Proyecto H2020 I-ThERM: Conversión y Gestión de Recuperación de Energía Térmica Industrial
- Tipo Proyecto
- Status Completado
- Ejecución 2015 -2021
- Presupuesto asignado 3.996.168,75 €
- Alcance Europeo
- Principal fuente de financiación H2020
- Sitio web del proyecto Proyecto I-ThERM
Durante el proyecto I-ThERM, su coordinación y gestión garantizaron que todas las actividades cumplieran con los requisitos de alcance, puntualidad y calidad. La sinergia entre los socios se logró mediante la comunicación regular y el intercambio de información, y las actividades de difusión se llevaron a cabo mediante conferencias y talleres internacionales, la asistencia a eventos internacionales, como los de SPIRE en Bruselas, publicaciones científicas y material impreso, así como publicaciones periódicas en redes sociales y en el sitio web del proyecto.
El potencial de recuperación de calor en la Unión Europea se evaluó mediante una revisión bibliográfica que identificó y cuantificó el consumo de energía primaria en los principales sectores industriales, consideró los flujos de calor residual y sus niveles de temperatura, y las posibles tecnologías de recuperación de energía. Además, se identificaron las barreras para la implementación masiva de tecnologías de recuperación de energía mediante un cuestionario distribuido a unos 50 expertos de 11 países europeos. El kit de herramientas de auditoría energética EINSTEIN se ha mejorado para incluir las tecnologías I-ThERM. Se han desarrollado e implementado rutinas para analizar automáticamente los datos históricos de monitorización, calibrar los modelos, pronosticar el consumo de energía y optimizar el rendimiento de los sistemas. Estas capacidades se han complementado con la innovadora plataforma de supervisión, monitorización y control I-ThERM. El proyecto I-ThERM contempla el diseño, la fabricación y la demostración de sistemas de recuperación de calor de escape directo mediante intercambiadores de calor innovadores.
El Economizador de Condensación de Tubos de Calor (HPCE) permite enfriar los gases de escape por debajo de su punto de rocío para mejorar la recuperación de calor. Por ello, se han desarrollado recubrimientos innovadores para la protección contra la corrosión en entornos caracterizados por la presencia de ácido sulfúrico. Se concibió un sistema HPCE de 200 kW en términos de diseño térmico y mecánico, aplicación del recubrimiento de tubos de calor durante la fabricación a gran escala, instrumentación y controles. El Sistema de Tubos de Calor Planos (FHPS) tiene como objetivo recuperar calor de superficies radiantes de alta temperatura. Se diseñó, fabricó y probó un módulo prototipo del FHPS, primero en los laboratorios de I+D y luego en las instalaciones del tren de alambrón de Arcelor Mittal Gijón (España). El conjunto de datos experimentales permitió calibrar las herramientas de diseño y propuso un diseño mejorado del FHPS modular con un mayor número de módulos y un recubrimiento de alta emisividad. El proyecto I-ThERM también considera la conversión de calor residual en electricidad utilizando dos nuevos ciclos termodinámicos de fondo: el ciclo flash trilateral (TFC) para aplicaciones de bajo grado (70 a 200°C) y el ciclo Brayton que opera con dióxido de carbono en estado supercrítico (sCO2) para temperaturas medias a altas. Se diseñó una unidad TFC de 100 kW a escala real mediante complejas actividades de modelado para evaluar el rendimiento de la conversión energética, incluso en condiciones de operación fuera de diseño y transitorias.
El sistema TFC desarrollado presenta un alto nivel de madurez tecnológica. Se caracteriza por un diseño compacto y electrónica de potencia para su conexión a la red eléctrica europea. El sistema TFC se sometió a pruebas adicionales en el Centro Tecnológico de Spirax Sarco (Reino Unido) y posteriormente se demostró con éxito en las instalaciones de TATA Steel en Port Talbot (Reino Unido). El centro de demostración del sistema de CO? es un banco de pruebas a escala industrial en la Universidad Brunel de Londres, diseñado específicamente para el proyecto I-ThERM. La instalación experimental comprende un calentador de gas de 800 kW que genera gases de escape a una temperatura de 750 °C, y un sistema compacto que incorpora la unidad Compresor-Generador-Turbina (CGT) y equipos auxiliares para la lubricación, el drenaje y la conversión de energía eléctrica. El sistema sCO2 también utiliza un innovador intercambiador de calor de recuperación de calor de escape que ha sido desarrollado e instalado en el conducto de escape del calentador y transfiere calor directamente al fluido de trabajo de CO2 del sistema de energía sCO2.
En la Unión Europea, los procesos industriales son actualmente responsables de un tercio del consumo de energía primaria. Sin embargo, la mayoría de estos procesos implican la emisión de grandes cantidades de calor al medio ambiente, cuya recuperación en forma de calor o conversión a otra forma de energía, como la electricidad, puede reducir la demanda energética, generar ahorros en el coste del combustible y contribuir al cumplimiento de los objetivos de reducción de emisiones y descarbonización. En los últimos años, se ha reconocido cada vez más el potencial de la recuperación de calor y se prevé una expansión significativa de este sector.
Sin embargo, para que esto se materialice y para que las industrias manufactureras y usuarias europeas se beneficien de estos avances, es necesario implementar mejoras e innovaciones tecnológicas destinadas a mejorar la eficiencia energética de los equipos de recuperación de calor y reducir los costes de instalación. En este contexto, los objetivos del proyecto I-ThERM son investigar, diseñar, construir y demostrar soluciones innovadoras de recuperación de calor residual listas para usar, así como el aprovechamiento óptimo de la energía dentro y fuera del perímetro de la planta para aplicaciones seleccionadas con alta replicabilidad y potencial de recuperación energética en un amplio rango de temperaturas (de 70 °C a 1000 °C).
Los sistemas de recuperación de calor residual pueden ofrecer importantes ahorros de energía y reducciones sustanciales de emisiones de gases de efecto invernadero. Se prevé que el mercado de recuperación de calor residual supere los 45 000 millones de euros en 2018, pero para que esta proyección se materialice y para que la industria manufacturera y usuaria europea se beneficie de estos avances, deben realizarse mejoras e innovaciones tecnológicas destinadas a mejorar la eficiencia energética de los equipos de recuperación de calor y reducir los costes de instalación. El objetivo general del proyecto es desarrollar y demostrar tecnologías y procesos para una recuperación de calor eficiente y rentable de instalaciones industriales en el rango de temperatura de 70°C a 1000°C y la integración óptima de estas tecnologías con el sistema energético existente o para la exportación de calor recuperado y electricidad generada, si corresponde.
Para lograr este desafiante objetivo y garantizar una amplia aplicación de las tecnologías y enfoques desarrollados, el proyecto reúne un consorcio muy fuerte compuesto por proveedores de IDT, proveedores de tecnología y, lo que es más importante, usuarios grandes y PYME que proporcionarán sitios de demostración para las tecnologías.
El proyecto se centrará en tecnologías innovadoras de transferencia de calor en dos fases (heat pipes-HP) para la recuperación de calor de fuentes de media y baja temperatura y el uso de este calor para:
- Dentro de la misma instalación o exportación por encima de la valla.
- Para generación de energía eléctrica; o una combinación de (a) y (b) dependiendo de las necesidades.
Para la generación de energía, el proyecto desarrollará y demostrará en sitios industriales el Sistema Trilateral Flash (TFC) para fuentes de calor residual de baja temperatura, de 70°C a 200°C y el Sistema de Dióxido de Carbono Supercrítico (sCO2) para temperaturas superiores a 200°C. Se prevé que estas tecnologías utilizadas solas o en combinación con las tecnologías HP generarán ahorros de energía y emisiones de GEI muy superiores al 15% y un rendimiento económico atractivo con períodos de recuperación de menos de 3,0 años.
El objetivo del proyecto I-ThERM es desarrollar y demostrar tecnologías de recuperación de calor que superen muchas de las desventajas de las tecnologías convencionales y creen un camino para una adopción mucho más amplia de la recuperación de calor en la industria. Se han logrado avances significativos que superan el estado del arte, a saber:
- Se ha mejorado el conjunto de herramientas EINSTEIN para incluir las tecnologías I-ThERM, así como capacidades de monitorización y optimización en línea. - Se ha diseñado, construido y probado con éxito en una planta de fabricación de acero un sistema de conversión de calor a energía de baja potencia, listo para usar y listo para usar. Los resultados han servido de base para un mayor desarrollo y la primera unidad se ha vendido a un cliente comercial. Se ha desarrollado un plan de marketing detallado para la comercialización de la tecnología TFC.
- Se ha diseñado y fabricado una unidad de compresor, generador y turbina (CGT) de eje de ~50 kW para la conversión de calor a energía a alta temperatura que funciona con dióxido de carbono supercrítico.
Se ha diseñado y fabricado un innovador intercambiador de calor de microtubos para la recuperación directa de calor de los gases de escape a alta temperatura al CO2 supercrítico del ciclo de potencia de CO2. Se ha diseñado, fabricado y puesto en marcha un ciclo de potencia de CO2 de 50 kW y el equipo asociado para su prueba, evaluación y optimización. Se ha diseñado un economizador de condensación de tubo de calor para captar el calor sensible y latente de los gases de escape corrosivos. El diseño del sistema de tubo de calor plano se optimizó mediante campañas de prueba en un prototipo de laboratorio y en el sitio de demostración real. Se han desarrollado recubrimientos para la protección contra la corrosión en entornos caracterizados por la presencia de ácido sulfúrico, que se han demostrado y evaluado con éxito.
Se está desarrollando un amplio conocimiento sobre sistemas de recuperación de calor y conversión de calor residual en energía. La creación de este conocimiento y su difusión a las comunidades científica e industrial, así como a los responsables políticos, está generando una mayor concienciación sobre el potencial de estas tecnologías y facilitando su adopción por parte de la industria, contribuyendo así a los objetivos de descarbonización de la UE.
- BRUNEL UNIVERSITY LONDON
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