El calor de proceso se refiere a la aplicación de calor durante los procesos industriales . Alguna forma de calor de proceso se utiliza durante la fabricación de muchos productos comunes, desde hormigón hasta vidrio , acero o papel . Cuando hay subproductos o desechos del proceso industrial general, estos se utilizan a menudo para proporcionar calor de proceso. Algunos ejemplos incluyen el licor negro en la fabricación de papel o el bagazo en el procesamiento de la caña de azúcar.
La temperatura requerida del proceso varía ampliamente, y aproximadamente la mitad del calor del proceso industrial tiene temperaturas de operación superiores a 400 °C (752 °F). Estos procesos de temperatura más alta generalmente solo pueden suministrarse mediante suministros dedicados como gas natural o carbón , aunque el precalentamiento de otras fuentes también es común para reducir el uso de combustible. Aquellos procesos que operan por debajo de la mediana pueden aprovechar una variedad mucho más amplia de fuentes, incluido el calor residual de otros procesos en el mismo proceso industrial. El calentamiento resistivo sería en teoría una posible fuente de calor de proceso, pero incluso aunque convierte casi el 100% de la electricidad suministrada en calor, obviamente es menos eficiente quemar un combustible en una planta de energía térmica para producir electricidad solo para usar esa electricidad para el calor del proceso que usar el combustible directamente. Por lo tanto, esta fuente de calor solo se usa donde la electricidad de fuentes no térmicas (como la energía hidroeléctrica ) es barata y abundante. Las bombas de calor que se emplean habitualmente para calefacción doméstica, agua caliente y otras aplicaciones de calor por debajo de los 100 °C (212 °F) tienen una eficiencia de Carnot demasiado baja en altas diferencias de temperatura entre el extremo "caliente" y el "frío" para que valga la pena. Algunos procesos, como la electrólisis de sales fundidas , proporcionan el calor de proceso necesario mediante la misma electricidad que también se necesita para mantener en marcha la reacción endotérmica . El calor suele describirse por "grado", y las temperaturas más altas tienen un "grado" más alto. Esto se debe a que el calor fluye naturalmente de caliente a frío y, por lo tanto, siempre es posible utilizar una fuente de calor de alta temperatura para aplicaciones de temperatura más baja, pero no al revés. Como el calor de mayor grado es más engorroso y costoso de producir y como los materiales tienen una resistencia térmica limitada, existen esfuerzos para reducir las temperaturas de trabajo siempre que sea posible mediante el uso de catalizadores y fundentes . En las reacciones de equilibrio donde la temperatura es uno de los factores que influyen en el equilibrio, los requisitos de temperatura se pueden reducir eliminando los productos deseados en un proceso continuo . Por ejemplo, si una reacción de equilibrio entre AB y CD produce AC y BD y el equilibrio se puede desplazar hacia la derecha aumentando la temperatura, la eliminación continua de AC o BD de la reacción puede servir para reducir los requisitos de temperatura (véase el principio de Le Chatelier ). Sin embargo, existen límites para esto ya que la velocidad de reacción también depende de la temperatura. Los catalizadores pueden servir para aumentar la velocidad de la reacción a cualquier temperatura dada pero, por definición, no desplazan el equilibrio.
El calor de proceso representa aproximadamente el 30% de todo el uso de combustible en el sector manufacturero, y es el objetivo de importantes esfuerzos para introducir nuevas formas de suministro de calor de proceso neutral en carbono o al menos con menor carbono. Algunos desechos, incluidos los neumáticos usados , se utilizan comúnmente como combustibles de reemplazo o se mezclan con combustible convencional en proporciones adecuadas. [1] La biomasa ya se usa ampliamente en la industria, mientras que la energía geotérmica , la energía solar concentrada y la energía nuclear siguen siendo experimentales y actualmente no son económicamente competitivas. Un problema con el uso de energía nuclear para el calor de proceso es que los reactores de agua a presión de uso común tienen una temperatura de operación muy por debajo de los 400 °C [2] y los reactores de agua en ebullición funcionan a temperaturas aún más bajas (alrededor de 285 °C (545 °F)). [3] El reactor avanzado refrigerado por gas , cuya alta temperatura de salida del refrigerante era un objetivo de diseño explícito, ha demostrado ser un callejón sin salida tecnológico y ninguna otra planta de energía nuclear de alta temperatura ha entrado en operación comercial generalizada a partir de 2022. [4] Algunas propuestas de reactores de Generación IV cambiarían esto, permitiendo que se produzca calor de mayor calidad. Del mismo modo, las fuentes de calor geotérmico suelen tener temperaturas relativamente bajas, y a veces incluso requieren ciclos binarios para la generación de electricidad. [5] [6]
Una solución provisional para la descarbonización al precio de mayores costos (ignorando el precio del carbono ) y menor eficiencia de ida y vuelta es la sustitución de los combustibles fósiles utilizados actualmente por combustibles derivados de Power to X. Si bien este enfoque tiene la ventaja de ser utilizable con la tecnología existente con una modificación mínima o nula, es menos eficiente incluso que el calentamiento resistivo, ya que los procesos químicos necesarios para convertir la energía eléctrica en combustibles artificiales son menos eficientes que el calentamiento resistivo. Sin embargo, en los procesos en los que el combustible proporciona tanto calor como una función química (por ejemplo, el coque como agente reductor en la fabricación de acero), un combustible de Power-to-X puede ser la única alternativa baja en carbono viable durante algún tiempo. El hidrógeno derivado a través de procesos como la electrólisis del agua se propone a menudo como una alternativa a las fuentes actuales de calor de proceso. El hidrógeno ya se utiliza ampliamente en la industria hoy en día, pero se deriva principalmente de combustibles fósiles a través de procesos como el reformado con vapor a partir de 2022. Como algunos procesos propuestos para la producción de hidrógeno, como el ciclo azufre-yodo , requieren altas temperaturas, su viabilidad para generar hidrógeno como combustible para el calor del proceso en lugar del uso directo del calor necesario para el proceso parece cuestionable.