El aprovechamiento del calor residual proveniente de procesos industriales, como torres de refrigeración, aumentando la eficiencia energética global.

Un área de estudio con mucho potencial en la actualidad es el aprovechamiento de corrientes de calor residual a media/baja temperatura. Dicha temática resulta de gran interés para descarbonizar la demanda térmica de media y alta temperatura de muchas industrias (textil, alimenticia, papelera, química…).

Uno de los potenciales usos de dicho calor residual es su conversión en vapor, elemento que resulta ser protagonista de muchas de las actividades industriales en la actualidad y que requiere de una gran inversión energética como por ejemplo: la generación de electricidad, la esterilización, el procesamiento de alimentos o la climatización.

Por otro lado, en muchos procesos industriales térmicos son necesarias las torres de refrigeración, cuya función resulta ser la disipación del calor del fluido circulante.

Además, para lograr dicha disipación se requiere de una cierta cantidad de agua. Aproximadamente, se consumen entre 2 y 5 m3 de agua por cada MWh transferido lo cual puede resultar limitante en épocas de estrés hídrico.

Por consiguiente, con la instalación de una bomba de calor de alta temperatura en un proceso industrial que demande vapor y disipe el calor residual mediante una torre de enfriamiento, se logra el doble objetivo de reemplazar la torre (y su consumo de agua), logrando una menor temperatura en la corriente de agua que lleva el calor residual y producir vapor, que permite una mayor producción de electricidad en la turbina de cogeneración que lo producía en la instalación original.

En este estudio se analiza aprovechamiento de una corriente de calor residual a una temperatura baja (60-70°C) procedente de una instalación industrial para producir vapor de proceso para dicha industria mediante una bomba de calor de alta temperatura basada en un ciclo inverso de Brayton con CO2.

Esta solución permite:

• Enfriar la corriente de agua caliente que llegaba a las torres, suprimiendo estas, con el consiguiente ahorro del agua de reposición.
• Alcanzar una temperatura de salida del agua caliente más baja que con las torres, lo que facilita el tratamiento posterior de este agua en una depuradora antes de verterla al exterior.
• Con el calor recuperado del agua caliente se produce vapor de proceso, que permite eliminar una extracción de la turbina de cogeneración. Con ello, la turbina produce más electricidad, que en parte compensa el consumo de la bomba de calor.

En definitiva, el vapor producido permite eliminar una extracción de la turbina de cogeneración presente en la industria, generando así una electricidad adicional que compensa parcialmente el consumo de la bomba de calor.

Para ello, se consideran dos escenarios principales de trabajo determinados por el calor residual disponible y las condiciones de vapor de generación propuestas. Se modela y dimensiona la bomba de calor, y se ha estudiado la viabilidad económica en función de cada uno de los escenarios. En las mejores condiciones, se consigue un COP de 2,03. Las dimensiones de la planta resultan ser de 21m x 21m x 25 m. En términos económicos, la instalación requiere de una inversión total de 44.383.762€, que referida al calor útil nominal (70 MWt) resulta 611€/kW, ligeramente superior con respecto a la horquilla (300 a 500 €/kW) dada por la Agencia Internacional de la Energía (IEA), para una bomba de calor de MAN, comparable con la proyectada.

También se estudian los costes relacionados con el calor (LCOH) y con el vapor (LCOS) a partir de la fracción de tiempo que se opera a máxima producción de vapor. Resulta que, para valores de de producción de vapor mayores de 0,64, se normaliza el coste entre 51 €/MWh a 62 €/MWh (38,8 € y 47,2 €), mientras que el coste operativo (OPEX total) oscila entre 43,5 €/MWh y 46 €/MWh (33 €/t y 35 €/t). Dichos costes resultan ser competitivos frente a sistemas ETES (Electro-Thermal Energy Storage), establecidos para España en 75 €/MWh en 2023, con objetivo de 63 €/MWh en 2030 (incluidos CAPEX y OPEX).