Planta de biomasa en Ponferrada, León La mayor parte del calor de proceso industrial actualmente es proporcionado por energía fósil, espec...
La mayor parte del calor de proceso industrial actualmente es proporcionado por energía fósil, especialmente para temperaturas superiores a 500°C donde los combustibles fósiles dominan por completo. A medida que crecen las economías y la demanda, se convierte cada vez más en una barrera potencial para lograr emisiones netas cero para 2050.
En los últimos años, ha surgido una amplia gama de estudios sobre las diferentes opciones, ya sea que estén disponibles o en desarrollo, que podrían permitir cambios hacia procesos de calor industrial libres de combustibles fósiles. Entonces, al observar el papel que podría desempeñar la biomasa, la discusión debe establecerse en contexto reconociendo y revisando el panorama general que revela todas las alternativas.
Calor de proceso basado en biomasa en sectores industriales
Como es el caso del calor de proceso a base de electricidad, el calor de proceso a base de biomasa puede presentarse de muchas formas. No solo existe una gran heterogeneidad en lo que respecta a las diferentes formas de materia prima de biomasa, sino que, según el preprocesamiento, la biomasa se puede convertir en varios combustibles diferentes que pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Estos pueden variar sustancialmente en densidad de energía, propiedades de combustión y características logísticas. Por ejemplo, las astillas de madera pueden quemarse directamente o después de haber pasado por la torrefacción. Alternativamente, las astillas de madera quizás podrían haberse gasificado para producir hidrógeno, procesarse aún más en biometano o usarse para producir aceite de pirólisis (Friedmann et al. 2019; Rehfeldt et al. 2020).
Esto significa que las opciones basadas en biomasa pueden, en principio, satisfacer las necesidades de calor del proceso de la mayoría de los casos de uso industrial (Malico et al. 2019), pero la naturaleza específica del proceso y la industria en cuestión determinarán qué tipo de proceso basado en biomasa es. aplicable. Por ejemplo, los sectores del vidrio y la cerámica requieren temperaturas superiores a los 500 °C y un combustible gaseoso para tener una combustión limpia, lo que significa que para este caso particular, las astillas de madera en bruto no serían factibles, pero el biometano producido a partir de las mismas astillas de madera es un opción prometedora al menos desde una perspectiva tecnológica (Lenz et al. 2020).
Además de la amplia gama de aplicaciones de proceso en las que la biomasa puede ser útil, una ventaja adicional en comparación con otras formas de calor de proceso renovable incluye la posibilidad de almacenar combustibles durante largos períodos de tiempo, aunque cabe mencionar que el almacenamiento puede ser bastante exigente en cuanto a espacio dependiendo del combustible. Otra ventaja de la biomasa es que cuando se combina con CCS a bio-CCS o BECCS, permite la generación de eliminación de dióxido de carbono (CDR) de la atmósfera, también denominadas emisiones negativas (Olsson et al. 2020).
Sin embargo, a pesar de su uso potencialmente amplio en diferentes sectores y temperaturas, la biomasa se usa predominantemente actualmente para el suministro de calor de proceso a temperaturas alrededor o por debajo de los 200 °C . Los mayores volúmenes se concentran en unos pocos sectores selectos, especialmente las industrias forestales en forma de aserraderos y plantas de celulosa y papel. Como puede verse en la Figura 1, casi el 90 % de la biomasa utilizada para el calor de procesos industriales en la UE-28 en 2017 se consumió en industrias forestales.
La razón por la cual el uso de biomasa para el calor de proceso es tan frecuente en los sectores de la industria forestal es que grandes cantidades de biomasa están disponibles en el sitio como parte de los propios procesos industriales clave. La corteza y el aserrín se producen en grandes cantidades como residuos en los aserraderos y se pueden quemar para producir el calor que se usa para secar la madera. De manera similar, en las plantas de pulpa y papel, los residuos en forma de corteza y licores de desecho (en las plantas Kraft) se queman para producir vapor de proceso y generar electricidad (ARENA 2019; Malico et al. 2019; Philibert 2017).
Mediante el uso de residuos de procesos de biomasa, a menudo se puede evitar el uso de combustibles fósiles . Si no se utilizaran los residuos disponibles en estos sectores, surgiría un problema adicional de eliminación de residuos.
Figura 1; Uso de biomasa para calor de procesos industriales en diferentes sectores en la EU-28 en 2017. Cifra de Malico et al (2019).
El sector de “minerales no metálicos” al que se hace referencia en la Figura 4 está compuesto predominantemente por el sector del cemento, que durante décadas ha utilizado diferentes formas de materiales de desecho sólidos, una parte de los cuales son de origen biogénico, para reemplazar los combustibles fósiles en forma de, por ejemplo, carbón y coque de petróleo (Lenz et al. 2020).
El uso de la biomasa en la producción de cemento es un ejemplo práctico de una excepción al patrón dominante de que la biomasa se usa para temperaturas relativamente bajas y en sectores de la industria forestal. Algunos argumentan que aquí hay una oportunidad perdida, ya que en lugar de usarse para producir calor a temperaturas donde las opciones basadas en electricidad, como las bombas de calor, podrían funcionar, la biomasa debería usarse para fines donde otras opciones son escasas (Lenz et al. 2020; Material Economics 2021).
Dejando de lado si/cómo se debe apoyar esta ambición, una pregunta clave que queda es si y cómo se puede utilizar el calor de proceso de biomasa en otros sectores. Un desafío es que es difícil hacer declaraciones generales ya que los precios de la biomasa pueden variar ampliamente entre diferentes ubicaciones. Material Economics (2021) señala que en lugares donde la biomasa puede estar disponible a un costo de 2-4 €/GJ, puede ser bastante competitivo. Sin embargo, los costes reales para volúmenes más grandes a menudo pueden ser más del orden de 6-8 €/GJ, lo que constituye una barrera bastante importante para la competitividad. Además, Malico et al (2019) identifican los altos costos de inversión, la disponibilidad de materias primas y la seguridad del suministro como obstáculos clave para la absorción de calor de proceso basado en biomasa en sectores industriales no forestales.
Captura y secuestro de carbono
Como se mencionó, el papel de la biomasa debe considerarse junto con todas las tecnologías de mitigación de emisiones disponibles. Una de las formas aparentemente más sencillas de permitir reducciones profundas de las emisiones es mantener los procesos industriales y los combustibles existentes, pero capturar las emisiones de CO2 y secuestrarlas en formaciones geológicas.
La captura y la inyección de CO2 en formaciones geológicas no son fenómenos nuevos como tales, ya que se han implementado comercialmente durante décadas, por ejemplo, en el sector del petróleo y el gas, pero las particularidades del despliegue varían sustancialmente de un sector a otro. Esto se refiere tanto a los aspectos tecnológicos de la captura, el transporte y el almacenamiento de CO2, como al contexto político y de mercado en cuestión.
Para la captura real de CO2, algunos factores son especialmente importantes cuando se trata de determinar la factibilidad y la viabilidad tecnoeconómica. Un tema clave es la composición de la corriente de gas que contiene CO2, donde la concentración de CO2 es el parámetro central: una concentración de CO2 más alta generalmente significa que se necesita menos energía para separar el CO2, lo que puede traducirse en menores costos de captura. Una segunda cuestión clave es si las emisiones de CO2 en el sitio se concentran en una fuente puntual grande o se distribuyen entre muchas fuentes puntuales más pequeñas.
Figura 2. Portadores de energía utilizados para el calor industrial en la UE-28, categorizados por niveles de temperatura. Figura de Malico et al. (2019).
En este caso es preferible lo primero y abarata los costes, especialmente cuando se trata de conseguir un alto porcentaje de captura de CO2. En tercer lugar, un factor clave es si hay un exceso de energía en el sitio que pueda usarse en el proceso de captura. Aquí, cabe señalar que los diferentes procesos de captura de CO2 tienen diferentes requisitos tanto en términos de los volúmenes necesarios como de si la demanda de energía se presenta en forma de electricidad o calor (Olsson et al. 2020).
Dependiendo del contexto geográfico, las etapas de transporte y almacenamiento de la cadena de suministro de CCS se pueden configurar de diferentes maneras, siendo los oleoductos y el transporte marítimo las opciones clave para el transporte de CO2 a larga distancia. Los oleoductos tienden a ser más rentables hasta distancias de 700 a 1200 km, pero el transporte marítimo permite una mayor flexibilidad, ya que permite que muchos sitios de captura diferentes hagan uso de un sitio de almacenamiento grande (Kjärstad et al. 2016), pero también que el transporte marítimo hace posible un mercado más real para los servicios de almacenamiento de CO2, ya que podría implicar menos bloqueo en comparación con cuando el sitio de captura está físicamente conectado al sitio de almacenamiento a través de una tubería.
Una desventaja de CCS es que agrega costes sustanciales pero no siempre agrega los ingresos correspondientes, es decir, a menos que exista un sistema específico que valore la función de captura y secuestro de CO2. En otras palabras, la viabilidad comercial de una industria equipada con CCS se basa en la existencia de un precio explícito o implícito sobre el CO2, sin el cual una instalación con CCS no tiene ningún sentido económico en comparación con una instalación sin CCS. Un enfoque alternativo que se discute cada vez más es la captura y utilización de carbono (CCU), lo que significa que el CO2 capturado se utiliza con fines productivos. La ventaja de esto es que permitiría otras formas de generar ingresos además de un precio del carbono.
Electrificación del calor de procesos industriales
Hasta hace aproximadamente una década, una narrativa común en las discusiones sobre los futuros sistemas energéticos globales era que la electricidad limpia sería costosa en el futuro previsible. En consecuencia, no solo sería imposible una descarbonización profunda sin un alto precio del carbono, sino que la electricidad también tendría que ser tratada como un recurso precioso que solo se usaría cuando no hubiera otras opciones disponibles.
Sin embargo, las reducciones posteriores en los costes de la energía solar y eólica han llevado a un cambio de paradigma en las narrativas sobre el papel de la electricidad limpia en el sistema energético global. Los últimos años han visto el surgimiento de una corriente de pensamiento que se puede resumir como "electrificar todo" (Olsson y Bailis 2019; Roberts 2017).
Hay varias formas diferentes en que se puede usar la electricidad para producir calor de proceso, incluido el calentamiento resistivo, las bombas de calor, el calentamiento por microondas y las tecnologías de plasma (el hidrógeno podría verse como una forma de electrificación indirecta si el hidrógeno se produce a partir de la electrólisis, pero de todos modos abordaremos hidrógeno por separado más adelante en este artículo. Sin embargo, además de la posibilidad de beneficiarse de la disminución de los costos de la energía eólica y solar, el uso de la electricidad como medio para producir calor de proceso industrial tiene otras ventajas potenciales que están relacionadas con características tecnológicas bastante fundamentales. En comparación con la calefacción basada en combustión, la calefacción basada en electricidad tiende a ser más fácil de controlar, no tiene contaminación del aire local y tiene costos de mantenimiento más bajos (Bartlett y Krupnick 2020; Rehfeldt et al. 2020).
En términos de disponibilidad comercial, el calentamiento de procesos basado en electricidad se implementa actualmente en la mayoría de las temperaturas y escalas, con hornos de arco eléctrico utilizados en el procesamiento de metales (por ejemplo, acero) que funcionan a temperaturas cercanas a los 2000 °C y alrededor de 100 MW o más. Sin embargo, en otros sectores todavía existen aspectos tecnológicos que limitan la aplicación del calentamiento de proceso basado en la electricidad.
Estos desafíos se relacionan especialmente con escalas más grandes y temperaturas muy altas (Rightor et al. 2020). Wiese & Baldini (2018) encuentran que si bien es posible implementar calor de proceso eléctrico en la mayoría de las aplicaciones por debajo de 250 °C, esto solo se aplica a alrededor del 25 % de la demanda por encima de 250 °C (ver también Rehfeldt et al. 2020). Hay soluciones para temperaturas más altas que eventualmente podrían volverse ampliamente aplicables, por ejemplo, generación de plasma.
Cuando se trata de temperaturas más bajas, una tecnología particularmente valiosa son las bombas de calor. Estos pueden aprovechar una unidad de electricidad en múltiples unidades de calor utilizable, según lo medido por el llamado coeficiente de rendimiento (COP: un COP de 3 significa que por cada unidad de electricidad alimentada a la bomba de calor, 3 unidades de calor utilizable son producida) que permite un uso más eficiente de la electricidad. Hay bombas de calor industriales disponibles que pueden proporcionar calor de proceso industrial a temperaturas de hasta alrededor de 90 °C y algunos fabricantes también ofrecen soluciones que pueden alcanzar temperaturas de alrededor de 150 °C, con 200 °C potencialmente al alcance. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el rendimiento de una bomba de calor depende en gran medida de la fuente de calor y el disipador de calor, donde las eficiencias disminuyen con diferencias mayores entre la fuente de calor y el disipador de calor.
En términos de desafíos para la electrificación del calor de proceso en términos más generales, el coste operativo sigue siendo uno, ya que las reducciones de costos en la generación de energía eólica y solar no se reflejan directamente en los precios reales de la red eléctrica que pagan las industrias. En muchos lugares, las tarifas de electricidad industrial son por kWh sustancialmente más altas que los precios correspondientes del gas natural, lo que significa que, a menos que sea posible una solución de bomba de calor, se necesitará el apoyo de políticas para cubrir la diferencia en los gastos operativos. Entonces, esto se suma a los gastos de capital necesarios para la transición: los sistemas de calefacción basados en electricidad tienden a requerir inversiones de conversión sustanciales. Por esta razón, podrían ser más prometedores en entornos totalmente nuevos que en entornos abandonados (Bartlett y Krupnick 2020; McKinsey & Co 2018).
Calor de proceso industrial a partir de hidrógeno
El hidrógeno se puede producir a través de varias vías diferentes, incluida la gasificación de hidrocarburos o biomasa, el reformado de metano con vapor (SMR) de gas natural o la electrólisis, donde esta última implica el uso de electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. La gran mayoría de los volúmenes globales de hidrógeno utilizados en la actualidad se producen a partir de combustibles fósiles, principalmente a través de SMR. Sin embargo, el aumento sustancial de los últimos años en el interés de cómo el hidrógeno puede permitir la reducción de las emisiones globales se basa en gran medida en las previsiones de costes futuros más bajos del llamado "hidrógeno verde", es decir, el hidrógeno producido a través de la electrólisis alimentada por electricidad renovable (Material Economics 2020 ). Además de proporcionar calor de proceso, el hidrógeno también puede desempeñar otras funciones en el campo de la descarbonización industrial.
Cuando se trata del uso de hidrógeno como medio para proporcionar calor de proceso, puede ofrecer oportunidades para una integración relativamente fluida o reemplazo de sistemas de calor de proceso basados en gases fósiles como gas natural o GLP (gas licuado de petróleo). El hidrógeno también es un gas y puede proporcionar temperaturas muy altas. Sin embargo, la adaptación de los sistemas de calefacción a gas existentes para que funcionen con hidrógeno conlleva varias advertencias. El transporte y almacenamiento de hidrógeno no solo es más difícil y costoso, sino que sus propiedades de combustión también difieren un poco del gas natural; por ejemplo, se quema más rápidamente con una llama que es casi invisible (Friedmann et al. 2019). Además, es posible que también sea necesario adaptar los materiales de transferencia de calor (Bartlett y Krupnick, 2020).
En cuanto a los costes, la producción de calor de proceso con hidrógeno sigue siendo un gran desafío, especialmente en lugares con gas natural fácilmente disponible. Por ejemplo, según IRENA (2020), los costes del hidrógeno verde se sitúan actualmente entre 3 y 6 USD/kg (dependiendo en gran medida de los costes de la electricidad). Incluso si los costes se redujeran a alrededor de 1 USD/kg, se requeriría un precio de 60 USD/tonelada de CO2 para que sea competitivo como fuente de calor de proceso en la producción de cemento, aunque esto es en gran medida una consecuencia de los bajos costes del gas natural en América del Norte (Bartlett y Krupnick 2020).
Fuente: Role of Biomass for Industrial Heat, Olle Olsson et al., Swedish Environment Institute, December 2021.
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