La industria química es una de las principales consumidoras de energía de España, por lo que se convierte en un objetivo clave para la implementación de medidas de eficiencia energética. Con el creciente compromiso del país hacia la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y el cumplimiento de los objetivos climáticos europeos, es importante que las empresas de este sector adopten tecnologías avanzadas y optimicen los procesos de eficiencia energética para reducir el consumo energético del sector químico.
Las oportunidades para mejorar la eficiencia energética en la industria química española son relevantes y abarcan desde la modernización de procesos de producción hasta la adopción de tecnologías más eficientes. Estas medidas no solo permiten un ahorro de energía considerable, sino que también pueden generar certificados de ahorro energético (CAE). Estos certificados, que, pensados para reconocer los ahorros energéticos anuales generados por una empresa, pueden ser comercializados, ofreciendo un incentivo financiero adicional para aquellas que se comprometan con la sostenibilidad.
Además, estas actuaciones de eficiencia energética contribuyen de manera directa a la competitividad de las empresas, ya que usualmente mejoran el proceso productivo, ya sea con mejores prácticas o con máquinas más eficientes, muy importante en un mercado cada vez más enfocado en la sostenibilidad. Algunas de las medidas que las empresas podrían empezar a adoptar son las siguientes:
- Primeramente, debemos destacar las actuaciones generales de eficiencia energética. Tales como mejorar la integración de calor y energía, implementar sistemas avanzados de control del proceso de producción, sustituir o actualizar equipos antiguos y menos eficientes, realizar un mantenimiento regular y exhaustivo del equipo.
Estas medidas poco específicas se pueden aplicar a cualquier proceso productivo en la industria química, además estas actuaciones exigen inversiones poco significativas, pero al mismo tiempo pueden generar ahorros de consumo de energía final de hasta el 10% anual. Estos ahorros pueden generar CAE que al comercializarse lleguen a financiar hasta la totalidad de la inversión.
- Las siguientes actuaciones se refieren a pequeñas inversiones que generan mejoras incrementales en el reformador, una parte crítica del proceso de producción de amoníaco y metanol, que utiliza gas natural como materia prima:
- Extensión del precalentamiento del carbono entrante y del aire de combustión. Al aumentar el precalentamiento del gas natural antes de que entre en el reformador, se mejora la eficiencia del proceso, ya que se requiere menos energía dentro del reformador para llegar a las temperaturas necesarias para la reacción.
- Reducción de la relación vapor-carbono. Este es un parámetro clave en el reformador que indica la proporción de vapor de agua utilizada en relación con el carbono (en forma de metano). Una menor relación vapor-carbono significa que se está utilizando menos vapor en relación con el metano, lo que puede llevar a una reducción del consumo energético general, ya que no se destina tanta energía a la producción de vapor.
Estas actuaciones de actuaciones de eficiencia energética necesitan de una inversión significativa para poder ser implementadas, sin embargo, como esta fase del proceso es muy intensiva en consumo de gas, los kWh totales ahorrados serán una cifra importante que pueden convertirse y comercializarse como CAE, sumando estos ingresos a los ahorros generados, esta inversión podría tener un retorno muy corto.
- Las siguientes actuaciones las definimos como grandes inversiones en el reformador dentro de los procesos de producción de amoníaco y metanol. Son más complejas y costosas que las pequeñas inversiones, pero también ofrecen un mayor potencial de ahorro energético y mejora en la eficiencia operativa. Algunas de ellas son:
- Instalación de turbinas de gas más eficientes. Éstas se utilizan para generar electricidad y calor en el reformador. Al instalar turbinas de gas más eficientes, se mejora la conversión de energía del combustible en electricidad y calor útil, lo que reduce el consumo de combustible y aumenta la eficiencia general del proceso.
- Modificaciones del quemador. Los quemadores en el reformador son responsables de proporcionar el calor necesario para las reacciones químicas involucradas en el proceso productivo. Las modificaciones en los quemadores pueden incluir la instalación de quemadores de bajo NOx o de quemadores con mejor control de la mezcla de combustible y aire, lo que optimiza la combustión y reduce el consumo de energía.
- Implementación de un proceso de preformado. El pre-reforming implica un paso adicional antes del reformador principal donde se convierte parte del metano en una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono a temperaturas más bajas. Este proceso reduce la carga térmica en el reformador principal, permitiendo un uso más eficiente de la energía.
- Mejora del sistema de recuperación de calor. La recuperación de calor es clave para mejorar la eficiencia energética. Esto puede incluir la optimización del uso de calor residual para precalentar reactivos, generar vapor, o incluso para otros procesos dentro de la planta. La mejora del sistema de recuperación de calor maximiza el aprovechamiento de la energía que simplemente se perdería.
Estas actuaciones pueden llegar a generar unos ahorros energéticos de entre el 10 y el 15% anual en el sector químico, lo que generaría una cantidad importante de CAE que puede financiar una parte de la inversión. A pesar de los elevados costes iniciales para el sector químico, estas mejoras pueden resultar muy rentables a largo plazo, especialmente en un contexto de precios energéticos volátiles y crecientes exigencias ambientales.
- Utilizar catalizadores más pequeños, mejores y de menor presión para la síntesis de amoníaco.
Reducir el tamaño de las partículas del catalizador aumenta su superficie específica, lo que mejora la eficiencia de las reacciones químicas. Al tener más superficie activa disponible, la reacción de síntesis de amoníaco (N₂ + 3H₂ → 2NH₃) se produce más rápidamente y utilizando menos energía.
Los catalizadores modernos están diseñados para ser más eficientes, utilizando materiales avanzados o combinaciones de metales que ofrecen una mayor actividad catalítica y son más duraderos en el tiempo.
La síntesis de amoníaco normalmente se realiza a altas presiones (alrededor de 150-250 bar) para favorecer la conversión de hidrógeno y nitrógeno en amoníaco. A pesar de esto, los avances en la tecnología de catalizadores han permitido que la reacción sea eficiente a presiones más bajas. Operar a menor presión reduce significativamente el consumo de energía, ya que se necesita menos energía para mantener las altas presiones dentro del reactor.
La mejora en el uso de los catalizadores puede llegar a generar ahorros energéticos que rondan el 5% anual. Aunque parezca imposible por los elevados costes que conlleva esta actuación, este ahorro puede convertirse en CAE que al venderse pueden llegar a financiar la inversión.
- Eliminación del CO2 de los gases de síntesis mediante disolventes avanzados, absorción por oscilación de presión (PSA) y uso de membranas. La eliminación del CO₂ de los gases de síntesis es un paso crucial en la producción de amoníaco y otros productos químicos, ya que el CO₂ puede envenenar los catalizadores utilizados en las siguientes etapas del proceso. La implementación de tecnologías avanzadas para la eliminación del CO₂ no solo mejora la eficiencia del proceso, sino que también contribuye a reducir las emisiones.
Los disolventes avanzados, como las aminas modificadas, son más eficaces en la captura de CO₂ de los gases de síntesis. Estos disolventes tienen una mayor capacidad de absorción y requieren menos energía para regenerarse, lo que significa que el CO₂ puede ser removido con un menor consumo energético general. Estos disolventes también pueden ser más selectivos, eliminando CO₂ mientras permiten que otros gases importantes, como el hidrógeno, pasen a través del proceso.
Absorción por oscilación de presión (PSA) es una tecnología que utiliza variaciones de presión para separar gases. En el contexto de la eliminación de CO₂, la PSA se emplea para separar el CO₂ de una mezcla de gases en función de sus diferentes afinidades por un material adsorbente. Esta tecnología es eficiente y puede operar de manera continua, proporcionando un flujo constante de gases purificados, lo que es crucial para procesos industriales.
Uso de membranas para la eliminación de CO₂. Las membranas son una tecnología emergente para la separación de gases, donde el CO₂ se separa del gas de síntesis al pasar a través de una membrana semipermeable. Las membranas avanzadas están diseñadas para ser selectivas, permitiendo que el CO₂ se difunda a través de ellas mientras que los otros componentes, como el hidrógeno, son retenidos. Las membranas ofrecen una solución compacta y energéticamente eficiente, especialmente cuando se combinan con otras tecnologías.
El coste inicial de implementar estas medidas es menor al coste de inversión que tienen las medidas mencionadas anteriormente, de igual forma, su implementación implica una alta generación de CAE, la cual puede financiar la totalidad de las inversiones realizadas.
- Conversión del proceso de producción de cloro: Pasar de celda de diafragma a celda de membrana sin amianto. Las celdas de membrana tienen una mayor eficiencia energética debido a la reducción de la resistencia eléctrica en la celda, lo que disminuye la cantidad de energía necesaria para la producción de una tonelada de cloro.
Aunque el coste inicial es alto, el retorno de la inversión es atractivo a largo plazo debido a los ahorros continuos en el consumo de energía, la generación de CAE y a la eliminación de los costos asociados con la gestión del amianto. Además, las empresas pueden beneficiarse de la mejora en la sostenibilidad y el cumplimiento normativo, lo que podría traducirse en incentivos o subvenciones en el futuro.
- Optimización del craqueo al vapor. La optimización del craqueo al vapor es una de las mejoras más importantes en la producción de etileno, un proceso fundamental en la industria petroquímica. El craqueo al vapor convierte hidrocarburos pesados como la nafta en productos más ligeros como el etileno, con hornos especializados puestos a altas temperaturas. La implementación de materiales avanzados y tecnologías más eficientes en esta etapa puede resultar en un aumento significativo de la eficiencia energética y una reducción en los costes operativos de la empresa.
- Uso de materiales avanzados en el horno para reducir la coquización en la sección de pirólisis. Durante el craqueo al vapor, la industria se encuentra un inconveniente: la formación de coque en la sección de pirólisis del horno.
Utilizar materiales avanzados en la construcción y revestimiento del horno, como aleaciones resistentes a la alta temperatura y a la coquización, reduce la formación de coque. Esto permite un funcionamiento continuo más largo y mejora la eficiencia del proceso al disminuir la pérdida de calor. - Mejora del revestimiento y las formas de los tubos y serpentines para que actúen como catalizadores. Los tubos y serpentines del horno donde se lleva a cabo la pirólisis pueden ser recubiertos con materiales catalíticos avanzados. Estos recubrimientos no solo resisten la coquización, sino que también promueven la reacción química, mejorando el rendimiento del proceso.
Cambiar la geometría de los tubos y serpentines para mejorar la transferencia de calor y reducir los puntos donde se acumula el coque es otra estrategia para mejorar la eficiencia. Las formas optimizadas de los tubos facilitan un mejor flujo de gases y una mayor superficie de contacto, lo que potencia las reacciones de craqueo. - Integración de turbinas de gas para producir vapor y gas. La integración de turbinas de gas en el proceso permite la generación simultánea de vapor y electricidad, utilizando los gases calientes del horno. Esto mejora la eficiencia energética general del sistema, ya que el calor residual se aprovecha en lugar de disiparse, reduciendo la demanda de energía externa para producir vapor.
Implementar la optimización del craqueo al vapor no requiere de una inversión extraordinaria, además genera un porcentaje de ahorro anual que se aproxima al 25% para el sector químico, esto quiere decir que se pueden generar muchos CAE, con los cuales se puede financiar la propia actuación.
- Mejoras en las columnas de destilación.
- Columnas de Destilación Integradas con Calor (HIDiC- Heat integrated Distillation Columns). Las columnas de destilación tradicionales separan mezclas de líquidos en sus componentes individuales por medio del calor, es por esto que este proceso es altamente intensivo en energía. Las columnas HIDiC optimizan el proceso al integrar la transferencia de calor entre las diferentes partes de la columna. En lugar de calentar y enfriar repetidamente las corrientes de proceso, el calor se transfiere directamente de las corrientes calientes a las frías dentro de la misma columna, lo que reduce el consumo total de energía. Implementar HIDiC permite reducir la demanda de calor en el rehervidor y la demanda de refrigeración en el condensador. Esto significa que se requiere menos energía para alcanzar la misma separación de productos, mejorando la eficiencia global del proceso de destilación.
- Integración de bombas de calor. En el contexto de la destilación, se utilizan para reutilizar el calor residual del proceso, elevando su temperatura para que pueda ser reutilizado en la columna de destilación. Esto reduce la cantidad de energía primaria requerida para el proceso. La integración de bombas de calor permite reducir significativamente la necesidad de vapor fresco para el rehervido de la columna, disminuyendo el consumo de combustible y las emisiones de CO₂ asociadas. Además, puede mejorar la estabilidad operativa de la planta al proporcionar una fuente de calor más constante y controlada.
Las mejoras en las columnas de destilación tampoco requieren un gran esfuerzo económico por parte de las empresas. Estas actuaciones de eficiencia energética pueden generar ahorros que juntamente con los CAE generados y vendidos pueden financiar hasta la totalidad de la inversión.
- Implementación de tecnología de Cátodos de Consumo de Oxígeno (Oxygen-Depolarised Cathodes – ODC) en la celda de membrana.
En las celdas de membrana habituales para la producción de cloro, la reacción en el cátodo genera hidrógeno a partir del agua, lo que consume una gran cantidad de energía eléctrica. Los cátodos de consumo de oxígeno (ODC) reemplazan esta reacción con una que utiliza oxígeno en lugar de agua, reduciendo significativamente el voltaje necesario para la electrólisis.
Al reducir el voltaje de operación de la celda, los ODC pueden disminuir el consumo de energía eléctrica en hasta un 30% comparado con las celdas de membrana tradicionales. Al consumir menos electricidad, la implementación de ODC también reduce las emisiones indirectas de CO₂, especialmente si la electricidad proviene de fuentes fósiles.
El significativo ahorro energético que esta actuación puede generar la hace una inversión muy atractiva y que puede ser autofinanciada con sus propios CAE. Además, esta tecnología posiciona a las empresas como líderes en la adopción de soluciones innovadoras y sostenibles en la industria química.
La implementación de tecnologías avanzadas en la producción de cloro y etileno es crucial para aumentar la eficiencia energética y la sostenibilidad en la industria química. Inversiones como la conversión a celdas de membrana sin amianto, la optimización del craqueo al vapor y la adopción de cátodos de consumo de oxígeno (ODC) no solo reducen significativamente los costes operativos y las emisiones de CO₂, sino que también pueden generar Certificados de Ahorro Energético (CAE), ofreciendo un incentivo financiero adicional. Aunque estas mejoras requieren un coste inicial considerable, el retorno de la inversión es viable a mediano plazo, y posicionan a las empresas como líderes en innovación y sostenibilidad, en línea con las exigencias del mercado y las normativas ambientales.
En ipsom somos expertos en la gestión de ayudas y subvenciones para empresas del sector químico. Si su empresa del sector químico prevé invertir en actuaciones de eficiencia energética, puede contactar con nosotros para que evaluemos el potencial de su proyecto.
