VIABILIDAD TÉCNICA DE LA PRODUCCIÓN Y USO DE HIDRÓGENO EN EMPRESAS CERÁMICAS

2008

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RESUMEN............................................................................................................................ 4

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ANTECEDENTES ................................................................................................................ 4

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ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO......................................................................................................................... 5 3.1 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO ........................................................................................... 5 3.1.1 Hidrógeno a partir de combustibles fósiles. ............................................................ 5 3.1.2 Hidrógeno a partir de biomasa ................................................................................ 6 3.1.3 Hidrógeno a partir de la electrólisis del agua. ......................................................... 7 3.1.4 Biofotólisis. .............................................................................................................. 8 3.1.5 Termólisis. ............................................................................................................... 8 3.1.6 Fotoelectrólisis......................................................................................................... 9 3.1.7 Hidrógeno como subproducto de procesos industriales. ........................................ 9 3.2 ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO. ................................................................................. 10 3.2.1 Hidrógeno gaseoso. .............................................................................................. 10 3.2.2 Hidrógeno líquido. ................................................................................................. 10 3.2.3 Hidrógeno en compuestos sólidos. ....................................................................... 11

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CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA Y AMBIENTAL DE LAS INSTALACIONES DE ATOMIZACIÓN DEL SECTOR DE FABRICACIÓN DE BALDOSAS CERÁMICAS......... 13 4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE BALDOSAS CERÁMICAS .......................... 13 4.2 EMPLEO DE SISTEMAS DE COGENERACIÓN EN EL PROCESO PRODUCTIVO .......................... 14 4.3 CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA DE LAS EMPRESAS DEL SECTOR CERÁMICO...................... 17 4.3.1 Empresas fabricantes de polvo atomizado ........................................................... 17 4.3.2 Empresas fabricantes de baldosas cerámicas...................................................... 18

5

ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN TÉRMICA MEDIANTE HIDRÓGENO PURO Y EN MEZCLA CON GAS NATURAL. ............................................ 18 5.1 LA COMBUSTIÓN EN LA INDUSTRIA CERÁMICA ................................................................... 18 5.1.1 Atomización ........................................................................................................... 18 5.1.2 Secado .................................................................................................................. 19 5.1.3 Cocción.................................................................................................................. 20 5.2 PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE ....................................................... 21 5.3 ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN ................................................................................. 22 5.4 SUSTITUCIÓN DEL GAS NATURAL POR HIDRÓGENO EN LA INDUSTRIA CERÁMICA .................. 24 5.4.1 Características de las llamas ................................................................................ 26 5.4.2 Quemadores de hidrógeno.................................................................................... 27

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RESUMEN Y CONCLUSIONES ........................................................................................ 30

7

BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................. 32

Viabilidad técnica de la producción y uso de Hidrógeno en empresas cerámicas

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RESUMEN El hidrógeno es el elemento químico más ligero de la tabla periódica. Es muy abundante en la naturaleza, pero no en estado libre. Habitualmente, se encuentra asociado a otras estructuras (hidrocarburos, agua, materia orgánica), por lo que para su obtención es necesario un proceso previo. Una vez en estado puro, el hidrógeno puede almacenarse y ser utilizado posteriormente para generar energía térmica o eléctrica cuando se requiera. Por esta razón, se le denomina vector energético. El hidrógeno es un gas combustible que reacciona fácilmente con oxígeno, desprendiendo únicamente vapor de agua. Actualmente, la mayor parte del hidrógeno que se produce a nivel mundial se obtiene a partir de combustibles fósiles, proceso que genera la emisión de dióxido de carbono. Otro proceso muy conocido es la obtención de hidrógeno mediante la electrólisis del agua. Este proceso requiere energía eléctrica, y produce dos gases limpios: hidrógeno y oxígeno. La manera más sostenible de emplear el hidrógeno como fuente de energía es obtenerlo a partir de fuentes renovables, como la energía solar, la energía eólica, biomasa, etc. De este modo, se reduce la dependencia de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural, principalmente), y se evita la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. En este documento, se realiza un breve repaso de las diferentes tecnologías de producción y almacenamiento de hidrógeno. A continuación se muestran diferentes situaciones existentes en las empresas de fabricación de gránulo atomizado y baldosas cerámicas, desde el punto de vista de los consumos de energía, con vistas a analizar las posibilidades de incorporar las tecnologías del hidrógeno a las instalaciones Finalmente se analizan las posibilidades de utilizar hidrógeno como fuente de energía térmica en los quemadores de las diferentes máquinas térmicas utilizadas en el proceso de obtención de baldosas cerámicas.

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ANTECEDENTES El ITC, junto al ITE, ha participado en la ejecución del proyecto” Reducción del coste energético en empresas con cogeneración mediante la generación de hidrógeno”. Este proyecto se presentó al Programa de Fomento de Investigación Técnica (Profit) en el año 2006 y que tiene una duración de 2 años. El proyecto ha sido coordinado por el ITE. El principal objetivo del proyecto es estudiar la viabilidad técnica y económica de producir y/o utilizar hidrógeno en empresas del sector cerámico, especialmente en aquellas que posean en sus instalaciones algún sistema de cogeneración. En este informe se muestra parte del trabajo realizado en el marco del citado proyecto, y se elabora con el objetivo de difundir los resultados obtenidos entre las empresas del sector cerámico.

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ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO. 3.1

Producción de hidrógeno

Las diferentes vías de producción del hidrógeno quedan representadas en el siguiente diagrama:

Energía Nuclear

Figura 1: Diferentes líneas de producción de hidrógeno.

Se puede obtener hidrógeno a partir de diferentes fuentes, entre las que se encuentran los combustibles fósiles, el agua y la biomasa.

3.1.1

Hidrógeno a partir de combustibles fósiles.

Los procesos de obtención de hidrógeno a partir de combustibles fósiles se basan en la generación de un “gas de síntesis”, que es una mezcla de CO e H2. Tras esta primera etapa, se elimina el CO de la mezcla. Estos procesos son, principalmente, dos: reformado con vapor (steam reforming) y oxidación parcial (partial oxidation). El proceso de reformado con vapor se realiza, mayoritariamente, con gas natural. El proceso consiste en una conversión catalítica del hidrocarburo en presencia de vapor de agua sobrecalentado. La reacción es endotérmica, y se produce a unos 900 ºC y una presión de 20 bar. Las reacciones que tienen lugar son:

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CH 4 + H 2 O ↔ CO + 3H 2 CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2

En el proceso de oxidación parcial, la reacción principal consiste en la combustión incompleta, en presencia de vapor de agua, de cualquier sustancia que contenga carbono orgánico. Suele realizarse a partir de hidrocarburos pesados. Las reacciones que se producen pueden representarse, de manera general, del siguiente modo:

n m O 2 ↔ nCO + H 2 2 2 m  + nH 2 O ↔ nCO +  + n H 2 2 

C n Hm + C n Hm

Si partimos del gas natural, se puede obtener hidrógeno mediante tres procesos químicos diferentes: SMR (Steam Methane Reforming) o Reformado con vapor, POX (Partial Oxidation) u oxidación parcial y ATR (Autothermal Reforming) o reformado autotérmico. En la siguiente tabla se resumen las ventajas e inconvenientes de estos métodos:

Tecnología

Reformado con vapor

Oxidación parcial

Ventajas

Eficiencia Emisiones Coste de unidades grandes

Tamaño Coste de unidades pequeñas Sistema simple

Desventajas

Sistema complejo

Eficiencia, Calidad H2

Tabla 2: Comparación de los métodos de obtención de hidrógeno a partir de combustibles fósiles.

La producción de hidrógeno a partir de carbón se realiza mediante una variedad de procesos de gasificación (p.e. lecho fijo, lecho fluidizado, etc.). Es un proceso más complejo comparado con la producción de hidrógeno a partir de gas natural y el coste del hidrógeno es más elevado. En todos los procesos de obtención de hidrógeno a partir de combustibles fósiles, el dióxido de carbono es el gas de escape. Para obtener una producción sostenible de hidrógeno, el CO2 debe ser capturado y almacenado, para lo que se utilizan diferentes procesos.

3.1.2

Hidrógeno a partir de biomasa

El proceso de gasificación de la biomasa consiste en someter la biomasa a un proceso de combustión incompleta, del cual se obtiene un gas combustible, con mayor o menor poder calorífico en función del agente oxidante utilizado (aire, oxígeno o vapor de agua). El gas producido está compuesto principalmente, por metano, monóxido de carbono e hidrógeno, (y otros componentes que dependen del comburente empleado), y puede utilizarse en motores de combustión interna y turbinas de gas para producir energía mecánica y eléctrica. Otra alternativa es separar los diferentes componentes del gas de síntesis, de modo que se obtiene hidrógeno, que puede utilizarse en pilas de combustible para generar electricidad.

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El suministro de biomasa consiste en productos no refinados y de baja calidad y los métodos de producción varían según el tipo de cultivo, la localización y los cambios climáticos, por lo que hay mucho que mejorar: a) Preparación de la biomasa: Identificación de las características que permitirán desarrollar la tecnología adecuada a las mismas. b) Gasificación de la biomasa. c) Manejo y limpieza del gas obtenido.

3.1.3

Hidrógeno a partir de la electrólisis del agua.

La electrólisis del agua es un proceso que consiste en descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno mediante la aplicación de energía eléctrica. Los equipos usados para la electrólisis se denominan electrolizadores, y se clasifican según el electrolito empleado. Los métodos básicos para obtener hidrógeno a partir de la electrólisis del agua son la electrólisis alcalina, la electrólisis con electrolito de membrana polimérica (PEM) y la electrólisis a alta temperatura. Las diferencias fundamentales entre los distintos electrolizadores son los materiales de las membranas y los catalizadores usados, así como las distintas reacciones químicas que se producen en ellos para la obtención del hidrógeno, y las características físicas de funcionamiento, como la temperatura y presión de operación, el consumo energético y la eficiencia.

a)

Electrólisis alcalina. El electrolito empleado tradicionalmente ha sido una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH), de 20-30% para una óptima conductividad y resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Las temperaturas de operación típicas son de 70-100 ºC y el rango de presiones es de 1-30 bares. Existen dos tipos de celdas: monopolar y bipolar. En las celdas monopolares los electrodos son positivos o negativos, mientras que las celdas bipolares tienen electrodos que son positivos en un lado y negativos en el otro. Una de las ventajas de la celda bipolar es que puede operar a altas presiones (hasta 30 bares), y por tanto se reduce el trabajo de compresión necesario para almacenar el hidrógeno gaseoso. Las reacciones que tienen lugar en la celda de electrólisis alcalina son las siguientes:

Electrolito

4 H 2 O → 4 H + + 4 OH −

Cátodo

4 H + + 4e− → 2 H 2

Ánodo

4 OH − → 2 O2 + 2 H 2 O + 4e −

Total

2 H 2 O → O2 + 2 H 2

La figura siguiente representa el proceso de la electrólisis alcalina:

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Figura 3: Diagrama de proceso de la electrólisis alcalina. Fuente: Ref. [2]

b)

Electrólisis con electrolito de membrana polimérica (PEM). En este tipo de electrolizador, el electrolito empleado es una membrana de material polimérico ácido y las presiones que se alcanzan son de unos cuantos cientos de bares. La desventaja de este método es la vida limitada de la membrana y su elevado coste. Las principales ventajas son una mayor seguridad, al no emplear un electrolito de KOH y una densidad de corriente y presiones mayores. Las reacciones que tienen lugar son:

Ánodo Cátodo c)

H 2 O → 2 H + + 1 O 2 + 2e − 2 + 2 H + 2e − → 2 H 2

Electrólisis a alta temperatura. La electrólisis de alta temperatura se basa en la tecnología de las pilas de combustible de alta temperatura. La energía eléctrica necesaria para descomponer el agua a 1000 ºC se reduce considerablemente comparada con la producción de hidrógeno a 100 ºC. Por tanto, la electrólisis de alta temperatura se puede incluir en procesos en los que el calor residual generado se pueda emplear para la electrólisis del agua aumentando la eficiencia global del proceso considerablemente. La tecnología típica es la celda de combustible de óxido sólido (SOFC). La temperatura de operación es de 700-1000ºC. A estas temperaturas las reacciones en los electrodos son más reversibles y la reacción de la celda de combustible se puede invertir más fácilmente a una reacción de electrólisis.

3.1.4

Biofotólisis.

La cianobacteria y las algas verdes pueden producir hidrógeno utilizando únicamente luz solar, agua e hidrogenasa. Se han identificado más de 400 variedades de plantas primitivas candidatas para producir hidrógeno y actualmente, esta tecnología está en periodo de investigación y desarrollo.

3.1.5

Termólisis.

La descomposición termolítica del agua separa el hidrógeno y el oxígeno de la misma mediante calor a alta temperatura. Este método se propone en el contexto de los reactores nucleares avanzados y para reducir la temperatura (a 3000 ºC se descompone el 10% de agua) se proponen diferentes métodos (ciclos termoquímicos, sistemas híbridos de descomposición térmica y electrolítica, descomposición catalítica directa del agua con separación con una

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membrana cerámica y descomposición plasma-química del agua en un ciclo de CO2 de doble etapa) con los que se espera obtener eficiencias superiores al 50%.

3.1.6

Fotoelectrólisis.

La fotoelectrólisis del agua consiste en emplear luz para descomponer directamente el agua en hidrógeno y oxígeno. En este método se acoplan sistemas fotovoltaicos, para la obtención de electricidad, y de electrolito, para la obtención de hidrógeno. Una alternativa más avanzada es la fotoelectrólisis directa, en la que se combinan ambos procesos en un solo dispositivo.

3.1.7

Hidrógeno como subproducto de procesos industriales.

Algunos procesos industriales generan hidrógeno como subproducto que suele ser utilizado para calentar quemándolo junto con gas natural. En estos casos sería necesario acondicionar el gas para su uso posterior.

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3.2

Almacenamiento de hidrógeno.

Las distintas técnicas de almacenamiento del hidrógeno se clasifican según el estado, gaseoso, líquido o sólido, en el que éste es almacenado. El hidrógeno contiene más energía por unidad de masa que cualquier otra sustancia, pero, al ser el elemento más ligero, tiene muy poca energía por unidad de volumen. Esto hace que se necesiten tanques de gran volumen muy grandes o muy presurizados para su almacenamiento. En la siguiente tabla se muestran la temperatura crítica y la presión crítica, tanto del gas natural como del hidrógeno. En esta tabla, el gas natural se ha considerado compuesto únicamente por gas metano. La temperatura crítica es la temperatura límite para la licuación de un gas. Por encima de esta temperatura es imposible licuar un gas, aunque se le someta a enormes presiones. La presión crítica es la más alta presión en la que un material puro puede existir como gas en equilibrio con su líquido a temperatura crítica. Tabla 1. Temperatura y presión crítica del gas natural y el hidrógeno

Combustible

Temperatura crítica (ºC)

Presión crítica (bar)

Gas natural

-82.6

46

Hidrógeno

-240.2

13

3.2.1

Hidrógeno gaseoso.

La forma más común de almacenar el hidrógeno gaseoso es en tanques de acero (20 MPa), aunque son cada vez más habituales los tanques fabricados con materiales ligeros, cuya principal ventaja es el bajo peso, diseñados para soportar altas presiones (80 MPa). Otra alternativa es el hidrógeno gaseoso enfriado hasta temperaturas cercanas a la criogenia o criogas. Los inconvenientes principales son el elevado coste, el volumen físico y la necesidad de comprimir el gas a altas presiones, así como algunos temas relacionados con la seguridad que no han sido subsanados todavía. Según el material del tanque y las presiones que soportan, se clasifican en cuatro categorías distintas, pudiendo llegar a trabajar con presiones de hasta 300 bares los de tipo I y II y previsiones de hasta 700 bares para los tipos III y IV a bordo de un vehículo y 880 bares en aplicaciones estacionarias.

3.2.2

Hidrógeno líquido.

Para almacenar hidrógeno líquido, lo más habitual es enfriarlo hasta temperaturas criogénicas (-253 ºC), aunque también se puede almacenar como constituyente en soluciones líquidas. En el caso del hidrógeno líquido criogénico, el aislamiento térmico es la parte fundamental de la tecnología de los tanques de almacenamiento, formados por varias capas de vacío separadas por capas de fibras. Si se usan soluciones de borohidruro de sodio para almacenar hidrógeno tenemos como principal ventaja que la generación de hidrógeno en el vehículo es segura y está controlada. También pueden usarse líquidos orgánicos recargables, como el metilciclohexano y el tolueno, aunque presentan grandes riesgos de seguridad y toxicidad.

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3.2.3

Hidrógeno en compuestos sólidos.

El método se basa en que determinados metales y aleaciones tienen la propiedad de formar hidruros metálicos con el hidrógeno que suelen ser compuestos no estequiométricos. Casi todos los hidruros se preparan calentando moderadamente el hidrógeno con el metal a presión elevada. A temperaturas altas se libera el hidrógeno del hidruro. Los cuatro grupos principales de materiales adecuados para el almacenamiento de hidrógeno son carbón y otros materiales con gran área superficial, hidruros H2O químicos reactivos, hidruros termoquímicos e hidruros recargables. Las nanociencias y nanotecnologías tienen su campo de aplicación, en relación con el almacenamiento, tanto en los materiales que absorben en su seno el hidrógeno disociado en estado atómico, como en los materiales que lo adsorben en sus superficies libres. Las nanociencias persiguen el desarrollo de materiales nanoestructurados de bajo peso, gran porosidad, elevada superficie específica, facilidad en la deserción y adsorción rápida, con propiedades funcionales adaptables en cada caso a los requerimientos de las aplicaciones previstas, y con larga vida útil en términos de ciclos de carga y descarga. A continuación se presentan las ventajas y desventajas más importantes de los distintos métodos de almacenamiento de hidrógeno.

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Tecnología de almacenamiento de H2

Tanques de gas comprimido

Tanques de hidrógeno líquido

Estructuras de carbón

Hidruros metálicos

Hidruros químicos

Beneficios

Obstáculos

Ampliamente desarrollado y disponible con presiones de hasta 200 bar; puede tener un coste bajo.

Únicamente una pequeña cantidad de hidrógeno puede almacenarse a 200 bar; la densidad de almacenamiento de energía a elevadas presiones (700 bar) es comparable a la del hidrógeno líquido; el almacenamiento a elevadas presiones todavía está en fase de desarrollo.

Ampliamente desarrollada y con una buena densidad de almacenamiento.

Las bajas temperaturas requieren que el tanque sea hermético; elevado coste; pérdidas de hidrógeno por evaporación; energía requerida para la obtención de hidrógeno líquido.

Permite una mayor densidad de almacenamiento; barato.

No está totalmente desarrollado.

Disponible alguna tecnología; almacenamiento en estado sólido; se puede realizar de diversas maneras; los efectos térmicos se pueden emplear en otros subprocesos; muy seguro.

Se puede degradar con el tiempo; coste elevado.

Las reacciones reversibles de formación de hidruros son ampliamente conocidas, p.e. NaBH; compacto.

Manejo y tratamiento de los productos residuales; requerimientos en infraestructuras.

Tabla 3: Comparación de las tecnologías de almacenamiento de hidrógeno.

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CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA Y AMBIENTAL DE LAS INSTALACIONES DE ATOMIZACIÓN DEL SECTOR DE FABRICACIÓN DE BALDOSAS CERÁMICAS Las baldosas cerámicas son piezas impermeables, constituidas habitualmente por un soporte de naturaleza arcillosa y un recubrimiento de naturaleza esencialmente vítrea. Actualmente hay una amplia variedad de baldosas cerámicas. Esta diversidad se debe tanto a sus formas (cuadrada, rectangular, octogonal, etc.) y tamaños (entre 10x10 y 60x120 cm x cm), como a sus propiedades estéticas (liso, con relieve, brillante, mate, blanco, coloreado, serigrafiado, etc.) y características técnicas (absorción de agua, resistencia mecánica, resistencia a la helada, a la abrasión, etc.). Los pavimentos y revestimientos cerámicos tienen múltiples aplicaciones, y pueden instalarse en diferentes lugares: interiores y exterior de viviendas, lugares públicos, etc. El uso al que se destinan las baldosas cerámicas condiciona sus características técnicas. Los soportes porosos se destinan al revestimiento de paredes, por su mayor adherencia y estabilidad dimensional. Las baldosas de pavimento cuentan con un soporte de menor porosidad, para conseguir mejores propiedades mecánicas, y un recubrimiento con propiedades antideslizantes. En el año 2007, el sector español de baldosas cerámicas produjo 585 millones de metros cuadrados, por valor de más de 3800 millones de euros. Más del 50 % de la producción se destinó a la exportación. España es el tercer productor mundial de baldosas, por detrás de China y Brasil. El sector de fabricación de baldosas cerámicas proporciona empleo directo a más de 25000 trabajadores, e indirecto a 7000 (extracción de arcillas, transporte, construcción, maquinaria y producción de fritas, esmaltes y colores).

4.1 Descripción del proceso de fabricación de baldosas cerámicas El proceso de fabricación de baldosas cerámicas consta de una serie de etapas sucesivas, que se describen a continuación.


Preparación de las materias primas, cuyo procesado puede realizarse vía seca o vía húmeda. En la actualidad, el proceso empleado mayoritariamente en la preparación de las materias primas es el proceso vía húmeda




Secado por atomización. Se requiere una gran cantidad de energía, pues los gases calientes para el secado de la suspensión deben tener una temperatura cercana a los 500ºC.




Conformación de la pieza. El principal método de moldeo es el prensado, y consiste en introducir el polvo granulado en un molde y aplicar presión en una dirección, hasta lograr la densidad deseada en el sólido. Otros métodos de conformado menos utilizados son el moldeo por colado y extrusión.




Secado. Esta etapa posee un doble objetivo: eliminar la humedad que contienen y aumentar su temperatura. La eliminación del agua incrementa su resistencia mecánica, de modo que se logra que las piezas soporten sin romperse las tensiones aplicadas durante las etapas posteriores. El incremento de temperatura contribuye a que el esmaltado y la decoración de las piezas se realicen adecuadamente.




Esmaltado y decoración. Esta etapa se realiza en líneas de esmaltado por donde las baldosas van avanzando. En estas líneas se sitúan todos los elementos necesarios para proporcionar a las piezas el acabado deseado.

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Cocción: el soporte ya esmaltado y decorado se cuece en hornos monoestrato de rodillos. Los ciclos de cocción utilizados dependen del tamaño de las baldosas, de la producción del horno, de la naturaleza del soporte y del recubrimiento, etc., pero en general la duracion esta en torno a los 40 y 60 minutos y la temperatura máxima de puede variar entre 1100 y 1200ºC. Si se realiza la cocción del esmalte y el soporte simultáneamente recibe el nombre de monococción o, en el caso de que se lleve a cabo en dos etapas se llama bicocción.

En la figura 4 se muestra un esquema del proceso de fabricación de las baldosas cerámicas, considerando que las materias primas se molturan vía húmeda, la etapa de moldeo se realiza por prensado y la cocción de soporte y esmalte es simultánea. Este es el proceso de fabricación más extendido en la actualidad.

Materias primas

Preparación del esmalte

Molienda Atomización

Pavimento Prensado

Secado

Esmaltado

Cocción

Revestimiento

Figura 4. Esquema del proceso de fabricación de baldosas cerámicas.

4.2 Empleo de sistemas de cogeneración en el proceso productivo El proceso de fabricación de baldosas cerámicas requiere un gran aporte de energía, en especial de energía térmica para las etapas de secado y cocción. Habitualmente, esta energía térmica se aporta mediante la combustión de gas natural en quemadores. Un sistema de cogeneración es una instalación que produce energía mecánica y energía térmica a partir de una única fuente de energía primaria. La energía mecánica se transforma en energía eléctrica mediante un alternador. La energía térmica se produce en forma de gases calientes. Las necesidades de energía en forma de calor en el proceso productivo de las baldosas hacen que éste sea adecuado para que puedan emplearse sistemas de cogeneración. Existen diferentes sistemas de cogeneración, cada uno de los cuales tiene un rendimiento eléctrico y térmico distinto. En el sector de fabricación de baldosas se ha extendido el empleo de turbinas y motores de gas natural. La adecuación de un sistema de cogeneración para funcionar conjuntamente con una instalación industrial viene dada tanto por la demanda térmica del proceso, como por el modo de funcionamiento (continuo o discontinuo). La energía eléctrica producida por el sistema de cogeneración puede ser utilizada en la propia empresa o bien ser vendida a la compañía

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distribuidora de energía eléctrica de la zona. En la figura 5 se han representado los flujos de energía en una instalación formada por un sistema de cogeneración y una industria.

Compra y venta Compañía eléctrica Electricidad

Combustible

SISTEMA DE COGENERACIÓN

Calor

INDUSTRIA

Quemador Combustible

Figura 5. Flujos de energía en una instalación industrial con sistema de cogeneración.

Las etapas del proceso de fabricación donde más se ha extendido el uso de sistemas de cogeneración son las etapas de secado por atomización y secado de los soportes recién prensados. Los atomizadores son instalaciones que funcionan de manera continua, y tienen una demanda térmica muy elevada. Los sistemas de cogeneración implantados en los atomizadores son turbinas de gas. Las turbinas de gas reducen mucho su tiempo de vida útil con las arrancada y paradas, por lo que interesa que se paren lo menos posible y así aumentar su durabilidad. Los gases de escape de la turbina, con una temperatura cercana a los 500 ºC, son adecuados para el secado de la barbotina. En aquellos casos en los que la energía térmica procedente de la turbina no cubre las necesidades del atomizador, se instala un quemador de postcombustión de gas natural que proporciona la energía que falta. En la figura 6 se muestra esquemáticamente una instalación de atomización que funciona con los gases de escape de una turbina de gas.

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Salida de gases: By-pass

Entrada de aire ambiente

Sistema de depuración vía húmeda

Quemador de post-combustión Atomizador Filtros de aire Gases de escape

Gas natural Ciclón Barbotina Turbina de gas Fango

Figura 6. Esquema del funcionamiento de una turbina de gas cuyos gases de escape de aprovechan en un atomizador.

Habitualmente, las turbinas de gas se dimensionan para abastecer a un único atomizador, pero existen excepciones en las que éstas se sobredimensionan para abastecer también a otro atomizador o a secaderos de soportes crudos. En este caso hay que considerar la pérdida de flexibilidad que supone enlazar el funcionamiento de varios equipos a la vez, aunque por otro lado se incrementa la producción de energía eléctrica, con el beneficio económico que esto conlleva. En las instalaciones de secado de los soportes, la temperatura de los gases se sitúa entre 150 y 250 ºC. Habitualmente, estas instalaciones no funcionan todo el día, sino que paran durante las horas de noche. Este hecho provoca que el sistema de cogeneración que trabaje conjuntamente con los secaderos deba ser capaz de arrancar y parar muchas veces a lo largo de su tiempo de vida útil sin reducir por ello su periodo de operatividad. Los sistemas de cogeneración más adecuados para trabajar con los secaderos de baldosas son motores de gas. Habitualmente, uno o dos motores abastecen a varios secaderos. Con objeto de regular el funcionamiento de los secaderos, éstos cuentan también con quemadores de gas. En la figura 7 se muestra un esquema de funcionamiento de un motor de cogeneración cuyos gases de escape se utilizan en el secado de soportes crudos recién prensados en un secadero vertical.

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Secadero vertical

Quemador Motor

Figura 7. Esquema del funcionamiento de un motor de gas cuyos gases de escape de aprovechan en un secadero vertical.

En el sector de fabricación de baldosas, el sistema de cogeneración predominante son las turbinas de gas, cuyos gases de escape se emplean en el secado por atomización de las suspensiones cerámicas obtenidas por molienda en húmedo de las materias primas.

4.3 Caracterización energética de las empresas del sector cerámico Las empresas del sector cerámico pueden clasificarse en dos tipos, atendiendo al producto final fabricado. Así, hay empresas dedicadas exclusivamente a la fabricación de polvo atomizado, y otras cuyo producto final es la baldosa terminada. Algunas empresas fabricantes de baldosas producen también polvo atomizado para la fabricación de algunos de sus productos. El empleo de sistemas de cogeneración en las plantas productivas, así como el número de instalaciones en cada una, influyen en el consumo energético de las mismas, y por tanto en las posibilidades de utilizar tecnologías del hidrógeno para abastecerse energéticamente.

4.3.1

Empresas fabricantes de polvo atomizado

En estas empresas, la energía consumida es, principalmente, gas natural, pues para el proceso de secado por atomización se requiere un caudal elevado de gases a elevada temperatura (cercana a los 500 ºC). Con el objetivo de aumentar la rentabilidad de estas instalaciones, se ha generalizado el empleo de turbinas de cogeneración; los gases de escape de la turbina se utilizan como gases de secado en el atomizador, y la energía eléctrica generada se utiliza en la planta de fabricación y los excedentes se venden a la compañía distribuidora de electricidad. El consumo de energía eléctrica en estas instalaciones es menor que en las plantas fabricantes de baldosas, pues tienen un menor número de equipos e instalaciones. Por tanto, la situación habitual es que el sistema de cogeneración produzca suficiente energía eléctrica para abastecer a la planta, y para vender a la compañía. La producción de energía eléctrica en los sistemas de cogeneración es regular mientras están en funcionamiento, pero el consumo por parte de la empresa depende del ritmo productivo de cada una de las secciones del proceso, es decir, depende tanto del momento del día como del día de la semana que se considere. Así, dado que la oferta es constante y la demanda variable,

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existirán periodos de tiempo en los que la cantidad de energía exportada será más elevada que en otros. En líneas generales, puede decirse que las empresas que se dedican a la fabricación de polvo atomizado son excedentarias en energía eléctrica. Esta energía eléctrica, en lugar de venderse, podría utilizarse en la propia empresa para producir hidrógeno por electrólisis. El hidrógeno producido se utilizaría, mezclado con gas natural, para la producción de energía térmica en el quemador de post combustión del atomizador. El análisis detallado de esta alternativa muestra que, con los precios actuales de compra del gas natural y el precio de venta de la energía eléctrica, es más rentable vender la electricidad excedente a la red que utilizarla para producir hidrógeno. Otra posibilidad podría ser la de emplear el hidrógeno para la producción de electricidad mediante una pila de combustible. Esta posibilidad no se ha considerado porque en estas empresas suele existir siempre un excedente de energía eléctrica.

4.3.2

Empresas fabricantes de baldosas cerámicas

En las instalaciones de fabricación de baldosas, la situación es distinta, pues lo más habitual es que tanto la energía eléctrica como la térmica se adquieran a las compañías suministradoras. En el caso de existir algún sistema de cogeneración, la energía eléctrica que produce no es suficiente para abastecer a toda la planta de fabricación, y en caso de que sí sea capaz de abastecer a la empresa, los excedentes de energía son muy pequeños. En este tipo de empresas, por tanto, no se plantea la posibilidad de producir hidrógeno a partir de energía eléctrica. Se estudiará la posibilidad de utilizar hidrógeno para producir energía térmica en los quemadores de las diferentes máquinas térmicas, sustituyendo parcial o totalmente al gas natural.

5

ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN TÉRMICA MEDIANTE HIDRÓGENO PURO Y EN MEZCLA CON GAS NATURAL. 5.1 La combustión en la industria cerámica En la producción de baldosas cerámicas son varias las etapas en las que interviene la combustión de gas natural para producir el calor requerido por el proceso. Estas etapas son la atomización, el secado de las piezas crudas y la cocción, siendo ésta última la que más energía térmica consume de las tres.

5.1.1

Atomización

En la etapa de preparación de las materias primas, cuando la molienda se realiza vía húmeda, es necesario secar la suspensión obtenida para reducir su humedad desde aproximadamente un 40% hasta un 6%. El secado de la suspensión se realiza por atomización. El proceso consiste en pulverizar la suspensión en finas gotas, que al entrar en contacto con gases calientes, se secan rápidamente, obteniéndose un polvo granulado de forma más o menos esférica, con un contenido en humedad cercano al 6 %. El secado por atomización requiere el aporte de gran cantidad de energía térmica, ya que los gases calientes utilizados para evaporar el agua tienen una temperatura que puede variar entre 550 y 650ºC. Estos gases provienen de un quemador tipo “vena de aire” de gas natural que, habitualmente, utiliza como comburente los gases de escape de una turbina de cogeneración (ver figura 6).

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La producción de polvo atomizado de un atomizador depende del tamaño y del diseño de éste, siendo de unos 30000 kg/h para un atomizador de tamaño medio. Considerando que el consumo específico del proceso de atomización se sitúa en el intervalo 350-400 kcal/kg de polvo atomizado (0,407 – 0,465 kWh/kg atomizado), el consumo de energía térmica en un atomizador de tamaño medio se encuentra entre 12-14 MW. La atomización suele realizarse en continuo durante 24 horas al día, sobre todo si los gases de combustión provienen de una turbina de cogeneración, ya que las paradas y arranques acortan la vida de ésta.

5.1.2 Secado El polvo granulado obtenido por atomización es prensado en moldes metálicos aplicando una presión unidireccional hasta alcanzar la densidad de pieza requerida. El polvo atomizado contiene una cierta cantidad de agua que actúa como ligante y que se encuentra en torno a 0,06 kg agua/kg sólido seco (6 %). Este agua debe eliminarse antes de la decoración de la pieza para aumentar su resistencia mecánica. Además de secas, en los procesos de monococción, las piezas deben salir del secadero calientes. La temperatura debe ser igual para todas las piezas y depende de las características de la línea de esmaltado, del tipo de esmalte a aplicar y de las técnicas de decoración empleadas. Por tanto, las funciones de la operación de secado son eliminar la humedad de las piezas tras el prensado, y aumentar su temperatura para que el esmaltado se realice correctamente. Una temperatura de las piezas demasiado baja reduce la capacidad del soporte de eliminar el agua del esmalte, tanto por succión como por evaporación, dando lugar a problemas de curvaturas en crudo, encharcamiento de las piezas, balsas, pegados en las decoraciones, etc. Por el contrario, si la temperatura es demasiado alta pueden aparecer grietas o pinchados en el vidriado. El secado de las baldosas se realiza inmediatamente después del prensado, en secaderos continuos verticales u horizontales, aunque en la actualidad el 75% del secado de las baldosas se realiza en secaderos verticales. En estas instalaciones, los gases calientes procedentes de la combustión de gas natural en los quemadores, se ponen en contacto directo con las piezas prensadas para evaporar el agua que contienen. Las piezas se colocan sobre un plano constituido por rodillos metálicos. Una vez lleno el plano con piezas recién prensadas, el conjunto de planos sube como una noria y aparece un plano con las piezas ya secas que será sustituido por más piezas húmedas. Los ciclos de secado tienen una duración variable, dependiendo del tipo de secadero (vertical u horizontal) y del producto fabricado. Habitualmente, en secaderos horizontales el ciclo de secado se sitúa entre 20 y 30 minutos, mientras que en los verticales se sitúa entre 60 y 120 minutos. La temperatura de los gases de secado es más alta en los ciclos cortos, y menor cuando el ciclo de secado es más largo. Así, en los secaderos horizontales la temperatura máxima suele superar los 200 ºC, mientras que en los verticales se sitúa entre 100 y 200 ºC. Los gases calientes necesarios para el secado de las piezas proceden de la combustión de gas natural en uno o dos quemadores. En algunos casos se emplean motores de gas como sistemas de cogeneración, aunque las bajas necesidades térmicas de este proceso, si lo comparamos con las etapas de cocción y atomización, hacen que ésta no sea una práctica habitual. Parte de los gases de secado se recirculan en el propio proceso, y el resto salen de la instalación a través de la chimenea y se vierten al exterior. En algunas empresas, el ritmo productivo de los secaderos (ligado al de las prensas y las líneas de esmaltado) es de 24 h/día. En otras, las líneas de esmaltado no funcionan en el turno de noche, reduciendo el tiempo de trabajo del secadero a 16 horas/día. El consumo específico de la operación de secado de baldosas cerámicas se sitúa entre 90 y 110 kcal/kg producto seco (0,105 – 0,128 kWh/kg producto seco). Si se considera que la producción

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de un secadero de tamaño medio es de unos 5000 kg/h el consumo de energía térmica de un secadero vertical de tamaño medio se sitúa entre 0,5 – 0,6 MW. Los quemadores más utilizados en los secaderos son tipo vena de aire. Estos quemadores se colocan en la conducción por la que circulan gases recirculados y elevan su temperatura hasta la requerida en el secadero. En la figura 8 se muestra una vista en planta de un secadero, donde se aprecia la situación de los quemadores en la conducción de recirculación.

Figura 8. Vista en planta de un secadero vertical (Fuente: Sacmi Imola S.C.)

5.1.3

Cocción

La cocción de las baldosas cerámicas es una de las etapas más importantes del proceso de fabricación, ya que de ella dependen en gran parte las características del producto final. Los hornos que se utilizan para la fabricación de baldosas son hornos continuos de rodillos. Estos hornos miden alrededor de 100 metros y tienen gran cantidad de quemadores (del orden de 100-150) repartidos a lo largo de las paredes laterales. Estos quemadores funcionan con gas natural como combustible y aire ambiente como comburente. En algunos hornos, el aire ambiente se precalienta hasta unos 60 - 150 ºC, dependiendo del horno, antes de introducirse como comburente en los quemadores. La temperatura máxima de cocción se sitúa en torno a los 1150 ºC, y la duración del ciclo es variable entre 40 y 70 minutos. Al tratarse de hornos no muflados, el contacto de los gases de combustión con el producto es directo, lo cual mejora la transmisión de calor y por tanto el rendimiento térmico de la instalación. Esto hace que se reduzca el consumo energético, disminuya la duración del ciclo de cocción y aumente la flexibilidad de los hornos. Los quemadores más utilizados en la industria cerámica son los de mezcla en cabeza, que presentan gran estabilidad y un elevado margen de regulación. La potencia de estos quemadores oscila entre 10000 y 40000 kcal./h, dependiendo de la zona del horno en la que estén colocados. La llama que producen estos quemadores son llamas jet o de gran velocidad. El consumo específico del proceso de cocción de baldosas cerámicas se sitúa en el intervalo de 600 a 700 kcal/kg cocido (0,700 – 0,815 kWh/kg cocido). La producción aproximada de un horno 2 de tamaño medio es de 5000 kg/h (unos 7000 m /día). Con estos datos, el consumo medio de energía térmica para un horno monoestrato de rodillos está en el intervalo 3,5 -4,1 MW. Los hornos de la industria cerámica suelen funcionar en continuo durante 24 horas al día. Sólo se hacen las paradas necesarias para su mantenimiento, debido al elevado gasto energético que suponen los arranques.

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5.2 Propiedades del hidrógeno como combustible El hidrógeno podría aprovecharse térmicamente en el sector cerámico en todas aquellas etapas en las que en la actualidad se utiliza gas natural como combustible. Éstas son la atomización de la barbotina, el secado de las piezas crudas y la cocción. Como ya se ha comentado, en las tres etapas se utilizan, en general, quemadores que funcionan con gas natural como combustible, y aire ambiente como comburente. En el caso de los atomizadores, si los gases de secado provienen de una instalación de cogeneración, éstos poseen un alto contenido en oxígeno (superior al 15 %), y pueden ser utilizados directamente como comburente en el quemador de post-combustión. En la mayoría de los secaderos verticales, parte del aire utilizado como comburente son gases recirculados del propio secadero (dado su elevado contenido en oxígeno). El resto es aire ambiente tomado del exterior. Se ha estudiado la posibilidad de sustituir el gas natural por hidrógeno en los quemadores, total o parcialmente. Para ello se han tenido en cuenta las características físicas de ambos combustibles. En la tabla 2 se recogen distintas propiedades del hidrógeno y del gas natural, suponiendo que el gas natural está compuesto únicamente por metano. En España, el gas natural presenta un contenido en metano superior al 90 %. Tabla 2. Propiedades del metano y del hidrógeno.

METANO

HIDRÓGENO

PCS (kcal/Nm )

3

10100

3050

PCS (kcal/kg)

12696

35138

PCI (kcal/Nm )

9100

2570

PCI (kcal/kg)

11439

29608

Aire teórico (Nm aire/Nm combustible)

9,52

2,38

Densidad relativa respecto del aire

0,5997

0,0696

0,7955

0,0868

Coeficiente de difusión molecular (cm /s)

0,16

0,61

Tª de llama adiabática en aire (K)

2188

2318

Rango de inflamabilidad (% vol en aire)

5-15

4-75

Rango de explosión (% vol en aire)

5,7-14

18-59

Facilidad de ignición (% vol en aire)

9

29

Velocidad de la llama (cm/s)

40

350

13042

11561

3

3

3

3

Densidad (kg/Nm ) 2

3

Índice de Wobbe (kcal/Nm )

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Tanto el hidrógeno como el gas natural son gases altamente inflamables y deben ser manipulados con precaución. La molécula de hidrógeno es bastante más pequeña que la del metano, y por lo tanto, tendrá mayor tendencia a fugas en conducciones, juntas, etc. En efecto, el coeficiente de difusión molecular del hidrógeno es del orden de 4 veces el del metano. Este es un hecho muy importante a tener en cuenta en el diseño de quemadores, puesto que las roscas deberán ser especiales, o deberán utilizarse juntas soldadas. El hidrógeno es 14,5 veces más ligero que el aire y el metano 1,8 veces. Además el hidrógeno se difunde en el aire cuatro veces más rápido que el metano. Por lo tanto, ante una posible fuga de combustible en espacios abiertos, si éste fuera hidrógeno, su concentración disminuiría mucho más rápido que en el caso de tratarse de gas natural, reduciéndose el riesgo de explosión. Los rangos de inflamabilidad y explosión del hidrógeno en aire son mucho más amplios que para otros gases, pero este hecho se mitiga si se tiene en cuenta el bajo poder calorífico del hidrógeno por unidad de volumen y su baja densidad, que facilita que éste se disperse muy rápidamente. La velocidad de combustión de hidrógeno es diez veces mayor que la del metano, esto indica que una explosión de hidrógeno es más violenta pero de menor duración. Las llamas de hidrógeno son prácticamente invisibles a la luz del día, aunque los contaminantes del aire añaden cierta visibilidad. Esto hace que sea imprescindible el uso de detectores de llama en los quemadores para evitar fugas. Otro aspecto importante en la manipulación del hidrógeno es que no es posible añadirle odorizantes que faciliten su detección a través del olfato humano. Esto es debido a que el hidrógeno tiende a combinarse con el carbono presente en las conducciones metálicas formando gas metano. Los odorizantes actúan como catalizadores de esta reacción, provocando de este modo el debilitamiento de la estructura de las conducciones por las que circula el hidrógeno. La temperatura adiabática de la llama de hidrógeno es ligeramente superior a la de la llama de gas natural, aunque el calor radiante de las llamas de hidrógeno es significativamente menor que en las llamas de gas natural, debido a que presentan una emisividad más baja.

5.3 Almacenamiento y distribución Dado el elevado consumo de energía térmica en una planta de fabricación de baldosas cerámicas, la cantidad de hidrógeno necesario para satisfacer las necesidades energéticas de estas instalaciones sería muy elevada (ver tabla 3). En estas condiciones, el único sistema de almacenamiento que podría utilizarse serían tanques de hidrógeno comprimido a alta presión. En la actualidad no se consume hidrógeno como combustible industrial para aportar energía térmica a un gran volumen de aire, aunque sí se utiliza a gran escala como refrigerante, en la fabricación de vidrio plano y en algunos procesos de soldadura. El consumo de hidrógeno en la fabricación de vidrio plano, en el año 2001, fue de 3,17 millones 3 2 de Nm . Para fabricar una producción de 7000 m /día de baldosas, la instalación (atomización, 3 secado y cocción) consumiría más de 17 millones de Nm en un año, considerando que trabaja 330 días/año. Como vemos, los volúmenes de hidrógeno que se emplearían en el caso de utilizarlo como combustible en la fabricación de baldosas son mucho más elevados que los consumos de este gas en otros sectores de fabricación.

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Respecto a la distribución, se ha contactado con diversos fabricantes de hidrógeno, y las opciones que presentan para que una empresa pueda abastecerse de hidrógeno son las siguientes: •

Transporte en semirremolques. Según los técnicos de la empresa Praxair España, S.L. (en adelante Praxair), el único modo de transportar hidrógeno en grandes cantidades en la actualidad es mediante semirremolques. Se trata de depósitos que contienen grandes cilindros con hidrógeno a presión en estado gaseoso. No se transporta hidrógeno en camiones cisterna debido al riesgo que supone la manipulación del hidrógeno líquido. 3 Estos semirremolques tienen una capacidad que varía entre 1000 y 5600 Nm , y el gas se almacena a una presión entre 200 y 600 bar. El precio del hidrógeno transportado de 3 este modo es de 0,75 €/Nm , y su pureza del 99,5%. (Fuente: Praxair, Diciembre 2006).

•

Construcción de una planta generadora de hidrógeno en la misma empresa. Es una opción viable aunque dependiendo de la capacidad de la planta, la inversión sería muy elevada.

•

Canalización de hidrógeno desde una planta de generación de hidrógeno a gran escala hasta la industria consumidora. La planta de generación de hidrógeno más cercana de Castellón es propiedad de Air Liquide y está en Tarragona. Se trata de una opción viable técnicamente, pero difícil dadas las características físicas del hidrógeno

Actualmente, existen varios tramos de tuberías de hidrógeno en el mundo: 210 km en Alemania, 400 entre Francia y Bélgica (propiedad de Air Liquide) y 720 km totales en EEUU. (Fuente: Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y de las Pilas de Combustible) En la búsqueda realizada, se ha encontrado información sobre un proyecto a largo plazo que consiste en la generación de hidrógeno por hidrólisis partiendo de energía solar fotovoltaica, obtenida en el norte de África. Se está estudiando la viabilidad de generar hidrógeno a gran escala en los países del norte de África y canalizarlo hacia Europa mezclado en baja proporción con el gas natural., e incluso la posibilidad de construir un nuevo gaseoducto para el transporte de hidrógeno desde el norte de África. (Fuente: http://www.hydrogen.co.uk/h2/h2_page2.htm).

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5.4 Sustitución del gas natural por hidrógeno en la industria cerámica Como ya se ha comentado, el combustible utilizado mayoritariamente en la fabricación de baldosas cerámicas es el gas natural. Las propiedades energéticas de gas natural y del hidrógeno son diferentes. El poder calorífico del hidrógeno es superior al del gas natural por unidad de masa, pero es unas tres veces menor por unidad de volumen. Esto hace que sea necesario un volumen unas tres veces mayor de hidrógeno para producir la misma energía. En la tabla 3 se muestra cuál sería el consumo de gas natural y de hidrógeno para proporcionar la energía térmica necesaria en los procesos de atomización, secado y cocción. Tabla 3. Consumo de gas natural e hidrógeno por etapas.

ATOMIZACIÓN

SECADO

COCCIÓN

Potencia total necesaria (MW)

13,08

0,58

3,78

Caudal de gas natural 3 (Nm /h)

1236

55

357

Aire mínimo con GN 3 (Nm /h)

11770

522

3401

Caudal de hidrógeno 3 (Nm /h)

4377

194

1265

Aire mínimo con H2 3 (Nm /h)

10417

462

3011

El consumo de gas natural e hidrógeno se ha calculado a partir del Poder Calorífico Inferior de ambos combustibles (ver tabla 2). El aire mínimo estequiométricamente necesario para la combustión se ha calculado teniendo en cuenta las reacciones de combustión de ambos gases. A continuación se muestran dichas reacciones químicas y el cálculo del aire mínimo necesario.

GAS NATURAL:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Vasm = 2 · VGN / 0,21 = 9,52 VGN

HIDRÓGENO:

2 H2 + O2 → 2 H2O Vasm = 0,5 · VH2 / 0,21 = 2,38 VH2

Donde: Vasm : Volumen de aire seco mínimo para la combustión VGN: Volumen de gas natural VH2: Volumen de hidrógeno Hay que tener en cuenta también que en los hornos de cocción de baldosas se trabaja con exceso de aire, que garantiza la presencia de oxígeno en el interior para que se oxide completamente la materia orgánica presente en el producto, por lo que el caudal volumétrico real de comburente sería mayor en ambos casos.

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En la tabla 3 se observa como el caudal de aire mínimo necesario para la combustión es algo menor para el caso del hidrógeno, mientras que el caudal volumétrico de hidrógeno es 3.5 veces mayor que el de gas natural (para obtener la misma energía). Una vez calculado cual sería el consumo global de hidrógeno en cada etapa del proceso donde se requiere un aporte de energía térmica, y la potencia total necesaria, se muestra en la tabla 4, la potencia requerida en los quemadores utilizados en un atomizador, en un secadero y en un horno. En el caso del atomizador, hay que recordar que la potencia total mostrada es la que se necesitaría en caso de no recuperar los gases de escape de una turbina de cogeneración, que no es lo habitual. Cuando se recuperan los gases de una turbina, la potencia real de trabajo del quemador se sitúa entre 1 y 2 MW. Tabla 4. Potencia de los quemadores utilizados en la industria cerámica.

Etapa del proceso

Nº quemadores

Potencia (MW/quemador)

Potencia total (MW)

Atomización

1

13,08

13,08

Secado soportes

1-2

0,58 – 0,29

0,58

Cocción

100 - 150

0,038 – 0,025

3,78

Un factor a tener en cuenta en la combustión del hidrógeno es el hecho de que el volumen de agua generado en su combustión es mayor que en el caso de la combustión de gas natural, dado que el volumen de hidrógeno necesario para obtener la misma cantidad de energía es mayor que el de gas natural. En la tabla 5 se indican, a modo comparativo, los caudales de gas natural e hidrógeno consumidos en el proceso de fabricación de baldosas por etapas (ver tabla 3), y el caudal de vapor de agua generado en la reacción de combustión en cada caso. Tabla 5. Vapor de agua generado en la combustión. 3

Caudal (Nm /h)

Atomización

Secado

Cocción

Gas natural

1236

55

357

Vapor de agua

2472

110

714

Hidrógeno

4377

194

1265

Vapor de agua

4377

194

1265

Los efectos del incremento de la cantidad de vapor de agua generado son difíciles de predecir a priori. No obstante, no es de esperar que ocasione problemas en la etapa de secado por atomización, donde el volumen de agua procedente del proceso es mucho mayor que la generada en la combustión. Sin embargo, las consecuencias del incremento de la cantidad de vapor de agua en los gases dependerán de las condiciones particulares de trabajo de cada equipo (caudales, temperaturas, etc.).

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5.4.1

Características de las llamas

En la bibliografía se describe el comportamiento de la llama en un quemador jet de mezcla en cabeza al sustituir un porcentaje del caudal volumétrico de gas natural introducido por hidrógeno, pero manteniendo constante el caudal total. Al quemar gas natural en un quemador jet de mezcla en cabeza, como los utilizados en los hornos de rodillos, se obtiene una llama ancha de color azul con una pequeña llama amarilla en el centro. Se trata de llamas turbulentas con una amplia zona de recirculación donde los productos calientes se propagan en contracorriente con el flujo de gas natural, produciendo un mezclado rápido y aumentando la estabilidad de la llama. Si se sustituye un porcentaje de gas natural por hidrógeno, manteniendo constante el caudal volumétrico total, se observa que la llama azul se hace más estable pero más corta. En el centro de la llama aparece una llama amarilla que aumenta de tamaño al aumentar el porcentaje de hidrógeno, alcanzando su máxima longitud para proporciones de hidrógeno entre el 50 y 60%. Esta llama de color amarillo indica que en la combustión se está produciendo hollín. El hidrógeno utilizado en los experimentos era puro, por lo que la única fuente de hollín es el gas natural. En presencia de hidrógeno la zona de reacción disminuye en tamaño, esto hace que la oxidación del gas natural no pueda producirse completamente, dando lugar a la formación de hollín. La introducción de hidrógeno mejora la combustión del gas natural cerca de la cabeza del quemador, siendo aquí donde se produce la reacción más intensamente. Además, debido a que el rango de inflamabilidad del hidrógeno es muy ancho y la velocidad de la llama es mayor, las llamas son más estables. Otra consecuencia de la introducción de hidrógeno en los quemadores junto con gas natural fue el aumento de las emisiones de CO y NOx. La emisión de CO aumenta progresivamente al aumentar el porcentaje de hidrógeno, alcanzando el máximo para un porcentaje de hidrógeno del 80%. Esto se debe a que la oxidación del CO se ve dificultada por la reducción del tamaño de la zona de reacción, y por tanto, la reducción del tiempo de residencia. Del mismo modo se observa un aumento en las emisiones de NOx. Aunque la temperatura a lo largo del eje del quemador disminuye con la introducción de hidrógeno, la temperatura principal de la llama aumenta, lo que da lugar a la formación de moléculas de NOx. Para reducir la emisión de estos contaminantes, se sugiere la utilización de otro tipo de quemadores con diferente sistema de inyección de combustible, como pueden ser los quemadores de premezcla, aunque éstos pueden ser peligrosos al existir riesgo de retroceso de la llama. Las llamas resultantes de la combustión de hidrógeno 100% son bastantes débiles y prácticamente invisibles; únicamente se observa una tonalidad rojo pálido debido a las impurezas del aire y a la formación de agua como subproducto de la combustión. En resumen, la adición de una proporción de hidrógeno al caudal volumétrico de gas natural (hasta 80% en volumen): • reduce la potencia térmica (el PCI del hidrógeno es menor que el del gas natural) • aumenta la estabilidad y la velocidad de la llama • aumenta las emisiones de CO, NOx y hollín

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5.4.2 Quemadores de hidrógeno En el mercado existen actualmente quemadores de hidrógeno que se utilizan en distintas aplicaciones como son, por ejemplo, el acabado de vidrio plano, tratamientos superficiales, aplicaciones que requieren un elevado aporte energético (calderas de vapor), etc. Durante la realización de esta tarea del proyecto se ha contactado con diversos fabricantes de quemadores industriales de hidrógeno para conocer sus características técnicas y si podrían aplicarse a la industria cerámica. Los fabricantes con los que se ha contactado, y la información proporcionada por cada uno de ellos se muestra a continuación. •

Empresa: ZEECO. País: Estados Unidos Página web: www.zeeco.com Contacto: [email protected] Información recopilada: empresa líder de fabricación de quemadores industriales en EEUU. Tienen experiencia en la fabricación de quemadores de hidrógeno o de combustibles con un alto contenido en hidrógeno. Pero no fabrican quemadores de baja potencia térmica como los utilizados en el sector cerámico. Recomiendan utilizar aire como comburente pero no oxígeno, ya que daría lugar a una llama de temperatura demasiado alta. Aseguran que es posible rediseñar los quemadores actuales para su uso con hidrógeno, aunque prestando especial atención a fugas.

•

Empresa: ENVIROBURNERES OY. País: Finlandia Página web: www.enviroburners.fi Contacto: [email protected] Información recopilada: son fabricantes de quemadores de hidrógeno para la industria química. Fabrican quemadores de hidrógeno de gran potencia (16 MW) para el funcionamiento de calderas de vapor. No tienen experiencia en la fabricación de quemadores de menor potencia.

•

Empresa: EQUIPOS DE COMBUSTIÓN SL. País: España (Vizcaya) Página web: www.equiposdecombustion.com Contacto: [email protected] Información recopilada: fabricantes de quemadores industriales de gas natural. No tienen experiencia en la fabricación de quemadores de hidrógeno. Sugieren la posibilidad de diseñar un quemador de hidrógeno, pero señalan la necesidad de realizar un estudio completo de la viabilidad técnica: reacción del producto a las características de la llama, emisión de vapor de agua, etc.

•

Empresa: BURNER & FLAME TECHNOLOGY, Ltd. País: Reino Unido Página web: www.bft.uk.com

Viabilidad técnica de la producción y uso de Hidrógeno en empresas cerámicas

Contacto: [email protected] Información recopilada: esta empresa tiene experiencia en la fabricación de quemadores de hidrógeno pero no conocen su aplicación a la industria cerámica. •

Empresa: SELAS HEAT TECHNOLOGY COMPANY, Llc. País: Estados Unidos Página web: www.selas.com Contacto: [email protected] Información recopilada: son fabricantes de quemadores de hidrógeno pero se trata de quemadores de premezcla. No fabrican quemadores de mezcla en cabeza, como los utilizados en la industria cerámica. Al contactar con los fabricantes de quemadores en España todos coinciden en que el hidrógeno es un combustible potencial, pero no disponen de estudios que aseguren que se trata además de un combustible seguro y fiable. No se invierte en el desarrollo de nuevos quemadores que funcionen con un combustible que no puede comprarse en grandes cantidades y a precios competitivos. Algunas empresas en el extranjero han estudiado la utilización de hidrógeno en quemadores, y de hecho, existen quemadores que funcionan con hidrógeno 100%. Se trata de quemadores de gran potencia que se utilizan en las etapas de acabado superficial en la fabricación de vidrio plano, impulsión de cohetes espaciales, etc. Pero ninguna de ellas diseña o fabrica quemadores de las dimensiones y potencia requeridas en el sector cerámico. Bft (Burner & Flame Technology) analizó las características técnicas de los quemadores de gas utilizados actualmente en los hornos de cocción de baldosas y propuso, para sustituirlos por quemadores que funcionaran con hidrógeno la utilización de quemadores tipo MPR (Multi Port Ribbon Burners). Se trata de quemadores muy versátiles que funcionan con una gran variedad de combustibles gaseosos, entre ellos gas natural e hidrógeno. La potencia de los quemadores depende de la longitud de estos, que debería ser de 0,8 metros para conseguir la potencia máxima requerida de 40000 kcal/h por quemador en un horno de cocción de baldosas. La llama de estos quemadores es laminar y muy corta, lo que hace que sea un quemador adecuado para aplicaciones en superficie. Estos quemadores funcionan tanto colocados en las paredes del horno como en la bóveda y la solera. El principal inconveniente de utilizar estos quemadores en un horno de cocción de baldosas es el tipo de llama. En la cocción de baldosas cerámicas se utilizan llamas turbulentas, producidas por quemadores jet de gran velocidad. Estos quemadores se sitúan arriba y abajo de los rodillos por los que circula el producto, como se indica en la figura 9, y proporcionan llamas largas y grandes. En realidad, las llamas situadas en los laterales del horno no están directamente enfrentadas, sino que existe una distancia entre ellas para cubrir un mayor volumen de horno. Esta es la razón por la que en la figura 9 dos de las llamas dibujadas aparecen en tonos más claros, para indicar que en realidad no están situadas en la misma sección del horno que las otras dos dibujadas en tonos más fuertes, sino que están desplazadas hacia el interior del horno.

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Llama

Piezas

Rodillo

Figura 9. Esquema de un módulo de un horno monoestrato de rodillos

Estas llamas turbulentas hacen que la transmisión de calor por convección sea elevada, debido a la circulación de aire caliente dentro del horno. La temperatura de cada zona del horno está controlada por un anillo, compuesto a su vez por varios quemadores, situados a ambos lados del horno. Además, la temperatura arriba y abajo del plano de rodillos por donde circulan las piezas es diferente. De modo que el anillo superior controla la temperatura en la zona superior del horno, y el anillo inferior la temperatura en la zona inferior. En la figura 10 se muestra una fotografía de los quemadores superiores e inferiores en un lateral del horno. En este caso, cada anillo está formado por cuatro quemadores en cada lateral del horno, ocho en total.

Figura 10. Fotografía de un lateral de un horno de cocción de baldosas.

Las llamas que proporcionan los quemadores MPR son laminares, proporcionando una elevada transmisión de calor por radiación, pero no se ha comprobado experimentalmente que puedan mantener constante la temperatura en un espacio con un volumen de varios metros cúbicos, que es precisamente lo que consiguen los quemadores actuales de gas natural en los hornos de baldosas.

Viabilidad técnica de la producción y uso de Hidrógeno en empresas cerámicas

Otra posibilidad que sugirió BFT fue el uso de quemadores tipo JM (referencia interna de la empresa). Se trata de quemadores jet muy similares a los utilizados actualmente en los hornos de rodillos. La principal ventaja de estos quemadores es que su instalación no requeriría importantes modificaciones en la estructura del horno; además, proporcionan una llama turbulenta de gran velocidad. BFT fabrica estos quemadores que han sido utilizados para la combustión de gas natural, propano y butano, pero no hidrógeno. BFT hizo un ensayo a escala de laboratorio quemando hidrógeno y gas natural en los quemadores JM y los resultados fueron satisfactorios únicamente con un mezcla hidrógeno/gas natural, pero no utilizando 100% hidrógeno. En los ensayos se utilizó aire comprimido a 1,72 bar como comburente. BFT afirma que es teóricamente posible la combustión de una mezcla hidrogeno/gas natural en los quemadores JM, aunque habría que tener en cuenta una serie de asuntos de seguridad como son la detección de la llama, fugas, o la completa combustión de los gases. BFT no tiene datos de las proporciones hidrógeno/gas natural que podrían utilizarse, aunque sugiere una composición parecida a la del Town Gas (combustible utilizado en Inglaterra hasta el siglo pasado) que tenía cerca de un 50 % de hidrógeno. Estos quemadores necesitarían ser adaptados a la utilización de hidrógeno en una u otra proporción, pero BFT indicó que estas modificaciones no serían caras dado que no se trataría de diseñar quemadores nuevos sino de adaptar unos ya existentes.

6

RESUMEN Y CONCLUSIONES El estudio ha permitido conocer las tecnologías existentes de producción, almacenamiento y uso de hidrógeno. Una vez analizadas las características de las empresas de fabricación de baldosas, desde el punto de vista energético, se concluye que la opción más viable técnicamente para aplicar las tecnologías del hidrógeno sería la producción de hidrógeno mediante electrólisis, utilizando la energía eléctrica excedente de las instalaciones industriales que dispongan de un sistema de cogeneración. Técnicamente es viable el uso de este hidrógeno como combustible en el propio proceso aunque requiere una adaptación previa de los quemadores para permitir el uso de hidrógeno como único combustible o mezclado con gas natural. Ahora bien, desde el punto de vista económico esta opción es viable, en el estado actual de la técnica, frente a la venta de los excedentes de energía a la red eléctrica general. Otra opción podría ser comercializar el hidrógeno producido mediante electrólisis a partir de la energía eléctrica excedente para otros usos externos al proceso de fabricación de productos cerámicos. De este modo, la planta con excedentes de energía eléctrica obtendría hidrógeno como subproducto. Esta posibilidad, dado que depende de numerosos factores externos (técnicos, comerciales, legales, etc.), y que no era el objeto principal del proyecto, no se ha analizado con detalle en este trabajo. En la figura 11 se muestran, esquemáticamente, las posibilidades del empleo de hidrógeno en el proceso de fabricación de baldosas.

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Instalaciones industriales con sistema de cogeneración

Energía eléctrica excedente

Producción de hidrógeno por electrólisis

Generación de energía térmica por combustión

Energía térmica

Figura 11. Posibilidades del empleo de hidrógeno en el sector cerámico de fabricación de baldosas.

Como se ha visto a lo largo del informe, el empleo de hidrógeno como combustible es posible, bien solo o en mezcla con gas natural. La información bibliográfica recopilada y las consultas realizadas a diversos fabricantes de quemadores, inducen a pensar que sería posible utilizar este nuevo combustible en la fabricación de baldosas, si bien sería necesario profundizar más para encontrar la solución que mejor se adaptase a las necesidades de cada una de las etapas del proceso analizadas.

Viabilidad técnica de la producción y uso de Hidrógeno en empresas cerámicas

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