Calor industrial de proceso: donde viven las emisiones difíciles
Descarbonizar la electricidad es conceptualmente sencillo incluso donde resulta prácticamente difícil, porque los electrones son intercambiables sea cual sea su origen. El calor industrial no es así. Un proceso que necesita 80 grados y otro que necesita 1.450 no tienen casi nada en común, y para el segundo no hay hoy respuesta eléctrica desplegada a escala.
Ordenado por temperatura
El calor industrial se divide en tres bandas, y casi todo el problema de descarbonización se deriva de en cuál se sitúa un proceso.
Por debajo de unos 100 grados están el procesado de alimentos, el secado de papel, los textiles, los lavados y la calefacción de naves. Es cerca de un tercio de la demanda de calor industrial y es el tercio fácil: las bombas de calor industriales lo entregan con un coeficiente de rendimiento de 3 o más, así que electrificarlo consume un tercio de la energía de quemar gas. Los equipos comerciales alcanzan ya 150 grados, lo que amplía esa banda fácil más de lo que solía llegar.
Entre 100 y 400 grados están el procesado químico, el secado y buena parte de la fabricación ligera. La resistencia eléctrica funciona y es cara de operar. Los colectores solares de concentración cubren este rango directamente y son la aplicación de más rápido crecimiento de esa tecnología. El vapor generado eléctricamente o con biomasa cubre buena parte del resto.
Por encima de 400 grados las opciones se adelgazan, y por encima de 1.000 escasean. Los hornos de cemento funcionan a 1.450, los de vidrio a 1.500 y los altos hornos a 2.000. Los hornos de arco eléctrico alcanzan esas temperaturas y son estándar para el acero reciclado, pero en los procesos primarios a partir de mineral el obstáculo suele ser la química y no la temperatura.
Por qué el cemento es el caso más difícil
La producción de cemento emite cerca del 8 por ciento del dióxido de carbono mundial, y es el caso donde cambiar de combustible consigue menos. La razón es que la mayor parte de la emisión no es combustión.
Fabricar clínker exige calentar caliza a unos 1.450 grados, donde el carbonato cálcico se descompone en óxido de calcio y dióxido de carbono. Ese dióxido de carbono estaba químicamente ligado en la roca y lo libera la propia reacción. Supone cerca del 60 por ciento de las emisiones del cemento, y se liberaría igualmente si el horno se calentara con luz solar, electricidad o vapor nuclear.
Eso es lo que significa la expresión emisiones de proceso, y por eso la captura de carbono tiene en el cemento un argumento más sólido que casi en ningún otro sitio. No hay ruta alternativa que evite la química, así que la elección está entre capturar el producto o cambiar el material.
Cambiar el material es la otra línea de trabajo. La sustitución de clínker reemplaza parte del cemento por cenizas volantes, escoria o arcilla calcinada, reduciendo las emisiones proporcionalmente, y ya está extendida donde esos materiales existen. Hay aglomerantes nuevos con silicatos cálcicos que absorben dióxido de carbono al fraguar, a escala piloto. Ambos reducen en lugar de eliminar, y por eso la mayoría de las rutas creíbles del cemento terminan con captura acoplada a un horno.
Acero y química
El acero supone cerca del 7 por ciento del dióxido de carbono mundial, y el problema es también químico, aunque de otra química. El mineral de hierro es óxido de hierro, y fabricar hierro significa retirar el oxígeno. La ruta convencional usa coque, así que el oxígeno sale como dióxido de carbono: el carbono es un reactivo y no un mero combustible.
El hidrógeno puede hacer la misma reducción y produce agua en su lugar. Hay plantas de reducción directa con hidrógeno a escala de demostración en Suecia y en construcción en Alemania, y la tecnología funciona. Lo que necesita son cantidades enormes de hidrógeno limpio barato, lo que devuelve el problema a la capacidad de electrólisis y al precio de la electricidad.
Los hornos de arco eléctrico que funden chatarra producen ya una gran parte del acero en algunos países y emiten mucho menos, pero dependen de la chatarra disponible. Una economía en crecimiento necesita más acero del que su flujo de chatarra puede aportar, así que la producción primaria a partir de mineral sigue siendo necesaria.
La química es más heterogénea. El amoniaco necesita hidrógeno como materia prima y se descarboniza por tanto limpiando la producción de hidrógeno. Los productos químicos de alto valor del craqueo con vapor necesitan a la vez calor extremo y moléculas hidrocarbonadas, y se están demostrando craqueadores electrificados. La dificultad del sector es que el carbono acaba con frecuencia en el producto y no en la atmósfera, lo que hace su contabilidad distinta de todo lo de la generación eléctrica.
La oportunidad que se pasa por alto
Antes de todo esto está el calor residual. Una parte sustancial del calor generado en la industria se cede a la atmósfera a temperaturas que siguen siendo útiles: gases de combustión a 200-400 grados, agua de refrigeración a 60-90.
Las tecnologías de recuperación son maduras y poco vistosas. Los economizadores precalientan el agua de alimentación con gases de combustión. Los recuperadores devuelven calor de escape al aire de combustión entrante. Los ciclos Rankine orgánicos generan electricidad a partir de calor demasiado pobre para una turbina de vapor. Las bombas de calor pueden elevar el calor residual a una temperatura útil en lugar de desecharlo. Nada de esto es nuevo; la barrera es que cada instalación es a medida y no es tarea de nadie.
Las redes de calor son la salida infrautilizada. Una planta que cede 50 megavatios de calor a 80 grados junto a una ciudad que necesita calefacción es una pareja evidente, y Dinamarca y Suecia llevan décadas construyendo redes exactamente sobre esa base. Requiere infraestructura y acuerdos a largo plazo entre partes que por lo demás no hacen negocios, lo que es un problema institucional y no técnico.
El argumento general es que el calor industrial encierra el mayor potencial sin explotar de eficiencia, precisamente por ser difuso, técnico e invisible. Una cementera es un hito; la reforma de un intercambiador de calor es una línea en un presupuesto de mantenimiento. La segunda ahorra más energía de la que probablemente ahorre la primera, y no atrae atención alguna.
Preguntas frecuentes
¿Cuánta energía consume el calor industrial?
Cerca de dos tercios de toda la demanda energética industrial es calor y no electricidad ni trabajo mecánico, y producirlo supone alrededor de una cuarta parte de las emisiones mundiales de dióxido de carbono de origen energético. Recibe una pequeña fracción de la atención política dedicada a la generación eléctrica.
¿Por qué importa tanto la temperatura?
Porque determina qué soluciones existen. Por debajo de 100 grados las bombas de calor industriales entregan calor con el triple de eficiencia que quemar gas. Hasta 400 funcionan las opciones eléctricas y solares de concentración. Por encima de 1.000 las alternativas se estrechan, y en algunos procesos el obstáculo es la química y no el calor.
¿Por qué el cemento no puede pasarse a energía limpia?
Porque cerca del 60 por ciento de sus emisiones procede de la propia caliza. Calentar carbonato cálcico a 1.450 grados lo descompone en óxido de calcio y dióxido de carbono, y ese dióxido lo libera la reacción con independencia de cómo se caliente el horno. Solo la captura o un aglomerante distinto lo abordan.
¿Puede fabricarse acero sin carbón?
Sí, usando hidrógeno para retirar el oxígeno del mineral de hierro en lugar de coque, lo que produce agua en vez de dióxido de carbono. Hay plantas de reducción directa con hidrógeno a escala de demostración en Suecia y en construcción en Alemania. La restricción es la cantidad de hidrógeno limpio barato que se requiere.
¿Qué es lo más rápido que puede hacerse?
Recuperar calor residual. Una gran parte del calor industrial se desecha a temperaturas todavía útiles para otra cosa, y las tecnologías de recuperación -economizadores, recuperadores, ciclos Rankine orgánicos, bombas de calor- son maduras. La barrera es que cada instalación es a medida y no es responsabilidad específica de nadie.
