Oportunidades para la recuperación de energía residual en la industria (1ª PARTE)

El sector industrial consume en torno a un tercio de la energía producida en los países desarrollados, y los esfuerzos actuales están enfocados en la reducción de la energía consumida por los equipos usados en fabricación (ej. calderas, hornos, secadores, reactores, separadores, motores y bombas) o cambiando los procesos o técnicas para fabricar los productos. Una aproximación alternativa valiosa para mejorar la eficiencia energética total es capturar y reutilizar el calor perdido o residual que es intrínseco a la fabricación industrial. Durante estos procesos de fabricación, tanto como del 20 al 50 % de la energía consumida es en último término perdida vía calor residual contenido en los gases y líquidos residuales, además de a través de la conducción de calor, convección, y radiación de las superficies de equipos calientes y de los productos calentados. En algunos casos, tales como hornos industriales, las mejoras de eficiencia resultantes de la recuperación de calor residual puede mejorar la eficiencia energética en tanto como un 10 o un 50 %.

El calor residual capturado y reutilizado es un sustituto libre de emisiones de combustibles o electricidad. Numerosas tecnologías están disponibles para transferir calor residual a un uso final productivo. En esta nueva serie de artículos dedicada a la recuperación de calor residual industrial investigamos prácticas, oportunidades y barreras en orden de identificar las tecnologías que permiten la recuperación de las pérdidas de calor residual industrial.

Tres componentes esenciales son requeridos para la recuperación de calor residual:

1)     Fuente accesible de calor residual.

2)     Tecnología de recuperación.

3)     Uso para la energía recuperada.

¿Qué es la recuperación de calor residual?

Las pérdidas de calor de los residuos proceden de ineficiencias de los equipos y de las limitaciones termodinámicas en equipos y procesos. Por ejemplo, consideremos la reverberación de los hornos frecuentemente usados en operaciones de fusión de aluminio. Los gases de salida inmediatamente dejando el horno pueden tener temperaturas tan altas como 1200 – 1300 ºC. Consecuentemente, estos gases tienen alto contenido térmico, arrastrando tanto como un 60 % de la energía de entrada en el horno.

Se vienen haciendo esfuerzos para diseñar hornos con reverberación más eficiente con mejor transferencia de calor y temperatura de salida más bajas; sin embargo, las leyes de la termodinámica ponen un límite inferior en la temperatura de los gases de escape. Ya que el intercambio térmico implica transferencia de energía de una fuente de alta temperatura a un sumidero a temperatura inferior, la temperatura de los gases de la combustión siempre debe exceder la temperatura del aluminio fundido en orden de facilitar la fusión del aluminio. La temperatura del gas en el horno nunca disminuirá por debajo de la temperatura del aluminio fundido, ya que esto violaría el segundo principio de la termodinámica. Por lo tanto, la mínima temperatura posible de los gases de la combustión inmediatamente saliendo de un horno de reverberación de aluminio corresponde a la temperatura del aluminio fundido para facilitar la fusión del aluminio.  La temperatura mínima posible de los gases de combustión inmediatamente saliendo de un horno de reverberación de aluminio corresponde a la temperatura del punto de vertido del aluminio (650-750 ªC). En este escenario, al menos un 40 % de la entrada de energía al horno es ahora perdido como calor residual.

La recuperación de residuos industriales puede alcanzarse por numerosos métodos. El calor puede ser reutilizado dentro del mismo proceso o transferido a otro proceso. Las formas de usar gases de escape de la combustión para precalentar el aire de la combustión o el agua de alimentación de las calderas industriales. Calentando el agua de alimentación antes de entrar en la caldera, la cantidad de energía requerida para calentar el agua a su temperatura final se reduce. Alternativamente, el calor se transfiere a otro proceso; por ejemplo, un intercambiador de calor puede usarse para transferir el calor de los gases de escape de la combustión al aire caliente para un aire de secado. De esta manera, el calor recuperado puede reemplazar la energía fósil que de otra forma requiere el horno. Fuentes típicas de calor, son las siguientes:

Fuentes de calor residual	Uso del calor residual
Escapes de combustión	Precalentamiento de aire de la combustión.
Horno de fundición de vidrio.	Precalentamiento del agua de alimentación de la caldera.
Hornos de cemento.	Precalentamiento de la carga.
Incinerador de humos.	Generación de energía.
Caldera del horno de reverberación de aluminio.	Generación de vapor para uso en generación de energía eléctrica, energía mecánica y vapor de proceso.
Gases residuales del proceso	Generación de calor.
Horno de arco eléctrico de acero.	Precalentamiento de agua.
Horno de reverberación de aluminio.	Transferencia a chorros de proceso a líquido o gaseoso
Agua de refrigeración de:
Hornos.
Compresores de aire.
Motores de combustión interna.
Pérdidas conductivas, convectivas y radiativas.
Células Hall-Heroult.
Pérdidas conductivas, convectivas y radiativas en productos calentados.
Coques calientes.
Escorias de altos hornos.

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