Con la industria de EE. UU. contribuyendo con 1.453 millones de toneladas métricas de emisiones de CO2 anualmente, mantener la competitividad en la economía global de energía limpia y cumplir con los objetivos nacionales de emisiones netas cero requerirá una rápida adopción de equipos con bajas o nulas emisiones. El calor de proceso representa más del 50% de las emisiones industriales en EE. UU., de las cuales aproximadamente el 40% corresponde a la categoría de baja temperatura. Existen varias tecnologías de electrificación que pueden abordar esta porción de emisiones, una de ellas es la bomba de calor industrial (IHP). Las bombas de calor son una tecnología altamente eficiente y escalable que puede ayudar a descarbonizar los procesos de baja temperatura (típicamente por debajo de 150°C) en la actualidad, y están avanzando rápidamente para alcanzar temperaturas y capacidades más altas. Además, las bombas de calor proporcionan numerosos co-beneficios, como modularidad de procesos, reducción de contaminantes, protección frente al futuro, ahorro de costos y mejora de la calidad del producto. Sustituir todas las calderas de combustibles fósiles con bombas de calor y otras tecnologías electrificadas será necesario para alcanzar el objetivo de emisiones netas cero de gases de efecto invernadero (GEI) de la Estrategia a Largo Plazo de EE. UU. para 2050, que incluye un objetivo de emisiones netas cero para la industria.
Sin embargo, según las capacidades actuales de las bombas de calor, la tasa continua de mejora y suponiendo que las calderas no se reemplacen antes de su vida útil, se ha determinado que muchas instalaciones industriales seguirán utilizando calderas de combustión de combustibles fósiles en 2050. El análisis asumió que cualquier futura instalación o reemplazo de equipos de calefacción industrial indirecta utilizaría un sistema IHP si estuviera disponible para alcanzar las temperaturas y capacidades necesarias. Los hallazgos revelan que, incluso si la vida útil de las calderas es tan corta como de 10-15 años, las calderas de combustibles fósiles seguirán operando en las instalaciones industriales en 2050. Por lo tanto, las políticas y programas de apoyo son fundamentales para ampliar las capacidades de las bombas de calor y otras tecnologías eléctricas innovadoras, así como para escalar rápidamente los reemplazos antes del final de su vida útil. Este informe presenta soluciones a corto, mediano y largo plazo que incluyen energías renovables, almacenamiento e hidrógeno, así como recomendaciones para los responsables de políticas a todos los niveles, los tomadores de decisiones de agencias, las utilidades y los reguladores, los proveedores y los fabricantes de equipos, y (lo más importante) los gerentes industriales. Las calderas, el caballo de batalla de los procesos industriales de calefacción desde la Revolución Industrial, continúan proporcionando el calor y la presión necesarios para los procesos térmicos en innumerables aplicaciones. Sin embargo, en los Estados Unidos, solo el 2% de las calderas son eléctricas, mientras que el resto aún funciona con combustibles fósiles.
Aproximadamente el 44% del calor industrial requiere bajas temperaturas (<80°C a 150°C); las calderas industriales que alimentan estas aplicaciones pueden ser reemplazadas por tecnologías IHP que existen en la actualidad. Se están desarrollando IHPs de temperaturas más altas. Para las industrias e instalaciones que utilizan grandes calderas con capacidades, temperaturas y presiones superiores a lo que los sistemas IHP pueden alcanzar actualmente, se podría implementar una combinación de tecnologías para cubrir esta brecha, incluyendo calderas eléctricas con energía renovable, almacenamiento e hidrógeno. Se seleccionaron las bombas de calor industriales para este análisis, en lugar de las calderas eléctricas, debido a la alta eficiencia de las bombas de calor; los coeficientes de desempeño (COP) suelen ser superiores a 2,5, mientras que las calderas eléctricas tienen eficiencias de hasta 0,95. La eficiencia de las bombas de calor generalmente maximiza la salida de calor de cada kWh de la red, lo que conduce a una menor inversión general en el sistema energético y, lo más probable, a ahorros de costos para muchas instalaciones. Por supuesto, en la práctica, el sector industrial empleará un portafolio de bombas de calor, calderas eléctricas y otras tecnologías para satisfacer los requisitos específicos de cada instalación y los objetivos de descarbonización industrial. Los Estados Unidos se han comprometido con objetivos de descarbonización industrial y de toda la economía con metas de reducción de emisiones para 2050, incluida la Estrategia a Largo Plazo de EE. UU. de emisiones netas cero de GEI para 2050. La industria representa casi el 25% de las emisiones totales de EE. UU., lo que constituye una gran parte de la economía que necesitará atención significativa y estrategias de reducción . Además, algunas proyecciones indican que el sector industrial está en camino de convertirse en el sector más contaminante, reemplazando al transporte, tan pronto como en 2030.
Actualmente, Estados Unidos va rezagado con respecto a los países europeos y asiáticos en el despliegue de IHPs. Para que el sector industrial de EE. UU. siga siendo competitivo, es crucial continuar invirtiendo en tecnologías eléctricas y otras soluciones innovadoras, como lo presenta el reciente Plan Nacional del Departamento de Energía para Mejorar un Sector Industrial Limpio y Competitivo. De lo contrario, los fabricantes estadounidenses corren el riesgo de quedar atrás de los industriales extranjeros que seguirán desplegando tecnologías eléctricas emergentes, perdiendo oportunidades para reducir costos y contaminantes, ahorrar energía y crear empleos duraderos. El análisis se simplificó para modelar solo el número de calderas industriales reemplazadas por sistemas IHP para 2050, en lugar de las emisiones reducidas por el reemplazo de calderas. Esta elección se debió a la falta de disponibilidad de datos y las discrepancias entre los valores de emisiones de las calderas industriales. Para que la industria alcance las emisiones netas cero, los procesos industriales donde se usan calderas deben ser completamente descarbonizados, es decir, cada caldera de combustibles fósiles debe ser reemplazada por una alternativa sin emisiones.
Por lo tanto, se asumió que reemplazar todas las calderas con bombas de calor es la forma de transformar los procesos industriales dependientes de calderas hacia las emisiones netas cero, especialmente a medida que las redes se descarbonizan. Se observaron tres escenarios para alcanzar la meta de neto cero de 2050 reemplazando las calderas industriales actuales con sistemas IHP utilizando diferentes tiempos de vida útil: (1) vida útil típica, (2) acelerada, y (3) agresiva. El análisis examina el potencial de los sistemas IHP para reemplazar todas las calderas retiradas, así como aquellas nuevas que se venden a la manufactura dentro de un rango aplicable de capacidades (calderas pequeñas a medianas) y temperaturas, comenzando con capacidades alrededor de 240 millones de unidades térmicas británicas por hora (MMBtu/hr) y temperaturas hasta 150°C. Es decir, para calderas pequeñas (definidas como ≤10 MMBtu/hr), se asumió que una proporción creciente de nuevas instalaciones de calderas podría ser reemplazada por IHPs en función de las mejoras en los rangos de temperatura tecnológicamente alcanzables para ese año. De manera similar, para calderas medianas y grandes (>10 MMBtu/hr), se asumió que una proporción creciente de estas calderas sería reemplazada por IHPs en función tanto de la temperatura como de las mejoras en los rangos de capacidad de los sistemas IHP. Se utilizaron intervalos de cinco años de 2030 a 2050 para simplificar el análisis.
Se debe tener en cuenta que el modelo se basa en reemplazos idealizados al final de la vida útil y no aborda la modernización (procesos en los que se puede requerir un rediseño térmico o mejoras en las instalaciones) ni consideraciones económicas. Incluso un cronograma agresivo para reemplazar calderas con IHPs no alcanzará los objetivos netos cero para las calderas industriales debido a aplicaciones que requieren temperaturas más altas y capacidades más grandes de las que la tecnología IHP actual puede soportar. Para alcanzar los objetivos de 2050, no solo es necesario reemplazar las calderas cuando tienen solo 10-15 años, sino que también es fundamental invertir significativamente en la investigación y desarrollo (I+D) de sistemas IHP y otras tecnologías eléctricas para expandir su alcance: es decir, más allá de reemplazar calderas de baja temperatura. Además, la producción nacional de componentes IHP debe aumentar para satisfacer la demanda de IHPs y reemplazar las calderas de manera más rápida. Se necesitarán acciones más enérgicas para lograr reemplazos a gran escala de calderas de combustibles fósiles por tecnologías de calor sin carbono.
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