Solstice Advanced Materials analiza esta cuestión comparando las bombas de calor de alta temperatura y las tecnologías de compresión mecánica de vapor (MVR) para la producción industrial de vapor, lo que proporciona información valiosa a los fabricantes de alimentos y bebidas que persiguen objetivos de neutralidad en carbono.
El vapor sigue siendo fundamental en la industria agroalimentaria
El vapor a baja presión, a unos 140 °C, sigue siendo un pilar de los procesos de fabricación agroalimentaria. Se utiliza ampliamente en los procesos de cocción, pasteurización, esterilización, limpieza, desinfección y secado, en los que es esencial una transferencia de calor fiable y controlable. A pesar de los importantes avances en materia de electrificación industrial, la producción de vapor sigue siendo una de las aplicaciones más difíciles de descarbonizar.
Este reto cobra aún más relevancia si se tiene en cuenta que muchos sistemas de vapor industriales siguen basándose en calderas que funcionan con gas natural. Aunque estos sistemas han demostrado su eficacia y son bien conocidos, también contribuyen de manera significativa a las emisiones directas de gases de efecto invernadero. A medida que se refuerzan los objetivos de desarrollo sostenible, las empresas del sector agroalimentario están evaluando tecnologías alternativas capaces de proporcionar la misma potencia térmica con una huella de carbono notablemente reducida.
Bombas de calor y MVR: dos vías para obtener vapor con baja huella de carbono
El estudio Solstice evalúa dos alternativas destacadas: las bombas de calor de alta temperatura y los sistemas de compresión mecánica de vapor (MVR*) con sobrealimentador.
Las bombas de calor de alta temperatura recuperan el calor residual de los procesos industriales y lo elevan a niveles de temperatura útiles mediante un ciclo de compresión de vapor. Por su parte, los sistemas MVR comprimen directamente el vapor de agua, aumentando así su temperatura y presión para que pueda reutilizarse como fuente de calor. En algunos casos, estas dos tecnologías pueden combinarse en una configuración en cascada, en la que una bomba de calor se encarga del aumento inicial de la temperatura y el sistema MVR proporciona el aporte final para alcanzar las condiciones de vapor requeridas.
Aunque los sistemas MVR pueden alcanzar rendimientos muy elevados, el estudio destaca que a menudo requieren varias etapas de compresión, equipos adicionales y una instalación más compleja para lograr aumentos significativos de la temperatura. Estos factores pueden incrementar los costes de inversión y afectar a la rentabilidad global del proyecto.
Reducciones de las emisiones de carbono superiores al 90 %
Una de las conclusiones más destacadas de este análisis es la importancia de las reducciones de emisiones que se pueden lograr con las tecnologías de generación de vapor electrificadas.
(fuente: libro blanco de Solstice)
En una aplicación de vapor para la industria agroalimentaria con una potencia de 1 MW, que funciona las 24 horas del día y 250 días al año, una configuración en cascada que combina una bomba de calor y tres MVR con sobrealimentador ha permitido reducir en un 90,3 % las emisiones de CO₂ a lo largo de todo el ciclo de vida, en comparación con una caldera de gas tradicional. Al mismo tiempo, el coste total de propiedad (TCO) se redujo en un 29 %.
Sin embargo, el resultado más llamativo se observó cuando los investigadores evaluaron una bomba de calor de alta temperatura que funcionaba de forma autónoma, sin equipo MVR adicional.
En este escenario, las emisiones se han reducido en un 89,8 %, mientras que el coste total de propiedad (TCO) ha disminuido un 37,4 % en comparación con la referencia de la caldera de gas. Según el estudio, la configuración con una bomba de calor autónoma es la opción más interesante desde el punto de vista económico para numerosas aplicaciones de vapor a baja presión.
La economía prima sobre la eficacia
Este estudio pone de manifiesto una lección importante para los responsables de la toma de decisiones en el sector industrial: la tecnología más eficaz no siempre es la más rentable.
Aunque los sistemas MVR pueden ofrecer excelentes coeficientes de rendimiento (COP), sus costes de inversión adicionales pueden contrarrestar parte del ahorro operativo. El análisis ha revelado que los mayores costes de equipamiento e instalación asociados a los sistemas MVR con compresor pueden tener un impacto negativo en el coste total de propiedad, especialmente en el caso de capacidades de producción de vapor más reducidas, habituales en la industria agroalimentaria.
Por lo tanto, las empresas que evalúan estrategias de descarbonización del vapor deben tener en cuenta no solo la eficiencia energética, sino también los requisitos de instalación, los costes de mantenimiento y la rentabilidad operativa a largo plazo. El enfoque del coste total de propiedad (TCO) adoptado en este estudio integra todos estos factores, lo que ofrece una base más realista para la elección tecnológica.
Los precios de la energía influirán en la adopción
La rentabilidad de las bombas de calor industriales también depende en gran medida de los mercados energéticos locales.
Los investigadores han analizado el impacto de la relación entre los precios de la electricidad y del gas, lo que se conoce comúnmente como «spark spread**». Los países en los que los precios de la electricidad son relativamente bajos en comparación con los del gas suelen ofrecer las mejores condiciones económicas para la implantación de las bombas de calor. Por el contrario, en las regiones donde la electricidad sigue siendo cara, los plazos de amortización de la inversión y las tasas de adopción pueden ser más lentos.
Esto significa que las subvenciones gubernamentales, los programas de apoyo a la electrificación y el desarrollo de las energías renovables seguirán desempeñando un papel importante a la hora de acelerar la adopción de las bombas de calor industriales en Europa.
La estandarización podría reducir aún más los costes
El informe también pone de relieve importantes oportunidades de reducción de costes gracias a la estandarización y a las economías de escala.
Los costes de inversión de las bombas de calor industriales se estiman actualmente entre 200 y 400 € por kilovatio, según la configuración y la tecnología. Los autores concluyen que una implantación a mayor escala, unos procesos de fabricación estandarizados y el uso de refrigerantes no inflamables, como el R-1233zd, podrían reducir aún más los costes. Según el estudio, una reducción de los costes de equipamiento hasta situarse en el extremo inferior del rango podría suponer una reducción adicional del 5 al 10 % del coste total de propiedad.
Estos avances reforzarían el interés económico de sustituir las calderas de gas existentes, al tiempo que harían que los innovadores sistemas de bombas de calor fueran accesibles para un mayor número de industrias agroalimentarias.
Una nueva fase de descarbonización industrial
La primera oleada de descarbonización industrial se centró en la sustitución de los sistemas de calefacción que funcionaban con energías fósiles. La siguiente fase se centrará en la producción de vapor, uno de los procesos que más energía consume y más emisiones genera en el sector de la industria agroalimentaria.
Las conclusiones del libro blanco de Solstice sugieren que las bombas de calor de alta temperatura se perfilan como una solución práctica y económicamente interesante para las aplicaciones de vapor a baja presión, ampliamente utilizadas en todo el sector agroalimentario. Al combinar reducciones sustanciales de las emisiones con unos costes de ciclo de vida más bajos, estos sistemas podrían permitir a los fabricantes avanzar hacia sus objetivos de desarrollo sostenible sin comprometer su competitividad.
Para las empresas del sector agroalimentario que persiguen estrategias de cero emisiones netas, la cuestión ya no es si el vapor puede descarbonizarse, sino a qué ritmo puede llevarse a cabo la transición a gran escala. Los datos actuales sugieren que las bombas de calor de alta temperatura podrían constituir una de las respuestas más prometedoras.
**MVR: recompresión mecánica de vapor (Mechanical Vapor Recompression)
** spark spread: diferencia entre el precio de venta de la electricidad y el coste del gas natural necesario para producirla
Las conclusiones presentadas en este artículo se basan en el libro blanco de Solstice Advanced Materials «Investigating Heat Pump and Blower MVR as Low Pressure Steam Generation Options», redactado por Wissam Rached, Amr Rizk y Kimura De Carvalho Bruno Yuji.
Crédito: @Solstice Advanced Materials
