La demanda de combustibles fósiles para generar calor industrial y también para su uso en procesos químicos industriales es muy relevante en España. En la Unión Europea supone el 47% de la demanda total de energía según datos del informe de la consultora Agora “Direct electrification of industrial process heat”. Además, este consumo proviene en un 75% de combustibles fósiles (principalmente gas 35% y carbón 27%).
Por otro lado, el 75% de las emisiones de CO2 de la industria derivan de la quema de combustibles fósiles para producir calor de procesos.
Por ello, la descarbonización y especialmente la electrificación del calor industrial representa uno de los desafíos más apremiantes en la batalla contra el cambio climático y también para mejorar la competitividad del sector industrial al depender en menor medida de combustibles fósiles importado de terceros países. Este proceso implica:
- la reducción significativa de las emisiones de carbono derivadas de la generación de calor en sectores industriales tales como la manufactura, la química, el cemento y el acero
- la mejora de la competitividad del sector industrial al utilizar fuentes de energía con precios más competitivos y baratos que los combustibles fósiles (gas natural y derivados del petróleo)
- la mejora de la autonomía energética al usar más electricidad producida en su mayoría con energías renovables
La transición hacia tecnologías más limpias y sostenibles es esencial para mejorar la autonomía energética, la competitividad y alcanzar los objetivos de reducción de emisiones globales y limitar el aumento de la temperatura global.
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La descarbonización industrial es uno de los pilares fundamentales para que la Unión Europea alcance la neutralidad climática en 2050 y para mejorar la competitividad y así queda recogido en el Informe de Draghi publicado en septiembre de 2024. Dentro de este enorme desafío, la descarbonización del calor industrial representa el reto más complejo y urgente, dado que la gran mayoría de los procesos térmicos en el sector industrial dependen hoy masivamente de combustibles fósiles.
Abordar el proceso de descarbonización del calor de proceso no es solo una obligación climática, sino una necesidad estratégica para asegurar la competitividad y la soberanía energética de la industria europea.
Descarbonización industrial y el calor: el gran reto (homenaje al post de 2022)
Este desafío no es nuevo. Desde Energía y Sociedad ya abordamos en 2022 la complejidad de la descarbonización del calor industrial, señalándolo como un paso crucial.
En dicho evento se presentó el informe de PwC «La descarbonización del calor industrial», que ponía cifras a la magnitud del reto: el 70% del consumo energético industrial se destina a calor y, de este, el 90% proviene de combustibles fósiles, principalmente gas natural. Sustituir esta demanda es, por tanto, el núcleo de la descarbonización industrial.
La electrificación como oportunidad para la mejora de la competitividad de la industria de Europa
Aunque la transición supone un reto, la electrificación del proceso industrial no debe verse solo como un coste, sino como una palanca estratégica de competitividad, tal y como señala el informe Un «Clean Deal Industrial» eficaz para Europa de EY Consulting.
Este informe (páginas 8-14) destaca que la electrificación es una oportunidad por tres motivos principales:
- Reducción de la volatilidad: Sustituir calderas de gas por tecnologías eléctricas, como la bomba de calor industrial, reduce drásticamente la exposición a la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles, aportando estabilidad a los costes energéticos.
- Catalizador de mejora operativa: El informe de EY subraya que esta transición energética industrial no es solo un coste, sino un ‘catalizador’ (p. 10) que obliga a las empresas a repensar su proceso industrial desde cero. Este rediseño suele llevar aparejada una mayor digitalización, automatización y, sobre todo, un salto cualitativo en eficiencia energética. No se trata solo de cambiar una fuente de calor, sino de optimizar todo el proceso.
- Ventaja competitiva: Adoptar soluciones limpias (p. 12) mejora la imagen de marca, permite a la industria ofrecer productos con una baja huella de carbono, cumple con las exigencias de sostenibilidad de los clientes (cadenas de suministro verdes) y atrae nuevo talento, posicionando a la industria europea con ventaja en los mercados globales.
Potencial de la electrificación
Según el artículo “Net-zero electrical heat: A turning point in feasibility” de McKinsey las tecnologías para la electrificación de la industria están ya disponibles para el 100% de las necesidades de calor de baja y media temperatura (temperaturas inferiores a 600ºC). En estos rangos de temperatura están la industria alimentaria, bebidas e industria química
Por el contrario, las tecnologías para electrificar altas y muy altas temperaturas superiores a los 600ºC aún tienen que madurar.
Según Agora, las tecnologías de electrificación directa que se espera que estén disponibles para 2035 podrían satisfacer el 90% de la demanda de energía aún no electrificada por la industria europea y esta electrificación podrías suponer una demanda adicional de electricidad de entre 1.290-1.930 TWh en EU vs 2019, alcanzando un total de 2.220-2.860 TWh de demanda.
Palancas de descarbonización
La descarbonización industrial se apoya en un conjunto de estrategias que deben aplicarse de forma combinada.
Eficiencia energética
Es la primera palanca y la más rentable: «la energía más barata es la que no se consume». Incluye la reducción del consumo actual mediante la optimización de procesos, la mejora de aislamientos, la sustitución de motores por otros de alta eficiencia o la optimización de sistemas de aire comprimido y vapor.
Reducir la demanda de calor de un proceso es fundamental, ya que abarata la inversión (CAPEX) de la tecnología de sustitución. Si un proceso necesita menos calor, la bomba de calor, el electrolizador de hidrógeno o la caldera de biomasa necesaria será más pequeña y, por tanto, más económica y fácil de integrar.
Electrificación del calor (baja y media temperatura)
Esta palanca se centra en sustituir las calderas de gas o fueloil por tecnologías eléctricas limpias, especialmente en los rangos de temperatura baja y media (hasta 200°C-300°C), donde se concentra una gran parte de la demanda industrial (alimentación, química, papel).
La electrificación directa, que utiliza electricidad renovable, es la vía más eficiente para descarbonizar estos procesos. Las tecnologías clave son las bombas de calor industriales, que multiplican la eficiencia, y las calderas eléctricas, que ofrecen una solución robusta y madura para generar vapor limpio.
Combustibles renovables
Para los procesos de alta temperatura (superiores a 500°C) donde la electrificación directa no es la vía más eficiente se puede utilizar combustibles renovables como el biometano (que puede inyectarse en la red de gas actual), la biomasa sólida (de origen sostenible) y, de forma destacada, el hidrógeno verde. Este último es clave como combustible para hornos de alta temperatura (siderurgia, vidrio) y como materia prima en la industria química (para producir amoniaco o metanol verde).
El objetivo es sustituir las fuentes de energía fósiles por alternativas renovables como el hidrógeno verde o el biometano en procesos de alta temperatura.
CCUS para procesos con emisiones de proceso
En algunas industrias, las emisiones no solo provienen de la quema de combustible, sino de la propia reacción química del proceso. Es el caso de la industria cementera (emisiones por la calcinación de la caliza) o de la producción de hidrógeno gris (emisiones del reformado de metano).
En estos casos, las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCUS) son indispensables para neutralizar esas emisiones inevitables. Estos sistemas son la única vía para alcanzar emisiones netas nulas en sectores donde las emisiones de proceso no pueden eliminarse por otras vías.
Recuperación de calor residual y redes térmicas
Una enorme cantidad de energía en la industria se desperdicia en forma de calor residual a través de chimeneas, efluentes líquidos o sistemas de refrigeración. Esta palanca se centra en auditar, capturar y revalorizar esa energía térmica perdida.
Mediante intercambiadores de calor o bombas de calor de alta temperatura, este calor residual puede reutilizarse para precalentar materias primas, calentar agua para otros procesos o incluso exportarse. Esto da lugar a la simbiosis industrial, donde el calor sobrante de una fábrica se convierte en la materia prima energética de otra cercana o de una red de calefacción urbana.
La recuperación de calor residual es un pilar de la economía circular aplicada a la energía, convirtiendo un residuo térmico en un recurso valioso.
Digitalización (SGE, sensorización, control avanzado, gemelo digital)
La digitalización es la palanca transversal que habilita y optimiza a todas las demás. No se puede gestionar la energía que no se mide, por lo que el primer paso es la sensorización masiva de los procesos para obtener datos en tiempo real.
Estos datos alimentan Sistemas de Gestión Energética (SGE) y plataformas de control avanzado que identifican ineficiencias y optimizan el consumo. Las herramientas más avanzadas, como los «gemelos digitales» (Digital Twins), permiten simular el impacto de una medida de descarbonización (como instalar una bomba de calor) en un modelo virtual antes de realizar la inversión real, minimizando riesgos.
Tecnologías para la descarbonización del calor industrial
Bomba de calor y calderas eléctricas con almacenamiento térmico
La electrificación del calor industrial es una de las estrategias más prometedoras para la descarbonización. El uso de tecnologías basadas en electricidad renovable, como bombas de calor y calderas eléctricas, puede ofrecer una solución viable para muchas aplicaciones industriales. Estos sistemas no solo reducen las emisiones de carbono, sino que también mejoran la eficiencia energética.
Las bombas de calor, por ejemplo, son capaces de extraer calor del aire, el agua o el suelo, y transferirlo a procesos industriales, lo que reduce significativamente la necesidad de combustibles fósiles. Las calderas eléctricas, por otro lado, convierten directamente la electricidad en calor, proporcionando una fuente de energía limpia y eficiente.
Las calderas eléctricas con almacenamiento térmico son tecnologías que pueden ser la solución para aquellas industrias que dispongan de conexión a la red eléctrica viable, requieran mayor flexibilidad en el uso del calor, y no dispongan de mucho espacio. También para aquellas industrias de gran tamaño en las que el uso de la biomasa es inviable. Estas calderas consisten en generar el calor (normalmente en forma de vapor) que requiere la industria utilizando energía eléctrica renovable.
Para evitar la intermitencia de las renovables se puede almacenar la energía generada en una caldera eléctrica en un sistema de almacenamiento térmico. Estos sistemas están disponibles en todos los tamaños de la industria y son muy flexibles, si bien en ciertas localizaciones hay restricciones por el dimensionamiento de la red eléctrica.
Actualmente el 48% del consumo de combustibles fósiles se consume en procesos a temperaturas por debajo de 500ºC. Es importante la separación por temperaturas ya que los procesos por debajo de 500ºC generalmente utilizan el vapor como fluido caloportador y estos procesos son electrificables directamente (mediante bomba de calor o caldera eléctrica). Los principales sectores industriales donde encontramos estos procesos son sectores tales como la industria química, pasta y papel, comida y bebidas, automoción, farmacéutico, textil y minería.
Hidrógeno verde
Los procesos por encima de 500ºC son aquellos conocidos como “difíciles de abatir” y los encontramos principalmente en sectores como la fabricación de vidrio, cerámica, cemento y fertilizantes o en la producción de hierro, acero, aluminio, cobre y gases industriales. En estos casos el hidrógeno verde y el biometano son las únicas tecnologías disponibles para descarbonizarlos.
Otras soluciones tecnológicas para altas temperaturas
Los hornos de arco eléctrico se emplean ampliamente para la producción de acero y pueden alcanzar temperaturas de 1.800ºC.
Por otro lado, las resistencias eléctricas, inducción y “electric steam crackers” estarán disponibles en los próximos años y cubrirán todos los rangos, desde los 100-2.500ºC
Biomasa y biogás
La biomasa, derivada de materiales orgánicos como residuos agrícolas, forestales y urbanos, puede ser quemada para generar calor. El biogás, producido a partir de la descomposición anaeróbica de residuos orgánicos, puede ser utilizado de manera similar. Ambas tecnologías juegan un papel importante en la descarbonización del calor industrial pero tienen limitaciones ya que depende de la disponibilidad de terreno de la fábrica, de la cercanía a los recursos o de las características del consumo en el proceso productivo (demanda energética estacional o constante, demanda intermitente de carga base, etc.)
Sectores y procesos de aplicación de descarbonización del calor industrial
El reto es diferente en cada industria hard-to-abate (difícil de descarbonizar).
Sector cementero
La reducción de las emisiones en este sector es un reto doble: la necesidad de altísimas temperaturas (1.450°C) en el horno de clinker y las «emisiones de proceso» liberadas por la reacción química de la calcinación de la caliza, que suponen más del 60% del CO2 total del sector.
La descarbonización aquí requiere una combinación de palancas. Primero, la sustitución de combustibles fósiles (carbón, coque de petróleo) por combustibles alternativos, incluyendo biomasa y residuos. Segundo, y de forma inevitable, la implementación de tecnologías de captura de CO2 (CCUS) para neutralizar las emisiones de proceso.
Sector acerero
La siderurgia tiene dos rutas productivas. La ruta secundaria (reciclaje de chatarra) ya está mayoritariamente electrificada mediante hornos de arco eléctrico (EAF). El gran desafío es la ruta primaria (producción de acero desde mineral de hierro), que depende del carbón (coque) en los altos hornos.
La ruta del hidrógeno verde (DRI) es la gran apuesta para la descarbonización de la industria siderúrgica primaria, sustituyendo el carbón del alto horno. En este proceso, se utiliza hidrógeno verde (en lugar de carbón) como agente reductor para extraer el oxígeno del mineral. El producto resultante («hierro esponja») se funde posteriormente en un horno de arco eléctrico alimentado con renovables.
Sector químico
La industria química es extremadamente diversa y compleja, ya que utiliza los combustibles fósiles para dos fines simultáneos: como fuente de calor (vapor a baja y media temperatura) y como materia prima (feedstock) para fabricar productos como plásticos, amoniaco (fertilizantes) o metanol.
La descarbonización debe, por tanto, atacar ambos frentes. Por un lado, electrificando la generación de vapor mediante bombas de calor y calderas eléctricas para los servicios auxiliares. Por otro, sustituyendo las materias primas fósiles por hidrógeno verde (para producir amoniaco verde) o por materias primas de origen biológico (bio-metanol, bio-plásticos).
Sector papelero
Esta industria es una gran consumidora de calor de media temperatura, principalmente en forma de vapor. La mayor demanda proviene del proceso de secado de la pasta de papel, que consiste en evaporar ingentes cantidades de agua de las hojas de celulosa.
El sector papelero tiene la ventaja de poder utilizar sus propios subproductos (como el licor negro) como biocombustible en calderas de cogeneración de alta eficiencia. Las principales palancas de mejora son la recuperación de calor del vapor húmedo de las secadoras (mediante bombas de calor) y la electrificación de los sistemas de secado con tecnologías como el infrarrojo.
Sector del vidrio y la cerámica
Estos sectores se caracterizan por la necesidad de temperaturas muy altas (1.500°C – 1.600°C) y un funcionamiento continuo (24/7) en sus hornos de fusión. Una parada del horno puede suponer su destrucción, por lo que la fiabilidad energética es crítica.
La electrificación completa es compleja, por lo que la principal vía de descarbonización son los hornos híbridos, que combinan quemadores (para biometano o hidrógeno) con «electric boosting» (electrodos insertados en el material fundido). La recuperación de calor de los gases de escape (que pueden salir a 800°C) para precalentar la materia prima o generar electricidad es otra palanca fundamental.
Oportunidades y beneficios
Ventaja competitiva
Una de las principales ventajas de la descarbonización del calor industrial es que permite reducir la dependencia energética al utilizar nuestras propias fuentes renovables en sustitución de combustibles fósiles, utilizar la energía de manera más eficiente y fomentar la innovación. Además, España, debido a sus fuentes naturales, está en una situación privilegiada con respecto a los países de nuestro entorno para descarbonizar la industria, por lo que supone una oportunidad.
Reducción de emisiones de CO2
La descarbonización del calor industrial puede reducir drásticamente las emisiones de dióxido de carbono y otros contaminantes asociados. Esto no solo beneficiará al medio ambiente, sino que también mejorará la calidad del aire y la salud pública en las comunidades cercanas a las instalaciones industriales.
Innovación y competitividad
La transición hacia sistemas de calor más sostenibles también puede impulsar la innovación y mejorar la competitividad de las industrias. El desarrollo y adopción de nuevas tecnologías pueden abrir nuevas oportunidades de mercado y fortalecer la posición de las empresas en una economía global cada vez más orientada hacia la sostenibilidad.
Las empresas que lideren la adopción de tecnologías limpias pueden beneficiarse de una ventaja competitiva significativa. La innovación en tecnologías de descarbonización puede generar nuevas líneas de productos y servicios, así como mejorar la eficiencia y reducir los costos operativos. Además, las empresas sostenibles pueden atraer a inversores y clientes que valoran la responsabilidad ambiental.
Beneficios económicos
Aunque la inversión inicial puede ser alta, la descarbonización del calor industrial puede generar beneficios económicos a largo plazo. La mejora en la eficiencia energética y la reducción de costes operativos pueden traducirse en ahorros significativos para las empresas. Además, la creación de nuevos empleos en sectores relacionados con las energías renovables y la tecnología verde puede estimular el crecimiento económico.
El desarrollo de tecnologías de descarbonización puede crear miles de empleos en investigación, desarrollo, fabricación, instalación y mantenimiento. Estos empleos no solo contribuirán al crecimiento económico, sino que también proporcionarán oportunidades de formación y desarrollo profesional para la fuerza laboral. Además, la transición hacia una economía baja en carbono puede aumentar la resiliencia y la seguridad energética al reducir la dependencia de combustibles fósiles importados.
Preguntas frecuentes sobre la descarbonización industrial y del calor industrial
¿Qué diferencia hay entre descarbonización industrial y del calor de proceso?
La descarbonización industrial es el objetivo total: incluye el calor, las emisiones de procesos químicos, el consumo eléctrico y la logística. La descarbonización del calor es solo una parte, centrada en eliminar los combustibles fósiles usados para generar calor y vapor, que suele ser la mayor fuente de emisiones.
¿Cuándo conviene electrificar y cuándo optar por H₂/biometano?
Electrificar es la opción preferente y más eficiente para baja y media temperatura (hasta 500°C), especialmente con bombas de calor. Se reserva el H₂ o biometano para muy altas temperaturas (>500°C), procesos que requieren llama directa (hornos) o cuando se usa como materia prima química.
¿Cómo afecta la descarbonización al coste y la competitividad?
A corto plazo, requiere una alta inversión (CAPEX) que puede ser un reto. A largo plazo, mejora la competitividad al reducir el coste operativo (OPEX), eliminar la volatilidad del gas, ahorrar en costes de CO2 y dar acceso a clientes y mercados «verdes».
¿Qué limitaciones de red y espacio son habituales y cómo resolverlas?
Las limitaciones principales son la falta de potencia eléctrica (la electrificación exige grandes ampliaciones de red, que tardan años) y la falta de espacio (los nuevos equipos, como bombas de calor o plantas de H2, son más voluminosos). Se resuelven con planificación, almacenamiento térmico y coordinación con la distribuidora.
¿Qué ayudas existen y cómo combinarlas con PPAs?
Existen ayudas públicas (ej. PERTE de Descarbonización, Fondos de Innovación UE), que movilizan cientos de millones de euros, para subvencionar la inversión (CAPEX). Estas ayudas son compatibles con PPAs (contratos privados de energía) para asegurar un coste eléctrico (OPEX) bajo y estable a largo plazo.
¿Qué cronograma realista puedo esperar (permisos, obra, commissioning)?
Un proyecto complejo de descarbonización (ej. un nuevo horno o una gran electrificación) requiere de 2 a 5 años. El principal cuello de botella no es la obra, sino la tramitación de permisos (ambientales y de red) y los plazos de entrega de equipos clave (ej. transformadores), que pueden superar los 24 meses.
Conclusión
La descarbonización del calor industrial es un componente esencial en la lucha contra el cambio climático y la competitividad del país. La transición hacia tecnologías más limpias y sostenibles no solo reduce las emisiones de carbono, sino que también ofrece numerosos beneficios económicos, sociales y ambientales. Aunque existen desafíos significativos, la combinación de políticas de apoyo, innovación tecnológica y compromiso empresarial puede hacer posible una industria más sostenible y eficiente en el futuro.
Es necesario un plan de acción específico de la UE para abordar los obstáculos económicos y organizativos a la electrificación directa y garantizar que sea una estrategia de transición clave para la industria en toda Europa. Ésta debe incluir una Alianza industrial para facilitar la introducción de tecnologías en el mercado, objetivos para permitir inversiones y planes de financiación que apoyen explícitamente los proyectos de electrificación directa.
Los reguladores deben integrar la electrificación en la planificación de la red y permitir a la industria un fácil acceso a la red.
Finalmente, mecanismos de impulso como los CfDs son necesarios para promover de forma definitiva la descarbonización industrial y de esta forma reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero, minimizar la dependencia energética utilizando nuestras propias fuentes renovables en sustitución de combustibles fósiles, utilizar la energía de manera más eficiente y fomentar la innovación. Además, nuestro país, debido a sus fuentes naturales, está en una situación privilegiada con respecto a los países de nuestro entorno para descarbonizar la industria, por lo que supone una oportunidad.
