Cemento Sustentable

Potencial para reducir las emisiones de CO2 con energía solar

Huella de Carbono vs. Cemento Sustentable

Hoy en día, el proceso de producción de cemento es uno de los procesos industriales más cruciales en todo el mundo proporcionando, por un lado, la materia prima más importante para la construcción y otras actividades relacionadas con la misma, y por otro, siendo una de las principales fuentes de emisiones de CO2 (8% de las emisiones antropogénicas). En 2020 se produjeron alrededor de 4.1 Gt de cemento, que emitieron aproximadamente 2.28 Gt de CO2 a la atmósfera. Un tercio de las emisiones de CO2 se debe a la quema de los combustibles fósiles necesarios para la calcinación del carbonato cálcico o calcita (CaCO3) y sinterización que consume una energía de 3.5 – 5.2 GJ/tonelada de clinker. Sin embargo, dos tercios surgen de la propia reacción química y se declaran emisiones inevitables.

Estos hechos, principalmente desde la perspectiva de la protección del clima, suponen un importante incentivo para encontrar formas de producir cemento con emisiones bajas o nulas. Muchas empresas se han comprometido a ello con correspondientes objetivos de emisiones, incluyendo tres de los cinco mayores fabricantes de cemento del mundo: HeidelbergCement, LafargeHolcim y CEMEX. La hoja de ruta para la reducción de las emisiones en la industria chilena de cemento se enfoca en la producción de cemento y hormigón sobre toda la cadena de valor. Eso implica actuar a nivel del clinker en el uso de combustibles alternativos (co-procesamiento), el contenido de clinker en el cemento y la eficiencia energética térmica y eléctrica.

Aquí es donde se encuentran los esfuerzos actuales al uso de neumáticos y aceites usados, mezclas de plásticos y papel no reciclados, combustibles líquidos y sólidos alternativas. Adicionalmente, se han firmado en los últimos años acuerdos con proveedores de energía para asegurar el suministro de electricidad proveniente un 100% de energías renovables. Lo que no está incluido - y que también se aplica a la hoja de ruta internacional - es el análisis del potencial de las tecnologías alternativas de integración del calor solar y de captura de carbono.

© Heildelberg Cement

Oportunidades de Integración de Calor Solar

La integración de calor solar puede tener lugar a través de varios de los procesos individuales sucesivos de la combustión de clinker (precalentador, precalcinador, horno rotatorio) que requieren calor térmico. 

El mayor impacto en la reducción de las combustibles fósiles es la sustitución de la energía térmica del horno rotatorio y del precalcinador convencionales (80% del consumo total de energía térmica de la cementera). Eso podría conseguirse con un sistema solar de concentración compuesto por una torre solar, un campo de heliostatos y un almacenamiento termoquímico. Para alcanzar las altas temperaturas (900 – 1.400 °C), lo que todavía concluye en mayores desafíos, se puede utilizar como fluido de transferencia de calor una mezcla de vapor de agua y dióxido de carbono (gases de efecto invernadero). 

Otras posibilidades son una combustión hibrida, solar con combustibles verdes alternativos (gas de síntesis renovable o hidrógeno verde) para sustituir la llama del quemador. Los otros subprocesos del sistema de torre de precalentamiento, la preparación y molienda de la materia prima, el enfriamiento del clinker así como el precalentamiento del combustible y del aire de combustión ya están optimizados energéticamente hasta ahora mediante sistemas de recuperación de calor de la corriente de gases de escape del horno rotatorio. En cuanto a esto, es necesaria una hibridación solar gradual en las plantas de cemento existentes en los próximos años para lograr un aumento a escala industrial y conseguir la neutralidad del carbono hasta 2050.

© Fraunhofer Chile Research

Un estudio detallado al respecto elaboró Fraunhofer Chile Research, el que analiza la integración solar en una planta de producción de clinker de 3.000 toneladas diarias en el norte de Chile mediante el precalentamiento del aire de combustión primario del horno rotatorio con un sistema de colectores solares parabólico y un almacenamiento térmico de 12 horas.

Las simulaciones realizadas en TRNSYS resultan en un rendimiento térmico anual de entre 4,1 a 24,4 GWhth (tres diferentes sistemas de horno) con una radiación directa anual de 3 964 kWh/m2a, lo que se supone en un ahorro de combustibles y una tasa de reducción de CO2 de entre 0,77 y 1,55 %. Para ilustrar esta cantidad de ahorro, se puede comparar con las emisiones de CO2 anuales del tráfico de automóviles (emisiones de CO2 de 140 g/km, consumo de combustible 5,5 L/100km, 10 000 km de conducción al año). Esto significa una evitación de la misma cantidad que emiten 1 000 a 5 928 coches en un año a la atmósfera (se refiere aproximadamente al número de coches que tiene una ciudad del tamaño como San Felipe con 69.617 habitantes). Con esta integración del sistema, se puede conseguir un LCOHth entre 39,2 USD/MWhth y 80,6 USD/MWhth, pero respecto al bajo coste de carbono (6,93-10,3 USD/MWhth), el bajo impacto del impuesto de carbono en Chile (1,7 USD/MWhth) y el tiempo de retorno de la inversión de más de 50 años, no parecen competitivos.

Por lo tanto, hay que seguir investigando la integración solar en el proceso de la combustión de clinker con rendimientos significativamente mayores. Por ejemplo, el trabajo de S. Salehin et al. (2020) investigaba la sustitución de energía térmica y eléctrica por una hibridación solar en una planta de cemento.

 

Expectativas y Perspectivas de Proyectos Prometedores

El camino para lograr la reducción de las emisiones de CO2 en la industria del cemento hasta 2050 no se centra únicamente en el aumento de la eficiencia energética térmica o en el cambio de combustibles por otros alternativos. De hecho, deben desarrollarse e implementarse tecnologías innovadoras como la captura de carbono en las plantas de cemento actuales, así como la reutilización del CO2 en conexión con el hidrógeno verde para producir combustibles sintéticos.

De todos modos, para estas necesidades de cambio de combustible, una década de investigación está empezando a dar como resultado los primeros proyectos piloto conjuntos en asociaciones con empresas cementeras y empresas dispuestas a probar alternativas solar novedosas.

© Synhelion

Synhelion, empresa derivada de ETH de Zúrich (2016), busca proporcionar calor de proceso de alta temperatura para procesos industriales de alto consumo energético (clinker, acero y otros), capturar las emisiones de CO2 y producir combustibles solares (tecnología sun-to-liquid), que sean compatibles con la actual infraestructura mundial de combustibles y reduzcan las emisiones netas de CO2 hasta 100%. 

Heliogen, una empresa de energía limpia, fundado en 2013 y apoyada por Bill Gates, que está desarrollado una energía rentable casi 24/7 sin emisiones de carbono a través de la energía solar térmica de concentración en forma de calor (HelioHeat), electricidad (HelioPower) o combustible de hidrogeno verde (HelioFuel) a escala industrial.

 SOCRATCES (Solar calcium-looping integration for thermo-chemical energy storage), un proyecto financiado por la Comisión Europea (Horizon 2020), tiene como objetivo demostrar la viabilidad de la integración de CSP a través de CaL (calcium-looping) en la industria del cemento y reducir los riesgos básicos de la ampliación de la tecnología y resolver los desafíos.

Para el mercado chileno del cemento, la sustitución térmica solar juega un papel menor debido a los combustibles alternativos líquidos y sólidos, mientras que la captura de carbono - debido a las emisiones inevitables - juega un papel mucho más importante para alcanzar los objetivos de sostenibilidad fijados para 2030 y 2050 por los 3 principales fabricantes de cemento: Cemento Bío Bío, Cemento Melón y Cemento Polpaico. Sin embargo, hay que tener en cuenta la importancia del recurso solar en Chile y al mismo tiempo el gran potencial de la vinculación de CCU en proyectos de hidrógeno verde y su producción de combustibles sintéticos verdes a través de energía solar. Las cuatro plantas de clinker están situadas en la Región Metropolitana y en el Norte de Chile, donde hay una fuente solar suficiente, la infraestructura necesaria, clientes y consumidores potenciales para un modelo de negocio rentable. La ampliación de las oportunidades de exportación en el extranjero a través de las conexiones portuarias y el aumento de los impuestos sobre el carbono son también otros factores clave.

Es así que desde Fraunhofer Chile se invita a a los actores políticos, financieros e industriales a impulsar la investigación y el desarrollo de tecnologías aplicables para alcanzar los objetivos climáticos en una industria que es fundamental para el desarrollo nacional.

Para para mayor información pueden contactar a:

 

Maria Teresa Cerda

Contact Press / Media

MSc. Maria Teresa Cerda

Líder Grupo Sistemas Solares Térmicos y Subdirectora CSET

Centro de Tecnologías para Energía Solar

Phone +562 2378 1660

Alexander Schmitt

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MSc. Ing. Alexander Schmitt

Ingeniero Investigador

Centro de Tecnologías para Energía Solar

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