SHHIP-CO2: INTEGRACION DE LA ENERGIA SOLAR EN LA INDUSTRIA PESADA PARA MITIGAR LAS EMISIONES DE CO2.

RESUMEN Y OBJETIVOS

El objetivo de este proyecto es estudiar nuevos receptores solares para mejorar la penetración de la energía solar para el secado y calentamiento de las partículas empleadas en la producción de asfalto y en el procesamiento de yeso de origen natural. Los procesos considerados en ambas industrias requieren alta energía a altas temperaturas (T> 150ºC) para secar y calentar partículas, que actualmente son procesadas térmicamente en hornos rotativos a gas. Esto se debe al contenido inicial de agua de las partículas de asfalto (5%) y yeso (8%), que puede distribuirse en su superficie o en su interior, dificultando su secado. La carga ambiental de ambas industrias está marcada por el bajo contenido de humedad en la salida (0%), los altos índices de flujo másico y las altas temperaturas necesarias. En este sentido, la industria del asfalto convencional consume 85 kWh/ton y emite 18 kg CO2/ton, en los que el 97% de la energía total se consume en el secado y calentamiento de las partículas asfálticas. El horno rotatorio utilizado en la industria del yeso consume 375 kWh/ton y emite 44 kg CO2/ton.

España, segundo productor de yeso de Europa, produjo 7.000 millones de ton de yeso en 2019 (11 ton/h por planta). Además, España produjo en 2019 18,8 millones de ton de mezcla asfáltica en caliente (65-75 ton/h por planta). Los precios en ambas industrias dependen principalmente del precio del gas y, en el futuro, también pueden depender del coste de las emisiones de CO2. Por tanto, se necesitan nuevos procesos renovables para asegurar bajos costes de estos productos básicos.

Los receptores solares que se desarrollarán transportarán los materiales pesados durante su procesamiento térmico a altas temperaturas. Estos receptores, basados en tecnologías de cinta transportadora y lecho vibratorio, se combinarán con una nueva tecnología solar concentrada, el campo solar Linear Fresnel de haz lineal descendente, patentado por la UC3M principales. Esta tecnología solar está ideada para procesar materiales pesados a temperaturas de T=150-300ºC mediante la irradiación lineal y directa de energía solar concentrada. Para ello, el campo solar BDLFR consta de dos etapas de reflexión. Primero, los reflectores de Fresnel lineales dirigen la irradiación solar a una segunda etapa de espejos planos. Estos espejos secundarios se instalan elevados del suelo, redireccionando hacia abajo la energía solar concentrada a un receptor que transporta materiales pesados, como partículas, con flujos de 14-31 kW/m2 en el receptor.

El proyecto aborda los mecanismos de transferencia de calor y masa durante el secado y calentamiento de un lecho de partículas sometidas a un flujo de calor solar en su superficie. Se han desarrollado modelos analíticos para la optimización de los receptores solares tanto de cinta transportadora como de lecho vibratorio. Y se han realizado estudios de análisis ciclo de vida comparando las tecnologías verdes innovadoras propuestas con las tecnologías convencionales actualmente aplicadas en la industria.

Los investigadores quieren agradecer la financiación recibida en el proyecto SHHIP-CO2 (PID2021-122278OB-I00) al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, la Agencia Estatal de Investigación y al FEDER.

El Acuerdo de París, en su afán por fortalecer la respuesta global al cambio climático, busca limitar el aumento de la temperatura global por debajo de los 2 °C, con aspiraciones adicionales de alcanzar los 1,5 °C (CMNUCC, 2015). Además, si bien existe un consenso general sobre la rápida proximidad del agotamiento del petróleo (Delannoy et al., 2021), no está claro cuándo se alcanzará el pico máximo de extracción de crudo. Este marco de insostenibilidad llevó a la Unión Europea a promulgar una ley que apunta a alcanzar cero emisiones netas para 2050, que también incluye el objetivo de reducir las emisiones de CO2 en un 55 % con respecto a los niveles de 1990 para 2030 (Norouzi et al., 2020). La ​​industria de procesos europea ha expresado su deseo de una reducción del 30 % en el consumo de combustibles fósiles, que prevé alcanzar mediante una combinación de ahorro energético e introducción de fuentes de energía renovables. En este sentido, solo aproximadamente el 6 % de la demanda energética total de la UE en 2019 se proporcionó con energías renovables para aplicaciones industriales de calentamiento de procesos (T > 150 ºC) (Weiss, 2021). En esta línea, el Plan Nacional de Energía y Clima de España, que abarca el período 2021-2030, propone incentivos para la incorporación de energías renovables en los procesos industriales (Ministerio para la Transición Energética, 2020b). En 2019, los procesos industriales y el uso de productos representaron el 8 % de las emisiones de gases de efecto invernadero (Ministerio para la Transición Energética, 2020a). Las principales tecnologías en el campo de la energía solar térmica para la industria (SHIP) son: colectores solares de aire, sistemas solares de agua y concentradores solares. El presente proyecto de investigación se centra en concentradores solares que pueden alcanzar las altas temperaturas requeridas. Esto significa que la energía solar térmica puede proporcionar suficiente energía para satisfacer las necesidades de calor de numerosos procesos industriales. Así, con el ánimo de cumplir con el objetivo de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en la industria española para 2050. Esta investigación se fundamenta en el empleo en un colector Fresnel modificado, patentado por la UC3M (tecnología Beam-Down Linear Fresnel), que permite el procesamiento térmico de materiales pesados ​​en un receptor solar terrestre (Santana et al., 2017).

Hot Mix Asphalt Plants

According to the European Asphalt Plant Association (EAPA, 2005), the most widespread type of asphalt plant in Spain and in the world is the batch mix asphalt plant that can produce Hot Mix Asphalt (HMA). HMA is produced by preheating asphalt cement (bitumen) up to T~150ºC, to decrease its viscosity, and drying and heating the aggregate to remove moisture from it before combing the two together. Currently, the drying and heating processes are carried out in a rotating kiln with a series of flights on the inside to lift aggregates and heat aggregates up to 160 - 180ºC burning fossil fuels like heavy fuel oil, natural gas or coal, which pollute air and contribute to climate change. Aggregates are fed into the rotating chamber at ambient temperature and, typically, at 5% humidity content (Peinado et al., 2011). The aggregate water content, which is distributed superficially on the particles, needs to be removed to obtain a high-quality asphalt.

The drying and heating process consumes about 97% of total asphalt plant energy consumption, which means a consumption of 85 kWh/ton and an emission of 18 kg CO2/ton of HMA, with an average production of 65-75 ton/h per plant (Peinado et al., 2011). Mixing is generally performed around 170°C but can vary depending on the desired mixture properties. Later, road compacting and surfacing of the mix must be done at sufficiently hot temperatures.

Besides environmental law restrictions, depleting resources and flotation in oil prices also made bitumen one of most expensive material used in the road construction, which makes it more important to be recycled (Zhang et al., 2019). Due to that, modern HMA plants can incorporate Reclaimed Asphalt Pavement (RAP), which is used as a raw material for new asphalt. RAP stands for the removed and/or reprocessed materials containing asphalt and aggregates. There are hot/cold feed technologies to recycle RAP.

Gypsum Plants

Gypsum (CaSO4·2H2O) is used extensively in many industries, such as the fertilizer, cement production and construction industries. Once the gypsum stone is extracted, it is crushed to reduce the particle size to 0-40 mm. A secondary crushing reduces the particle size to 0 – 25 mm, which is feed to a rotary kiln to dehydrate gypsum and change its crystalline structure depending on the processing temperature and the heating technology. Then, the gypsum is milled to fine particles, mixed and distributed to the final user (Fořt & Černý, 2016)

Most of the gypsum manufacture processes usually employ rotary kilns at dry atmosphere, producing β-gypsum, which is used in building industry. The rotary kilns used in gypsum industry can operate with pulverized coal, heavy oil or natural gas. Gypsum particles are introduced at ambient temperature with a humidity content of about 8 - 10%. Unlike asphalt aggregates, gypsum moisture content is distributed inside the particles. The average production rate is about 11 tons/h with an energy consumption of 375 kWh/ton and an emission of 44 kg CO2/ton in the gas-fired rotary kiln. Note that such energy consumption and CO2 emissions only include the drying and heating processes, which represent the 58% of the total emissions of the gypsum process (Fořt & Černý, 2016).

Besides the high CO2 emissions, gypsum industry is highly dependent on the fossil fuel costs. Thus, it is essential to introduce new renewable technologies able to work at T = 100 - 180ºC.

Un Reflector Fresnel Lineal Beam-Down es una tecnología de concentración solar diseñada para el procesamiento térmico de materiales pesados ​​a temperaturas de 150-300 °C mediante la irradiación lineal y directa de energía solar concentrada. Este sistema solar fue patentado y desarrollado por los IPs Prof. J. Gómez Hernández y Prof. J. Villa Briongos (Santana et al., 2017). Consta de dos etapas de reflexión. En primer lugar, los reflectores Fresnel lineales (LFR) dirigen la irradiación solar a una segunda etapa de espejos. Esta segunda etapa dirige el flujo de calor solar hacia el receptor, en el que se procesan térmicamente los materiales pesados ​​(Sánchez-González & Gómez-Hernández, 2020). Solo dos receptores solares para el campo solar BDLFR han sido estudiados teóricamente en la literatura por los IPs. Un receptor de lecho fluidizado móvil utiliza las partículas como medio de transferencia de calor para la generación de energía (Gómez-Hernández et al., 2020) y un reactor de doble tornillo para procesar residuos de biomasa mediante carbonización hidrotermal (Briongos et al., 2021). El campo solar BDLFR combina las ventajas de los sistemas LFR, como el bajo coste de los espejos primarios y la óptica de haz descendente, que permite trabajar con materiales pesados, ya que el receptor se coloca en el suelo. Además, los sistemas LFR tienen los costes de inversión y mantenimiento más bajos de los sistemas CST (Rinaldi et al., 2014), lo que puede facilitar su integración en procesos industriales. Recientemente, Taramona et al., 2022 optimizaron el reflector secundario BDLFR, compuesto por varios espejos planos instalados a la misma altura para simplificar el diseño de la estructura y, por lo tanto, reducir los costes de instalación

El secado de un lecho poroso húmedo es un proceso complejo multifásico que implica transferencia simultánea de masa y calor. Este proceso puede controlarse mediante diferentes mecanismos de transferencia de masa y energía, dependiendo de la distribución de la humedad y la estructura de las partículas que caracterizan el problema de secado. Al secar partículas porosas higroscópicas, el transporte interno de masa a través de los poros de la partícula puede implicar diversos mecanismos, incluyendo: (i) la transferencia de calor a través de la matriz sólida, (ii) entre las fases sólida y fluida, (iii) el cambio de fase por evaporación y (iv) la difusión molecular. Al secar partículas no higroscópicas, el mecanismo de secado solo implica la evaporación convectiva de la humedad libre (Tang et al., 2018). En este proyecto se abordan dos procesos de secado diferentes. Por un lado, la humedad se distribuye sobre la superficie de los áridos (Fig. 2-a). Por otro lado, las partículas de RAP y yeso presentan humedad intrínseca en su interior (Fig. 2-b). La estrategia de modelado propuesta para abordar la naturaleza multiescala, multifase y multicomponente del problema de secado BDLFR se esboza en la Figura 2.

Referencias Tang, Y., Min, J., & Wu, X. (2018). Selection of convective moisture transfer driving potential and its impacts upon porous plate air-drying characteristics. Int. J. Heat & Mass Transfer, 116, 371–376.

Los investigadores quieren agradecer la financiación recibida en el proyecto Proyecto SHHIP-CO2 al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, la Agencia Estatal de Investigación y al FEDER.