Investigación en nuevas Tecnologías para la Valorización Industrial de Corrientes Térmicas Residuales

Proyecto financiado por el Departamento de Desarrollo Económico, Sostenibilidad y Medio Ambiente del Gobierno Vasco (Programa HAZITEK 2023) y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Proyecto

BEROA+ aspira a desarrollar una solución integral de bomba de calor de alta temperatura para la recuperación y revalorización del calor residual de procesos.

La investigación aborda 3 tecnologías clave: HTHP, VHTHP y AHT. Y, al mismo tiempo, desarrolla sistemas complementarios que faciliten su integración en los procesos productivos: métodos para la generación de vapor, el almacenamiento térmico y el control inteligente del conjunto.

Los desarrollos del proyecto se materializarán en la construcción y ensamblado de tres prototipos de bomba de calor, que se demostrarán y validarán en laboratorio emulando procesos y demandas industriales reales.

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Motivación

En un contexto marcado por la urgencia de abordar el cambio climático, los sectores industriales afrontan ambiciosos objetivos de descarbonización, acompañados por incentivos y regulaciones que promueven la sustitución del uso de combustibles fósiles por tecnologías más sostenibles.

Al mismo tiempo, en Europa el 17% del consumo energético de la industria acaba dilapidándose como calor residual, fundamentalmente de baja temperatura, debido a la falta de madurez de tecnologías que permitan su reutilización.

Frente a estos retos, las bombas de calor industriales emergen como una solución prometedora para la recuperación y revalorización – el incremento de temperatura – de esa energía residual. De esta forma, no sólo posibilitan su reutilización en otros procesos, mejorando así la eficiencia energética de la planta, sino que, al mismo tiempo, permiten electrificar el aporte de calor, reduciendo el uso de combustibles fósiles.

Sin embargo, la tecnología actualmente disponible limita la temperatura máxima de trabajo que se puede alcanzar, y es necesario avanzar en su desarrollo tecnológico para que, en un futuro cercano, las bombas de calor den respuesta a aplicaciones en el rango de 100-200°C. Su potencial de despliegue es amplio: en Europa, el 66% de la energía consumida en la industria se destina al calentamiento de procesos, de la que el 37% corresponde a temperaturas de trabajo por debajo de 200°C. Entre los sectores en los que predominan procesos con este nivel térmico están la Alimentación, la Pasta y papel y el sector Químico.

Retos tecnológicos

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El uso de refrigerantes de bajo Poder de Calentamiento Atmosférico (PCA), compatibles con las altas temperaturas de trabajo.

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La compatibilidad de la lubricación con el refrigerante y las temperaturas de trabajo: miscibilidad, viscosidad, degradación, etc…
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La optimización de la absorción adiabática en ATH.
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La utilización de fluidos de trabajo alternativos al par LiBr-H2O, con mejores propiedades frente a la corrosión y cristalización producidos en los AHT ante cambios no controlados de operación.
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El desarrollo de algoritmia de control basada en técnicas machine learning e IA..

Se trata de barreras que debemos superar para poder explotar plenamente el potencial de esta tecnología.

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Los objetivos del proyecto se estructuran en:

PROCESOS DE SOPORTE

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Identificación de los procesos industriales de los sectores de Papel y Alimentación con mayor potencial para la recuperación y revalorización de calor a través de las tecnologías investigadas, y análisis de los requerimientos de los usuarios finales en cada uno.

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Desarrollo de herramientas de planificación prospectiva de empresas industriales para la definición de hojas de ruta de descarbonización.

TECNOLOGÍAS CLAVE

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Diseño, optimización y prototipado de nuevos sistemas para la revalorización de calor residual de baja temperatura: HTHP, VHTHP y AHT.

SISTEMAS COMPLEMENTARIOS QUE FACILITARAN LA INTEGRACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS EN LOS PROCESOS PRODUCTIVOS

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Desarrollo de sistemas generación de vapor directa y mediante tanque flash.

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Análisis de tecnologías de almacenamiento térmico para la operación en sistemas discontinuos: materiales de cambio de fase PCM y almacenamiento termoquímico TCM.
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Investigación de sistemas de control inteligente que permitan optimizar la eficiencia del conjunto mediante técnicas basadas en IA
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INVESTIGACIÓN EN NUEVAS TECNOLOGÍAS PARA LA VALORIZACIÓN INDUSTRIAL DE CORRIENTES TÉRMICAS RESIDUALES

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Resultados

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Identificación de las oportunidades, barreras y requerimientos de la industria para la descarbonización de procesos de baja temperatura a través de tecnologías de revalorización de calor.

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Prototipo de bomba de calor de alta temperatura, HTHP, de hasta 120ºC.

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Prototipo de bomba de calor de muy alta temperatura, VHTHP, de hasta 160ºC.

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Prototipo de transformador de calor por absorción (AHT), incorporando una cámara adiabática para alcanzar un nivel de revalorización de hasta 160ºC.

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Demostración y validación de los prototipos en un entorno de laboratorio, emulando procesos y demandas industriales reales. Caracterización experimental y análisis tecno-económico extrapolado a nivel industrial.

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Diseño, fabricación y caracterización de un generador de vapor mediante tanque flash para su integración con VHTHP y AHT, así como de un generador de vapor directo con VHTHP.

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Control avanzado basado en técnicas machine learning e IA para la hibridación de las tecnologías de revalorización, generación de vapor y almacenamiento y la optimización de su funcionamiento en un intervalo amplio procesos, temperaturas y condiciones de operación.

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Modelado dinámico y comparativa de diferentes alternativas de almacenamiento térmico mediante PCM en función de las temperaturas de trabajo: densidad de almacenamiento, la velocidad de carga y descarga, etc.

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Análisis dinámico de un AHT con almacenamiento termoquímico TCM integrado. Comparación tecno-económica respecto a la combinación de un AHT con almacenamiento PCM.

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Elaboración de hojas de ruta de descarbonización de los usuarios industriales finales considerando las principales tendencias tecnológicas y los nuevos modelos de negocio.

Consorcio

BEROA+ es un proyecto en colaboración, liderado por la ingeniería Tamoin, en el que participan 10 empresas. Entre ellas, 4 fabricantes de tecnología, 2 especialistas en la digitalización de procesos industriales y 3 usuarios finales de los sectores de fabricación de papel y alimentación.

El proyecto cuenta también con el apoyo de 3 agentes de la Red Vasca de Ciencia, Tecnología e Innovación (RVCTI).

Tamoin
Frigoplan
Sedical
Arrospe
Aratt
Miesa
genelek
papresa
natra
unilever
tecnalia
bcam
cluster

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JON FERNANDEZ LUZURIAGA

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