En muchos procesos industriales de alta temperatura ocurre una situación paradójica: se consume combustible para generar calor, se utiliza una parte de esa energía en el proceso y, posteriormente, una fracción importante abandona el sistema a través de gases de combustión todavía calientes.
En otras palabras, una parte de la energía que la empresa ya pagó termina saliendo por la chimenea.
Esta realidad es de suma relevancia a nivel global en hornos y otros equipos térmicos, donde los gases de combustión pueden abandonar la cámara de calentamiento conservando una cantidad considerable de energía. Mejorar la eficiencia de estos procesos, por tanto, no depende únicamente de cambiar energéticos: también implica preguntarse qué hacemos con el calor antes de desecharlo.
Allí aparecen dos conceptos fundamentales: la recuperación y la regeneración de calor.
¿Qué significa recuperar o regenerar calor?
Ambas tecnologías parten de una misma idea: aprovechar una fracción de la energía que normalmente sería desechada por un proceso térmico y devolverla, directa o indirectamente, al proceso.
Sin embargo, no funcionan de la misma manera.
En la recuperación de calor, los gases calientes provenientes del proceso transfieren continuamente parte de su energía a otra corriente mediante un intercambiador de calor, comúnmente denominado recuperador. Esta energía puede utilizarse, por ejemplo, para precalentar el aire que posteriormente será utilizado en la combustión, aunque también puede aprovecharse para calentar una materia prima u otra corriente del proceso.
La lógica es sencilla:
Gases calientes → intercambiador → aire o materia prima precalentada
De esta manera, parte de la energía que antes era expulsada directamente por la chimenea regresa al proceso, reduciendo la cantidad de energía que debe suministrarse nuevamente mediante combustible.
La regeneración de calor persigue el mismo objetivo, pero utiliza un principio diferente. En este caso se emplean elementos sólidos de elevada capacidad térmica, comúnmente matrices cerámicas, capaces de almacenar temporalmente el calor remanente de los productos de combustión y posteriormente transferirlo al aire utilizado en el proceso.
Para conseguirlo, el sistema trabaja de manera cíclica.
Durante una parte del ciclo, los gases calientes atraviesan la matriz cerámica y transfieren energía hacia ella. Posteriormente, un sistema de válvulas modifica la dirección de los flujos y hace circular el aire frío de combustión a través de la matriz previamente calentada. El aire recupera entonces la energía almacenada antes de ingresar al quemador. Este principio de operación mediante dos ciclos y cambio de dirección del flujo es precisamente el utilizado en el sistema estudiado en nuestra investigación.
Así, mientras en un sistema recuperativo existe una transferencia continua de calor entre dos corrientes, en un sistema regenerativo existe además una etapa intermedia de almacenamiento térmico.
En términos simples, el regenerador puede entenderse como una especie de batería térmica: recibe energía de los gases calientes, la almacena durante un corto periodo y posteriormente la devuelve al aire de combustión.
¿Por qué llevar la recuperación un paso más allá?
Tanto la recuperación como la regeneración permiten incrementar la eficiencia de un proceso térmico frente a una configuración convencional en la cual los productos calientes son enviados directamente hacia la chimenea.
Sin embargo, los sistemas regenerativos pueden alcanzar grados elevados de aprovechamiento del calor residual y, especialmente, temperaturas de precalentamiento del aire considerablemente altas.
La literatura reporta ahorros de gas cercanos al 50 % en sistemas de regeneración y hasta el 30 % con recuperación, por la naturaleza de la fenomenología y las temperaturas de precalentamiento del aire adquiridas.
Esto permite plantear una evolución sencilla del aprovechamiento energético de un proceso térmico:
Proceso convencional → recuperación de calor → regeneración de calor
Cada alternativa busca disminuir progresivamente la cantidad de energía que finalmente se pierde con los gases de escape.
En otras palabras, el aire requerido por el quemador puede ingresar al proceso transportando una cantidad importante de energía que, en un sistema convencional, habría terminado en la chimenea.
¿Por qué precalentar el aire de combustión?
Todo proceso de combustión necesita combustible y un oxidante, normalmente aire. Cuando el aire ingresa a temperatura ambiente, una parte de la energía liberada por el combustible debe utilizarse simplemente para calentarlo hasta las temperaturas propias del proceso.
Pero si ese aire ingresa previamente calentado utilizando energía recuperada de los gases de combustión, parte de esa demanda energética ya ha sido suministrada.
Y lo más importante es que no fue necesario consumir combustible adicional para hacerlo.
Esta es precisamente la lógica detrás de la recuperación y la regeneración: utilizar nuevamente una energía que ya fue producida y pagada.
Menos temperatura en la chimenea significa más energía aprovechada
Una manera intuitiva de entender el potencial de estas tecnologías es observar qué sucede con los gases antes de ser expulsados.
Cuanto mayor sea la temperatura a la cual abandonan un proceso, mayor es la cantidad de energía térmica que potencialmente se está desaprovechando.
La recuperación y la regeneración buscan precisamente interceptar una fracción de esa energía antes de que llegue a la chimenea.
En un sistema convencional, los gases son descargados conservando buena parte de su calor sensible. En uno recuperativo, una fracción de este calor se transfiere mediante un intercambiador hacia otra corriente. En uno regenerativo, los gases entregan parte de su energía a matrices térmicas que posteriormente la transfieren nuevamente al aire de combustión.
La lógica energética puede resumirse de una manera muy sencilla: si conseguimos que menos energía salga por la chimenea, más energía permanece disponible dentro del proceso.
¿Qué puede representar esto para una industria?
El aprovechamiento del calor residual no debe entenderse únicamente como una estrategia para incrementar un indicador de eficiencia.
Desde el punto de vista productivo, recuperar energía puede utilizarse de dos maneras:
- La primera es mantener la misma producción utilizando menos combustible.
- La segunda es aprovechar la energía adicional disponible para incrementar la capacidad térmica o productiva del proceso.
Ambas posibilidades aparecen documentadas en los antecedentes analizados en nuestra investigación. Como se mencionó anteriormente, existen aplicaciones industriales de regeneración que han reportado ahorros de combustible superiores al 40 % frente a sistemas sin regeneración. Otros estudios sobre recuperación de calor mediante precalentamiento del aire reportaron incrementos de eficiencia desde 32,7 % hasta 48,5 %, asociados con una reducción del consumo de combustible del 31,3 % o, alternativamente, un incremento potencial de producción del 51,3 %.
Estas cifras corresponden a tecnologías, hornos y condiciones operacionales específicas y, por tanto, no deben interpretarse como un ahorro garantizado para cualquier instalación. Sin embargo, muestran la magnitud del potencial que puede tener aprovechar la energía de corrientes que actualmente son desechadas.
Eficiencia y descarbonización pueden comenzar por el mismo lugar
Actualmente buena parte de la discusión sobre descarbonización industrial se concentra en sustituir las fuentes de energía: electrificación, hidrógeno, biogás y combustibles de menor huella de carbono son alternativas relevantes.
Sin embargo, existe una pregunta que debería plantearse incluso antes de sustituir el combustible: ¿qué tan eficientemente estamos utilizando la energía que ya consumimos?
Una reducción del consumo de combustible derivada del aprovechamiento del calor residual puede disminuir directamente las emisiones asociadas al proceso. Esto hace que eficiencia energética y descarbonización no sean necesariamente estrategias independientes.
La investigación realizada en el horno de crisol mostró además que las pérdidas de calor sensible asociadas a los gases de combustión pueden ser mitigadas mediante la regeneración de calor.
Por ello, recuperar o regenerar calor puede constituir un primer nivel de intervención sobre muchos procesos térmicos: antes de cambiar la fuente de energía, aprovechar mejor la energía disponible. Y ambas estrategias pueden posteriormente combinarse.
Esto abre una perspectiva interesante: desarrollar equipos térmicos que no solamente consuman menos energía, sino que además puedan adaptarse progresivamente a combustibles con menor contenido de carbono.
El calor residual puede ser un recurso
Durante décadas, en numerosos procesos térmicos industriales, la chimenea ha sido simplemente el punto final de los productos de combustión.
La recuperación y la regeneración de calor invitan a verla de otra manera.
Un gas que abandona un horno a alta temperatura no es únicamente un residuo del proceso. También es una corriente energética.
La pregunta deja entonces de ser cuánto calor produce un quemador y pasa a ser cuánto de ese calor logra realmente aprovechar el proceso antes de liberarlo al ambiente.
Recuperar una parte de esa energía mediante un intercambiador o almacenarla temporalmente en una matriz cerámica para posteriormente retornarla al proceso permite reducir las pérdidas energéticas y abre oportunidades para disminuir el consumo de combustible o incrementar la productividad.
Por eso, el aprovechamiento del calor residual no consiste simplemente en agregar un componente a un horno. Consiste en cambiar la lógica energética del proceso: en lugar de producir, utilizar y desechar calor, producir, utilizar, recuperar y volver a utilizar.
Y en una industria donde la energía representa simultáneamente un costo de producción y una fuente de emisiones, el calor más económico puede ser aquel que no necesitamos volver a producir.