Gestionando el CALOR RESIDUAL

El desarrollo de nuestra sociedad actual se basa fundamentalmente en la ENERGIA, siendo esta un componente esencial en prácticamente cualquier tipo de actividad que podamos realizar hoy en día, ya sea doméstica o industrial.

Hasta tal punto hemos llegado que la Energía es un factor que puede usarse como indicador del crecimiento económico de un país (a través de la demanda de energía final) o incluso como indicador del nivel de eficiencia, industrialización y tecnificación del mismo (a través de la intensidad energética), y actualmente es uno de los principales caballos de batalla de todos aquellos países industrializados que se denominan como "energéticamente dependientes" (aquellos que no disponen de la principal fuente primaria de energía usada actualmente: los combustibles fósiles).

Y sin embargo, a pesar de la importancia que este recurso tiene en nuestras vidas, continuamos siendo extraordinariamente ineficientes en su transformación, gestión y uso. Gran parte de este valioso recurso (hasta dos tercios de la energía) se pierde en forma de "CALOR RESIDUAL", y eso sin contar con las pérdidas que se producen por un uso o aprovechamiento ineficiente del tercio de energía que sí que "consumimos".

Así, nuestros sistemas de generación eléctrica son actualmente ineficientes, y esto se ha venido aceptando hasta hace bien poco como un mal menor que era inevitable. 

Así, una central térmica convencional genera energía solo por el proceso de combustión, y sus rendimientos no suelen pasar del 37%, por lo que el resto de la energía se vierte sin ningún aprovechamiento a la atmósfera en forma de vapor y gases de combustión calientes. Una central nuclear presenta un aprovechamiento energético más bajo incluso, no llegando a superar en la mayor parte de los casos el 30%, perdiéndose el resto en forma de vapor de agua.



Aprovechando el Calor Residual:

Parte de los avances que se han producido en los mercados energéticos e industriales, fundamentalmente en la última década, se basan precisamente en evitar estas enormes pérdidas en calor residual. ¿Cómo?:

Centrales de Ciclo Combinado de Aceca (Toledo)
Foto procedente de www.seccionmunicipiosciclocombinado.es
En los sistemas de generación eléctrica se empezaron a implantar las ya famosas y extendidas Centrales de Ciclo Combinado, muchas de ellas en sustitución de antiguas centrales de carbón. Estas nuevas centrales, además de la habitual turbina de gas que aprovecha la combustión para la generación de energía, como en una central convencional, incorporan una turbina de vapor que aprovecha el calor de los gases emitidos para generar energía. De esta forma los rendimientos ascienden al 56% en la generación de energía, aún lejos de la perfección en la transformación, pero mejor que los métodos convencionales.

La primera de estas Centrales de Ciclo Combinado se puso en marcha en España en 2002, y hoy en día contamos ya con cerca de 70 centrales de este tipo, la mayoría de ellas operadas con Gas Natural y con posibilidad de utilizar Gasoil como combustible alternativo). Entre todas ellas aportan al sistema eléctrico español más del 30% de la generación eléctrica bruta, con una potencia instalada de más de 27 GW, superando ya a sectores como el de la antigua energía nuclear.

En el caso de la industria, y gracias fundamentalmente al apoyo prestado por el estado mediante el concepto de generación en régimen especial que se instauró en 1994,  hace años que se están desarrollando nuevos sistemas de cogeneración, que no sólo generan energía eléctrica mediante el uso de motores o turbinas, sino que también usan el calor residual para su aprovechamiento procesos productivos o similares. 

Estos sistemas de cogeneración alcanzan rendimientos de hasta el 40% en la generación eléctrica, pero llegan a alcanzar rendimientos del 80%, dependiendo del uso y destino que se de a ese calor residual que, en caso contrario, se liberaría sin ser aprovechado. 

Pero, más allá de los sistemas vistos de aplicación a la generación eléctrica o a determinadas industrias, la actual crisis económica y la constante escalada de los precios de los combustibles, están llevando a que cada vez más empresas de todo tipo se planteen: 
¿Cuanto dinero tiro a la basura con el calor desperdiciado que se fuga a través de mi chimenea?¿Qué debo hacer?

 Primero Reducir:

Lo primero que debemos hacer siempre, antes de abrir la cartera para empezar a invertir en el reciclaje del calor residual, es plantearnos cómo se puede conseguir que los procesos sean más eficientes y evitar que se genere ese calor residual. 

Esto se consigue, en la mayoría de los casos, con medidas sencillas e inversiones pequeñas que permitan optimizar los procesos. Como las siguientes:
  • Optimizar la combustión, reduciendo el aire comburente que entra en nuestro proceso o caldera al mínimo imprescindible que garantiza una correcta combustión.
  • Mantener correctamente las conducciones y circuitos intercambiadores, evitando por ejemplo la presencia de incrustaciones.
  • Calorifugar equipos y conductos para evitar pérdidas en el transporte. 
Sin embargo, pronto nos daremos cuenta que los sistemas de que disponemos alcanzan un límite propio de su diseño que no se puede optimizar más, ¿Entonces qué?..

Luego Reciclar:

Es en este caso cuando debemos de pensar en reutilizar y reciclar el calor residual que se nos escapa antes de que ya no sea posible.

Las opciones para "reciclar" el calor residual son diversas, y se deben evaluar en cada caso concreto con sumo cuidado y atención, evitando así desperdiciar el dinero y el tiempo. Entre otras existen experiencias ampliamente desarrolladas en cuanto a:  

El rediseño del sistema productivo, para el aprovechamiento del flujo de aire caliente de determinados procesos en otras etapas que requieran también del correspondiente aporte de energía, como por ejemplo el aprovechamiento del aire de un horno para su uso en el precalentamiento del propio material de entrada o en procesos adicionales como podría ser un secadero. Evitando así el uso de combustible adicional para el calentamiento de aire. 

La utilización de  distintas tecnologías para el aprovechamiento del calor residual que va en los gases que se emiten por la chimenea, mediante el uso de, entre otros:
    Foto de un Economizador en foco de emisión
    Gentiliza de www.lopezhnos.es
  • Economizadores en calderas, para el calentamiento adicional de agua de entrada a la caldera mediante los gases de escape.
  • Calentadores o recuperadores de aire/aire, que aprovechan el calor de los gases de escape para calentar el aire de entrada al proceso de combustión, con el consiguiente ahorro de combustible.
  • Regeneradores, de diversos tipos, que lo que hacen es acumular el calor de los gases de escape para, alternativamente, cederlo con posterioridad a los gases de entrada que pasan por la misma superficie.
  • Condensadores, utilizados para recuperar no sólo la energía, sino también el agua que contienen aquellas emisiones con un alto grado de humedad.
Existen ya incluso tecnologías para la recuperación del calor residual generado en los sistemas de compresión de aire, que cada vez se implantan con mayor profusión en la industria, o bombas de calor que permiten la recuperación del calor residual existente en ciertos flujos de vertido, como los procedentes de la refrigeración.

 
Las nuevas tecnologías aplicadas al calor residual:

La utilización de materiales termoeléctricos semiconductores que convierten el calor en electricidad es una interesante vertiente en la recuperación del calor residual que se lleva estudiando desde hace ya bastante tiempo. 

El principio es sencillo, cuando se aplica un diferencial de temperatura en un dispositivo semiconductor se produce una corriente  (conocido como efecto Seebeck), y por el contrario si se aplica un voltaje se crea un diferencial de temperatura (conocido como efecto Peltier).

Uno de los sectores que más ha investigado en este plano es el de la automoción, buscando recuperar la energía que se pierde con los gases de escape para la generación de electricidad que podría aprovecharse en el alternador, aunque también se han hecho estudios en sectores como el de la fabricación de componentes para ordenadores, donde la refrigeración y el aprovechamiento energético del calor residual podrían ser muy interesantes.

Sistema RTG del Curiosity, Diciembre 2012
Foto JPL/NASA/MSSS
Procedente del Blog Eureka: danielmarin.blogspot.com.es
Sin embargo, hasta el momento la aplicación real de este tipo de semiconductores ha quedado reducida a grandes proyectos espaciales como los sistemas RTG de generación de energía de los vehículos y sondas espaciales de la NASA.

El motivo es simple, el rendimiento obtenido por estos sistemas es muy bajo, sobretodo si se tiene en cuenta los costes de su diseño y fabricación, lo que no los hace rentables en su aplicación práctica.

¿Por qué un rendimiento tan bajo?

En el efecto termoeléctrico que hemos comentado con anterioridad para la generación de energía eléctrica (efecto Seebeck) es de vital importancia que los materiales tengan el máximo de "factor de mérito" (expresado habitualmente como ZT).

El factor de mérito depende del coeficiente seebeck del material y, sobretodo, de que el material sea un espléndido conductor de la electricidad, y sin embargo, un pésimo conductor de la temperatura, algo que es muy difícil de conseguir. Los mejores materiales utilizados hasta el momento tenían factores de mérito cercanos a 1, con lo que los rendimientos de conversión eran pobres, entre el 5% y el 7%.

Sin embargo hace años que los científicos están trabajando para solventar estos problemas de rendimiento, centrándose la investigaciones en conseguir semiconductores con mayores coeficientes de seebeck y, sobretodo, menores conductividades térmicas.

Desde 2008 se han logrado grandes avances en este campo, en este año se consiguió incrementar el factor de mérito de nanocables de silicona mediante su manipulación a escala nanométrica, y desde entonces la nanoestructuración de los materiales parece que podría traer la solución a este problema.
Hasta el momento los avances se han presentado mayoritariamente por los investigadores que trabajan en los centros del EFRC de Estados Unidos (Energy Frontier Research Centers), los cuales están logrando producir materiales nanoestructurados que básicamente impiden la conducción de los fonones (que es como se llama a las cuasi-partículas que representan el movimiento vibratorio cuántico de los átomos), introduciendo irregularidades en el material semiconductor.

A finales de 2.012 los investigadores del Centro de Materiales Revolucionarios para la conversión Energética en Estado Sólido, de la Universidad de Michigan (uno de los centros del EFRC) publicaron ya un artículo donde se anunciaba la ruptura de la barrera del 2, en cuanto al factor de mérito alcanzado en semiconductores termoeléctricos nanoestructurados.
El semiconductor diseñado por Kanatzidis, basado en el material termoeléctrico más eficiente que se conoce hasta el momento, el teleruro de plomo (PbTe), dopado con sodio y nanocristales de teleruro de estroncio(SrTe), y sometido a un proceso posterior de sinterización por plasma, ha alcanzado un factor de mérito de 2.2 a una temperatura de 642ºC, lo que le permite alcanzar rendimientos superiores al 15% en la conversión, lo que está en la línea de las actuales soluciones comerciales.

Los investigadores, sin embargo, no ven el límite aquí, y consideran que lo conseguido hasta ahora solo es la puerta de entrada para alcanzar factores de 2.5 o incluso de 3 en los próximos años, y conseguir así materiales viables desde el punto de vista comercial.

Comentarios

  1. Como siempre, curioso que sean Euskadi y Japón los que se reunan para hablar de estos temas.... pioneros en recuperación de calor residual.
    https://www.eseficiencia.es/noticias/oportunidades-de-negocio-del-calor-residual-de-procesos-industriales?utm_medium=Newsletter&utm_source=12847

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