{"id":135219,"date":"2022-07-06T08:11:50","date_gmt":"2022-07-06T07:11:50","guid":{"rendered":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=135219"},"modified":"2022-07-06T08:12:30","modified_gmt":"2022-07-06T07:12:30","slug":"descarbonizacion-de-la-industria-pesada","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2022\/07\/06\/135219","title":{"rendered":"Descarbonizaci\u00f3n de la industria pesada"},"content":{"rendered":"

Autores: Jes\u00fas G\u00f3mez-Hern\u00e1ndez, Sebasti\u00e1n Taramona, Javier Villa Briongos, Domingo Santana<\/strong><\/p>\n

En 2021, el calor del proceso en la industria represent\u00f3 aproximadamente el 25 % del consumo mundial de energ\u00eda [1]. La mayor parte de este calor provino de combustibles f\u00f3siles: en la UE, por ejemplo, el gas, el petr\u00f3leo y el carb\u00f3n proporcionan el 42 %, el 12 % y el 8 % del calor, respectivamente. Actualmente, solo el 13 % del calor de proceso en la UE proviene de fuentes renovables, y el 11 % de \u00e9ste lo proporciona la biomasa. La electricidad proporciona el 12 % del calor de proceso de la UE; parte de este puede ser renovable, dependiendo de la combinaci\u00f3n local de generaci\u00f3n de energ\u00eda. Debido a que una fracci\u00f3n tan baja del calor de proceso global es proporcionada por fuentes de energ\u00eda renovables, las emisiones de carbono son muy altas, estimadas en 7,5 Gt a nivel mundial en 2016, aproximadamente una quinta parte de todas las emisiones globales de CO2<\/sub> [2].<\/p>\n

Desde la Universidad Carlos III de Madrid se est\u00e1 trabajando en el suministro de calor de proceso a temperaturas en el rango de 150 \u2013 300 \u00b0C para la industria asf\u00e1ltica y minera. A continuaci\u00f3n, se resumen los proyectos asociados a esta l\u00ednea. En concreto, los principales hitos conseguidos en el proyecto INTECSOLARIS, finalizado en marzo 2022, y los objetivos propuestos en proyecto SHHIP-CO2, que comenzar\u00e1 en septiembre 2022.<\/p>\n

Integraci\u00f3n de nuevas tecnolog\u00edas solares en procesos industriales (INTECSOLARIS)<\/strong><\/p>\n

Este proyecto ha sido financiado por la Comunidad de Madrid. El principal objetivo del proyecto INTECSOLARIS ha sido desarrollar una tecnolog\u00eda termosolar de concentraci\u00f3n t\u00e9cnica y econ\u00f3micamente viable que minimice consumos de agua de limpieza del campo solar, para integrarla con procesos t\u00e9rmicos industriales a alta temperatura (T > 150 \u00b0C) de materiales pesados y dif\u00edciles de transportar. Esta tecnolog\u00eda incluye un nuevo sistema de medici\u00f3n del grado de ensuciamiento de los heliostatos y un nuevo concepto de tecnolog\u00eda termosolar (LBD) para maximizar la futura integraci\u00f3n del desarrollo en la industria, minimizando la dependencia en combustibles f\u00f3siles y las emisiones de efecto invernadero.<\/p>\n

El campo solar representa un 40-50% de los costes de inversi\u00f3n de una planta termosolar. Su correcto funcionamiento depende de la reflectividad de los heliostatos. El IP J. G\u00f3mez posee los conocimientos necesarios para determinar el efecto del ensuciamiento sobre el rendimiento global de la planta termosolar y el consecuente aumento de costes. Sin embargo, ITF no es capaz de desarrollar una estrategia \u00f3ptima de mantenimiento del campo solar que sea t\u00e9cnicamente viable. Hasta ahora, los heliostatos se limpian sin medidas del grado de ensuciamiento, traduci\u00e9ndose en un alto impacto medioambiental por el consumo de agua. Es decir, altos costes econ\u00f3micos ya que la tecnolog\u00eda termosolar se suele situar en lugares \u00e1ridos y secos. Los conocimientos del IP P. Contreras son fundamentales para dise\u00f1ar una instrumentaci\u00f3n electr\u00f3nica robusta, de bajo peso y a distancia capaz de determinar el grado de ensuciamiento de los heliostatos. As\u00ed, las mediciones de esta tecnolog\u00eda electr\u00f3nica permitir\u00edan optimizar las estrategias de operaci\u00f3n y apuntamiento del campo de heliostatos con el fin de minimizar.<\/p>\n

Adem\u00e1s, se afronta el reto de sustituir la tecnolog\u00eda actual de horno rotatorio por un nuevo dise\u00f1o de receptor solar para integrar esta tecnolog\u00eda renovable en el procesado t\u00e9rmico de agregados en plantas asf\u00e1lticas HMA. Para minimizar los costes (es decir, el \u00e1rea de heliostatos), es necesario reducir la longitud del receptor. Esto es s\u00f3lo posible teniendo medidas fiables de la temperatura de los agregados de HMA. Sin embargo, los variables y desconocidos valores de emisividad de los agregados de HMA impiden el empleo de las actuales c\u00e1maras termogr\u00e1ficas para medir su temperatura. La utilizaci\u00f3n de un termopar no es viable ya que los agregados est\u00e1n en movimiento. Por ello, se debe medir de forma no intrusiva la temperatura de los productos tratados t\u00e9rmicamente para determinar su \u00f3ptimo funcionamiento. Esto s\u00f3lo es posible mediante el desarrollo de sensores de fibra \u00f3ptica para dise\u00f1ar el receptor solar en funci\u00f3n de las necesidades t\u00e9rmicas de los agregados de HMA.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1. Resumen gr\u00e1fico de INTECSOLARIS<\/strong>. Planta termosolar tipo Fresnel de Dhursar (Desierto del Thar, India) de 125MWe<\/sub> de potencia el\u00e9ctrica, 2.190.640 m2<\/sup> de \u00e1rea de apertura, coste total de 342 Millones de $US y un coste estimado del campo solar del 40% del total. La limpieza del campo solar se realiza sin mediciones de la reflectividad.<\/span><\/em><\/p>\n

Integraci\u00f3n de la energ\u00eda solar en la industria pesada para mitigar las emisiones de CO2<\/sub> (SHHIP-CO2<\/sub>)<\/strong><\/p>\n

Este proyecto est\u00e1 financiado por la convocatoria \u00abProyectos de Generaci\u00f3n de Conocimiento\u00bb del Programa Estatal para Impulsar la Investigaci\u00f3n Cient\u00edfico-T\u00e9cnica y su Transferencia del Plan Estatal de Investigaci\u00f3n Cient\u00edfica, T\u00e9cnica y de Innovaci\u00f3n 2021-2023.<\/p>\n

El objetivo de este proyecto es estudiar nuevos receptores solares para mejorar la penetraci\u00f3n de la energ\u00eda solar en aplicaciones de la industria pesada. Este proyecto desarrollar\u00e1 receptores solares para el secado y calentamiento de las part\u00edculas empleadas en la producci\u00f3n de asfalto y en el procesamiento de yeso de fuentes naturales. Los procesos considerados en ambas industrias requieren alta energ\u00eda a altas temperaturas (T > 150 \u00b0C) para secar y calentar las part\u00edculas, las cuales actualmente son procesadas t\u00e9rmicamente en hornos rotatorios a gas. Esto se debe al contenido inicial de agua tanto de las part\u00edculas de asfalto como de yeso (5 – 8 %, respectivamente), que pueden distribuirse en la superficie de las part\u00edculas o en su interior, dificultando su secado. La carga ambiental de ambas industrias est\u00e1 marcada por el bajo contenido de humedad a la salida (0 %), los altos caudales m\u00e1sicos y las altas temperaturas necesarias. En este sentido, la industria del asfalto consume 85 kWh\/ton y emite 18 kg CO2<\/sub>\/ton de asfalto producido, en los que el 97 % de la energ\u00eda total se consume en el secado y calentamiento de las part\u00edculas de asfalto. El horno rotatorio utilizado en la industria del yeso para secado y calentamiento consume 375 kWh\/ton y emite 44 kg CO2<\/sub>\/ton. Como se puede apreciar, el impacto de la integraci\u00f3n solar para reducir la huella de carbono y la dependencia de combustibles f\u00f3siles en ambas industrias pesadas es alto.<\/p>\n

Espa\u00f1a, como s\u00e9ptimo productor de yeso del mundo (segundo de Europa), produjo 7.000 millones de toneladas de yeso en 2019, mostrando una producci\u00f3n media de 11 t\/h por planta. Adem\u00e1s, Espa\u00f1a produjo en 2019 18,8 millones de toneladas de mezcla asf\u00e1ltica en caliente, mostrando una producci\u00f3n media de 65-75 ton\/h por planta. Los precios bajos en ambas industrias dependen principalmente de los precios del gas y, en el futuro, tambi\u00e9n pueden depender del costo de las emisiones de CO2<\/sub>. Por lo tanto, se necesitan nuevos procesos renovables para garantizar bajos costos para estos productos b\u00e1sicos.<\/p>\n

Los receptores solares a desarrollar transportar\u00e1n los materiales pesados \u200b\u200bdurante su procesamiento t\u00e9rmico a altas temperaturas. Estos receptores, basados \u200b\u200ben tecnolog\u00edas de cinta transportadora y lecho vibratorio, se combinar\u00e1n con una nueva tecnolog\u00eda solar concentrada, el campo solar Linear Fresnel de haz descendente lineal (BDLFR), que ha sido patentado por ambos investigadores principales (PI). El campo solar BDLFR ha sido desarrollado para el procesamiento de materiales pesados \u200b\u200ba temperaturas de T = 150 \u2013 300 \u00b0C mediante la irradiaci\u00f3n lineal y directa de energ\u00eda solar concentrada. Para ello, el campo solar BDLFR consta de dos etapas de reflexi\u00f3n. Primero, los reflectores lineales de Fresnel dirigen la radiaci\u00f3n solar a una segunda etapa de espejos planos. Aprovechando la \u00f3ptica beam-down, estos espejos secundarios se instalan elevados del suelo, redirigiendo hacia abajo la energ\u00eda solar concentrada hacia un receptor pesado y lineal situado en el suelo. Esta disposici\u00f3n facilita el tratamiento t\u00e9rmico de materiales pesados, como part\u00edculas, cuando se necesitan concentraciones solares de 14 \u2013 31 kW\/m2<\/sup> en el receptor.\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 2. Principales par\u00e1metros del campo solar BDLFR, en este ejemplo, la concentraci\u00f3n solar es C<\/em> = 17 y la eficiencia \u00f3ptica es \u03b7SF<\/sub> = 56 % [3].<\/span><\/em><\/p>\n

Para integrar ambas industrias pesadas, el proyecto generar\u00e1 un conocimiento profundo de los mecanismos de transferencia de calor y masa durante el secado y calentamiento de un lecho de part\u00edculas sometido a un flujo de calor solar en su superficie. Se desarrollar\u00e1n modelos anal\u00edticos para la optimizaci\u00f3n de receptores solares tanto de cinta transportadora como de lecho vibratorio. Se propondr\u00e1n sistemas de recuperaci\u00f3n de calor para ambas industrias. Finalmente, se realizar\u00e1 un an\u00e1lisis de ciclo de vida comparando las tecnolog\u00edas verdes innovadoras propuestas con las tecnolog\u00edas convencionales actualmente aplicadas en la industria.<\/p>\n

El equipo de este proyecto de 3 a\u00f1os est\u00e1 formado por 4 Profs. Titulares, 1 Prof. Ayudante Doctor y 2 Profs. Visitantes y 1 estudiante de doctorado (Becario FPU) del Departamento de T\u00e9rmica y Fluidos de la Universidad Carlos III. Todos los investigadores forman parte del grupo de investigaci\u00f3n del ISE, que cuenta con 26 investigadores con experiencia acreditada en tecnolog\u00eda solar y transferencia de calor y masa.<\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[1] IEA. Heating. 2022.<\/p>\n

[2] Thiel GP, Stark AK. To decarbonize industry, we must decarbonize heat. Joule 2021;5:531\u201350. https:\/\/doi.org\/10.1016\/J.JOULE.2020.12.007<\/a>.<\/p>\n

[3] Taramona, S., Gonz\u00e1lez-G\u00f3mez, P. A., Briongos, J. V., & G\u00f3mez-Hern\u00e1ndez, J. (2022). Designing a flat beam-down linear Fresnel reflector. Renewable Energy, Vol. 187, 484-499.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Domingo J. Santana, Investigador Responsable del grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM dsantana@ing.uc3m.es<\/a>
\nCoordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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