El calor de proceso se refiere a la aplicación de calor durante los procesos industriales . Se utiliza alguna forma de calor de proceso durante la fabricación de muchos productos comunes, desde hormigón hasta vidrio , acero y papel . Cuando hay disponibles subproductos o desechos del proceso industrial general, estos se suelen utilizar para proporcionar calor de proceso. Los 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 funcionamiento superiores a 400 °C (752 °F). Estos procesos de mayor temperatura generalmente solo pueden ser abastecidos por suministros dedicados como gas natural o carbón , aunque el precalentamiento de otras fuentes también es común para reducir el uso de combustible. Los procesos que operan por debajo de la mediana pueden recurrir a una variedad mucho más amplia de fuentes, incluido el calor residual de otros procesos del mismo proceso industrial. En teoría , el calentamiento resistivo sería una posible fuente de calor de proceso, pero aun cuando 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 y luego usar esa electricidad para calor de proceso que utilizar el combustible directamente. Por tanto, esta fuente de calor sólo se utiliza cuando la electricidad procedente de fuentes no térmicas (como la energía hidroeléctrica ) es barata y abundante. Las bombas de calor que se emplean comúnmente para calefacción doméstica, agua tibia y otras aplicaciones de calor por debajo de 100 °C (212 °F) tienen una eficiencia de Carnot demasiado baja en altas diferencias de temperatura entre el extremo "caliente" y "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 la reacción endotérmica . El calor generalmente se describe por "grado" y las temperaturas más altas tienen un "grado" más alto. Esto se debe a que el calor fluye naturalmente de lo caliente a lo frío y, por lo tanto, siempre es posible utilizar una fuente de calor de alta temperatura para aplicaciones de menor temperatura, pero no al revés. Como el calor de mayor grado es más engorroso y costoso de producir y como los materiales tienen una resistencia al calor limitada, se están realizando esfuerzos para reducir las temperaturas de trabajo siempre que sea posible mediante el uso de catalizadores y fundentes . En 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 puede desplazarse hacia la derecha aumentando la temperatura, eliminar continuamente AC o BD de la reacción puede servir para reducir los requisitos de temperatura (cf. principio de Le Chatelier ). Sin embargo, esto tiene límites, ya que la velocidad de reacción también depende de la temperatura. Los catalizadores pueden servir para aumentar la velocidad de reacción a cualquier temperatura dada pero, por definición, no modifican 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 neutro en carbono o al menos con menos carbono. Algunos desechos, incluidos los neumáticos de desecho , se utilizan comúnmente como combustibles de reemplazo o se mezclan con combustible convencional en proporciones adecuadas. [1] La biomasa ya se utiliza 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 funcionamiento 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 explícito de diseño, ha demostrado ser un callejón sin salida tecnológico y ninguna otra planta de energía nuclear de alta temperatura ha entrado jamás en operación comercial generalizada a partir de 2022. [4] Alguna generación Las propuestas del reactor IV cambiarían esto, permitiendo que se produzca calor de mayor calidad. Del mismo modo, las fuentes de calor geotérmicas 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 una menor eficiencia de ida y vuelta es la sustitución de los combustibles fósiles actualmente utilizados por combustibles derivados de Power to X. Si bien este enfoque tiene la ventaja de poder utilizarse con la tecnología existente con una modificación mínima o nula, es menos eficiente que incluso 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 procesos en los que el combustible proporciona calor y una función química (por ejemplo, el coque como agente reductor en la fabricación de acero), un combustible power-to-x puede ser la única alternativa viable con bajas emisiones de carbono durante algún tiempo. El hidrógeno derivado 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 a partir de 2022 se deriva principalmente de combustibles fósiles mediante procesos como el reformado con vapor. Dado que algunos procesos propuestos para la producción de hidrógeno, como el ciclo de azufre y yodo , requieren altas temperaturas, su viabilidad para generar hidrógeno como Parece cuestionable un combustible para el calor del proceso en lugar del uso directo del calor necesario para el proceso.