Se espera que a mediados del siglo XXI, el sistema energético global sea muy diferente, con energía limpia, combustibles limpios y calor limpio que apoyen un futuro altamente descarbonizado. Requerirá tantos cambios en la forma en que hemos hecho estas cosas hasta ahora, que apenas podemos imaginar un mundo tan diferente hoy.

 

Un ejemplo es la producción de cemento, que, como hasta ahora se ha hecho con combustibles fósiles, genera el 8% de las emisiones globales de CO2. Pero dos firmas han estado trabajando en una forma de hacer cemento para un futuro sin emisiones de carbono.

La startup “solar caliente” Synhelion está creando alternativas a los combustibles fósiles tanto en combustibles solares como en calor industrial directo con la tecnología solar en la que los espejos (helióstatos) concentran y reflejan los rayos del sol hasta un receptor solar para generar calor. Synhelion ha alcanzado la temperatura más alta posible hoy en día en esta tecnología solar; 1500°C.

Hace un año cubrimos el trabajo inicial que se  está realizando en los procesos de descarbonización del cemento en una asociación entre Synhelion y el productor internacional de cemento CEMEX con sede en México.

Ahora, los ingenieros de Synhelion y CEMEX han construido una planta piloto, en la Torre Solar de Muy Alta Concentración de IMDEA Energía en España, para producir cemento sin CO2, al sustituir el calor solar directo por calor de combustión fósil en una de las industrias más intensivas en carbono del mundo.

Esa colaboración ya ha dado sus primeros frutos. Synhelion y CEMEX han producido el primer clinker solar del mundo.

Para esta aplicación, en la producción de cemento, el calor solar se canalizará a un horno largo en la fábrica de cemento donde se realiza la calcinación y clinkerización.

La calcinación requiere calor a unos 1000°C durante varios minutos. Inicialmente, el plan era suministrar calor solo para este proceso de calcinación completamente a partir de energía solar, al mismo tiempo que se desvían las emisiones naturales de CO2 que ocurren debido a la reacción química, para un proceso de calcinación 100% libre de emisiones.

En la demostración, el equipo ha ido incluso más allá de lo que inicialmente planearon.

“No detuvimos nuestro sistema en la calcinación”, explicó el Dr. Gianluca Ambrosetti, director ejecutivo y cofundador de Synhelion. «Fuimos más lejos a temperaturas más altas e incluso realizamos la clinkerización, que ocurre alrededor de 1400 a 1450 grados».

Este segundo paso; La clinkerización es un desafío mucho mayor para el calor solar. No solo es mayor el requerimiento de calor, sino que el tiempo de residencia es mayor, hasta 30 minutos por cada cohorte de material que gira a través del horno de casi 90 metros de largo, y está operando continuamente.

 

IMAGEN@CEMEX Diagrama de producción de cemento

 

Una vez que se producen los grumos de clínker, se combinan con yeso y se envían a un molino para convertirse en el producto terminado: cemento en polvo.

Alrededor del 95% de las emisiones de CO2 en la producción de cemento provienen de estos dos pasos, la calcinación y la clinkerización. Solo alrededor del 5% proviene de la alimentación del proceso de molienda, que utiliza electricidad.

Este es un gran avance para el calor solar, basado en la investigación del proyecto SolPART en el que participó CEMEX. En ese momento, Gilles Flamant, quien dirige el laboratorio de pruebas de reactores solares en CNRS-PROMES, advirtió que el aspecto más difícil de sustituir la energía solar calor para la fabricación de cemento es esta duración. “Mi sensación es que el problema del tiempo de residencia es en realidad el tema crítico en esto, no el requerimiento de calor”, explicó.

“Lo que logramos es un verdadero hito en el sentido de que logramos ir más allá y hacer también la clinkerización”, agregó Davide Zampini, Jefe de Investigación y Desarrollo Global de CEMEX. “Lo que está haciendo Synhelion, para poder llegar a los 1500 grados, es fundamental para nosotros porque ahora podemos ir más allá de la calcinación. Este es un elemento clave. Nos permite eliminar por completo los combustibles fósiles de la producción de clínker en cemento”.

Usando el método tradicional de combustible fósil, el paso de calcinación genera CO2 de dos maneras. Alrededor del 60% proviene de la reacción química en sí, y el 40% proviene de la quema de combustibles fósiles para calentar la reacción.

Cómo el proceso solar elimina ambas fuentes de emisiones de cemento

Para este proceso solar, el calor no proviene de la combustión de combustibles fósiles como la producción de cemento tradicional, sino de la luz solar reflejada en un campo solar de espejos que concentra el flujo solar altamente concentrado hasta un receptor en una torre.

Luego, el calor que esto crea se transporta en un fluido de transferencia de calor, que se conduce al horno en una corriente de vapor de agua y CO2 a muy alta temperatura.

Debido a que este fluido de transferencia de calor está en un circuito cerrado sin aire, es fácil separar y sacar con sifón el CO2 de la reacción química de calcinación en una corriente pura, condensando el agua que deja solo CO2.

Por el contrario, cuando un combustible fósil se quema en el aire, es costoso capturar las emisiones porque el CO2 está muy diluido en la mezcla predominantemente nitrogenada del aire. Este costo de capturar CO2 en el aire es la razón por la que no se está haciendo, a pesar de los incentivos políticos.

“Esta es una parte importante del proyecto, capturar ese CO2”, señaló Zampini. “Gracias al hecho de que es un proceso ligeramente diferente porque estamos usando calor solar en lugar de combustión, capturar el CO2 se vuelve fácil. Este es un gran beneficio para nosotros como fabricantes de cemento. No emitimos nada de CO2 a la atmósfera con este proceso”.

Para hacer el fluido de transferencia de calor en el sitio, Synhelion extraería el dióxido de carbono emitido por la piedra caliza de forma natural durante el paso de calcinación y usaría una parte mezclada con vapor de agua. Mantendría el CO2 restante que capturó para su negocio principal de fabricación de combustibles solares a partir de H2O y CO2.

“Es por eso que esto es realmente elegante”, dijo Zampini. “Además de ser CEMEX el primero en producir un clínker solar, Synhelion nació como una empresa que produce combustibles sintéticos solares, por lo que también tiene un uso para el CO2 para fabricar sus combustibles para aviones”.

Una cosa de la que los equipos estaban tratando de asegurarse era que el proceso solar no alteraría ninguna reacción química en los procesos de cemento. Las pruebas demostraron que esto fue exitoso.

IMAGE@DLR El receptor estaría en lo alto de una torre, calentado por un flujo solar altamente concentrado reflejado en miles de espejos

Próximo paso

“Hasta ahora, lo que hemos hecho era un proceso por lotes, no teníamos un proceso continuo. Producimos algunos kilogramos de clínker”, dijo Ambrosetti. “Ahora desarrollamos aún más este sistema para tener hornos que puedan producir clínker de manera continua. Realizar el proceso de manera continua es la meta que queremos lograr este año”.

A escala, Ambrosetti dijo que el campo solar para una planta de cemento que produzca diez toneladas diarias de cemento sería aproximadamente del tamaño de las plantas de energía solar concentrada (CSP) de torre actuales, en el rango de varios cientos de miles de metros cuadrados de área de helióstatos. Sorprendentemente, Synhelion alcanza sus temperaturas mucho más altas a partir del campo solar del mismo tamaño que una planta de CSP de torre convencional que produce calor a una temperatura mucho más baja de 565 °C.

“Esto proviene de nuestro novedoso diseño de receptor”, explicó Ambrosetti. “Podemos alcanzar los 1.500°C a una concentración bastante baja, alrededor de mil soles, un megavatio por metro cuadrado. Para una instalación de 1000 toneladas de clínker por día, necesitaríamos una entrada de energía solar térmica de aproximadamente 150 megavatios al receptor. Entonces, esto sería alrededor de 300,000 metros cuadrados de heliostatos”.

Ambrosetti señaló que Synhelion ya ha resuelto los problemas de materiales con el funcionamiento a temperaturas tan altas. “Estas altas temperaturas crean algunas restricciones en el material, pero con nuestro diseño de receptor, básicamente una cavidad revestida de refractario, podemos usar materiales estándar de la industria refractaria y los que se usan en un horno”.

A escala, para mantener el calor suministrado de forma continua, este sistema incluiría almacenamiento de energía térmica como en una planta de energía solar térmica. En el siguiente paso, incorporando el almacenamiento, CEMEX y Synhelion producirán clínker en mayores cantidades para alcanzar la escala industrial.

, solarpaces.org

Davide Zampini de CEMEX sostiene el primer clinker de cemento del mundo fabricado con calor solar en lugar de combustibles fósiles IMAGE@CEMEX