La energía siempre debería trabajar el doble

La energía siempre debería trabajar el doble

El calor residual de las plantas industriales y las estaciones generadoras de electricidad representa una enorme cantidad de energía desaprovechada.
David Lindley
Nature 458, 138-141 (2009)

[Más o menos la mitad de la electricidad danesa proviene de plantas combinadas de electricidad y calor (como la de Viborg, figura 1, y Amager, figura 2), que proporciona ambos a las casas y las oficinas. T. Falbe-Hansen]

La energía fluye libremente en West Virginia Alloys. Esta fábrica, situada en el valle del río Kanawha, a unos 50 kilómetros de Charleston, Virginia Occidental, es la segunda mayor consumidora de electricidad en este estado. Normalmente utiliza más de 120 megavatios de potencia de la red, en cinco hornos de arco voltaico que calientan el cuarzo a unos 1.500 °C para fabricar silicio de alta calidad para chips de ordenador, paneles solares y otros usos.

Entonces la planta toma los gases de combustión de los hornos a 800 °C, que todavía contienen mucha de la energía original, y lo conducen a través de tuberías.

Desafortunadamente, el caso de West Virginia Alloys no es corriente, afirmó Thomas Casten, empresario que desde hace 30 años ha estado en contra de este tipo de desperdicio energético. Los consumidores de todo el mundo han abrazado la conservación de la energía personal con bombillas fluorescentes, aislamiento de las casas y coches híbridos. Pero el sector industrial –incluyendo la mayoría de la propia industria eléctrica– continúa derrochando energía a un ritmo asombroso. Gracias al bajo precio de la energía, los ingenieros industriales nunca han tenido ni la experiencia ni el incentivo económico para hacerlo de otra manera.

Ahora, sin embargo, West Virginia Alloys es una más del pequeño pero creciente número de empresas que están intentando cambiar sus hábitos despilfarradores. En 2011, el equipamiento instalado por la empresa que Casten cofundó en 2006 en Westmont, Ilinois, Recycled Energy Development (RED), empezará a convertir el calor desaprovechado por la planta en electricidad a un ritmo de más de 40 megavatios. Esto es suficiente para reducir el consumo energético de la planta en un tercio.

Este tipo de oportunidades está en todas partes, aseguró Casten. Hay unas 300 plantas de silicio en el mundo y cada una de ellas podría hacer lo mismo que West Virginia Alloys. Además está el acero. Aproximadamente la mitad del acero de Estados Unidos se fabrica reciclando la chatarra sobrante de los hornos voltáicos; cada horno podría reciclar quizá unos 15 megavatios de electricidad. Y para la fabricación de neumáticos se emplean grandes cantidades de negro de carbón para endurecer la goma. El negro de carbón se prepara mediante la combustión parcial del alquitrán y el calor desperdiciado podría generar hasta un gigavatio de electricidad.

Mejorar la eficiencia energética del uso tradicional del combustible es una manera tan buena de proteger el medio ambiente como aumentar el uso de energías renovables, declaró Ahmed Ghoniem, director del Centro para la Energía del Siglo XXI en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge. La quema de combustibles fósiles produce el 85% de la energía mundial, afirmó, por lo que un 20% de aumento en eficiencia, “lo que no es inalcanzable”, reduciría la contaminación y la emisión de gases de invernadero tanto como duplicar la proporción global de generación de energía “verde”, un objetivo para el que todavía faltan años, si no décadas, añadió. Sólo en Estados Unidos, explicó Casten, el reciclaje de energía podría compensar el equivalente a 200 gigavatios de producción de electricidad, más o menos una quinta parte de la capacidad nacional total.

[Figura 4: Cada horno empleado para reconvertir chatarra en acero podría usarse para reciclar unos 15 megavatios de electricidad.]

El reto será conseguirlo… a través de un laberinto de cuestiones tecnológicas, costes, políticas energéticas nacionales y a menudo enrevesadas estructuras regulatorias que gobiernan la producción de energía eléctrica. “Es excesivamente complicado organizar todo esto”, aseguró Casten.

La nueva y vieja tecnología
Las buenas noticias para la empresa de Casten y otras en el sector del reciclado energético es que más y más clientes potenciales están comenzando a prestar atención a estos detalles. Después del repunte del precio del petróleo el pasado verano, hay una creencia generalizada de que el precio de la energía no va a dejar de subir, aunque en este momento los precios del crudo hayan caído.

La mala noticia es el importe: el coste de implantar la tecnología de recuperación de calor residual en una planta que no estaba diseñada para ello tiende a causar un shock en los potenciales clientes. La instalación de West Virginia Alloys costará unos 100 millones de dólares. Por ello, la empresa RED de Casten proporciona tanto el capital como la experiencia en la instalación de sistemas de ahorro energético, en contraprestación por un acuerdo con la compañía para compartir sus beneficios. Los directores de las plantas no tienen el conocimiento para abordar esta tarea, alegó Casten. “Si lo intentan hacer por su cuenta, tienden a sobrestimar los riesgos y a infravalorar los beneficios.”

Aun así, la tecnología en sí es bastante sencilla; en muchos casos, el calor residual se puede reconvertir en electricidad de la misma manera que lo hacen las plantas eléctricas. Una planta tipo comienza tomando calor de una fuente primaria –carbón, gas, biomasa, uranio enriquecido o incluso luz solar concentrada– y utilizándola para evaporar agua conviertiéndola en vapor a alta presión. Este vapor se dirige a través de una turbina: esencialmente una configuración de alta tecnología de las aspas de un ventilador que giran por el paso del vapor. El eje de la turbina mueve un generador eléctrico, que produce la electricidad, y el vapor que sale por el otro extremo pasa por un refrigerador que lo condensa nuevamente en agua.

Este ciclo de Rankine –llamado así por William Rankine, ingeniero escocés del siglo xix que lo concibió– es un modo práctico y eficiente de convertir una diferencia de temperaturas en energía útil (véase la figura 3).

[Energía obtenida del calor. El ciclo de Rankine que transforma el calor en electricidad en plantas de energía también puede reciclar el calor residual de la industria.]

Pero como el ingeniero francés Sadi Carnot demostró en 1824, hay un límite fundamental en la eficiencia de ese ciclo. Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, más eficiente será el ciclo; por tanto, los ingenieros a menudo se refieren al calor de “alta calidad”, indicando que la fuente está mucho más caliente que lo que la rodea. Sin embargo, independientemente de la bondad de la tecnología, siempre se pierde algo de calor. En el caso del ciclo de Rankine, es principalmente la energía cedida por el vapor cuando se reconvierte en agua. En principio, se puede extraer más trabajo mecánico del calor sobrante, siempre que haya algo de diferencia con el entorno. “Pero normalmente –relató Ghoniem–, a causa de su baja calidad, es necesario esforzarse más para obtener esa energía.”

Precisamente por esta causa las empresas recicladoras de energía intentan obtener primero en calor de alta calidad. Por ejemplo, en West Virginia Alloys, el calor de los gases de combustión de los hornos a 800 °C se puede utilizar para hervir agua, que producirá energía mediante un ciclo estándar de Rankine. Y hay muchos otros ejemplos, aseguró Casten, como una fábrica de cal en Nevada, con hornos cerámicos alimentados con piedra caliza, carbón pulverizado y oxígeno. “Podías sentir el calor a una distancia de más de 10 metros”, recordaba Casten. Tradicionalmente, las industrias a gran escala como las fundiciones y las refinerías de metales han producido grandes cantidades de energía que no se emplean en nada excepto calentar el aire circundante.

Aunque estos objetivos pueden ser tentadores, hay muchas oportunidades de recuperar el calor de baja calidad despedido en la industria química, la fabricación de papel y otras incontables industrias. RED está analizando los gigantescos hornos que se usan para secar las grandes placas de yeso (para paredes prefabricadas): el consumo de energía representa más del 80% del coste de dichas placas de yeso. La temperatura de los gases de combustión es menor de 200 °C, lo que hace difícil obtener alguna eficiencia de un ciclo de Rankine basado en agua. Sin embargo, es posible aplicar el mismo principio pero reemplazar el agua con líquidos más volátiles como freón, propano o butano, de manera que se pueda extraer trabajo mecánico con diferencias de temperatura más modestas.

Mientras tanto, en el límite de la alta tecnología están los sistemas de recuperación de calor residual basados en materiales termoeléctricos en estado sólido que generan electricidad directamente a partir de un gradiente de temperatura. Los dispositivos termoeléctricos disponibles comercialmente pueden alcanzar una eficiencia de Carnot del 15-20% para una diferencia de temperatura dada, relató Jeff Snyder, científico de materiales del Instituto Tecnológico de Pasadena, California, lo que los hace menos eficientes y más caros que un dispositivo de Rankine que haga el mismo trabajo. No obstante, su tamaño compacto y la ausencia de partes móviles hacen de los generadores termoeléctricos una atractiva opción para la industria automovilística. Por ejemplo, BMW y Volkswagen han anunciado sistemas prototipo que podrían producir electricidad del calor de los gases de combustión del motor.

Los investigadores están explorando composiciones químicas más exóticas y materiales diseñados por ingeniería con nanoestructuras que disminuyan la conductividad térmica, reduciendo así el flujo de calor y facilitando la captura de su energía. Cualquier calor que fluya totalmente por un material se pierde, aseguró Snyder. Estos sistemas probablemente no serán capaces de competir con la tecnología del ciclo de Rankine en una fábrica, afirmó, pero es realista pensar en añadir generadores termoeléctricos a los vehículos con un coste de unos pocos cientos de dólares.

El mayor infractor
Globalmente, una de las ineficacias más manifiestas es la quema de combustibles fósiles para generar electricidad. Aproximadamente dos tercios de la electricidad mundial se produce de esta manera según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre Energía de 2005, mientras que la eficiencia de conversión de las plantas convencionales de carbón o petróleo es de un tercio.

Las nuevas plantas de energía eléctrica que funcionan con gas natural o syngas (gas de síntesis), una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono creado por gasificación de carbón, pueden lograr mayores eficiencias mediante un sistema de ciclo combinado, en el que la combustión del gas impulsa un primer conjunto de turbinas, mientras que los gases de combustión de esa etapa generan vapor que mueve otro segundo conjunto de turbinas. Los ciclos combinados producen eficiencias del 55% o más, aseguró Ghoniem. La gasificación es un uso más limpio pero más caro del carbón, mientras que el gas natural se usa en plantas “fluctuantes”, que pueden conectarse o desconectarse rápidamente según lo requiera la demanda. Por tanto, los sistemas de ciclo combinado han supuesto una considerable mejora en la eficiencia media de la conversión de combustibles fósiles en electricidad.

[“La producción separada de electricidad y calor es una locura total.” Thomas Casten]

No obstante, ningún método de producir electricidad mediante combustión puede evitar una ineficacia sustancial por la pérdida de calor, lo que pone a las empresas de servicio público en una posición ridícula al tener que perder grandes cantidades de calor residual para producir electricidad que se emplea para producir calor en otra parte, como hornos voltáicos, secadores de pelo y sistemas de calefacción. ¿Por qué no usar directamente el calor residual? “La producción separada de electricidad y calor es una locura total”, aseguró Casten, quien señaló que la planta construida por Thomas Edison en Manhattan en 1882 para proporcionar electricidad a la floreciente ciudad también mandaba su calor residual a través de tuberías para calentar los edificios cercanos. Este sistema combinado de electricidad y calor (CEC) sigue en Nueva York, dirigido por la Consolidated Edison y proporcionando calor a unos 100.000 edificios.

Sin embargo, el énfasis está en la palabra “cercano” porque el calor no viaja tan bien como la electricidad. Así, en Estados Unidos, donde el sistema eléctrico evolucionó en el siglo xx hacia grandes plantas de producción situadas en zonas lejanas, este despliegue municipal de sistemas CEC no es frecuente. Sin embargo, otros países hacen las cosas de manera diferente.

Quizá el ejemplo más notorio es Dinamarca, que ha implantado políticas nacionales de energía que la han colocado a la vanguardia de la eficiencia energética, así como en el uso de fuentes renovables, principalmente la energía eólica. Aproximadamente la mitad de la electricidad danesa proviene de plantas CEC: algunas grandes, que cambiaron de petróleo a carbón después de la crisis del crudo de los setenta, y miles de pequeñas y medianas, que sirven a comunidades más reducidas y que en su mayoría funcionan con gas natural. Algunas unidades locales también queman astillas de madera, paja y otros tipos de biomasa y residuos de las casas. “Se quema todo lo que se puede quemar”, declaró Per Lund, director de desarrollo de sistemas de Energinet.dk, empresa estatal de Fredericia que proporciona la red eléctrica de Dinamarca.

Parte del éxito en Dinamarca con el CEC es una cuestión geográfica: las plantas CEC más grandes están situadas en la orilla y utilizan agua del mar como refrigerante. Puesto que las mayores diferencias de temperatura permiten mayor eficiencia, estas plantes consiguen eficiencias de más del 90% en términos de electricidad y calor útil obtenido del combustible, Durante los pasados 25 años, el consumo danés de energía ha permanecido más o menos constante aunque su producto interior bruto (PIB) ha crecido un 75%, lo que da la “intensidad eléctrica” más baja de la Unión Europea, medida como consumo energético por unidad de PIB.

Sin embargo, el éxito de Dinamarca también se deriva de una mezcla de estrictas limitaciones, inversiones gubernamentales y respuestas de libre mercado. Por ejemplo, relató Lund, hubo una significante inversión nacional para instalar tuberías bajo tierra que distribuyen agua caliente en pequeñas comunidades de unas 500 casas. En los distritos CEC, que incluyen el 60% de la población, los residentes deben obtener su calefacción doméstica del sistema centralizado. Al mismo tiempo, los inversores privados que ven una oportunidad rentable en proporcionar energía adicional pueden proponer libremente la construcción de una nueva unidad CEC. Asimismo, las industrias que invierten en equipamiento para capturar y desviar su calor residual pueden recuperar parte del coste vendiendo este calor al CEC local.

Mantenerse al ritmo de los competidores
En Estados Unidos, Kathey Ferland, director de proyectos de Texas Industries of the Future, una organización asesora de Austin, señala que las refinerías de petróleo y las plantas químicas que utilizan gran cantidad de energía hace tiempo que utilizan los sistemas CEC para conseguir eficiencias internas. “Lo que más parece motivarles es asegurarse de que al menos están haciendo lo mismo que sus competidores”, aseguró.

Sin embargo, en Texas, Ferland afirmó: “Muchos de los emplazamientos económicamente buenos se han terminado”, y para operaciones más pequeñas la inversión que requiere el CEC puede ser difícil de llevar a cabo o claramente desfavorable. Por ejemplo, una planta que emplee CEC para cubrir sus necesidades energéticas básicas puede reducir sus picos de consumo eléctrico –una fracción significativa que la que viene de la energía eólica de Texas–, a la vez que utilizar la red eléctrica cuando las necesidades son mayores. Por tanto, el sistema CEC compite desproporcionadamente contra la electricidad más barata y limpia medioambientalmente, sin eliminar la necesidad de las plantas eléctricas convencionales.

Por tanto, un sistema de precios de electricidad con precios más bajos durante el día para evitar los picos de consumo puede crear un “desincentivo” actuando contra otros objetivos deseables, aseguró Chris Marnay, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de California. “La forma de las tecnologías con éxito está determinada tanto por la situación regulatoria como por la realidad de la ingeniería.” En un estudio sobre edificios comerciales de media escala, Marnay y sus colegas encontraron que el CEC tenía sentido económicamente para un edificio hipotético en California, pero no para el mismo edificio en Nueva York, principalmente a causa de las diferencias en la disposición de la tarifa eléctrica.

Supervisión nacional
Estas variaciones regionales surgen porque la regulación de la electricidad ha estado tradicionalmente en manos estatales. En 1978 el decreto Public Utility Regulatory Policies modificó ese panorama obligando a las empresas públicas de electricidad –en ese momento un grupo de monopolios regionales y locales– a comprar electricidad de productores independientes. La supervisón se dejó en manos de cada estado, quienes aceptaron la tarea con variados grados de entusiasmo, ya que la ley concedió a esas empresas una considerable influencia sobre el precio que podían pagar por la electricidad producida independientemente.

En contraste, el gobierno danés convirtió la expansión del CEC en la política nacional que comenzó en los ochenta, lo que obligó a los operadores de red eléctrica a pagar por la potencia utilizada a un precio fijo. La capacidad garantizada de vender electricidad estimuló a las empresas privadas a construir plantas CEC relativamente pequeñas. La misma estrategia está detrás del rápido crecimiento de la energía solar y eólica en Dinamarca y Alemania. En ambos casos, las redes fueron legalmente obligadas a comprar energía renovable. La energía eólica, que ahora proporciona el 20% del suministro de electricidad en Dinamarca, comenzó como un movimiento local de “aficionados felices”, comentó Lund, con los granjeros instalando turbinas fabricadas por las mismas empresas que forjaban los arados y construían los tanques de agua. En la actualidad, sin embargo, las turbinas eólicas son un gran negocio y están fabricadas por un conjunto de grandes empresas.

Para entonces, los ingenieros eléctricos, acostumbrados a trabajar con redes que transmitían la energía a amplias áreas desde unas pocas gigantescas plantas generadoras, dudaban que el nuevo sistema funcionase correctamente, declaró Thomas Ackermann, director ejecutivo de Energynautics en Langen, Alemania, una consultora sobre energía. Un cierto número de estudios daneses sostenían que la generación distribuida –con la electricidad procedente de muchos proveedores de pequeña capacidad– no se podía llevar a cabo. Y “no se llevó a cabo en el sentido de que nadie lo planeó activamente”, afirmó. “En vez de eso, el sistema regulatorio permitió la inversión privada y nadie pudo pararles.”

Como resultado, Dinamarca está evolucionando hacia un creciente sistema de generación distribuida, en el que la electricidad no fluye simplemente de “arriba abajo”, sino que también puede hacerlo de “abajo arriba” desde múltiples unidades generadoras más pequeñas. Esto requiere muchos cambios en la manera de dirigir la energía a través la red mediante transformadores de bajo a alto voltaje. Una política unificada de inversión privada apoyada por subvenciones gubernamentales estimuló la construcción de plantas eléctricas de capacidad moderada y los operadores de la red podían pasar el coste a los consumidores a través de las tarifas vigentes. Pero en muchos países estas transformaciones dudaron ante la cuestión de quién las pagaría, afirmó Ackermann.

Éste es el típico caso de Estados Unidos, donde los esfuerzos por desregular los antiguos monopolios han sido poco sistemáticos. “Uno de los primeros problemas es que la gente no se entiende, cada uno tiene una perspectiva diferente y una manera distinta de ver el sistema”, aseguró Ackermann. Una pregunta común es si un sistema de generación distribuida con muchos proveedores pequeños puede asegurar que se cubrirán las fluctuaciones de la demanda.

Sin embargo, aseguró Ackermann, en una inversión del cliché estándar del mercado libre de Estados Unidos y la Europa socialista, “nosotros no hablamos de garantizar la energía eólica o de otras fuentes todo el tiempo; simplemente creemos que el mercado podrá arreglárselas”. En Alemania, comentó, un pico de la demanda puede ser de unos 74 gigavatios y el mercado puede proporcionar hasta 120 gigavatios, así que cuando la demanda fluctúa, los productores más caros entran y salen del mercado y el precio de la electricidad sube y baja. “Este sistema es uno de los mejores del mundo en términos de fiabilidad”, aseguró Ackermann. También expone que la mayor carga regulatoria de Estados Unidos ha inhibido el desarrollo de una capacidad generadora diversificada, de manera que la infraestructura desarrollada es mínima.

¿El cambio que necesitamos?
Sin embargo, se puede palpar un futuro cambio. En su vista de confirmación para el Senado, Steven Chu, antiguo director del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y actual secretario de energía estadounidense, declaró que “un uso más eficiente de la energía en Estados Unidos es un gran factor que puede ayudarnos a reducir nuestra dependencia de petróleo extranjero”. Los paquetes de estímulo económico firmados por el presidente Obama el 17 de febrero incluyen una modesta subvención federal para proyectos CEC y de energía reciclada. Éste es el primer incentivo federal de generación de eficiencia desde 1986”, declaró Casten, aunque añadió que el proyecto promete mucho más apoyo para las fuentes de energía renovable, “lo que no es una buena forma de gastar dinero”. Él espera que cuando Chu habla de eficiencia no se refiera únicamente a mejores electrodomésticos y mejor aislamiento. “El resultado final es que no podemos esperar una atenuación del cambio climático a menos consigamos eficiencia en la generación de energía térmica y eléctrica.”