Introducción
La demanda de combustibles fósiles para generar calor industrial y también para su uso en procesos químicos industriales es muy relevante en España. En la Unión Europea supone el 47% de la demanda total de energía según datos del informe de la consultora Agora “Direct electrification of industrial process heat”. Además, este consumo proviene en un 75% de combustibles fósiles (principalmente gas 35% y carbón 27%) como se muestra en la figura de más abajo.
Por otro lado, el 75% de las emisiones de CO2 de la industria derivan de la quema de combustibles fósiles para producir calor de procesos.
Por ello, la descarbonización del calor industrial representa uno de los desafíos más apremiantes en la batalla contra el cambio climático. Este proceso implica la reducción significativa de las emisiones de carbono derivadas de la generación de calor en sectores industriales tales como la manufactura, la química, el cemento y el acero. La transición hacia tecnologías más limpias y sostenibles es esencial para alcanzar los objetivos de reducción de emisiones globales y limitar el aumento de la temperatura global.
¿Qué es la descarbonización industrial?
Cuando se habla de descarbonización industrial, nos estamos refiriendo fundamente a la utilización de fuentes renovables para la generación de materias y compuestos químicos que actualmente se producen con combustibles fósiles en procesos que emiten CO2; tal es el caso, por ejemplo, de la sustitución de calderas que actualmente funcionan con gas por bombas de calor o calderas eléctricas; otro ejemplo puede ser la fabricación de amoniaco, que tradicionalmente se produce con hidrógeno obtenido reformando gas natural y por tanto emitiendo CO2, y actualmente se están desarrollando proyectos para utilizar hidrógeno verde en sustitución del reformado de gas natural.
En definitiva, nos referimos a la utilización de fuentes de origen renovable, como la electricidad renovable o el hidrógeno verde para la producción del calor que demanda la industria.
Importancia de la descarbonización del calor industrial
Analizando en detalle el sector industrial español destaca que el consumo de combustibles fósiles para cubrir las necesidades de calor de la industria en general y la fabricación de derivados de la industria química supone un total de unos 200 TWh/año (200 millones de MWh/años). Este consumo incluye el consumo de sectores como el hierro y el acero, el sector químico, metales y minerales, equipos de transporte, maquinaria, industria alimentaria construcción, fábricas de tratamiento de madera, industria farmacéutica, producción de neumáticos y plásticos, etc
La descarbonización de este calor no solo reduciría las emisiones de carbono, sino que también tendría efectos económicos positivos en el país derivados de la mejora de la balanza comercial por la reducción de compra de combustibles fósiles a terceros países.
Potencial de la electrificación
Según el artículo “Net-zero electrical heat: A turning point in feasibility” de McKinsey las tecnologías para la electrificación de la industria están ya disponibles para el 100% de las necesidades de calor de baja y media temperatura (temperaturas inferiores a 600ºC). En estos rangos de temperatura están la industria alimentaria, bebidas e industria química
Por el contrario, las tecnologías para electrificar altas y muy altas temperaturas superiores a los 600ºC aún tienen que madurar.
Según Agora, las tecnologías de electrificación directa que se espera que estén disponibles para 2035 podrían satisfacer el 90% de la demanda de energía aún no electrificada por la industria europea y esta electrificación podrías suponer una demanda adicional de electricidad de entre 1.290-1.930 TWh en EU vs 2019, alcanzando un total de 2.220-2.860 TWh de demanda.
Tecnologías para la descarbonización del calor industrial
Bomba de calor y calderas eléctricas con almacenamiento térmico
La electrificación del calor industrial es una de las estrategias más prometedoras para la descarbonización. El uso de tecnologías basadas en electricidad renovable, como bombas de calor y calderas eléctricas, puede ofrecer una solución viable para muchas aplicaciones industriales. Estos sistemas no solo reducen las emisiones de carbono, sino que también mejoran la eficiencia energética.
Las bombas de calor, por ejemplo, son capaces de extraer calor del aire, el agua o el suelo, y transferirlo a procesos industriales, lo que reduce significativamente la necesidad de combustibles fósiles. Las calderas eléctricas, por otro lado, convierten directamente la electricidad en calor, proporcionando una fuente de energía limpia y eficiente.
Las calderas eléctricas con almacenamiento térmico son tecnologías que pueden ser la solución para aquellas industrias que dispongan de conexión a la red eléctrica viable, requieran mayor flexibilidad en el uso del calor, y no dispongan de mucho espacio. También para aquellas industrias de gran tamaño en las que el uso de la biomasa es inviable. Estas calderas consisten en generar el calor (normalmente en forma de vapor) que requiere la industria utilizando energía eléctrica renovable.
Para evitar la intermitencia de las renovables se puede almacenar la energía generada en una caldera eléctrica en un sistema de almacenamiento térmico. Estos sistemas están disponibles en todos los tamaños de la industria y son muy flexibles, si bien en ciertas localizaciones hay restricciones por el dimensionamiento de la red eléctrica.
Actualmente el 48% del consumo de combustibles fósiles se consume en procesos a temperaturas por debajo de 500ºC. Es importante la separación por temperaturas ya que los procesos por debajo de 500ºC generalmente utilizan el vapor como fluido caloportador y estos procesos son electrificables directamente (mediante bomba de calor o caldera eléctrica). Los principales sectores industriales donde encontramos estos procesos son sectores tales como la industria química, pasta y papel, comida y bebidas, automoción, farmacéutico, textil y minería.
Hidrógeno verde
Los procesos por encima de 500ºC son aquellos conocidos como “difíciles de abatir” y los encontramos principalmente en sectores como la fabricación de vidrio, cerámica, cemento y fertilizantes o en la producción de hierro, acero, aluminio, cobre y gases industriales. En estos casos el hidrógeno verde y el biometano son las únicas tecnologías disponibles para descarbonizarlos.
Otras soluciones tecnológicas para altas temperaturas
Los hornos de arco eléctrico se emplean ampliamente para la producción de acero y pueden alcanzar temperaturas de 1.800ºC.
Por otro lado, las resistencias eléctricas, inducción y “electric steam crackers” estarán disponibles en los próximos años y cubrirán todos los rangos, desde los 100-2.500ºC
Biomasa y biogás
La biomasa, derivada de materiales orgánicos como residuos agrícolas, forestales y urbanos, puede ser quemada para generar calor. El biogás, producido a partir de la descomposición anaeróbica de residuos orgánicos, puede ser utilizado de manera similar. Ambas tecnologías juegan un papel importante en la descarbonización del calor industrial pero tienen limitaciones ya que depende de la disponibilidad de terreno de la fábrica, de la cercanía a los recursos o de las características del consumo en el proceso productivo (demanda energética estacional o constante, demanda intermitente de carga base,… etc)
A continuación, gráfica del informe “Direct electrification of industrial process heat” de Agora en la que se compara el potencial de cada tecnología por rango de temperatura.
Retos y barreras
Cada industria requiere de soluciones diferentes, pero la caldera eléctrica con almacenamiento térmico es la mejor opción para industrias de gran tamaño o situadas en zonas sin disponibilidad de otros recursos.
Sin embargo, esta opción tiene tres retos fundamentales:
- Acceso a la red eléctrica: es imprescindible atender las necesidades de conexión a las redes cuando la industria lo necesita, sin retrasar plazos y sin suponer un extracoste al inversor. Para conseguirlo se necesita una planificación de la red flexible con procedimientos ágiles que permitan a la nueva demanda conectarse a posiciones disponibles. También es necesario permitir inversiones en red que se anticipen a la demanda en polos industriales donde se prevea una mayor necesidad de descarbonización.
- Eliminar de los programas de ayuda la obligación de que el 75% de la electricidad consumida se produzca on-site (en la propia instalación industrial). Este requisito no es posible de cumplir puesto que para grandes demandas de electricidad necesarias para procesos industriales se necesitaría grandes instalaciones solares cerca de la industria que ocuparían varias decenas de hectáreas de terreno y prácticamente en ningún caso la industria dispone de este terreno para instalar renovables.
- Instrumentos de apoyo financiero para impulsar la electrificación industrial. Uno de los principales obstáculos para la adopción de tecnologías de descarbonización es el alto coste inicial. La transición hacia sistemas de calor más sostenibles requiere inversiones significativas en infraestructura y tecnología. Sin embargo, a largo plazo, estos costes pueden ser compensados por ahorros en el coste de la energía y del precio del CO2.
La electrificación del calor industrial puede requerir la instalación de nuevos equipos y modificaciones en los procesos existentes.
Estas inversiones se deben fomentar mediante instrumentos de apoyo como los contratos por diferencias – (CfDs por sus siglas en inglés), mediante subastas segmentadas por tamaño del proyecto y por tecnología.
Por otro lado, es necesario un plan de acción específico de la UE para abordar los obstáculos económicos y organizativos a la electrificación directa y garantizar que sea una estrategia de transición clave para la industria en toda Europa. Según McKinsey, esta estrategia debería incluir una Alianza Industrial para facilitar la introducción de tecnologías en el mercado y también debe incluir planes de financiación para apoyar explícitamente los proyectos de electrificación directa.
Instrumentos de apoyo para impulsar la descarbonización industrial: los contratos por diferencias de carbono (CfDs)
Las políticas y regulaciones gubernamentales son fundamentales para impulsar la descarbonización del calor industrial. Instrumentos como los contratos por diferencia (CfDs), pueden proporcionar un marco de apoyo financiero y regulatorio para las empresas que adoptan tecnologías limpias. Sin embargo, es necesario un enfoque coordinado y coherente a nivel nacional e internacional para superar las barreras existentes y acelerar la transición.
La principal razón de un mecanismo de apoyo basado en CfDs para descarbonizar la industria, es que, hoy en día, los procesos de descarbonización descritos en el apartado anterior requieren de grandes inversiones iniciales para cambiar procesos productivos.
Además, las industrias compiten con frecuencia en un mercado internacional con otras industrias cuyos costes van ligados al coste del gas natural y el precio del CO2, para tomar la decisión de electrificar su consumo necesitan programas de ayudas que financien la diferencia de coste existente entre la energía verde y la fósil (gas, gasóleos, etc), y que den confort a la industria ante subidas y bajadas futuras de las commodities de referencia para el cálculo de su competitividad. El programa de apoyo con CfDs debe ser segmentado con los diferentes sectores y tecnologías.
Por otro lado, la creación de políticas y regulaciones favorables, como incentivos fiscales, subsidios y obligaciones de energía renovable, puede fomentar la adopción de tecnologías de descarbonización. Además, la colaboración entre gobiernos, industria y academia es esencial para desarrollar soluciones innovadoras y eficaces. La armonización de políticas a nivel internacional también puede facilitar el comercio y la implementación de tecnologías limpias.
Oportunidades y beneficios
Ventaja competitiva
Una de las principales ventajas de la descarbonización del calor industrial es que permite reducir la dependencia energética al utilizar nuestras propias fuentes renovables en sustitución de combustibles fósiles, utilizar la energía de manera más eficiente y fomentar la innovación. Además, España, debido a sus fuentes naturales, está en una situación privilegiada con respecto a los países de nuestro entorno para descarbonizar la industria, por lo que supone una oportunidad.
Reducción de emisiones de CO2
La descarbonización del calor industrial puede reducir drásticamente las emisiones de dióxido de carbono y otros contaminantes asociados. Esto no solo beneficiará al medio ambiente, sino que también mejorará la calidad del aire y la salud pública en las comunidades cercanas a las instalaciones industriales.
Innovación y competitividad
La transición hacia sistemas de calor más sostenibles también puede impulsar la innovación y mejorar la competitividad de las industrias. El desarrollo y adopción de nuevas tecnologías pueden abrir nuevas oportunidades de mercado y fortalecer la posición de las empresas en una economía global cada vez más orientada hacia la sostenibilidad.
Las empresas que lideren la adopción de tecnologías limpias pueden beneficiarse de una ventaja competitiva significativa. La innovación en tecnologías de descarbonización puede generar nuevas líneas de productos y servicios, así como mejorar la eficiencia y reducir los costos operativos. Además, las empresas sostenibles pueden atraer a inversores y clientes que valoran la responsabilidad ambiental.
Beneficios económicos
Aunque la inversión inicial puede ser alta, la descarbonización del calor industrial puede generar beneficios económicos a largo plazo. La mejora en la eficiencia energética y la reducción de costes operativos pueden traducirse en ahorros significativos para las empresas. Además, la creación de nuevos empleos en sectores relacionados con las energías renovables y la tecnología verde puede estimular el crecimiento económico.
El desarrollo de tecnologías de descarbonización puede crear miles de empleos en investigación, desarrollo, fabricación, instalación y mantenimiento. Estos empleos no solo contribuirán al crecimiento económico, sino que también proporcionarán oportunidades de formación y desarrollo profesional para la fuerza laboral. Además, la transición hacia una economía baja en carbono puede aumentar la resiliencia y la seguridad energética al reducir la dependencia de combustibles fósiles importados.
Conclusión
La descarbonización del calor industrial es un componente esencial en la lucha contra el cambio climático y la competitividad del país. La transición hacia tecnologías más limpias y sostenibles no solo reduce las emisiones de carbono, sino que también ofrece numerosos beneficios económicos, sociales y ambientales. Aunque existen desafíos significativos, la combinación de políticas de apoyo, innovación tecnológica y compromiso empresarial puede hacer posible una industria más sostenible y eficiente en el futuro.
Es necesario un plan de acción específico de la UE para abordar los obstáculos económicos y organizativos a la electrificación directa y garantizar que sea una estrategia de transición clave para la industria en toda Europa. Ésta debe incluir una Alianza industrial para facilitar la introducción de tecnologías en el mercado, objetivos para permitir inversiones y planes de financiación que apoyen explícitamente los proyectos de electrificación directa.
Los reguladores deben integrar la electrificación en la planificación de la red y permitir a la industria un fácil acceso a la red.
Finalmente, mecanismos de impulso como los CfDs son necesarios para promover de forma definitiva la descarbonización industrial y de esta forma reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero, minimizar la dependencia energética utilizando nuestras propias fuentes renovables en sustitución de combustibles fósiles, utilizar la energía de manera más eficiente y fomentar la innovación. Además, nuestro país, debido a sus fuentes naturales, está en una situación privilegiada con respecto a los países de nuestro entorno para descarbonizar la industria, por lo que supone una oportunidad.
