Descarbonización y reducción de costes en sistemas de calentamiento industrial con calderas eléctricas de aceite térmico

La adopción de calderas eléctricas de aceite térmico ha experimentado un gran auge en los últimos años, lo cual está en línea con la tendencia general de electrificación y descarbonización que se está llevando a cabo en numerosos procesos industriales. La instalación de una caldera eléctrica de fluido térmico permite descarbonizar los procesos de calentamiento industrial operados mediante sistemas de fluido térmico.

Los principales motivos para esta transición son económicos y medioambientales:

1. Las calderas eléctricas acostumbran a tener unos menores costes operativos, ya que necesitan menos mantenimiento y no requieren de la manipulación y almacenamiento de combustibles peligrosos. Adicionalmente, cuando el precio de la electricidad es inferior al del gas, los costes operativos disminuyen todavía más.
2. La sustitución de calderas de fluido térmico que funcionan mediante combustión por calderas eléctricas de fluido térmico contribuye al proceso de descarbonización de procesos industriales. Esto se debe a que las calderas que funcionan por combustión de combustibles fósiles, como el petróleo o el gas natural, emiten dióxido de carbono y otros contaminantes atmosféricos. Al reemplazarlas por calderas eléctricas, se evita la emisión directa de CO2 y otros gases de efecto invernadero en el proceso de calefacción.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que el impacto real en la descarbonización dependerá de la fuente de electricidad utilizada para alimentar las calderas eléctricas. Si la electricidad proviene principalmente de fuentes de energía renovable, la contribución a la descarbonización será significativa. Si la electricidad todavía se genera en su mayoría a partir de combustibles fósiles, la reducción de emisiones será menos pronunciada.

En numerosas ocasiones, la caldera de combustión es mantenida por el cliente como backup de la caldera eléctrica, o como soporte en momentos en que haya picos de producción, o cuando los costes energéticos así lo aconsejen.

Otras ventajas de la transición a una caldera eléctrica de fluido térmico

Además de las mencionadas ventajas económicas y medioambientales, la implantación de calderas eléctricas de aceite térmico ofrece otros beneficios adicionales:

• Las calderas eléctricas son más eficientes que las calderas de combustión tradicionales, ya que requieren menos energía para lograr el mismo nivel de producción térmica, lo que a su vez reduce el consumo de energía y las emisiones asociadas.
• Las calderas eléctricas reducen la emisión de varios contaminantes. Además de dióxido de carbono, las calderas de combustión emiten otros contaminantes atmosféricos, como óxidos de nitrógeno, partículas y compuestos orgánicos volátiles, que no se emiten con calderas eléctricas.
• Ocupan menos espacio y ofrecen una mayor flexibilidad en cuanto a su ubicación, ya que no requieren la infraestructura de almacenamiento de combustible asociada con las calderas de combustión.
• Las calderas eléctricas suelen ofrecer un mayor grado de control y automatización en comparación con las calderas de combustión. Esto permite ajustar con precisión la producción de calor según las necesidades específicas, lo que puede mejorar la eficiencia.
• La adopción de calderas eléctricas puede ayudar a las empresas a cumplir con regulaciones ambientales y evitar posibles sanciones o multas.

Factores a considerar antes de la sustitución

Al considerar la sustitución de una caldera de fluido térmico por combustión por una caldera eléctrica, es importante analizar diversos factores que garanticen que la eficiencia del proceso obtendrá las mejoras deseadas:

• Asegurar que la nueva caldera satisface, de forma eficiente y fiable, la demanda de calor y capacidad requeridas.
• La caldera eléctrica debe ser capaz de proporcionar un rendimiento similar o superior en términos de conversión de energía en calor.
• Analizar costes de inversión y comparar los costes operativos de ambas calderas, que incluyen el precio de la electricidad y el coste de mantenimiento.
• Disponibilidad y origen de las distingas fuentes de energía, especialmente cuando el cambio está orientado a un proceso de descarbonización.
• Asegurarse de que la infraestructura eléctrica existente pueda manejar la carga adicional de la caldera eléctrica y que no sea necesaria una inversión significativa en mejoras eléctricas.
• Comprender las regulaciones relacionadas con la instalación y operación de calderas eléctricas: permisos, estándares de seguridad, emisiones, etc.
• Evaluar cómo se integrará la caldera eléctrica con los sistemas de calefacción y procesos existentes en la planta. Analizar cómo la transición a una caldera eléctrica afectará a la capacidad productiva.
• Análisis de ciclo de vida: Considerar el impacto ambiental a lo largo del ciclo de vida de ambas opciones, desde la fabricación y la operación hasta el eventual desmantelamiento y eliminación.

La decisión de sustituir una caldera de fluido térmico a combustión por una caldera eléctrica debe basarse en una evaluación exhaustiva de estos factores y en la identificación de la opción que mejor se ajuste a las necesidades operativas, económicas y ambientales de la empresa.

Para ello, es imprescindible contar con la colaboración de un equipo de ingenieros y consultores especializados en energía y procesos industriales que puedan realizar un análisis completo y ofrecer el asesoramiento técnico necesario.

Sistemas híbridos con calderas en paralelo

Los sistemas de “calderas en paralelo”, o “sistema híbrido”, son aquellos en los que se cuenta con los dos tipos de calderas simultáneamente. La configuración en paralelo permite aprovechar las ventajas de ambos tipos de calderas para optimizar la eficiencia, la flexibilidad y la fiabilidad del sistema de calentamiento industrial.

Es fundamental realizar un análisis de ingeniería detallado antes de implementar un sistema de calderas en paralelo. Esto implica considerar la capacidad y compatibilidad de las calderas existentes, la infraestructura eléctrica disponible, los costos operativos y la eficiencia global del sistema. Un diseño adecuado y una planificación cuidadosa asegurarán que las calderas funcionen de manera óptima y cumplan con los objetivos de eficiencia y descarbonización de la instalación industrial.

Hay diversos motivos por los que se puede optar por un sistema híbrido con calderas en paralelo:

• Contar con los dos tipos de caldera permite reducir los costes operativos, ya que puede utilizarse una u otra en función de los precios del gas y la electricidad, optando por el tipo de caldera que tenga la fuente de energía más barata en cada momento.
• Las calderas en paralelo se pueden utilizar para complementar la capacidad y la demanda de calor de la instalación. La caldera de fluido térmico por combustión podría utilizarse como la principal fuente de calor durante los picos de demanda o cuando se requiere un suministro constante y elevado de calor. La caldera eléctrica podría entrar en funcionamiento en momentos de demanda baja o cuando se necesite una respuesta rápida y precisa a cambios en la carga térmica o viceversa.
• La combinación de calderas en paralelo brinda mayor flexibilidad operativa. Por ejemplo, cuando se necesita una cantidad significativa de calor adicional, ambas calderas podrían funcionar simultáneamente para satisfacer la demanda.
• Como se ha mencionado anteriormente, un motivo para implantar un sistema híbrido es mejorar la eficiencia del sistema de calentamiento e implementar un proceso de descarbonización en la empresa.
• Tener dos tipos de calderas proporciona un respaldo adicional en caso de falla de una de las unidades. Esto mejora la confiabilidad del sistema y reduce el riesgo de interrupciones en la producción debido a problemas técnicos.

Es importante contar con sistemas de control y automatización adecuados para garantizar que ambas calderas puedan trabajar juntas de manera eficiente y coordinada. Los sistemas de control deben ajustar la operación de cada caldera según la demanda de calor y otros factores.

Sistema híbrido inteligente

El departamento de I+D+i de Pirobloc está desarrollando un sistema inteligente que pueda acceder a una base de datos con los precios del gas y de la electricidad para decidir que caldera activar en función de cuál sea la fuente de energía más barata en cada momento.

Este enfoque puede tener varios beneficios potenciales:

• Optimización de costos: El sistema inteligente puede tomar decisiones informadas sobre cuál caldera utilizar en función de los precios actuales de las fuentes de energía. Esto podría ayudar a reducir los costos operativos al utilizar la fuente de energía más económica en cada momento.
• Eficiencia energética: Al elegir la fuente de energía más barata y eficiente en función de la demanda actual, el sistema podría contribuir a una mayor eficiencia energética en las operaciones industriales.
• Flexibilidad: El sistema podría adaptarse a las fluctuaciones en los precios y la demanda de gas y electricidad, permitiendo una mayor flexibilidad en la gestión del calor y la producción.
• Descarbonización: Si la electricidad proviene de fuentes de energía renovable o bajas en carbono, el sistema inteligente podría contribuir a una mayor descarbonización de la operación al priorizar la electricidad cuando sea más sostenible.
• Automatización: El sistema podría funcionar de manera autónoma, lo que reduciría la necesidad de intervención humana constante en la toma de decisiones sobre cuál caldera activar.
• Reducción de emisiones: Al usar la fuente de energía más barata y, potencialmente, más limpia en términos de emisiones, el sistema podría ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes.

CASO DE ESTUDIO 1: SUSTITUCIÓN DE CALDERA DE FLUIDO TÉRMICO POR DOS CALDERAS ELÉCTRICAS

1.- Objeto del estudio

Un cliente solicita un estudio para valorar la sustitución de 2 calderas de aceite térmico de 1.500.000 kcal/h de fueloil por 2 calderas eléctricas de menor potencia. Dicha potencia se ha de determinar mediante el estudio.

El cliente desea cambiar la rutina de trabajo, pasando de las actuales 10 horas diarias de trabajo a operar ininterrumpidamente, es decir, 24 horas al día. El objetivo es evitar el enfriamiento del producto almacenado (betún asfáltico) y que la función de las calderas sea mantener a temperatura estable el producto, sufragando las pérdidas al ambiente.

El cambio de combustible, pasando de fueloil a electricidad, es fruto del compromiso adquirido por el cliente para eliminar las emisiones a la atmósfera en su área de influencia.

Para esta transición energética el cliente solicita mantener una de las dos calderas existentes a modo de backup, pero cambiando de combustible fueloil a diesel, que es una opción menos contaminante que el fueloil.

2.- Situación actual

A petición de las navieras, el cliente debe mantener 5 tanques de betún asfáltico (9.000 TN) a 150ºC de temperatura para poder manipular y bombear el producto con facilidad.

Actualmente las calderas de 1.500.000 kcal/h (potencia unitaria) de fueloil están en funcionamiento simultáneamente durante 10 horas diarias, que es la duración de la jornada laboral. Al principio de la jornada las calderas trabajan al 100% de la potencia. Aproximadamente a media jornada se reduce la potencia hasta la primera marcha del quemador. Al terminar la jornada el cliente las para hasta la mañana siguiente donde empieza otra vez este ciclo de trabajo. Se estima que la pérdida de temperatura media por tanque es del orden máximo de 2ºC por día.

3.- Deficiencias detectadas

Esta manera de operar del cliente supone un exceso de consumo de combustible fueloil.

La operativa habitual de este tipo de plantas es justo la contraria, ya que la solución óptima es mantener de forma constante la temperatura del producto almacenado. De esa manera consiguen minimizar la potencia necesaria de las calderas y el consumo de la planta.

4.- Análisis de caudales

Se parte de la premisa que, para asegurar el correcto funcionamiento de toda la instalación, se tiene que conservar el mismo rango de caudal existente. De esa manera seguirá siendo válido todo el diseño de serpentines de calentamiento y demás elementos de control de la parte de aceite térmico que ya existen en la planta. Es por este motivo, que el estudio del cambio de potencia empieza por el estudio de caudales.

La línea principal de DN-150 (6”) puede admitir un caudal máximo del orden de 220 m3/h, siendo la velocidad del fluido inferior a 3,5 m/s, cumpliéndose la normativa vigente en este aspecto.

Por tanto, cada una de las dos calderas eléctricas se diseñará para admitir un caudal de 110 m3/h, resultando un tamaño de tubería de DN-125 y una velocidad del fluido de 2,5 m/s (óptima desde el punto de vista de pérdida de carga vs transferencia de calor).

5.- Análisis de la pérdida de carga

Para conocer la pérdida de carga real de la instalación, partimos de las bombas de impulsión existentes en las calderas de fueloil. Para ello, realizamos una simulación que permite estimar la pérdida de carga a partir del caudal nominal de cada bomba y los kW de los motores.

Tras la simulación, observamos que la pérdida de carga que puede vencer cada bomba existente es del orden de 6 bar_g @ 240ºC.

La pérdida de carga de las calderas eléctricas es ajustable desde un mínimo de 1,5 bar_ para la correcta lectura de la instrumentación. Por su parte, se estima que las calderas a remplazar tienen una pérdida de carga del orden de 2,5 bar_g.

Por lo que ajustaremos la pérdida de carga de nuestras calderas eléctricas a 1,5 bar_g, resultando equivalente para la instalación una selección de la bomba a una altura manométrica de 5 bar g.

Para seleccionar la bomba de cada grupo de recirculación de cada caldera eléctrica, partimos de los siguientes datos:

• Caudal de 110 m3/h
• Temperatura de trabajo del aceite térmico 240ºC
• Pérdida de carga: 5 bar_g

Tras los tests y simulaciones, obtenemos un motor de 30 kW, lo cual supone una reducción de 7 kW en el consumo eléctrico respecto de cada caldera instalada actualmente.

Cada bomba de impulsión de cada caldera eléctrica incorporará un variador de velocidad para su arranque y para que pueda adaptarse al punto óptimo de trabajo de la instalación actual.

6.- Análisis de la potencia requerida

Para determinar la potencia óptima a instalar partiremos de los distintos escenarios de trabajo solicitados por el cliente y del análisis de caudales realizado con anterioridad.

Datos aportados por el cliente:

• Pérdida energética actual trabajando 10 horas las calderas de fueloil: 2ºC/día
• Temperatura de consigna de las calderas: 240ºC
• Salto térmico real de las calderas (según SCADA): 10ºC

El cliente ha solicitado el análisis de distintos escenarios de diseño, teniendo en cuenta que el objetivo es mantener la temperatura de 5 tanques de betún asfáltico (9.000 TN) simultáneamente a 150ºC para que el producto sea fácilmente bombeable. Asimismo, el cliente indica que la cantidad de betún asfaltico que se ha de mantener a 150ºC de temperatura de forma más habitual es de 5.000 TN.

Cálculo de la energía calorífica necesaria para cada escenario:

• 9.000 TN @ dT 1ºC y dT 2ºC
• 9.000.000 kg · 0,516 kcal/kgºC · 1ºC = 4.644.000 kcal
• 9.000.000 kg · 0,516 kcal/kgºC · 2ºC = 9.280.000 kcal
• 5.000 TN @ dT 1ºC y dT 2ºC
• 5.000.000 kg · 0,516 kcal/kgºC · 1ºC = 2.580.000 kcal
• 5.000.000 kg · 0,516 kcal/kgºC · 2ºC = 5.160.000 kcal

Cálculo de la potencia para cada caldera eléctrica de aceite térmico, teniendo en cuenta los siguientes parámetros:

• Temperatura de consigna: 240ºC
• Caudal: 110 m3/h
• dT real calderas s/SCADA: 10ºC

Se obtiene una potencia unitaria de 600 kW (516.000 kcal/h) y una potencia total para ambas calderas de 1.200 kW (1.032.000 kcal/h)

• 9.000.000 kg · 0,516 kcal/kgºC · 2ºC = 9.280.000 kcal
• Potencia total del conjunto de dos calderas eléctricas de aceite térmico: 1.200 kW (1.032.000 kcal/h)
• Horas necesarias para conseguirlo: 9 horas aproximadamente de trabajo al 100% de la potencia

El escenario más desfavorable calculado corresponde a elevar 2ºC la temperatura de todos los tanques simultáneamente, ya que el cliente indica que esto ha sucedido en alguna ocasión.

En el caso de trabajar en el escenario más habitual y elevar 2ºC la temperatura:

• 5.000.000 kg · 0,516 kcal/kgºC · 2ºC = 5.160.000 kcal
• Potencia total del conjunto de dos calderas eléctricas de aceite térmico: 1.200 kW (1.032.000 kcal/h)
• Horas necesarias para conseguirlo: 5 horas aproximadamente de trabajo al 100% de la potencia

7.- Conclusiones

Se recomienda que las calderas operen 24 horas al día para mantener la temperatura de los tanques estable, con la finalidad de que las calderas únicamente tengan que paliar las pérdidas generadas al ambiente debidas al aislamiento térmico de los tanques principalmente. De esta manera se consigue disminuir el consumo medio de la instalación, que bajará drásticamente.

Para ello, se estima que la configuración ideal es instalar 2 calderas eléctricas de fluido térmico de 600 kW de potencia unitaria, siendo el total instalado 1.200 kW.

Las calderas eléctricas de aceite térmico tienen un rendimiento del 100%.

Apostamos por mantener a modo de backup una de las dos calderas ya existentes de 1.744 kW, pero cambiando de combustible fueloil a diésel. De esa manera se asegura la transición energética de la planta y el cambio de operativa de trabajo. Además, se deja de utilizar un combustible muy contaminante como es el fueloil.

8.- Potencia y consumos eléctricos

Como parte del estudio de ingeniería, se incluye un cálculo de la potencia requerida para operar las dos nuevas calderas eléctricas, así como distintas estimaciones del consumo eléctrico mensual que se llevaría a cabo en diferentes escenarios.

En este caso, el cliente necesita contratar:

• 1.860 A de potencia.
• Tensión de línea 3Ph 400 V 50 Hz.
• Acometida aconsejada para cada uno de los armarios de las calderas eléctricas: 4 cables flexibles de 1x 300 mm2.

Total 8 cables de 1×300 mm2 para las 2 calderas.

También se calcula la potencia consumida para poner a régimen la instalación de aceite térmico, que tiene en cuenta los siguientes parámetros

• 15.000 litros totales de aceite térmico.
• Temperatura inicial: 20ºC
• Temperatura final: 220ºC (Estimamos que como mínimo podremos bajar a esta temperatura con la nueva filosofía de trabajo).
• Densidad a 20ºC: 773 kg/m3
• Densidad a 220ºC: 837 kg/m3
• Densidad media: 805 kg/m3
• Calor específico a 20ºC: 0,52056 kcal/kg·ºK
• Calor específico a 220ºC: 0,60288 kcal/kg·ºK
• Calor específico medio: 0,56172 kcal/kg·ºK
• Potencia requerida: 15.000 litros · 805 kg/m3

0,56121 kcal/kgºK · 200 = 1.356.554 kcal (1.577 kW). Por lo que la potencia eléctrica requerida será de este orden 1.577 kWe.

En cuanto a los escenarios de consumo, se calculan estimaciones para un consumo máximo y para un consumo habitual con distintas horas diarias de operación.[/vc_column_text]

CASO DE ESTUDIO 2. INSTALACIÓN HÍBRIDA QUE COMBINA UNA CALDERA DE ACEITE TÉRMICO CON UNA CALDERA ELÉCTRICA

1 ‐ Objeto del estudio

El propósito de este estudio es evaluar la posibilidad de instalar una caldera eléctrica de fluido térmico en paralelo con la caldera actual de aceite térmico, que funciona con gas natural.

El cliente desea poder trabajar indistintamente con una u otra caldera según el precio del combustible (electricidad o gas natural).

2 ‐ Documentos de referencia

Se han tenido en cuenta los siguientes documentos para este estudio:

• Información técnica sobre el sistema actual.
• Información técnica sobre el sistema de bombeo actual.
• Información técnica sobre el aceite térmico del cliente.
• P&ID del sistema actual de aceite térmico.
• Diagramas eléctricos del sistema actual.

3 ‐ Descripción de la sala de calderas actual

La sala del calentador de fluido térmico está formada por los siguientes equipos principales:

• Caldera de fluido térmico que funciona con gas natural y tiene una potencia calorífica de 698 kW (600.000 kcal/h).
• Grupo principal de bombas de recirculación DN‐80 PN‐16. Doble ejecución. Caudal: 34 m3/h. Potencia del motor: 7,5 kW.
• Tanque de expansión de fluido térmico con una capacidad de 500 litros.
• Separador de aire.
• Tanque colector de fluido térmico con una capacidad de 3.000 litros.
• Grupo de bombas reversible para vaciado y llenado de la instalación. Potencia del motor: 0,55 kW.
  Panel de control principal con reguladores. 3Ph 400V 50Hz + N.

4 ‐ Selección técnica de equipos Piroblod

4.1. ‐ Potencia calorífica

Para asegurar un funcionamiento perfecto, se propone una caldera de la misma potencia que la existente. Potencia calorífica: 700 kW (602.000 kcal/h).

La caldera de fluido térmico debe ser capaz de cumplir las mismas restricciones de rampa de calentamiento que la caldera existente. Aseguramos que los tiempos de inicio del sistema serán los mismos después de una parada técnica.

Realizamos simulaciones con ambas calderas para asegurarnos de que los resultados que se obtienen sean los esperados por el cliente.

4.2. ‐ Selección de la bomba de fluido térmico

Para asegurar el funcionamiento adecuado de toda la instalación, se debe mantener el mismo rango de caudal existente. De esta manera, todo el diseño de los elementos de calefacción y control de la instalación térmica seguirá siendo válido.

La bomba del sistema existente tiene las siguientes características:

• TDC 50‐200
• 7,5 kW
• 3Ph
• 400V
• 50 Hz.
• Caudal: 34 m3/h

El tamaño del grupo principal de bombas de recirculación es DN‐80 PN‐16. La velocidad del fluido térmico dentro de esta tubería es de 1,98 m/s.

Nuestra recomendación es aumentar el caudal del nuevo calentador eléctrico de fluido térmico a 40 m3/h para facilitar el intercambio de calor y optimizar la hidráulica del sistema.

La tubería DN‐80 con una velocidad de fluido térmico de 2,33 m/s es válida para 40 m3/h.

Seleccionamos la siguiente bomba NTT 50‐200 11 kW. 3Ph 400V 50 Hz.

Antes de seleccionar la nueva bomba, hemos realizado simulaciones a 215ºC (temperatura de trabajo) y 40ºC (arranque en frío).

4.3. ‐ Cálculo del volumen total de fluido térmico del nuevo sistema

El tanque colector de fluido térmico existente tiene una capacidad de 3.000 litros y es válido para el nuevo sistema.

4.4. ‐ Cálculo del tanque de expansión para el nuevo sistema

El tanque de expansión de fluido térmico existente, que tiene una capacidad de 500 litros, no es válido para el nuevo sistema.

Proponemos un tanque de expansión de fluido térmico de 1.000 litros.

4.5. ‐ Cálculo de la potencia eléctrica necesaria para la nueva caldera de fluido térmico

• Caldera eléctrica de fluido térmico CE‐700 700 kWe
• Grupo principal de bombas de recirculación 23 kWe
• Control 2 kWe

Total kWe 725 kWe

Total A 1.163 A (3Ph 400V 50Hz)

En cuanto a los cables, se sugieren los siguientes:

• 3x Cables por fase de 240 mm2
• Total de 9 cables de 240 mm2

5 ‐ Sala de calderas propuesta

Se añadirán los siguientes equipos en la sala de calderas:

• Una caldera eléctrica de fluido térmico de la marca PIROBLOC. Modelo CE‐700. Potencia calorífica 700 kW (602.000 kcal/h).
• Grupo principal de bombas de recirculación DN‐80 PN‐16. Doble ejecución. Caudal 40 m3/h. Potencia del motor 11 kW.
• Nuevo depósito de expansión de fluido térmico con ejecución vertical y cilíndrica. Capacidad 1.000 litros. Para reemplazar el existente de capacidad 500 litros.
• Panel de control principal con PLC. 3Ph 400V 50Hz + N.
• Panel selector de calentador.

Se entrega al cliente un P&ID con la sala de calefacción propuesta.

El informe de ingeniería también incluye lo siguiente:

• Nuevas dimensiones de la sala de calderas.
• Controles de la sala de calderas: a través de un panel selector de calderas podemos elegir la caldera con la que queremos trabajar en un momento determinado. Este estará ubicado fuera de la sala de calefacción entre el panel de control de la caldera antigua y el panel de control de la nueva caldera de PIROBLOC.
• Modificaciones a la sala de calderas actual.
• Puntos de conexión: conexiones de entrada y salida de fluido térmico; modificaciones del tanque colector actual, que incluyen conexiones a la válvula de seguridad de la caldera eléctrica de fluido térmico y la línea de drenaje del CE-700; conexiones al nuevo tanque de expansión; conexiones al panel de control principal, que estará ubicado fuera de la sala de calderas entre el panel de control de la caldera antiguo y el nuevo panel de control de Pirobloc.