La producción de bebidas se caracteriza por procesos que requieren mucho frío y mucho calor. Por ello, la mayoría de las empresas apuestan por la recuperación de la energía térmica mediante la conexión inteligente de sus flujos de calefacción y refrigeración. No obstante, el calor residual no utilizado suele desperdiciarse. Las bombas de calor pueden absorber esta energía y aprovecharla para el suministro de agua caliente de proceso. Esto reduce el consumo de combustible y las emisiones de CO2 asociadas a él. También suele reducirse la demanda de energía de refrigeración. Todavía será más económico si la bomba de calor obtiene electricidad de plantas fotovoltaicas o de biogás propias. Esta tecnología también es clave para la electrificación del centro, permitiendo así la transición a fuentes de energía renovables.
Las bombas de calor pueden aprovechar el calor residual proveniente de procesos anteriores para reducir el consumo de energía y las emisiones de CO2 de un centro de producción de bebidas. Los sistemas operan de forma centralizada a nivel de fábrica o bien se integran en líneas o máquinas individuales. Estas últimas son fácilmente reequipables.
Las bombas de calor pueden utilizarse en tres ámbitos distintos para aprovechar el calor residual: a nivel de fábrica, a nivel de línea y a nivel de máquina. Krones cuenta con una amplia experiencia en todos estos campos, ofreciendo asesoramiento y herramientas para ayudar a encontrar la solución perfecta para cada aplicación específica. Los equipos también están desarrollando constantemente nuevos conceptos para que el uso de las bombas de calor sea rentable.
Enfoque holístico: bomba de calor centralizada en la fábrica
La forma más rentable de utilizar bombas de calor es emplear sistemas centralizados de calefacción y refrigeración junto con tanques acumuladores de energía. El calor residual generado en la fábrica se recupera y se ajusta a la temperatura necesaria para el acumulador de agua caliente. Esto significa que la bomba de calor opera independientemente de los procesos, que funciona de forma más constante y es más eficiente. Además, la inversión específica es menor que en el caso de las máquinas o líneas individuales, y la solución centralizada hace ahorrar la mayor parte de las emisiones de CO2. El concepto es ideal para proyectos Greenfield, aunque es difícil de reequipar.
Caso práctico
Un caso actual es la planificación de una cervecería Greenfield en Alemania. La situación inicial: la cervecería es abastecida de forma centralizada a través de dos circuitos de calentamiento con un acumulador térmico cada uno. Para cocer el mosto, un sistema de astillas de madera produce agua caliente a alta presión entre 125 y 145 grados Celsius. El resto de la cervecería funciona con agua caliente a baja presión (95 grados Celsius) suministrada por una bomba de calor. Para ello, aprovecha el calor emanado de las unidades de refrigeración y de los compresores de aire, además de obtener electricidad del propio sistema fotovoltaico de la empresa.
Junto con muchas otras medidas que no se detallan aquí, será posible reducir en un 30 por ciento las demandas energéticas de la cervecería, cuya capacidad anual prevista es de 500.000 hectolitros, en comparación con los valores estándar. Además, es posible ahorrar 3.000 toneladas de emisiones de CO2 al año. Y en tan solo cinco años, la inversión habrá merecido la pena.
Encontrará más información sobre el servicio de asesoría sobre sostenibilidad (incluido un ejemplo práctico) en esta entrada del foro.
Enfoque integrado: bomba de calor en la línea
A lo largo de una línea de producción, a menudo se genera frío o calor en un punto que se necesitaría en otro. En estos casos, las bombas de calor también pueden aportar beneficios adicionales. Un ejemplo es el sistema EquiTherm Coldfill: los envases llenos en frío suelen calentarse antes de ser etiquetados porque la condensación que se forma en ellos perjudicaría el resultado del etiquetado. Para ahorrar energía, EquiTherm Coldfill intercambia energía térmica entre el túnel de calentamiento LinaTherm y la mezcladora Contiflow, donde el producto se enfría previamente a la temperatura de llenado. Una bomba de calor extrae más energía del agua de refrigeración de la mezcladora y la aprovecha para generar agua caliente para el túnel de calentamiento. Esto reduce aún más la demanda de energía calorífica. El proceso de refrigeración también requiere menos energía porque la bomba de calor reduce la temperatura del agua de refrigeración. De este modo, una aplicación clásica puede ahorrar alrededor del 50 por ciento de gas destinado a la calefacción. Por ello, conviene analizar sus líneas para evaluar un posible uso de bombas de calor.
Enfoque descentralizado: bomba de calor en la máquina
Las bombas de calor son ideales (y relativamente fáciles de reequipar) en todas las máquinas que requieran energía térmica y de refrigeración. Ejemplos de ello son el tratamiento térmico del producto, la pasteurización de envases llenos o la limpieza de botellas.
En el punto de mira: bomba de calor en la pasteurización flash
El concepto más novedoso de Krones es el empleo de bombas de calor para la pasteurización flash, por ejemplo, en los sistemas VarioFlash o VarioAsept. Una particularidad de estos sistemas es que el producto se calienta y se enfría de manera directa. Esto significa que las propiedades del producto influyen en la recuperación del calor. Por lo tanto, las condiciones específicas de cada aplicación cobran aún mayor importancia.
Veamos los procesos en detalle (figura inferior): El producto llega al pasteurizador flash proveniente de la mezcladora, se precalienta en un primer intercambiador de calor y, a continuación, se calienta hasta alcanzar la temperatura de pasteurización en un segundo intercambiador de calor. Tras la pasteurización, el producto pasa por un tercer intercambiador de calor para enfriarse. Con una segunda etapa de refrigeración se alcanza la temperatura de envasado deseada. El precalentador y el enfriador de producto se suministran mutuamente calor y frío a través de un circuito interno de agua y no necesitan energía externa adicional. La segunda etapa de refrigeración es la única que requiere energía de refrigeración externa, al igual que el calentamiento final del producto, que opera con vapor.
La bomba de calor se integrará directamente en el circuito interno del agua. Así sacará más energía térmica del agua devuelta por el precalentador y la aprovechará para precalentar el agua aún caliente que vuelve del calentador final del producto. Con algo de vapor adicional, el agua vuelve a estar lo suficientemente caliente y podrá devolverse al calentador. Al mismo tiempo, la bomba de calor reduce la temperatura del agua de refrigeración. Así se ahorra vapor para el calentamiento y energía para la refrigeración.
Pero no siempre tiene sentido invertir en una bomba de calor. Que su uso resulte rentable o no dependerá de numerosos factores, algunos de los cuales estarán condicionados entre sí (véase la figura siguiente). En el ejemplo anterior, se reduce la demanda de gas para la generación de vapor y la demanda de energía para la refrigeración. No obstante, esto tiene la contrapartida del consumo eléctrico de la bomba de calor y los costes de inversión y funcionamiento. Estos dos últimos puntos también dependerán del uso; a saber, qué refrigerante utilizar para la bomba de calor dependerá del perfil de temperatura del proceso. Y algunos refrigerantes requieren mayores medidas de seguridad en el sistema. Por lo tanto, cada uso tendrá que ser estudiado en detalle, afirma el Dr. Thomas Oehmichen del equipo de gestión de productos para unidades y componentes de Krones: “Básicamente aplica: antes de invertir en una bomba de calor, hay que minimizar la demanda térmica”.
Dos factores clave: la tasa de recuperación de calor y la temperatura de pasteurización
El valor COP (coeficiente de rendimiento) es el parámetro clave para conocer la eficiencia económica de una bomba de calor. Indica la relación entre la potencia térmica entregada y la potencia eléctrica consumida, y dependerá en gran medida del salto de temperatura: cuanto mayor sea el salto, más energía eléctrica necesitará la bomba de calor y más ineficiente será su funcionamiento. Dicho de manera simplificada, el salto equivale a la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío de la bomba de calor. En la pasteurización flash, el salto térmico está determinado por el proceso, más concretamente por la temperatura de alimentación del producto que se ha de calentar, la temperatura de pasteurización y la eficiencia de la recuperación interna de calor. Esto último indica lo bien que se transfiere el calor o el frío al producto dentro del intercambiador de calor. Lo que aplica es que cuanto mejor sea la recuperación de calor, tanto mayor será el salto de temperatura.
El tipo de intercambiador de calor y la viscosidad del producto son decisivos para la tasa de transmisión térmica. Los intercambiadores de calor de placas transfieren más calor que los modelos tubulares, pero solo son aptos para productos de baja viscosidad. Al mismo tiempo: cuanto más viscoso sea el producto, tanto peor será la transmisión térmica en el intercambiador. Por lo tanto, un producto de baja viscosidad en intercambiadores de calor de placas proporcionará una tasa de recuperación de calor significativamente mayor (normalmente del 90 por ciento y superior) que un producto de viscosidad media a alta en intercambiadores de calor tubulares (normalmente en torno al 80 por ciento).
Una herramienta para analizar la rentabilidad
El equipo de Krones ha desarrollado una herramienta especial para poder evaluar rápidamente la rentabilidad, teniendo en cuenta las numerosas variables. Dicha herramienta calcula el salto de temperatura, el valor COP, el retorno de la inversión (ROI) en años y las emisiones de CO2 a partir de los datos del proceso, los datos clave de la bomba de calor y los costes energéticos.
Empleo en la pasteurización flash: un resumen
Por tanto, que una bomba de calor sea o no beneficiosa para el proceso de pasteurización flash dependerá en gran medida de su empleo y de las condiciones marco. Con la herramienta de evaluación de Krones es posible calcular fácilmente la rentabilidad real. Pero lo que se puede adelantar en cualquier caso es que ocuparse del tema representa, sin duda, una ventaja para la producción. Ya se trate de procesos y máquinas existentes o de invertir en una bomba de calor suplementaria, todas las medidas ofrecen un gran potencial de ahorro y una producción más sostenible.
Otro ejemplo: la bomba de calor en el pasteurizador
La configuración básica del nuevo pasteurizador LinaFlex eSync también prevé la integración opcional de una bomba de calor. Se cumple con la premisa de minimizar el consumo de calor: los circuitos integrados de agua intercambian energía térmica emparejando las zonas de calefacción y refrigeración, mientras que la presencia de un aislamiento evita la pérdida de calor hacia el exterior. Si la pasteurización varía mucho entre los distintos productos, se puede incluso recuperar más calor dentro de las zonas de pasteurización.
En ciertos casos, una bomba de calor puede reducir aún más la demanda de energía restante para la pasteurización, concretamente si el producto puede o debe enfriarse aún más a la salida del pasteurizador. El calor residual se libera en la zona de refrigeración adicional, el cual es aprovechado por una bomba de calor para proporcionar agua caliente para la pasteurización. El agua fría procedente de otros procesos suele utilizarse para el proceso de refrigeración mismo. De este modo se reducen el consumo de combustible y las emisiones de CO₂, permitiendo una electrificación casi completa del pasteurizador. En la drinktec de este año, Krones presentó un caso práctico en el que una bomba de calor con un valor COP de 2,7 reemplazaba el 85 por ciento de la energía calorífica requerida.
