EESTUSTUDDIO DE PROSPECTIVA IO DE PROSPECTIVA 22030 …

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ESTUDIO DE PROSPECTIVA ESTUDIO DE PROSPECTIVA 2030-2050 DE TECNOLOGÍAS 2030-2050 DE TECNOLOGÍAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA 15 de diciembre de 2020 Plataforma Tecnológica Española de Eficiencia Energética (PTE-EE) FECHA

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ESTUDIO DE PROSPECTIVA ESTUDIO DE PROSPECTIVA

2030-2050 DE TECNOLOGÍAS 2030-2050 DE TECNOLOGÍAS

DE EFICIENCIA ENERGÉTICADE EFICIENCIA ENERGÉTICA

15 de diciembre de 2020

Plataforma Tecnológica Española de Eficiencia Energética (PTE-EE)

FECHA

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AUTORES

COLABORADORES

CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGÉTICOSAitana Sáez De Guinoa Vilaplana, Víctor Ballestín Trenado; David Alejandro Zambrana Vasquez; Felipe Del Busto Pinzón; Gema Millán Ballesteros; Eva Roldán Saso; María Blecua de Pedro, Clara Á. Jarauta Córdoba, Bárbara Palacino Blázquez, Javier Marcos González.

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICAGuillermo José Escobar López.

TECNALIAMercedes Gómez de Arteche Botas, Asier Martínez Urrutia, Miguel Ramírez Stefanou, Sergio Saiz Bombín.

CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGÉTICOSFernando Círez Oto, Álvaro Jorge Arnal Mañas, David Martínez Hernández, Tatiana García Armingol, Alejandro Díaz Baños, Miguel Ángel Castán Lascorz, Ana Isabel González Espinosa, Martina del Cerro, Patricia Royo Gutiérrez.

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICARocío Fernández Artime, José Antonio Ferrer Tevar, Armando Uriarte González, Pablo Frades Colmenarejo.

TECNALIAEkain Fernández Gesalaga, Jon Zuñiga Palacio.

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Entidades que han colaborado en la realización del estudio aportando sus conocimientos, opiniones y datos

ESTE DOCUMENTO SE HA REALIZADO CON LA AYUDA DE LA AGENCIA ESTATAL DE INVESTIGACIÓNCORRESPONDIENTE A LA CONVOCATORIA DE TRAMITACIÓN ANTICIPADA DEL AÑO 2018 DE PLA-TAFORMAS TECNOLÓGICAS Y DE INNOVACIÓN, DEL PROGRAMA ESTATAL DE INVESTIGACIÓN,DESARROLLO E INNOVACIÓN ORIENTADA A LOS RETOS DE LA SOCIEDAD, EN EL MARCO DEL PLANESTATAL DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TÉCNICA Y DE INNOVACIÓN 2017-2020

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Presentación

Estimad@s colegas.

Me alegro de encontraros en la lectura de estas páginas, que con tanta ilusión y esfuerzohemos desarrollado desde la Plataforma Tecnológica Española de Eficiencia Energética.

El motivo es doble. En primer lugar, porque ello significa que os encontráis en buen es-tado de salud, lo cual deja atrás meses duros para todos. Meses de transformación, dereflexión y, sin lugar a duda, de enriquecimiento. En segundo lugar, por compartir inte-reses comunes y una visión importante de futuro. Un futuro en el que la eficiencia ener-gética juega un papel destacado.

Si bien no hemos podido enriquecernos de la lectura previa de la Estrategia de Descar-bonización a Largo Plazo, publicada por el Ministerio para la Transición Ecológica y RetoDemográfico, ya que ésta ha sido elaborada casi al mismo tiempo, no podemos al menos,dejar de comentar el paralelismo de objetivos perseguidos en ambos documentos.

La neutralidad carbónica es el hito de la sociedad futura, cuyo nacimiento estamos co-menzando a tejer y requerirá de una apuesta firme y continua de todos los agentes im-plicados: tecnológicos, reguladores, financieros, empresariales y sociales. Su desarrolloy consecución no evolucionará por igual en los distintos sectores, pero ninguno de ellospodrá obviarla.

Como todos podrán imaginar, desarrollar la prospectiva tecnológica de la eficiencia ener-gética a 2050 ha sido un reto arriesgado qué, para ser conformado, ha contado con laparticipación relevante de todos los sectores consultados; hecho que de manera expresadeseo agradecer.

Por último, quisiera poner en valor el trabajo realizado por la Fundación Circe, y Tecnalia,así como la colaboración del IDAE y de la Comisión Permanente de la PTE-ee, cuyas apor-taciones, realizadas con un espíritu colaborativo óptimo, han enriquecido el documentoque hoy les presentamos.

Esperamos que pueda resultar de su interés, y quedamos a su entera disposición, antecualquier duda, o disponibilidad para colaboración, que el mismo les inspire. Un cordial saludo.

Rocío Fernández ArtimePresidente de la PTE-ee

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En la realización del estudio han colaborado entida-des de todo tipo, relacionadas con los sectores im-plicados, pero también con la investigación y eldesarrollo tecnológico. Estas entidades son:

• OFICEMEN• ANFACO- CECOPESCA• CENTRO TECNOLÓGICO NACIONAL DE LA CON-SERVA Y ALIMENTACIÓN• IA2 - U DE ZARAGOZA• CTIC-CITA• PLATEA (PTE-Acero)• ACITURRI• ASEFAVE• U POLITÉCNICA DE CATALUNYA• GRUPO TECMARED• CLUSTER ENERGÍA DEL PAÍS VASCO• ITS ESPAÑA• ADIF• LEA• AISUM• TEKNIKER• SAICA• CENTRO TECNOLÓGICO CTC• BATTERYPLAT (PTE Almacenamiento)• AESA• EDP• IMDEA ENERGÍA

Asímismo, en la fase preparatoria, una serie de or-ganizaciones nos ayudaron a definir los retos y lastecnologías emergentes que constituyeron la bate-ría inicial de objetivos del estudio. Estas entidadesfueron:

• ASPAPEL• OFICEMEN• AFEC• ASIT (PTE energía solar térmica)• AEDIVE• FUNDACIÓN DEL FERROCARIL (PTE del Ferrocarril)• ANAVE• ATUC• AENA• SENASA• AESA (Seguridad Aérea)• GASNAM.• AMETIC• ITS España• GRUPO TECMARED

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Agradecimientos

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Sector Industrial02

Introducción01

1.1. Enfoque del estudio

1.2. Metodología

2.1. Bombas de calor de alta temperatura (<140°C)

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

2.2. Transformadores de calor por absorción (AHT)

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

2.3. Separación mediante tecnología de membranas

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

2.4. Reducción del porcentaje de clínker en el cemento

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

2.5. Nuevas tecnologías para pasteurización/esterilización de alimentos

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

2.6. Concentración de efluentes mediante membranas

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

12

14

17

21

24

31

34

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Contenidos

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Sector Edificación03

Sector Transportes04

2.7. Diagnóstico y optimización de la combustión mediante

visualización de llama

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

2.8. Digitalización de procesos

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

3.1. Almacenamiento térmico a nivel de vivienda o edificio por calor

latente y por reacciones químicas

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

3.2. Sistemas de producción de energía integrados en fachada

(soluciones activas estáticas y dinámicas)

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

4.1. Gemelos Digitales de Movilidad

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

4.2. Recuperación de energía de frenada, Smart Grids y combustibles

alternativos para el subsector Ferrocarril

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO91

44

48

55

65

75

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Contenidos

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4.3. Nuevos materiales y motores más eficientes para el subsector

Transporte Aéreo

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

5.1. Sistemas de Acumulación eléctrica de gran capacidad y potencia

para mejorar la integración y eficiencia de grandes sistemas de

cogeneración (industria y grandes edificios)

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

5.2. Sistemas de acumulación eléctrica para sistemas de transporte

que permitan mejorar la eficiencia respecto a los sistemas de tracción

basada en combustibles fósiles

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

5.3. Nuevos combustibles derivados de residuos o producidos a partir

de electricidad renovable

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

5.4. Nuevos materiales que permitan reducir el consumo o mejorar la

eficiencia de los sistemas o equipos donde se utilicen

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

86

91

98

104

114

Contenidos

Sector Transversal05

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Introducción01

5.5. Sistemas fiables de monitorización, control, mantenimiento

predictivo, diagnóstico de averías y tele-reparación, basados en

Inteligencia Artificial

Descripción

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Potencial de ahorros en el horizonte 2030-2050

Análisis DAFO

123

131

132

Contenidos

Índice de figuras

Índice de tablas

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Introducción01

Uno de los principales objetivos energéticos y me-dioambientales a nivel europeo es reducir las emi-siones de gases de efecto invernadero en un80-95% para 2050 respecto a los niveles 19901. Paraalcanzar estos objetivos, cada país miembro de laUnión Europea tiene que garantizar una reducciónde emisiones dirigidas hacia la descarbonización delsistema energético. En este sentido, se diferenciantres escenarios complementarios:

1- Aumento de la penetración de fuentes de energíarenovables (hasta un 75% en 2050 con un objetivofinal del 97%) y flexibilización de la demanda.

2- Reducción de consumo energético mediante im-plementación de medidas de mejora de eficienciaenergética.

3- Como complemento a los dos anteriores, desarro-llar tecnologías eficientes para la captura de CO2 enlas situaciones en las que no se pueda suprimir elconsumo de energía fósil.

Considerando este contexto a largo plazo, y dejandoal margen la penetración de energía renovables,uno de los pilares para la consecución de los objeti-

vos es la mejora de la eficiencia energética. En con-creto, en el contexto nacional, este es uno de los ob-jetivos clave recogidos en el Plan Nacional Integradode Energía y Clima 2021-2030 (PNIEC), la Estrategiade Descarbonización a Largo Plazo (ELP), la Hoja deRuta del Hidrógeno, la Estrategia Española de Cien-cia Tecnología e Innovación (EECTI) y el Plan de Re-cuperación, Transformación y Resiliencia de laEconomía, que se tomarán como referencia parasentar las bases que permitan consolidar la transi-ción hacia la neutralidad climática en el horizonte2050.

Para llevar a cabo este proceso de descarbonizaciónbasado en la mejora de la eficiencia energética, seránecesario desarrollar y llevar al mercado nuevas tec-nologías, por lo que es importante conocer los retosen materia de I+D que se presentan, y las estrategiasnecesarias para vencer las barreras que pueden di-ficultar su desarrollo.

Con este objetivo, la Plataforma Tecnológica Espa-ñola de Eficiencia Energética encargó la ejecuciónde un Estudio de Prospectiva en Tecnologías de Efi-ciencia Energética en el horizonte 2030-2050, cuyosresultados principales se plasman en este informe.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

1- Energy Roadmap 2050.

https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/2012_energy_roadmap_2050_en_0.pdf

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1.1Enfoque del estudio

Teniendo en cuenta la distribución de consumoenergético y emisiones de gases de efecto inverna-dero en España, este informe pretende abordar tresde los sectores que más contribuyen a dicho im-pacto: industria, edificación y transporte. Para cadauno de estos sectores se analizará la prospectiva deuna serie de tecnologías, permitiendo evaluar susnecesidades de desarrollo, las barreras a vencer, y elpotencial de mejora esperable, tanto en consumode energía como de emisiones. Además, se analizanuna serie de tecnologías transversales que puedenaplicarse a varios sectores.

Desde el punto de vista del sector industrial, lamayor parte de la reducción de emisiones planteadaen el PNIEC se centra en la disminución de aquéllasasociadas a procesos de combustión pero, paracumplir las perspectivas a 2050, será necesaria lamejora en tecnologías asociadas a otras etapas delproceso productivo como las que se detallarán en elpunto 2 de este informe. En particular, dentro deeste sector se abordan la industria química, la indus-tria agroalimentaria, la industria del cemento y la si-derurgia, considerando sus hojas de ruta sectorialesy la evolución de una serie de tecnologías emergen-tes.

En el caso del sector químico cabe destacar que esel que más recursos asigna al desarrollo de I+D+i,acumulando una cuarta parte de las inversiones quela industria destina a esta área. Respecto a la inno-vación, este sector también lidera el gasto e inver-

sión industrial, situándose por encima de los 1.500millones de € anuales, lo que supone un 13% sobreel valor añadido, seis puntos más que la media in-dustrial y 11 por encima de la media nacional. En loque ahorros y eficiencia energética se refiere, el sec-tor tiene que ir alineado con las políticas europeasy nacionales adoptadas de cara a 2030 en las que seestablece que “al menos el 32 % del consumo pro-vendrá de energías renovables y aumentará un 32,5% la eficiencia energética para reducir las emisionesde gases de efecto invernadero (GEI) en al menos un40 %2.

En lo referente al sector agroalimentario, hay queindicar que aglutina el 11% de las emisiones degases de efecto invernadero, si bien es cierto quegran parte de dichas emisiones proceden de la agri-cultura3. En concreto, la industria agroalimentariasupone un 13% de los consumos de energía prima-ria4, asociados al procesado de cereales, productoslácteos y cárnicos entre otros. Dentro de este sec-tor, la aplicación de diferentes tecnologías para su-ministro de calor/frío en el procesado de alimentos,así como control y automatización de procesos aso-ciados mediante inteligencia artificial, tienen un po-tencial de reducción de consumo total del orden del50-60% con un horizonte 20505.

Por su parte, el sector del cemento, que es el res-ponsable del 5% de las emisiones de dióxido de car-bono de origen antropogénico a nivel mundial,plantea una hoja de ruta según la cual la huella decarbono del sector podría reducirse en un 35% encomparación con los niveles del año 1990. Además,mediante la aplicación de nuevas tecnologías emer-gentes como la captura y almacenamiento de car-bono, junto con el apoyo de políticas específicas ydesarrollos tecnológicos claves, permitirían alcanzaruna reducción potencial del 80% en el año 20506.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

2- CESCE: Informe sectorial de la economía española. 2019 3- La Energía en España 2017. 4- Datos Instituto Nacional de Estadística.5- ICF Consulting. Study on Energy Efficiency and Energy Saving Potential in Industry from possible Policy Mechanisms.6- Oficemen: Hoja de ruta De la industria española el cemento para la reducción de emisiones de carbono a 2050.

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Por último, dentro del ámbito industrial, el sector si-derúrgico es uno de los sectores más intensivos enconsumo de energía y, por tanto, responsable deuna parte importante de las emisiones de gases deefecto invernadero. En este sentido, debido a lafalta de tecnología para llevar a cabo las reduccio-nes planteadas en las hojas de ruta a nivel interna-cional, solo se lograría una disminución del 15% enla generación total de dióxido de carbono para elmejor de los escenarios planteados para el sector7.Por esta razón, es importante analizar el potencialde aparición de nuevas tecnologías, así como las me-didas de incentivación del sector que permitan in-crementar este porcentaje.

Desde el punto de vista del sector de la edificación,tras la modificación en mayo de 2018 de la Directivade Eficiencia Energética de los Edificios 2010/31/UE,se incluyeron nuevas estrategias en la Directiva2018/844/UE, para apoyar la renovación de los edi-ficios, tanto residenciales como no residenciales, pú-blicos y privados, con el fin de transformarlos conmedidas de alta eficiencia energética y descarboni-zarlos antes de 2050, facilitando la transformacióna edificios de consumo de energía casi nulo. Dentrode los objetivos planteados en rehabilitación ener-gética de edificios, se disponen, por un lado, unamejora de la eficiencia energética de la envolventetérmica en 1,2 millones de viviendas y, por otro, unarenovación de las instalaciones térmicas de calefac-ción y ACS de 300.000 viviendas al año de media8.En el caso de edificios públicos, se determinan ob-jetivos de renovación del 3% anual de la superficieedificada9. En este informe se detallan, dentro delsector de la edificación, los retos y tecnologías de-tectadas para promover soluciones que ayuden a al-

canzar los objetivos establecidos y reducir la depen-dencia energética, esperada en el 61% para 203010.Tomando estos datos como punto de partida paradeterminar la prospectiva 2030-2050 que se pre-senta en este estudio, se analizan diferentes tecno-logías de sistemas de generación de calor y de frío,uso de energía renovable en edificios y solucionesactivas y pasivas en la rehabilitación energética deedificios.

Finalmente, el transporte es el tercer sector clavepresentado en este informe. La hoja de Ruta delTransporte 2050 recoge una serie de retos y opor-tunidades que incluyen aspectos estructurales conel objetivo de reducir las emisiones de gases deefecto invernadero en un 60% respecto a los valoresde 199011. Por ejemplo, en el transporte por ferro-carril se quiere aumentar la tasa de uso en mediadistancia y cercanías, lo que supondrá una reestruc-turación de las rutas existentes y su gestión12. Paraconseguir los objetivos planteados para el sector, esimportante reducir la dependencia de los sistemasde transportes respecto de los combustibles fósiles(petróleo) sin causar un detrimento en su eficienciani comprometer la movilidad. Para ello, se planteandiferentes medidas basadas en sustitución de com-bustibles, utilización de técnicas digitales para la op-timización de rutas o cadenas logísticasmultimodales, así como reducción de peso en el ma-terial rodante.

Además de disponer de tecnologías accesibles, enlos sectores edificios, transporte y servicios, es par-ticularmente importante la movilización de la pobla-ción para racionalizar la demanda de energía vía uncambio de hábitos de consumo y movilidad.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

7- CESCE: Informe sectorial de la economía española.8- PNIEC 2021-2030.9- PNIEC 2021-2030.10- PNIEC 2021-2030.11- Comisión Europea, Libro Blanco del Transporte.12- MEMO Transporte 2050: principales desafíos y medidas clave. MEMO/11/197.https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/es/MEMO_11_197.

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1.2MetodologíaEn este punto se detalla la metodología seguidapara llevar a cabo el estudio, así como las principaleshipótesis de cálculo utilizadas para la estimación delpotencial de ahorros de energía y reducción de emi-siones.

La Figura 1 muestra las 3 Fases principales del pro-yecto y sus interacciones:

FASE 1: Diagnóstico del estado tecnológico del sec-tor/subsector. Esta fase comenzó con un análisispreliminar y una exhaustiva revisión bibliográfica delos sectores y tecnologías planteadas en un prediag-nóstico realizado por la PTE-ee. Tras esta revisión ini-cial, se llevaron a cabo diferentes reuniones yconversaciones sectoriales con el objetivo de deter-minar la viabilidad y las necesidades de cada tecno-logía.

FASE 2: Partiendo del diagnóstico realizado en laFASE 1 y los comentarios recibidos de los expertos

sectoriales, el siguiente paso consistió en la clasifi-cación de la documentación y a la priorización demedidas. Durante esta fase, y previo acuerdo con laPTE-ee, se eliminaron aquellas tecnologías que seencontraban en TRL-9 y que, por lo tanto, no teníancabida en un informe de prospectiva a 2030-2050,como, por ejemplo, el secado y utilización comocombustible de lodos de depuradora en la industriacementera, los sistemas de refrigeración de dobleetapa con NH3 y CO2, y el sistema de tratamientotérmico de leche en un solo paso, sin pasteurizaciónintermedia. Otra medida sustituida ha sido la rela-tiva a la aplicación de Inteligencia Artificial al pro-ceso de desgasificación del acero en la metalurgiasecundaria. La opinión del sector al respecto es queno sería ampliamente replicable en España y que nose considera un área prioritaria a la que dedicar losesfuerzos en I+D+i.

FASE 3: Consistió en la elaboración del informe finaly el refinado de la información con expertos secto-riales en los casos que fue necesario. El informe finalestá acompañado de una serie de fichas resumenpara cada una de las tecnologías (no incluidas eneste documento).

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

FASE 1: Diagnóstico del

estado tecnológico del sector/subsector

Entrevistas con centros tecnológicos,asociaciones/empresas del sector/subsector

FASE 2: Revisión de

metodologías ytecnologías

FASE 3: Informe final

Figura 1. Fases del proyecto.

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Cabe señalar que las tres Fases no son secuenciales,sino parte de una técnica iterativa que ha permitidoir incrementando el nivel de detalle durante la inter-pretación. Esta actividad transversal corresponde ala combinación de los resultados del diagnóstico yla revisión con la evaluación de las metodologías ytecnologías identificadas, para poder desarrollar lahoja de ruta de la implementación.

Además de la metodología usada para recopilar ycontrastar la información incluida en el presente in-forme, la siguiente figura muestra la metodologíade cálculo utilizada para definir la línea base de con-sumos de energía por subsector y estimar los aho-rros en términos de energía y emisiones esperadosen el horizonte 2030-2050.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Perspectivas de evolución de consumo energético a

2030

Distribución de consumo por sectores

a 2030

Datos más actualizados de consumo

por subsector

Consumo de energía en el subsector a

2030

Ahorro de energía en el

subsector

Reducción de emisionesen el

subsector

Ahorros esperados por la tecnología con

potencial de aplicación a todo el sector

Ahorros esperados por la tecnología con

potencial de aplicación a todo el sector

Figura 2. Metodología de cálculo para la evaluación de ahorros y reducción de emisiones esperadas tras la implementación de las tecnologías.

PLA

N N

AC

ION

AL

INTE

GR

AD

O D

EEN

ERG

ÍA Y

CLI

MA

(PN

IEC

) 202

1-20

30

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Sector Industrial02

E S T U D I O D E P R O S P E C T I V A 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T E C N O L O G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E R G É T I C A

Sector Industrial

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

2.1Bombas de calorde alta tempera-tura (<140 °C)

Descripción

Las bombas de calor son equipos que utilizan el ciclode refrigeración cerrado con un compresor que esaccionado por un motor eléctrico o de combustiónde gas. El fluido de trabajo o refrigerante es uno delos componentes principales que, mediante sus pro-piedades termodinámicas, transfiere energía tér-mica del foco frío al foco caliente. Dependiendo delrango de temperaturas en las que se encuentran losfocos, se denominan: equipos de refrigeración,bombas de calor de baja, de media y de alta tempe-ratura. El salto de temperatura entre el foco frío yel foco caliente que puede brindar una bomba decalor está entre los 30 y 70 °C.

El principio de operación de las bombas de calor dealta temperatura se basa en el aprovechamiento delcalor residual procedente de un proceso industrial(30-100 °C) para la evaporación del refrigerante enel evaporador, que opera a baja presión. Una vezcaptado ese calor, el refrigerante evaporado secomprime y eleva su presión al paso por el compre-sor y entra en el equipo condensador, donde cedesu calor a la corriente entrante (fría) a revalorizar,siendo el objetivo alcanzar temperaturas de hasta140 °C. Una vez cedido ese calor, el refrigerantevuelve a su estado líquido y reduce su presión a supaso por la válvula de expansión, para volver a iniciarel ciclo.

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Sector Industrial02

E S T U D I O D E P R O S P E C T I V A 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T E C N O L O G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E R G É T I C A

Sector Industrial

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SECTOR INDUSTRIAL

En este contexto, existe en la industria multitud deprocesos, muy habituales, que producen corrientesresiduales de calor de baja temperatura y que noson aprovechadas en la actualidad. Cabe señalar lossiguientes procesos industriales en la industria quí-mica, petroquímica, farmacéutica y alimentaria, enlos que esta tecnología tiene una cabida impor-tante:

• 30 °C - 60 °C: Torres de refrigeración, Precalenta-miento, Lavado.

• 60 °C - 100 °C: Lavado, Pasteurización, Esteriliza-ción, Secado.

• 100 °C - 140 °C: Vapor, Destilación, Desalinización.

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

El mercado de estos equipos ha estado monopoli-

zado y dirigido a la generación de calor con tempe-raturas de operación de hasta 80 °C13. Esto ha enfo-cado la investigación y el desarrollo haciarefrigerantes y componentes que operen a estastemperaturas. El rango de temperatura de opera-ción del equipo está limitado por las propiedadesdel refrigerante que se determinan por su tempera-tura y presión crítica. Las bombas de calor para apli-caciones industriales (TRL 9) pueden trabajar contemperaturas en el foco frío entre 0 y 40 °C y pue-den llegar a generar temperaturas de hasta 80 °C.No obstante, existen muy pocos fabricantes quepuedan brindar una solución para trabajar con tem-peraturas más elevadas.

El reto en la actualidad reside en tratar de alcanzartemperaturas hasta 140 °C, utilizado refrigerantestipo HFO (hidrofluoroolefinas) de última genera-ción, naturales como hidrocarburos, CO2 y NH3, coníndice GWP (Global-warming potential) <150 y alcan-zar COPs (coefficent of performance) en torno a 6,con temperaturas de activación entre 40-70 °C.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Figura 3. Principio de operación de un ciclo de compresión simple.

13- Arpagaus 2018, High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants and application potentials.

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En la actualidad, no existen prototipos a escala in-dustrial ni a nivel español ni a europeo, y el papelfundamental lo desarrollan los centros tecnológicosy los fabricantes (compresores, refrigerantes, válvu-las de expansión) para tratar de alcanzar las presta-ciones de alta temperatura hasta 140 °C, sobre todoen el marco de proyectos europeos. Se podría afir-mar, por tanto, que a nivel nacional la tecnología seencuentra en un TRL 4, ensayando prototipos de la-boratorio y componentes con el fin de alcanzar di-chas temperaturas objetivo y COPs en torno a 4-6,gracias a iniciativas de I+D a nivel europeo (H2020;SPIRE; HORIZONTE EUROPA) y nacional (Retos; Mi-siones-CDTI, etc.). Involucrados en el desarrollo deesta tecnología, se encuentran centros tecnológicosnacionales como Tecnalia Research & Innovation yla Universidad Politécnica de Valencia. Algunas ini-ciativas destacables se indican a continuación:

Proyecto CHESTER: (2018-2022) “CompressedHeat Energy Storage for Energy from Renewablesources”. El principal objetivo del proyecto CHESTERes el desarrollo y validación de un sistema innovadorque permite la gestión, el almacenamiento y el su-ministro de energía combinando el sector eléctricocon el sector térmico. Proyecto financiado dentrodel H2020 de la Unión Europea. https://www.chester-project.eu/

Proyecto HeatUp: (2015-2019) “High temperatureheat pumps for efficient utilisation of low tempera-ture surplus heat”. El objetivo de HeatUp es ampliarel rango de temperatura de las bombas de calor másallá de los 200 °C mediante el uso de fluidos de tra-bajo naturales como butano, amoniaco (NH3) y agua(H20). https://www.sintef.no/projectweb/heatup/

Proyecto DryFiciency: (2016-20121) “Waste HeatRecovery in Industrial Drying Processes”. El objetivoes llevar a los sectores intensivos en energía de laindustria manufacturera europea a una alta eficien-cia energética y una reducción de las emisiones de

carbono fósil mediante la recuperación de calor re-sidual para fomentar la competitividad, mejorar laseguridad del suministro energético y garantizaruna producción sostenible en Europa.http://dry-f.eu/

Es necesario el aumento de la diseminación de latecnología en el entorno de los sectores señalados(papel, química, petro-química, farmacéutica, ali-mentario) para concienciar de la necesidad de par-ticipación industrial y la implantación de prototiposa gran escala.

En lo que se refiere a la viabilidad económica, cabedestacar que la inversión asociada a un equipo deescala comercial, en el entorno de 1 MW de calor re-valorizado rondaría los 500 €/kW revalorizado, su-poniendo el equipo de bomba de calor en torno a40-50 % de la inversión total, y siendo lo restante lainversión asociada a la instalación del mismo. Loscostes de operación y mantenimiento podrían si-tuarse en torno al 5 %, en concreto derivado delcompresor, y donde se podrían llevar a cabo accio-nes de mejora para reducirlo.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Tomando como ejemplo un equipo en torno a 1 MWde potencia revalorizada (salida condensador), elcalor recuperado podría rondar los 750 kW, consi-derando una corriente de entrada de calor residualen torno a 90 °C y de corriente recuperada en tornoa 135 °C. Para este mismo rango de potencia, en los 20 añosde vida útil de una máquina de 1 MW de calor reva-lorizado, se pueden ahorrar unos 24.400 t de , lo quesupone unos 48 kg CO2/€ invertido. Para la realiza-ción de este cálculo, se ha considerado como refe-rencia las emisiones de una caldera de gas (las

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SECTOR INDUSTRIAL

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SECTOR INDUSTRIAL

emisiones de una caldera de gas natural son unos50 kg CO2/GJ14), y el consumo de energía final quetiene la bomba de calor derivado del compresor(110 kg CO2/MWh15).

Análisis DAFO

En la tabla 1, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO (Debilidades, Amena-zas, Fortalezas, Oportunidades) de esta tecnología.

La fortaleza de esta tecnología reside en la valoriza-ción de corrientes residuales abundantes en la in-dustria energéticamente intensiva y que, en laactualidad no son valorizadas por su “baja tempera-tura” (<100 °C). Además, las bombas de calor tienenun bajo consumo de energía final (compresor) y loscostes de mantenimiento anuales podrían conside-rarse bajos, en torno al 5% de la inversión.

La principal amenaza reside en las tecnologías ac-tuales para generación de vapor de baja presión (ca-deras de vapor) y que las industrias no apuesten porla innovación y la descarbonización de su sector eneste sentido.

La principal debilidad con la que se encuentra estatecnología es que no se utiliza de manera amplia enprocesos industriales a nivel nacional/europeo. Porlo tanto, no existe un “know-how” aplicable a lasfases del desarrollo y estudio económico. Además,hay una disponibilidad muy limitada de componen-tes críticos como compresor, válvula de expansión,etc., para altas temperaturas. A esto hay que sumarel desconocimiento de la posibilidad de generaciónde vapor de baja presión, en comparativa con la pro-ducción actual mediante generadores de vapor.

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Capacidad de generación de vapor de baja presión.

Abundancia de corrientes de baja temperatura en el ámbito industrial (<100 °C).

Solide de las tecnologías habituales de generación de vapor (calderas de gas) por su coste actual y asentamiento en el mercado.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Falta de concienciación del sector industrial para revalorizar el calor de baja temperatura (30-100 °C). Desconocimiento de la tecnología a nivel industrial (alta temperatura). No existe una metodología de trabajo aplicable a las fases del desarrollo y estudio económico. Disponibilidad limitada de componentes.

Bajo consumo de energía final (compresor).

Bajos costes de mantenimiento.

Payback entre 3-4 años.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 1. Análisis DAFO de las bombas de calor de alta temperatura.

14- Factores de emisión: registro de huella de carbono, compensación y proyectos de absorción de dióxido de carbón. MITECO (Junio 2020.Versión 15).15- https://www.iberdrola.com/sostenibilidad/medio-ambiente/gestion-medioambiental/emisiones-directas

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Entre los retos que se marcan reside, en primerlugar, la concienciación del sector industrial para re-valorizar el calor de baja temperatura (30-100 °C),considerado de “baja calidad”, para asociar la efi-ciencia energética con competitividad. Además, sedebe promover la diseminación de la tecnologíapara mostrar sus capacidades asociadas a la produc-ción, como es la capacidad de generar vapor de bajapresión para uso en los procesos, y apoyar las inicia-tivas I+D+i para poder llegar a TRL altos y equiposcomerciales.

2.2Transformadoresde calor por absorción (AHT)

Descripción

La tecnología de transformador de calor por absor-ción (AHT, del inglés, Absorption Heat Transformer)de simple efecto es capaz de incrementar la tempe-ratura de aproximadamente el 50 % (COP térmicode 0,5) de una corriente residual y revalorizar sutemperatura en 50 °C, dependiendo de las condicio-nes de contorno. Esta tecnología tiene su rango deaplicación en flujos de calor de residual con tempe-ratura < 120 °C, ampliamente disponibles en la in-dustria energéticamente intensiva, como es el casode la química (procesos de destilación, purificación),papelera (procesos de secado y laminado) y alimen-taria (procesos de secado, esterilización y fermen-tación).

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SECTOR INDUSTRIAL

Figura 4. Esquema de revalorización de calor en un AHT. Fuente: Tecnalia

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SECTOR INDUSTRIAL

La operación del AHT es similar a la del ciclo de re-frigeración por absorción, pero, en este caso, traba-jando a la inversa. Los componentes principales delAHT son: evaporador y absorbedor, trabajando aalta presión (⁓ 100 kPa en condiciones de opera-ción típicas); y condensador y generador, trabajandoa baja presión (⁓ 10 kPa en condiciones de opera-ción típicas). En este caso, la corriente de calor resi-dual es la encargada de separar el refrigerante(agua) del absorbente (solución de LiBr-H2O) en elpropio generador. El refrigerante en estado vaporse dirige al condensador, disipando su calor latentea temperatura ambiente. A continuación, el refrige-rante es bombeado hacia el evaporador (alta pre-sión), donde, al igual que la activación delgenerador, es alimentado por la corriente residual.

El refrigerante en estado vapor se dirige hacia el ab-sorbedor, donde es absorbido por la disolución con-centrada de LiBr, proveniente del generador. Elpropio proceso de absorción es un proceso exotér-mico, y es donde el calor liberado, a una mayor tem-peratura es transferido a una corriente exterior,obteniendo así el efecto útil de revalorización delproceso.

Además del propio circuito interno descrito, el AHTconsta de los circuitos externos necesarios para lle-var a cabo la activación térmica resultante de la ali-mentación y procesos descritos en evaporador ygenerador; el circuito de revalorización, al cual setransfiere el calor de absorción en el propio absor-bedor, y el circuito de disipación del condensador.

El AHT es, en definitiva, una tecnología que permiterecuperar y revalorizar parte del calor residual debaja entalpía, teniendo un consumo asociado des-preciable, por lo que permite reducir las emisionesde CO2 en procesos industriales. El AHT es una tec-nología versátil y aplicable a un amplio intervalo depotencias.

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

A nivel nacional y europeo, se podría afirmar queesta tecnología se encuentra en un TRL 7, ya que noexisten equipos comerciales de fabricación nacio-nal/europea hoy en día. En Asia, empresas como Hi-tachi y Thermax han llegado a fabricar AHT ycomercializarlos, mayoritariamente en este conti-nente. En el marco del proyecto europeo Industri3s,liderado por Tecnalia Research & Innovation, se hallevado a cabo un demostrador de 200kW en una re-finería localizada en Turquía, cuya operación co-menzó en 2019. Se espera que, para el año 2025, sehaya llegado a un TRL9 y existan equipos implanta-dos en la industria española. Cabe destacar la impor-tancia de la existencia de iniciativas nacionales comoRetos, Misiones-CDTI y europeas H2020; SPIRE; HO-RIZONTE EUROPA.

Para llevar a cabo la impulsión de esta tecnología sedebería aumentar la potencia hasta 1 MW de calorrevalorizado e incrementar la diseminación de latecnología en el entorno de los sectores señalados(papel, química, petroquímica, farmacéutica, alimen-tario) para concienciar la participación industrial y laimplantación de prototipos a gran escala.

Los sectores principales de interés y sus procesosson:

• Industria del Papel: Procesos de secado y lami-nado, 60-100 °C.

• Industria Química – Refinería / Farmacéutica:Procesos de destilación y purificación, 100-140 °C.

• Industria Alimentaria: Procesos de secado, este-rilización, fermentación, 60-100 °C.

En lo que se refiere a la viabilidad económica, la in-versión estimada para equipos a escala comercial es:

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• AHT de 200 kW ⁓1.500 €/kW revalorizado.

• AHT de 600 kW ⁓650 €/kW revalorizado.

• AHT de 1200 kW ⁓500 €/kW revalorizado.

El coste aproximado del AHT representa entre el 25% y el 50 % de la inversión total, para instalacionesde pequeña (100 kW) y gran potencia (> 1.200 kW)respectivamente.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

En lo que se refiere a los beneficios medioambien-tales, en los 20 años de vida útil de una máquina de1 MW de calor revalorizado, se podrían llegar a aho-rrar unas 30.000 t de CO2, lo que supone unos 60kg CO2/€ invertido. Además, cabe destacar que noexiste consumo de energía final en este equipo ya

que prima el principio de activación térmica. Para larealización de este cálculo, se ha considerado comoreferencia las emisiones de una caldera de gas (lasemisiones de una caldera de gas natural son unos50 kg CO2/GJ16).

Análisis DAFO

En la tabla 2, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO de esta tecnología.

La fortaleza de esta tecnología reside en la valoriza-ción de corrientes residuales abundantes en la in-dustria energéticamente intensiva y que, en laactualidad no son valorizadas por su “baja tempera-tura” (<100 °C). Además, son equipos que se activantérmicamente, es decir, no existe consumo de ener-gía final para su operación y los costes de manteni-miento podrían considerarse bajos, entorno al 2%de la inversión total.

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SECTOR INDUSTRIAL

Tabla 2. Análisis DAFO de los transformadores de calor por absorción (AHT)

Valorización de corrientes de baja temperatura (< 100 °C), las cuales son abundantes en la industria energéticamente intensiva.

Posibilidad de aplicación en redes de distrito.

Las tecnologías con las que compite están implantadas a nivel europeo.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Desconocimiento de la tecnología a nivel industrial.

Es preciso desarrollo tecnológico a nivel europeo.

Muy bajo consumo de energía final (activación con calor residual)

Bajos costes de operación y mantenimiento.

Periodos de retorno de la inversión < 6años.

Tecnología probada y operando a nivel comercial en Asia.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

16- Factores de emisión: registro de huella de carbono, compensación y proyectos de absorción de dióxido de carbón. MITECO (Junio 2020.Versión 15).17- Recovery and Transport of IndustrialWaste Heat for Their Use in Urban District Heating and Cooling Networks Using Absorption Systems.Antonio Atienza-Márquez , Joan Carles Bruno * and Alberto Coronas CREVER—Group of Applied Thermal Engineering, Mechanical EngineeringDept., Universitat Rovira i Virgili.

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SECTOR INDUSTRIAL

Cabe destacar que este tipo de equipo, además,puede hacer realidad la sinergia industria-ciudad decara a la producción de calor para redes de distritotal y como se está planteando actualmente enChina17.

Los períodos de retorno de la inversión son acepta-bles para el entorno industrial (<6 años), aunque sepretende llegar a paybacks inferiores a los 3 años.

Los principales retos planteados con esta tecnologíason:

• Concienciación del sector industrial para reva-lorizar el calor de baja temperatura (<120 °C),considerado de “baja calidad”, para asociar la efi-ciencia energética y la competitividad.

• Conseguir períodos de retorno < 3años. En laactualidad se sitúan en torno a los 4-5 años.

• Posibilidad de aplicación en redes de distritoexistentes.

Las principales barreras con las que se encuentraesta tecnología es que no ha sido testeado a escalaindustrial nacional, por lo que puede haber dificul-tades técnicas, y la necesidad de espacio, muchasveces escaso en industrias de largo recorrido comola química, petroquímica y farmacéutica.

2.3Separación mediante tecnología demembranasDescripción

Las membranas son materiales barrera que sirvenpara separar compuestos de manera selectiva me-diante un gradiente (de presión, concentración, etc.)entre un lado y el otro de la membrana. De esta ma-nera, en los procesos de separación mediante la tec-nología, se consigue que un componente “A” de unamezcla permee más rápido que el resto, obteniendodos corrientes a la salida del sistema, una enrique-cida en dicho componente “A” y otra empobrecidaen dicho componente a través de la membrana. Enla Figura 5 se puede observar un ejemplo de módulode membrana donde se alimenta aire a la entrada.En este caso, el oxígeno, el CO2 y el vapor de aguapermean más rápidamente que el nitrógeno, obte-niendo una corriente enriquecida en dichos compo-nentes denominada “permeado”, y unaempobrecida en dichos compuestos (y por lo tantoenriquecida en nitrógeno) denominada “retenido”.

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Figura 5. Módulo de una membrana de fibra hueca. Fuente: MEDALTM, Air Liquide.

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Dado que los procesos de membranas son prácticasinstauradas a nivel industrial sobre las cuales setiene amplio conocimiento, la diversificación en sususos, sobre todo a través de la concesión de propie-dades selectivas, es lo que les confiere un gran po-tencial para optimizar la eficiencia de los procesosindustriales en los cuales se implementen.

Los procesos de separación por membranas han al-canzado niveles de eficiencia energética muy altos,y un estudio reciente del Grupo Elimelech de la Uni-versidad de Yale en Estados Unidos, ha revelado quelas áreas a abordar para mejorar la eficiencia ener-gética de los procesos por membranas residen, porun lado, en el grado de selectividad ofrecido por lamembrana, que elimina la necesidad de realizarotras operaciones de purificación posteriores querequieren consumos energéticos considerables, y,por otro, en las operaciones de ingeniería conjuntaque optimizan el uso de los recursos18.

Esto representa un cambio de paradigma en la bús-queda de nuevos materiales de mejora de rendi-miento, puesto que el foco deja de estar centradoen la mejora de la permeabilidad para un mismo gra-diente de separación, y pasa a estar centrado en laselectividad hacia ciertos componentes.

Las membranas pueden utilizarse para tratar prác-ticamente cualquier tipo de fluido. Por ejemplo: laindustria química utiliza grandes cantidades deagua, ya sea como solvente, fluido de intercambiode calor, o fluido de transporte19, por lo que muchasde las soluciones presentadas se focalizan en diso-luciones acuosas, aunque son aplicables a un amplioespectro de fluidos, ya sean gaseosos o mezclas decompuestos orgánicos.

En la industria química las principales aplicacionesde las membranas son:

• Acondicionamiento de agua de proceso.

Las aplicaciones de pretratamiento consisten enreducir el paso de ciertos iones, maximizando elde agua. Puesto que el agua que ingresa a laplanta suele tener una concentración mayor deespecies disueltas de diversa índole, las membra-nas suelen ser susceptibles al ensuciamiento o“fouling”, conducente a la pérdida de eficienciadel proceso y el desgaste de las membranas. Tí-picamente, las grandes industrias cuentan coninstalaciones de ósmosis inversa, en donde lasmembranas son películas delgadas compuestas(“Thin Film Composites”, TFC) que cuentan conuna capa activa depositada sobre un soporte. Enaquellos casos en donde el agua de ingreso aplanta no provenga de la red (por ejemplo, aguade mar), operaciones como la ultra y microfiltra-ción son comunes como pretratamiento.

• Recuperación de compuestos valiosos y se-paración de otros indeseados de corrientes.

La permeabilidad de las membranas hacia ciertoscompuestos viene determinada por un paráme-tro conocido como Molecular Weight Cut-Off(MWCO), el cual determina el peso molecular apartir del que el 90% de las especies disueltasserá rechazado. La operación más típica y sencillaen cuanto a separación de especies iónicas es lananofiltración, operación que tiene gran selecti-vidad hacia iones divalentes, teniendo un rechazoconsiderablemente menor de iones monovalen-tes. A su vez, ha ganado un fuerte predominio eneste campo, la implementación de técnicas queemplean un campo eléctrico de corriente conti-nua en conjunción con membranas de intercam-bio catiónico o aniónico las cuales se conoceaumentan la eficiencia de la separación, como laelectrodiálisis y la desalinización capacitiva o elec-

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SECTOR INDUSTRIAL

18- S. K. Patel et al., “The relative insignificance of advanced materials in enhancing the energy efficiency of desalination technologies,” Energy &Environmental Science, vol. 13, no. 6, pp. 1694–1710, 2020, doi: 10.1039/D0EE00341G.19- N. Groot, “E4water: Water challenges for the chemical industry,” p. 32.

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SECTOR INDUSTRIAL

trodeionización (CDI, por sus siglas en inglés). Asu vez, las técnicas biomiméticas mediante la im-plementación de Aquaporins, han sido aplicadasampliamente en los últimos años como metodo-logías de purificación.

• Tratamiento de efluentes gaseosos y/olíquidos.

Las prácticas de descarga “cero efluentes líqui-dos” (zero-liquid discharge, “ZLD”) supone reque-rimientos cada vez más exigentes hacia losprocesos de tratamiento de efluentes industria-les. Técnicas como la ósmosis directa o la ósmosispor presión retardada, son métodos emergentesen esta área sobre todo por su versatilidad. Lastécnicas electroquímicas también pueden ser in-cluidas dentro de este campo puesto que es deespecial interés el manejo de metales pesados yotros compuestos altamente tóxicos en losefluentes industriales.

Por último, los avances en las tecnologías demembranas son cada vez más predominantes enel ámbito de tratamiento de efluentes gaseosos,existiendo actualmente membranas funcionaliza-das para la captura de CO2 y purificación de H2.El empleo de la tecnologías de membranas estambién una práctica habitual en la producciónde sosa y de potasa.

El empleo de la tecnologías de membranas es tam-bién una práctica habitual en la producción de sosay de potasa.

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

• Producción/purificación de hidrógeno

Actualmente, el 95% de la producción de hidrógenose lleva a cabo mediante el reformado de combus-

tibles fósiles (fundamentalmente gas natural, aun-que también pueden procesarse GLP o naftas). Prin-cipalmente, se realiza mediante el proceso dereformado de gas natural con vapor (SMR, steammethane reforming). Se trata de un proceso termo-químico endotérmico que convierte el metano y elvapor de agua en hidrógeno. El proceso completoproduce hidrógeno de alta pureza apto para su con-sumo: además de la etapa de reformado, donde segenera un gas de síntesis, este proceso tambiénconsta de etapas de water gas shift para convertirel CO y agua en más hidrógeno y CO2, y una etapafinal de purificación de hidrógeno.

Las tecnologías de purificación de hidrógeno emple-adas a escala industrial suelen ser el Pressure SwingAdsorption y la destilación criogénica. Se prevé la ne-

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Figura 6. Membranas de fibra hueca (arriba) y módulos de membrana (abajo). Fuente: TECNALIA.

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cesidad de acoplar tecnologías de captura y valori-zación de CO2 para que la huella de carbono de estageneración de hidrógeno sea la menor posible.

Por otro lado, en los últimos años se ha desarrolladola tecnología de reactor de membrana para genera-ción distribuida de hidrógeno de alta pureza. Es elcaso del desarrollo realizado entre Tecnalia y la Uni-versidad Técnica de Eindhoven, que actualmente seestá comercializando a través de H2SITE, “start-up”promovida por ambas entidades. En este tipo de re-actores, las etapas de reacción mencionadas arriba(reformado, water gas shift), y la etapa de purifica-ción con membranas, se integran en una únicaetapa. De esta manera, se pueden obtener conver-siones similares al proceso convencional de refor-mado, pero a temperaturas mucho más bajas (pordebajo de 600 °C). Esta tecnología se puede utilizarpara producir hidrógeno a partir de gas natural otambién de otras fuentes como bioetanol, biogás,amoniaco, etc. En la Figura 7 se muestra el esquemade un reactor de membrana que se alimenta con

metano (o gas natural) y en la que se obtiene unacorriente de hidrógeno de alta pureza que permeaa través de las membranas tubulares (normalmentese utilizan las membranas base Pd) y otra corrientecon alto contenido en CO2. Esta última corrienteconcentrada en CO2 podría cumplir con los reque-rimientos para su posterior valorización/utilizacióno secuestro.

• Captura de CO2

Actualmente hay tres estrategias principales paracaptura de CO2: precombustión, postcombustión yoxicombustión:

Precombustión:La captura en precombustión tiene relación con elproceso descrito en el punto anterior, donde uncombustible es reformado/gasificado/etc. con loque se convierte a un gas de síntesis, y entonces seemplean tecnologías de separación para capturar elCO2. La tecnología de separación más empleadason los solventes físicos. Por ejemplo, el procesoRectisol es uno de los procesos más utilizadosdonde se utiliza metanol refrigerado y por ello tieneun consumo energético alto. Si esta separación sepudiera hacer a mayor temperatura sería un pro-ceso con un consumo energético menor.

Postcombustión:En la captura en postcombustión el CO2 es sepa-rado de una corriente rica en N2 producida a partirde un proceso de combustión. La tecnología de re-ferencia es la de los solventes basados en aminas.Se están estudiando otros solventes, pero tienenuna limitación de requerimiento energético para laregeneración del solvente.

Todos estos conceptos se encuentran hoy en día enun nivel relativamente avanzado de desarrollo paralos procesos de separación de referencia, es decir,los disolventes físicos para precombustión y los sol-

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SECTOR INDUSTRIAL

Figura 7. Esquema de un reactor de membrana para producción de H2 de alta pureza. . Fuente: Palladium based

membranes and membrane reactors for hydrogen production and purification: An overview of research activities at

Tecnalia and TU/e. Elsevier, 2017.

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SECTOR INDUSTRIAL

ventes basados en aminas para postcombustión.

En la actualidad se encuentran en funcionamientoplantas piloto a escala de 1 a 50 MW para estos sis-temas, y están previstas instalaciones de demostra-ción a escala de cientos de megawatiosen lospróximos años. Un aspecto importante de las cen-trales eléctricas con captura de CO2 es el consumode energía requerido por los procesos de separaciónnecesarios para lograr bajas emisiones de carbono(por ejemplo, calor para la regeneración de solven-tes en tecnologías de pre y post combustión). Esterequerimiento de energía es la razón principal de lareducción de la eficiencia neta general de la gene-ración de energía, siendo las penalizaciones por efi-ciencia neta promedio para la captura depostcombustión del 10% en relación con una centraltérmica de carbón sin captura, y 8% para captura deprecombustión en comparación con un IGCC sin cap-tura. Por esta razón existe un gran número de acti-vidades de investigación en curso para reducir elconsumo total de energía del proceso, tanto me-diante un diseño mejorado de sistemas de separa-ción convencionales, como mediante el desarrollode tecnologías innovadoras (por ejemplo, disolven-tes avanzados, membranas, absorbentes sólidos),con un menor impacto esperado en la eficiencia dela planta y el coste de los equipos. Las principalestecnologías de separación de CO2 son absorción,adsorción (PSA y TSA), membranas y destilación crio-génica. La absorción es la tecnología de separaciónde CO2 más madura, pero se necesita una cantidadde energía significativa para regenerar el solvente ytambién existen problemas ambientales relaciona-dos con la degradación del solvente. Las membra-nas tienen potencial para competir con tecnologíasbasadas en solventes debido a su compacidad, mo-dularidad, facilidad de instalación, flexibilidad deoperación y menor coste y consumo de energía. Lasmembranas poliméricas son las más utilizadas co-mercialmente, pero tienen algunas limitaciones (porejemplo, temperatura, estabilidad ante determina-

dos contaminantes). En ese sentido, se están des-arrollando tipos de membranas más innovadorescomo las de membranas de matriz mixta (mixed ma-trix membranes) donde se tiene una matriz polimé-rica con partículas inorgánicas (zeolitas, MOFs, etc.)para poder realizar la captura de CO2 en condicio-nes mejoradas y más eficientes.

Sector farmacéutico

La tecnología de membranas está en auge en la eco-nomía de generación de productos farmacéuticos.Dicha tecnología puede servir para varias separacio-nes de la Industria farmacéutica como son, la purifi-cación de productos, tratamiento de aguas,recuperación de solventes, etc.

En cuanto a los tipos de separación, se suelen em-plear membranas para nanofiltración, ultrafiltra-ción, microfiltración, pervaporación, osmosisinversa, etc.

Esta tecnología se suele emplear para concentrarproductos y también realizar post-tratamientos deaguas residuales generadas en los procesos.

Algunos proyectos destacados en la temática se lis-tan a continuación:

Proyecto ARENHA: Advanced materials and Reac-tors for ENergy storage tHrough Ammonia. Pro-yecto financiado dentro del programa marco H2020de la Unión Europea bajo el acuerdo de n° 862482.https://arenha.eu/

Proyecto MACBETH: Membrane and Catalysts be-yond economic and Technological Hurdles. Proyectofinanciado dentro del programa marco H2020 de laUnión Europea bajo el acuerdo de n° 869896.https://www.macbeth-project.eu/

Proyecto MEMBER: Advanced MEMBranes and

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membrane assisted processes for pre- and post-combustion CO2 captuRe. https://member-co2.com/

Proyecto BIONICO: Biogas membrane reformer fordecentralized H2 production. Proyecto financiadodentro del programa marco Fuel Cells and Hydro-gen 2 de la Unión Europea bajo el acuerdo de n°671459. http://www.bionicoproject.eu/

Proyecto HYGRID: Hydrogen Recovery from Natu-ral Gas Grids. Proyecto financiado dentro del pro-grama marco Fuel Cells and Hydrogen 2 de la UniónEuropea bajo el acuerdo de n° 700355.https://www.hygrid-h2.eu/

Proyecto FLUIDCELL: Proyecto financiado dentrodel programa marco Fuel Cells and Hydrogen 2 dela Unión Europea bajo el acuerdo de n° 621196. https://www.fluidcell.eu/

Proyecto C2FUEL: Carbon Captured Fuel andEnergy Carriers for an Intensified Steel Off-Gasesbased Electricity Generation in a Smarter IndustrialEcosystem. Proyecto financiado dentro del pro-grama marco H2020 de la Unión Europea bajo elacuerdo de n° 838014.https://cordis.europa.eu/project/id/838014

Proyecto M4CO2: Energy efficient MOF-basedMixed Matrix Membranes for CO2 Capture. Pro-yecto financiado dentro del programa marco FP7 dela Unión Europea bajo el acuerdo de n° 608490. https://cordis.europa.eu/project/id/608490

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

La tecnología de reactor de membrana se presentacomo prometedora para generación de hidrógenodistribuido a un coste reducido y con mayor eficien-cia. Por poner un ejemplo, en el proyecto europeo

BIONICO20 de generación de hidrógeno de alta pu-reza a partir de biogás mediante esta tecnología, elmodelado del proceso determinó que la conversiónde biogás a hidrógeno podría ser de hasta el 72%,más de un 10% mayor que la tecnología disponiblecomercialmente. Además, se determinó que dichatecnología es un sistema flexible para producir H2de alta pureza a partir de diferentes composicionesde biogás (de vertedero o de digestión anaerobia).Por otro lado, la evaluación tecno-económica deter-minó que la reducción potencial de coste de estatecnología frente a las tecnologías comerciales seríade 5-7%.

Más allá, se espera que las tecnologías de capturade CO2 tengan un papel relevante en la descarbo-nización de la industria, teniendo en cuenta el obje-tivo de la Unión Europea para 2050 de teneremisiones neutras de carbono. En este sentido, enel proyecto europeo MEMBER21 sobre captura deCO2 con tecnología de membranas se ha definidocomo objetivo un coste de la captura de CO2 <30€/t CO2 en precombustión en centrales térmicas y<40 €/ton en postcombustión en centrales térmicas.

Análisis DAFO

En la tabla 3, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO de esta tecnología.

La fortaleza de esta tecnología reside en la separa-ción eficiente y competitiva de corrientes en com-paración con tecnologías comerciales o másimplementadas en la industria.

Además, la tecnología de membranas puede servirpara dar solución a varias industrias. Aunque en estasección se dirige al sector químico-petroquímico yal sector farmacéutico, serviría para otro tipo de in-dustrias también.

La tecnología de reactores de membranas se prevé

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20- http://www.bionicoproject.eu/21- https://member-co2.com/

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SECTOR INDUSTRIAL

como una tecnología prometedora de generaciónde hidrógeno distribuida. Actualmente esta tecno-logía podría estar en un TRL 5-6. Esta generación dehidrógeno podría ser in-situ en las industrias que ne-cesiten hidrógeno como combustible para sustituirel uso de combustibles fósiles (reducción de emisio-nes de CO2) o también como materia prima. Porotro lado, se prevé que, en un futuro próximo el hi-drógeno se transporte y distribuya a través de lasredes de gas natural hasta el punto de uso. Se pre-vén dos escenarios de transporte-distribución de hi-drógeno: hidrógeno mezclado con gas natural hastaun porcentaje, e hidrógeno puro. En el caso del hi-drógeno mezclado con gas natural, se prevé la ne-cesidad de extraer el hidrógeno de la mezcla en elpunto de uso, y en ese sentido, la tecnología demembranas se vislumbra como prometedoracuando el contenido de hidrógeno no es muy alto.

Las principales barreras con las que se encuentraesta tecnología de membranas avanzada es que noha sido testeada a escala industrial nacional, por loque puede haber dificultades técnicas (por ejemplo,

estabilidad) que habría que solventar para imple-mentar esta tecnología en las industrias química, pe-troquímica y farmacéutica.

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H2: generación de H2 verde.

CO2: políticas de descarbonización del sector industrial.

Hay tecnología comercial de generación de H2 (H2 azul).

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Tecnología no testada a escala industrial nacional.

Separación eficiente y competitiva de los compuestos de valor.

Aplicable a numerosos sectores, aparte del químico y farmacéutico.

En el caso del H2, generación de H2 in-situ.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 3. Análisis DAFO de la separación mediante membranas.

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2.4 Reducción del porcentaje de clínker en el cementoDescripción

En torno al 5% de las emisiones mundiales del CO2de origen antropogénico son debidas a la industriadel cemento, teniendo dichas emisiones un dobleorigen. Por un lado, cerca del 60 % de las emisionesson causadas durante la etapa de descarbonataciónde la materia prima principal (caliza), denominadascomo emisiones de proceso. El otro 40% de las emi-siones proviene de los combustibles necesarios paraelevar la temperatura al rango necesario para quese produzca el proceso de descarbonatación men-cionado y al resto de las reacciones que componenla “clinkerización”. En este contexto, la formulaciónde nuevos tipos de cemento con menor contenidoen clínker, es una de las estrategias a seguir para re-ducir significativamente las emisiones de CO2 y laenergía consumida en forma de combustible.

La mayoría de los tipos de cemento están compues-tos principalmente por el clinker y yeso, junto conotros componentes minerales que presentan pro-piedades hidráulicas similares al clinker cuando semuelen y mezclan con el resto de los componentes.Entre estas materias primas, destacan particular-mente las escorias de los altos hornos de la industriadel hierro o acero, las cenizas volantes procedentesde las centrales eléctricas de carbón y los materialesvolcánicos naturales (puzolanas). Estos materiales(llamados adiciones) pueden ser usados para susti-tuir parcialmente el clínker del cemento, reduciendo

así los volúmenes utilizados y también las emisionesde CO2 asociadas a su producción.

La decreciente actividad de las centrales térmicasde carbón, principales suministradoras de adicionespara el cemento, hace necesario buscar alternativas.Las cenizas volantes constituyen típicamente el 80%del total de la ceniza, correspondiendo el 20% res-tante a cenizas de fondo o escorias, que son depo-sitadas en las escombreras de las centrales térmicas.La principal diferencia con respecto a las cenizas vo-lantes es el tamaño de las partículas y por tanto sumétodo de separación en la central, pero es impor-tante destacar que estas escorias ya han sido some-tidas a una activación térmica que las hace activashidráulicamente. Por tanto, se considera que pue-den ser potencialmente aprovechables como adicio-nes para sustituir parcialmente el clínker delcemento, de manera análoga a las cenizas volantes. La medida consiste en extrapolar las actividades deexplotación minera a las escombreras de cenizas defondo de las centrales térmicas.

En cuanto a costes, se considera un coste de extrac-ción de 4-5 €/t, similar al de las materias primas con-vencionales, al que habría que añadir un coste, aúnpor determinar, para su pretratamiento22 (a priori,solo molturación, ya que están activadas térmica-mente).

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Se trata de un concepto que se encuentra en unnivel de desarrollo correspondiente a TRL 1-2, sobreel que no se conocen iniciativas precursoras, ya quese están comenzando a perfilar en el momento deredacción de este documento. En torno al año 2027-2028 podrían ejecutarse proyectos demostradoresa TRL 7-8, abriendo paso a una posible implementa-ción comercial a partir del 2030.Se trata, además, de una innovación que puede des-

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22- Datos estimados por OFICEMEN pendientes de validación experimental.

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arrollarse íntegramente a nivel nacional, iniciándosecon la toma de muestras homogéneas en las escom-breras, mediante maquinaria de sondeo empleadaen la industria minera y su posterior análisis químicoy mineralógico. En un siguiente paso, es precisa unamolienda y adecuación del material, y el uso de la-boratorios con capacidad para tratar materialeshasta temperaturas de 1.000 °C, para lograr la acti-vación hidráulica. Finalmente, es necesario un análi-sis químico y mineralógico del material final, antesde ser calificado como apto para su uso en sustitu-ción de las cenizas volantes.

Toda esta infraestructura de I+D está disponible anivel nacional entre laboratorios de grupos cemen-teros como CEMEX, Universidades como la Politéc-nica de Madrid y el Consejo Superior deInvestigaciones Científicas.

La viabilidad económica de este nuevo tipo de apro-vechamiento viene determinada por el coste de latonelada de CO2, prevista en 34,7 €/t para 203023.Considerando un dato estándar de 0,8 t CO2 emiti-das/t clínker24, que se estima podría reducirse hastalas 0,2 t CO2 emitidas/t clínker utilizando estas nue-vas adiciones, deja un margen de 0,6 t CO2 ahorra-das/t y por tanto de 21 €/t de escorias utilizadas.Además, desde el punto de vista energético, se evitael consumo asociado a la producción del clínker enel horno, que se encuentra entre 3.350 MJ/t clínker(escenario eficiente en 2020) y 3.200 MJ/t clínker(escenario eficiente en 2050)25.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

El sector cementero español, en colaboración conel Ministerio de Industria, Energía y Turismo (“MINE-TUR”) ha elaborado el "Plan CRECIMENTA 2030", enel que se fija un objetivo de 30 millones de tonela-das anuales de producción de cemento equivalenteen España en el año 203026. Asumiendo una poten-cial sustitución del 5% de dicha cantidad por adicio-nes procedentes de las cenizas de fondo o escoriasde centrales térmicas, podrían utilizarse del ordende los 1,5 millones de toneladas anuales.

En términos meramente energéticos, teniendo encuenta un consumo necesario para la fabricación delclínker de 0,078 tep/t clínker (promedio entre los es-cenarios 2020 y 2050), y sin tener en cuenta el con-sumo energético que podría ser necesario para elpretratamiento de las escorias, ya que aún es des-conocido, el potencial ahorro anual en un escenariohipotético de completo despliegue, ascendería a117 ktep/año.

Respecto a las emisiones de CO2 evitadas, es nece-sario considerar tanto las emisiones evitadas en ladescarbonatación de la caliza, como las emisionesderivadas del consumo de combustibles en dichoproceso. Para las primeras, se estima una reducciónde 0,6 t CO2/t de escorias utilizadas y para las se-gundas, se utiliza el factor de paso para el cálculo deemisiones de 97,5 tCO2/TJ27 correspondiente alcoque de petróleo, puesto que supone más del90%28 del consumo de combustibles en cementerasen España. Con esto, las emisiones de CO2 evitadasdurante la clinkerización ascenderían a 900.000tCO2/año y las evitadas debido al uso de combusti-bles en dicho proceso podrían ascender a 478.968 tCO2/año.

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23- PNIEC24- Datos estimados por OFICEMEN pendientes de validación experimental.25- OFICEMEN. Hoja de Ruta de la industria española del cemento para la reducción de emisiones de carbono a 2050.26- Informe base de “CRECIMENTA 2030”: propuesta de reactivación industrial de OFICEMEN al Ministerio de Industria, Energía y Turismo.27- Factores de emisión: registro de huella de carbono, compensación y proyectos de absorción de dióxido de carbón. MITECO (Junio 2020. Ver-sión 15).28- Fundación CEMA. Reciclado y valorización de residuos en la industria cementera en España (2017).

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Análisis DAFO

En la tabla 4, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO de esta tecnología.

Como principales amenazas a considerar, podríadestacarse que el margen en el uso de las adicionesestá limitado por la normalización armonizada delcemento, EN 197-1, que recoge los tipos de ce-mento comunes según sus constituyentes principa-les. Dicha normalización armonizada debe admitir eluso de estas nuevas adiciones, puesto que actual-mente las únicas adiciones permitidas son las esco-rias de horno alto, las puzolanas naturales y lascenizas volantes silíceas . También la compleja y enocasiones restrictiva, aunque fundamental, legisla-ción medioambiental en materia de residuos puedesuponer una barrera o un freno a posibles proyectosdemostradores.

La principal debilidad que presenta esta tecnologíaes que permitirá el aprovechamiento de un recursofinito, aunque abundante, que puede encontrarse

en diferente estado dependiendo de la práctica dela central térmica en concreto.

El hecho de que el aprovechamiento de estos mate-riales no requiera, a priori, de equipamiento y pro-cesos diferentes a los ya utilizados en el sector,tanto para su extracción como para su pretrata-miento antes de ser utilizado como adiciones, esuna importante fortaleza que puede contribuir a sudespliegue. Además, se trata de un aprovecha-miento de residuos/recursos autóctonos, en el quetodas las partes implicadas están manifiestamenteinteresadas, y en línea con el objetivo de descarbo-nización del sector. También para las energéticas esuna ventaja, al disminuir los costes de restauraciónambiental de las escombreras.

La relación directa de esta medida con el conceptode Economía Circular y el claro apoyo por parte dedistintos organismos, tanto nacionales como inter-nacionales, al desarrollo de innovaciones en estesentido, supone una clara oportunidad para una exi-tosa implementación masiva.

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SECTOR INDUSTRIAL

Tabla 4. Análisis DAFO de la reducción de clínker en el cemento.

Creciente apoyo a iniciativas de economía circular.

Descarbonización del sector, objetivo de la industria cementera.

Mitigación del coste de la restauración ambiental de las escombreras para las energéticas.

Uso de adiciones limitado por EN 197-1.

Complejidad de la legislación en materia de residuos.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Recurso finito.

Variabilidad del estado de las cenizas dependiendo de la escombrera.

Presencia de inquemados.

Residuos mezclados en las escombreras.

Procesos necesarios conocidos.

Aprovechamiento recurso autóctono.

Alineado con la economía circular.

Desarrollo posible completamente nacional.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

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2.5Nuevas tecnologías parapasteurización/esterilización de alimentosDescripción

El procesado térmico para la conservación de ali-mentos (pasteurización y esterilización) es un pasonecesario para inactivar microorganismos patóge-nos, así como las enzimas que pudieran comprome-ter su calidad y seguridad. Estos procesos sonintensivos en el consumo de vapor y representan unporcentaje elevado del consumo de energía total enmuchas plantas del sector. Desafortunadamente, lasintensidades de tratamiento, tiempo y temperaturade proceso también son proporcionales a la canti-dad de pérdida de nutrientes, desarrollo de saboresindeseables y deterioro de las propiedades funcio-nales de los alimentos.

El uso de ultrasonidos (US) se basa en unos sistemasde generación de frecuencias acústicas inaudibles,también conocidas como ondas de presión, por en-cima de los 20kHz. En el caso de tratamiento tér-mico de alimentos, se utilizan frecuencias bajas,también conocidas como ultrasonidos de alta po-tencia (entre los 20 y 100 kHz). En combinación concalor, los ultrasonidos pueden acelerar la tasa de es-

terilización de los alimentos, disminuyendo así tantola duración como la intensidad del tratamiento tér-mico y el daño resultante30. Las ventajas de la este-rilización por ultrasonidos respecto al calor incluyen:la minimización de la pérdida de sabor, mayor ho-mogeneidad y ahorros de energía significativos.

Con las frecuencias utilizadas, ocurre un fenómenofísico conocido como cavitación: un efecto hidrodi-námico que se produce cuando se crean burbujas devapor dentro de un líquido en el que actúan fuerzasque responden a diferencias de presión y tempera-tura. Este fenómeno ocurre en regiones bajo ondasde presión de alta amplitud que se alternan rápida-mente y consiste en el crecimiento y colapso de bur-bujas de gas dentro de un medio líquido. El vapor olas burbujas de gas se crean por el cambio de la dis-tancia promedio entre moléculas y la disminuciónde la presión. Las burbujas crecen en áreas de bajapresión, colapsando violentamente al pasar a áreasde alta presión y produciendo temperaturas cerca-nas a 4.727 °C, así como presiones superiores a1.000 atm31 debido a la liberación de energía alma-cenada durante la expansión. Sin embargo, el calorproducido por la implosión de las burbujas se disipainstantáneamente, por lo que no hay un aumentosustancial de temperatura en el medio. Cuando laintensidad aumenta, el tamaño de las burbujas tam-bién aumenta y, por lo tanto, la energía liberada du-rante el colapso32.

El mecanismo de muerte microbiana se debe princi-palmente al adelgazamiento de las membranas ce-lulares, al calentamiento localizado y a la producciónde radicales libres33. Durante la emisión de US selleva a cabo una polarización de las moléculas, afec-tando principalmente a la membrana celular. Con

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30- Gallo, M., Ferrara, L., & Naviglio, D. (2018). Application of ultrasound in food science and technology: A perspective. Foods, 7(10), 164.31- 101,3 MPa.32- Carrillo-López, L. M., Alarcon-Rojo, A. D., Luna-Rodríguez, L., & Reyes-Villagrana, R. (2017). Modification of food systems by ultrasound.Journal of Food Quality.33- Chemat, F., & Khan, M. K. (2011). Applications of ultrasound in food technology: processing, preservation and extraction. Ultrasonics sono-chemistry, 18(4), 813-835.

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ello se consigue inactivar las células bacterianas,principal objetivo del uso de esta técnica. Además,la circulación de la onda en un medio líquido pro-voca zonas alternas de compresión y expansión, pro-duciendo la cavitación y la consecuente formaciónde burbujas en el medio. En las zonas de expansión,las burbujas aumentan su superficie, difunden elgas, hasta un momento en que es imposible retenerla presión de vapor de la burbuja por la energía apli-cada y las burbujas colapsan al condensar el vaporrápidamente; esto conlleva a una colisión de molé-culas y ondas de choque, que a su vez aumentan lapresión y la temperatura. De este modo se consiguedestruir ciertas bacterias (más difícil en el caso debacterias esporuladas), si bien, la formación de radi-cales libres durante la cavitación, se cree que alterael ADN y por tanto la viabilidad bacteriana.

Los US pueden incrementar la productividad de unaplanta de procesado al acortar los ciclos producti-vos, ya que se produce una transferencia térmicamás rápida, que puede reducir hasta un 30% deltiempo preciso, suponiendo un ahorro energético yun aumento de la productividad, al permitir incre-mentar el número de ciclos de tratamiento a lolargo del día.

Estas cualidades hacen del uso de US una tecnologíainteresante en determinadas etapas de producciónde alimentos como en escaldados, cocciones, ade-más de en los sistemas de pasteurización o esterili-zación. Cabe mencionar que el uso paraesterilización de productos en envase metálico nosería adecuado en este caso, por el efecto negativode los US sobre este material.

Finalmente, es una tecnología económica e inocua,con un bajo consumo energético, que no aportacontaminación al agua de tratamiento ni genera sus-tancias tóxicas en el alimento, y que puede ser utili-

zada tanto para alimentos sólidos como líquidos34,35.Además, destaca por su versatilidad, ya que los des-arrollos en los que se trabaja actualmente persiguenno requerir una sustitución total de las líneas de tra-tamiento térmico existentes, sino que el objetivo esañadir y adaptar los equipos de ultrasonidos a los yaexistentes, mejorando el consumo energético delconjunto.

En términos de coste energético, por ejemplo, enuna planta de producción de atún en conservamedia, en las balsinas de cocción con agua donde elcalentamiento de la misma se realiza con vapor conserpentín de intercambio, el uso tradicional parauna cocción de atún de 3-4 kg/u puede suponer uncoste total de producto de 2.700 €/t/ciclo, mientrasque adaptando un sistema de US el coste medio pa-saría a ser de 2.250 €/t/ciclo, lográndose por tantoun ahorro del 17%36.

Por otro lado, la aplicación de la inducción en el tra-tamiento térmico de alimentos resulta también unatecnología prometedora por la reducción de tiem-pos y consumos energéticos, así como por su flexi-bilidad y posibilidad de adaptación a determinadasinstalaciones existentes. Además, es aplicable aotros procesos térmicos no destinados a la conser-vación (cocción, escaldado, etc.). A modo de ejem-plo, en un prototipo desarrollado para laesterilización de alimentos enlatados, el ahorroenergético proviene de un nulo consumo de vapory de agua, mientras que en un autoclave convencio-nal el consumo se sitúa en 4,5 kg vapor/lata y 1,25 lagua/lata. El consumo eléctrico de la inducción pro-ducido en este caso de aplicación es aproximada-mente igual al consumo de un autoclaveconvencional, de 49 Wh, obteniéndose por tanto unahorro energético neto al prescindir completa-mente del consumo de vapor y agua37.

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SECTOR INDUSTRIAL

34- Kang, D., Zhang, W., Lorenzo, J. M., & Chen, X. (2020). Structural and functional modification of food proteins by high power ultrasound andits application in meat processing. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1-20.35- Monteiro, S. H., Silva, E. K., Alvarenga, V. O., Moraes, J., Freitas, M. Q., Silva, M. C., ... & Cruz, A. G. (2018). Effects of ultrasound energy densityon the non-thermal pasteurization of chocolate milk beverage. Ultrasonics Sonochemistry, 42, 1-10.36- Datos proporcionados por ANFACO-CECOPESCA.

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SECTOR INDUSTRIAL

Al margen de nuevas tecnologías de tratamientotérmico de alimentos, como el uso de ultrasonidoso de la inducción electromagnética, los nuevos des-arrollos destinados a mejorar los procesos conven-cionales de generación, transporte y utilización delvapor son muy demandados por la industria de ali-mentación y bebidas38.

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Existen multitud de centros trabajando en la conser-vación de alimentos, aunque solo algunos de ellosdesarrollando nuevas soluciones en ultrasonidos einducción a nivel nacional y disponiendo de instala-ciones experimentales a escala de laboratorio(TRL4). Destaca en el campo de los ultrasonidos AN-FACO-CECOPESCA, que dispone de una larga trayec-toria en estas tecnologías, que se materializan en 4patentes de aplicación de US para esterilización (ES2 569 542 B1), cocción (ES 2 569 416 A1), congela-ción (ES 2 552 844 B1) y descongelación (ES 2 570254 B1). Además, han trabajado en proyectos, tantocon empresas desarrolladoras como con usuarias fi-nales de ultrasonidos, que pueden considerarse pre-cursores a nivel nacional para la validación de latecnología, concretamente en el tratamiento tér-mico de productos pesqueros:

Proyecto ECOSON: (2011-2013) “Diseño y desarro-llo de un sistema de conservación por ultrasonidospara productos de la pesca y de la acuicultura”. Con-vocatoria de Proyectos de Investigación Sectorial dela Dirección General de I+D+i, Conselleria de Econo-mía e Industria, Xunta de Galicia.

Proyecto VALORATUN: (2013-2015) “Mejora inte-gral del proceso de transformación del atún”. El ob-jetivo es la optimización de los procesos defabricación de atún en conserva, desarrollando nue-vos equipos (incluyendo US), nuevos estudios demejora del tratamiento de materia prima y obten-ción de producto final premium. Proyecto empresa-

rial consorciado liderado por CALVO CONSERVAS.Convocatoria FEDER INNTERCONECTA Galicia. Cofi-nanciación CDTI y Agencia Gallega de Innovación,Xunta de Galicia.

Proyecto MELLORATUN: (2018-2020) “Aplicaciónde tecnologías emergentes en el procesado de tú-nidos”. El objetivo principal del proyecto es la opti-mización de una línea de procesado de conservas deatún mediante la aplicación de nuevas tecnologíasinnovadoras (US) implementadas en aspectos críti-cos como la aceleración del proceso de descongela-ción, la optimización del empaque, el aumento de laproductividad y la mejora de la calidad y salubridaddel producto terminado. Programa Conecta-Peme,Xunta de Galicia.

Actualmente, para la aplicación de US en el trata-miento térmico de alimentos, se está en una fase decomenzar a escalar prototipos de mayor tamaño,para poder hacer una posterior transición al esca-lado industrial. Otras futuras líneas de investigaciónen este campo, necesarias también para el desplie-gue de la tecnología, deben ir encaminadas al estu-dio de intensidades y frecuencias a utilizar paradistintos tipos de alimentos y etapas de proceso enlas que pueden ser aplicables. El objetivo es validarla tecnología de US para distintos tipos de alimentosy procesados.

Otra línea de trabajo se debe centrar en determinarlos materiales de envase aptos para la aplicación deesta tecnología para la esterilización de productosenvasados.

Existen centros de I+D+i de referencia trabajandoen la mejora de los procesos de pasteurización/es-terilización: ANFACO-CECOPESCA, Ctic Cita - Centrode Innovación y Tecnología Alimentaria, CTNC-Cen-tro Tecnológico Nacional de Conserva y Alimenta-ción, IA2- Instituto Agroalimentario de Aragón,AINIA.

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37- Datos proporcionados por CITIC-CITA.38- Información proporcionada por CTNC.

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En cuanto al coste de la tecnología, actualmentesolo es posible proporcionar referencias para equi-pos de US (generador + sonotrodo) aplicables en ta-maños de instalaciones semiindustriales. A modo deejemplo, el coste de un equipo de US necesario pararealizar tratamientos térmicos en una balsina de2.000 l (700 kg de alimento) asciende a 12.000 €.Cabe destacar que, aunque existen fabricantes enel mercado de equipos de US para su aplicación enel campo de la limpieza, las aplicaciones que se de-tallan en este apartado necesitan unos equipos “amedida”, que encarecen el coste.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

En el año 2030, es objetivo del PNIEC que el con-sumo energético en el sector industrial se sitúe en20.131 ktep. Asumiendo que la contribución del sec-tor de la alimentación, bebidas y tabaco se man-tenga en un 11% (últimos datos disponibles, para201839), el consumo de energía en el sector será de2.280 ktep, de los cuales 1.450 ktep serán proceden-tes de combustibles y destinados a usos térmicos.

Dentro de los usos térmicos en esta industria, lostratamientos térmicos dedicados a la conservación,pasteurización y esterilización juegan un papel fun-damental, ya que son unas de las principales tecno-logías utilizadas, de carácter transversal, y aplicadasa la mayoría de los alimentos40. Aproximadamenteel 50% del consumo térmico en este sector se debea demandas de baja temperatura41, donde los másrepresentativos son los tratamientos térmicos deconservación. Asumiendo un despliegue total eneste segmento, el potencial total de ahorro podríaascender a 123,25 ktep, considerando el 17% deahorro de referencia obtenido en el caso de estudiomostrado.

Según datos del INE, el consumo térmico se repartede la siguiente manera en el sector de la alimenta-ción y bebidas: Carbón 1%, productos petrolíferos54%, gas natural 37% y energías renovables 8%.Puesto que no existe en el PNIEC una prospeccióndetallada del consumo de energía final por fuentesy subsectores industriales, se van a hacer extensivaslas tendencias marcadas para el sector industrial ensu conjunto, de reducción del 32% del peso de losproductos petrolíferos, de eliminación del carbón yde aumento del 11% de la contribución de energíasrenovables a la demanda de combustibles. Esto setraduciría en una disminución del factor de emisiónde 62 a 58 kg CO2/GJ.

Con estas hipótesis, el ahorro energético se tradu-ciría en 2030 en 299.307 tCO2/año.

Análisis DAFO

En la siguiente tabla, se resumen los principales re-sultados obtenidos en el análisis DAFO de esta tec-nología:

La principal debilidad que, con el estado actual dedesarrollo de la tecnología, puede destacarse es queno es aplicable a cualquier tipo de envase, cuandose aplica a la esterilización de producto envasado,debido al efecto de los US en el material del envase.Actualmente, aunque existen equipos industriales(generador + sonotrodo) de aplicación de ultrasoni-dos, dirigidos a operaciones de limpieza, su aplica-ción para el tratamiento térmico de alimentosrequiere de una adaptación, es decir, deben fabri-carse a medida.

Al ser una tecnología que se aplica a un proceso quetípicamente usa vapor, mediante tecnologías muyprobadas y efectivas, y para procesos de suma im-portancia en la seguridad alimentaria, como son la

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SECTOR INDUSTRIAL

40- BREF-Food and drink and milk industries.41- Fluch J., Brunner C., Grubbauer A. (2017). Potential for energy efficiency measures and integration of renewable energy in the Europeanfood and beverage industry based on the results of implemented projects. ICSEF 2017.39- Instituto Nacional de Estadística.

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SECTOR INDUSTRIAL

pasteurización y esterilización de alimentos, puedeinspirar ciertas reticencias en el sector. Esto puedesuponer una amenaza para su despliegue en el ho-rizonte 2030-2050.

Cabe mencionar que no es una tecnología compli-cada y que, por el principio físico que se produce, esuna técnica aplicable tanto a sólidos como a líquidosy tanto para el tratamiento térmico de producto en-vasado como sin envasar. Además, puede ser a priori

aplicada, con ciertas modificaciones, a las líneas ac-tuales de tratamiento térmico. Esto la hace una tec-nología fácilmente aplicable, replicable yeconómica, siendo éstas sus principales fortalezas yal mismo tiempo oportunidades. También es posibleque, en el procesado de determinados alimentos, elresultado final del tratamiento en términos de cali-dad organoléptica puede ser mejor que con los tra-tamientos térmicos convencionales.

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Tabla 5. Análisis DAFO de las nuevas tecnologías para la pasteurización/esterilización de alimentos.

Tecnología replicable en un gran abanico de tratamientos y alimentos.

Determinados alimentos pueden mejorar sus propiedades organolépticas.

Disminución de los tiempos de procesado y, por tanto, mejora de la productividad.

Reticencias al cambio en el sector debido a los estrictos criterios de seguridad alimentaria que tienen que cumplir estos productos.

Tecnologías convencionales muy consolidadas y conocidas.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

No aplicable a envases de cualquier material.

Equipos estándar no aplicables, necesidad de adaptación.

Tecnología sencilla.

Válido tanto para alimentos sólidos como líquidos.

Válido tanto para alimento envasado como sin envasar.

Aplicable en líneas existentes de tratamiento térmico.

Tecnología económica.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

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2.6Concentración de efluentes mediante membranasDescripción

Las membranas son elementos filtrantes semiper-meables. La separación de las sustancias suele serproducida por diferencias de presión, térmicas oeléctricas. Debido a los avances realizados en los úl-timos años para aumentar su eficiencia energética,se han convertido en las tecnologías preferidas paraciertas aplicaciones. Dado que los procesos de mem-branas son prácticas instauradas a nivel industrialsobre las cuales se tiene amplio conocimiento, la di-versificación en sus usos sobre todo a través de laconcesión de propiedades selectivas es lo que les

confiere un gran potencial para optimizar la eficien-cia de los procesos industriales en los cuales se im-plementen42.

En el sector de la alimentación y bebidas, además decumplir los roles de separación típicos, sobre todoaquellos relacionados con la separación de microor-ganismos, concentración de productos, proteínas yotros compuestos para asegurar la calidad del pro-ducto final, encuentran especial aplicación en la re-cuperación de compuestos de sus efluentes, siendouna aplicación alineada con los principios de econo-mía circular. Así pues, el valor de los tratamientospor membranas reside en la capacidad de tratar co-rrientes residuales y obtener el mayor beneficio po-sible de ellos, ya sea a través de la valorización decompuestos presentes en corrientes residualescomo materias primas u otros productos de altovalor añadido43 o la concentración de los lodos paragenerar energía.

Un aspecto fundamental en la operación de las in-dustrias de este sector es la alta carga orgánica y denutrientes en sus efluentes acuosos, que deben ser

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR INDUSTRIAL

42- Guiga W., Lameloise M-L, (2019). Membrane separation in food processing. Green Food Processing Techniques Preservation, Transforma-tion and Extraction. 2019, Pages 245-28743- Nazir A., Khan K., Maan A., Ziac R., Giornod L., Schroëne K., (2019). Membrane separation techno-logy for the recovery of nutraceuticals from food industrial streams. Trends in Food Science & Technology. Volume 86, Pages 426-438.

Figura 8. Esquema básico de la ósmosis directa. Fuente: CIRCE.

REG

ENER

AC

IÓN

Soluciónextractora

(diluida)

Soluciónextractora

(concentrada)

Solución dealimentación(concentrada)

Solución dealimentación

(diluida)

AGUA

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SECTOR INDUSTRIAL

tratados para cumplir con límites de vertido y evitarproblemas ambientales como la eutrofización. Ade-más, las prácticas de descarga cero de efluentes lí-quidos (Zero-Liquid Discharge, “ZLD” por sus siglas eninglés) supone requerimientos cada vez más exigen-tes hacia los procesos de tratamiento de efluentesindustriales. Debido a esta alta carga orgánica de lascorrientes a tratar en el sector agroalimentario, lasmembranas suelen estar sujetas a ensuciamientospor materia orgánica que induce la formación debiofilms (contaminación microbiológica debida alcrecimiento de microorganismos en la superficie dela membrana y que ocasiona la obstrucción de losporos), con una consecuente pérdida del rendi-miento de la operación.

Las ventajas de la ósmosis directa (TRL 7-9), en laque el flujo de agua sigue el gradiente osmótico na-tural de las soluciones en contacto (solución de ali-mentación y solución extractora), se caracterizanpor la tolerancia de estas membranas al fouling (en-suciamiento o acumulación de componentes sobrela superficie o los poros de la membrana) y su capa-cidad de tratar soluciones concentradas.

Las ventajas de emplear tecnologías de concentra-ción y recuperación de agua en estas industrias, nosólo reside en disminuir el considerable consumo deagua y el gasto energético de su tratamiento final44,sino también el potencial que ofrece el concentrarlas corrientes ricas en compuestos orgánicos quepueden ser digeridos anaeróbicamente para produ-cir biogás. Esta solución puede ser aplicada para tra-tar efluentes de un gran número de industrias en elsector agroalimentario: cárnica, pesquera, láctea,bebidas, azucarera, entre otras. Para la concentra-ción de soluciones y recuperación de agua, la com-binación de ósmosis directa e inversa utilizaalrededor de 8 a 10 veces menos energía (5-20kWh/m3) que las técnicas de evaporación45.

También los reactores de biofilm de membrana ai-reados (MABR, por sus siglas en inglés) (TRL 7-9) hanganado prominencia en los últimos años, con la cre-ciente preocupación respecto al manejo y controlde nutrientes en efluentes, que conducen a la eu-trofización de las fuentes receptoras. Típicamente,las depuradoras cuentan con un sistema de balsasdonde microorganismos, bajo un principio de meta-bolismo aeróbico, convierten el amonio presente enlas aguas en nitrato (nitrificación), y luego en ausen-cia de oxígeno convierten el nitrato en nitrógeno ga-seoso (desnitrificación), el cual es un gas inerte einocuo. La nitrificación consume cantidades impor-tantes de oxígeno, constituyendo este uno de losprincipales costes operacionales de estos estableci-mientos. El arreglo modular y compacto del MABRpermite tratar efluentes ricos en nutrientes paraproducir la nitrificación/desnitrificación simultánea,ofreciendo una alternativa económica y energética-mente viable para el control de nutrientes enefluentes, consiguiendo ahorros de hasta un 90%en comparación con los tratamientos convenciona-les.

Los costes de instalaciones de lodos activados ron-dan los 750 – 850 €/m3 día en los casos de trata-miento convencional, aumentando a 1.050 – 1.250€/m3 día cuando se incorporan membranas en elproceso de depuración de agua, mientras que parauna instalación de MBR con capacidad similar loscostes rondan los 700- 960 €/m3 día46.

Nivel de desarrollo tecnológico, recur-sos y perspectivas de evolución

La configuración de las membranas en diferentesprocesos es un campo sobre el que se posee amplioconocimiento. Así pues, las configuraciones más ha-bituales que se encuentran en la industria de la ali-mentación son en espiral, fibra hueca, placas y

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44- “DuraMem® and PuraMem® membranes for organic solvent nanofiltration – OSN”.45- Porifera.46- R. Iglesias, P. Simón, L. Moragas, A. Arce, and I. Rodriguez-Roda, (2017) “Cost comparison of full-scale water reclamation technologies withan emphasis on membrane bioreactors,” Water Sci. Technol., vol. 75, no. 11–12, pp. 2562–2570.

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marcos y tubulares. La elección quedará sujeta a laaplicación para la cual la membrana ha sido seleccio-nada. Los esfuerzos de I+D dentro del desarrollo demembranas de ósmosis directa se centralizan enmejorar la selectividad, permeabilidad y eficiencia.De esta manera, reducir la polarización interna y latendencia al ensuciamiento, aumentar la permeabi-lidad de agua, reduciendo o incrementando la deciertos solutos, son las áreas que resultan de mayorinterés. Si bien la configuración final del equipo den-tro del cual se ubicará la membrana no presenta ma-yores novedades, pues se encuentra comercialmen-te, la investigación en torno a esta tecnología se fo-caliza principalmente en la búsqueda de materialespara la fabricación de nuevas membranas, que con-fieran fenómenos de superficie particulares, y la via-bilidad del escalado industrial.

El MABR es una tecnología emergente, si bien tienedesarrollo a nivel industrial. En España en 2018 seinstaló el primer reactor de este tipo47. Su versatili-dad para ser instalada en forma modular otorga aesta tecnología una ventaja competitiva para el tra-tamiento de efluentes in-situ, con sus ahorros ener-géticos y económicos asociados. Se puedeacondicionar para grandes instalaciones, pero lo ins-talado actualmente son instalaciones modulares.

Existen en España numerosos centros tecnológicosen el sector agroalimentario, en los que los que setrabaja en la aplicación de membranas (CTNC, IA2,ANFACO-CECOPESCA, LEITAT, AINIA, Eurecat). Ma-yoritariamente, la I+D+i de la aplicación de membra-nas en el sector de alimentación y bebidas estácentrado en la recuperación de compuestos y nu-trientes de valor añadido y en el tratamiento deefluentes residuales, para la eliminación de conta-minantes, así como hacia la máxima reutilización delagua. Por otro lado, aunque los procesos con mem-

branas son prácticas instauradas en el sector, siguededicándose una parte de la investigación a la me-jora de selectividades, por ejemplo, con la modifica-ción de la matriz polimérica mediante laincorporación de nanoestructuras48,49.

No se han identificado un gran número de proyec-tos con participación/coordinación nacional en laaplicación de ósmosis directa para el tratamiento deefluentes residuales en la industria agroalimentaria,estando más extendida esta tecnología en el campode la desalinización de aguas. No obstante, a conti-nuación, se citan algunos ejemplos:

Proyecto EFLUCOMP: (2017-2020) Tiene como ob-jetivo la investigación en tecnologías competitivas ycoste-eficientes (incluyendo la ósmosis directa) paraabordar la problemática asociada a la presencia decontaminantes en efluentes, como la materia orgá-nica persistente o la elevada salinidad. Generalitatde Catalunya - Fondo Europeo de Desarrollo Regio-nal (FEDER).

Proyecto Digestake: (2018-2022) Este proyecto in-cluye el estudio de nuevos procesos de ósmosis di-recta para regenerar agua y valorizar unconcentrado de nutrientes para transformarlos enfertilizantes de alto valor añadido, de aplicación enlas estaciones depuradoras de aguas residuales. Ge-neralitat de Catalunya - Fondo FEDER.

En cuanto a grupos de referencia en la materia, departicular relevancia en el ámbito agroalimentario anivel internacional son el Grupo Elimelech de la uni-versidad de Yale, que estudia principalmente el fou-ling y la recuperación de nutrientes, y SUEZ yFluence, que ofrecen tecnologías como el MARB yla digestión anaerobia y tienen un importante pesoen I+D+i.

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47- https://www.acciona-agua.com/pressroom/in-depth/2018/march/spain-s-1st-oxyfas-mabr-plant-is-commissioned-by-acciona-agua/48- V. Vatanpour, A. Ghadimi, A. Karimi, A. Khataee, and M. E. Yekavalangi (2018) “Antifouling polyvinylidene fluoride ultrafiltration membrane fa-bricated from embedding polypyrrole coated multiwalled carbon nanotubes,” Materials Science and Engineering: C, vol. 89, pp. 41–51, Aug. 2018.49- Ihsanullah (2019). “Carbon nanotube membranes for water purification: Developments, challenges, and prospects for the future,” Separationand Purification Technology, vol. 209, pp. 307–337.

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SECTOR INDUSTRIAL

En cuanto a costes, las instalaciones de lodos acti-vados rondan los 750 – 850 €/m3 y día en los casosde tratamiento convencional, aumentando a 1.050– 1.250 €/m3 y día cuando se incorporan membra-nas en el proceso de depuración de agua, mientrasque para una instalación de MBR con capacidad si-milar los costes rondan los 700- 960 €/m3 día50.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

La inmensa casuística que se encuentra en la gene-ración de efluentes en la industrial de la alimenta-ción y bebidas, y la ausencia de registros o datos alrespecto, no permite hacer una valoración para laextrapolación del tratamiento por membranas atodo el sector. Por ello, se va a tomar como caso deestudio el potencial energético de generación de

biogás mediante digestión anaeróbica, como apro-vechamiento final tras la concentración de efluen-tes llevada a cabo con membranas, concretamentepara el sector cárnico (vacuno y pollo).

Considerando un potencial de generación51 de 0,09kWh/día por pollo procesado (2 kg/canal) y 14,5kWh/día por vaca procesada (310 kg/canal), y los úl-timos datos de producción anual de carnes en Es-paña de 1.412.223 t de pollo52 y 666.632 t devacuno53, se obtendría un potencial del orden de los35.000 GWh anuales o 3.000 ktep.

Análisis DAFO

En la tabla 6, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO de esta tecnología.

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Numerosas industrias con efluentes con alta carga orgánica.

Aplicación alineada con la economía circular.

Esfuerzos crecientes en la reducción del estrés hídrico.

Creciente interés en Zero-Liquid Discharge.

Otras tecnologías de menor coste inicial.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Elevados costes iniciales.

Polarización interna.

Energía necesaria para la regeneración de la solución de extracción.

Mínimo consumo energético.

Obtención de agua de alta calidad.

Elevadas selectividades.

Diseños compactos.

Diseños modulares.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 6. Análisis DAFO de la concentración de efluentes mediante membranas.

50- R. Iglesias, P. Simón, L. Moragas, A. Arce, and I. Rodriguez-Roda, (2017) “Cost comparison of full-scale water reclamation technologies with anemphasis on membrane bioreactors,” Water Sci. Technol., vol. 75, no. 11–12, pp. 2562–2570.51- Fluence Corporation. “Digestión Anaerobia: la solución verde para la industria alimentaria”52- Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación (2019). “El sector de la avicultura de carne en cifras”.53- Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación (2019). “Informe anual de la industria alimentaria 2019-2020”.

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Las tecnologías de concentración por membranasmediante ósmosis directa presentan importantesfortalezas, entre las que destaca su menor consumoenergético frente a las tecnologías tradicionales deconcentración, como la evaporación, ya que sólo serequiere una pequeña cantidad de energía parabombear las soluciones. Además, ofrecen la oportu-nidad de obtener agua de alta calidad apta para elriego agrícola y unas selectividades al compuestoobjetivo no comparables con las técnicas convencio-nales. Por último, cabe mencionar que se trata dediseños más compactos, en comparación con lastecnologías convencionales de separación, y modu-lables, para adaptarse a distintos tamaños de insta-lación.

Todas estas cualidades hacen que la aplicación demembranas, particularmente en técnicas de ósmo-sis directa, encuentren una importante oportunidadde aplicación en industrias que empleen corrientescon alta carga orgánica, como es el sector de la ali-mentación y bebidas. Por otro lado, se trata de unaaplicación alineada con la economía circular de agua,que permite recuperar compuestos valiosos a bajocoste y mejorar el estrés hídrico del planeta, de cre-ciente importancia a nivel global.

Como debilidades de la tecnología se pueden men-cionar los elevados costes iniciales, aunque se com-pensan con unos menores costes operativos a lolargo de su vida útil. Además, el efecto conocidocomo polarización interna, producida cuando la so-lución concentrada no puede penetrar en la mem-brana debido a la tortuosidad de los canales, reducela diferencia de presión osmótica efectiva conside-rablemente y con ello el rendimiento de separación.También hay que destacar que la regeneración de lasolución de extracción requiere un input energéticoque dependerá de cada caso de aplicación y, porotro lado, que dependiendo de la concentración delefluente a tratar puede ser difícil encontrar solucio-nes de extracción adecuadas. Finalmente, ciertos

materiales de membranas encuentran dificultad enel escalado, como las que hacen uso de nanopartí-culas-NPs-, o las redes organometálicas -MOFs- enmatriz polimérica).

No se identifican amenazas más allá de que surjanotras tecnologías con menor coste inicial, por ejem-plo, que el desarrollo de la ósmosis inversa sea talque sea más viable económicamente vencer el gra-diente de presión que regenerar la solución extrac-tora en la ósmosis directa.

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2.7Diagnóstico y optimización de la combustión mediante visualización de llamaDescripción

La combustión es un proceso complejo afectado pormultitud de variables que influyen en la llama, porejemplo, forma, temperatura, movimiento, etc. yque pueden determinar la eficiencia del proceso. Amodo de ejemplo se presenta la Figura 954, dondepuede apreciarse el comportamiento diferente dela llama al llevarse a cabo la reacción con diferentecantidad de aire mientras se mantiene constante lade combustible. La imagen inferior corresponde aun menor ratio aire/combustible, lo que provoca unalargamiento de la llama y la formación de un conosecundario, al completarse la combustión con el aireambiente. La imagen proporciona información muyvaliosa para estudiar la combustión.

El diagnóstico por imagen de la combustión se tratade una tecnología no intrusiva para determinar elcomportamiento de la combustión basado en laimagen de la llama. La adquisición de las imágenesde la llama se puede realizar con diferentes tipos decámaras para estudiar los rangos espectrales carac-terísticos en cada caso. En aplicaciones industriales,dichas cámaras suelen colocarse dentro del horno ola caldera, aunque también podría evaluarse su co-locación fuera del mismo.

Por medio del desarrollo de algoritmos, se procesanlas imágenes para obtener las características deéstas y relacionarlas con las condiciones de combus-tión. En ocasiones, existe ya una cámara disponibleque visualice lo que ocurre en el interior del horno,por lo que este hecho en sí mismo ya se podría con-siderar una ayuda al manejo del sistema. Y, si ade-más se incorporan algoritmos que puedan alertar decombustión ineficiente, generación de humo dentrode la cámara de combustión, posición y movimientode la llama, etc. se consigue una tecnología inte-grada para la optimización del funcionamiento delequipo. En otros casos donde la cámara no esté ins-talada o no sea la adecuada, se comenzaría por laevaluación y elección del sistema de visualizaciónmás adecuado que se ajuste a la aplicación y, a partirde ahí se realizaría el desarrollo completo.

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54-González-Espinosa, A., Gil, A., Royo-Pascual, L., Nueno, A., & Herce, C. (2020). Effects of hydrogen and primary air in a commercial partially-premixed atmospheric gas burner by means of optical and supervised machine learning techniques. International Journal of Hydrogen Energy.

Figura 9. Combustión de mezcla gas natural/ hidrógeno con diferentes ratios aire/combustible. Fuente: Effects of

hydrogen and primary air in a commercial partially-pre-mixed atmospheric gas burner by means of optical and supervised machine learning techniques. Elsevier, 2020.

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Otro aspecto a tener en cuenta de esta tecnologíaes la posibilidad predicción de las emisiones gene-radas basada en las propias imágenes de las llamas.Las nuevas técnicas de machine learning permiteneste tipo de predicción utilizando las característicasde la imagen ayudando hacia el avance de la indus-tria 4.0. Es importante destacar que, al digitalizar lallama, se abre la oportunidad de aplicar las técnicasde inteligencia artificial aplicada a la combustión.

Actualmente, la herramienta se centra en el des-arrollo de la generación de alarma y avisos una vezdetectada una posible desviación, pero el objetivofinal es desarrollar una herramienta autónoma quepueda integrarse en el sistema de control de laplanta. Esta tecnología en particular, centrada en ladetección aire/combustible, puede conseguir undiagnóstico de la combustión in situ y en tiemporeal, ya que se anticipa a los medidores convencio-nales, que se colocan aguas abajo e incluso son com-partidos por diferentes instalaciones, ocasionandodesviaciones de la medida.

Esta tecnología es válida para una amplia gama decombustibles. Se ha trabajado con combustible só-lido: carbón, biomasa y co-combustión, y gaseoso:gas natural y mezclas con hidrógeno al 23%. En esteúltimo caso tanto a nivel de laboratorio como indus-trial.

Los beneficios de aplicar esta tecnología para opti-mizar la combustión dependen del estado de par-tida del equipo, pero parece razonable estimar unospotenciales ahorros entorno al 3-4%55.

Nivel de desarrollo tecnológico, recur-sos y perspectivas de evolución

Se trata de una tecnología que se encuentra en unnivel de desarrollo TRL 5, ya que se ha llegado a re-alizar una prueba de concepto a nivel industrial. En2023 se espera que alcance la madurez TRL 7 de-

bido a las actividades llevadas a cabo en diferentesproyectos que se realizan actualmente.

El diagnóstico por imagen aplicado a la combustiónes una herramienta innovadora que puede imple-mentarse en la industria intensiva donde la combus-tión sea su principal fuente de energía.Actualmente, el nivel de desarrollo se sitúa en unlazo de control que incluye el factor humano, puespor el momento el desarrollo de la tecnología soloes capaz de proporcionar alarmas y avisos para ac-tuar sobre el sistema.

El objetivo final o perspectiva de evolución de estatecnología es el desarrollo de un sistema integradode combustión inteligente, basado en las imágenesde llama, que en un futuro se implemente en el sis-tema de control de la planta y que permita que lasdesviaciones detectadas en la combustión sean co-rregidas automáticamente. También se está traba-jando en la mejora de la velocidad de procesado deimágenes mediante el uso de hardware más po-tente.

Para el desarrollo de esta tecnología, CIRCE cuentacon un laboratorio de combustión para realizarpruebas experimentales con diferentes tipos decombustibles. Además, gracias a las actividades re-alizadas dentro de los proyectos en los que parti-cipa, esta tecnología se implementará en entornosindustriales en un futuro próximo.

El procesamiento de imágenes ha experimentadouna evolución considerable en los últimos años, de-bido en gran parte al desarrollo de hardware capa-ces de tratar volúmenes de datos cada vez másgrandes.

Existen otros grupos de investigación que trabajano han trabajado en analizar la combustión a partirde imágenes, aunque en la mayoría de los casos losestudios se centran a escala de laboratorio. CIRCE

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55 - Datos experimentales obtenidos en el proyecto e-glass para el sector del vidrio.

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SECTOR INDUSTRIAL

está llevando esta técnica a escalas de mayor calado,ya que se ha trabajado en la industria del vidrio y pe-troquímica en proyectos anteriores y actualmentese continúa la línea de trabajo con una acería y ce-mentera.

Algunos proyectos destacables se resumen a conti-nuación:

Proyecto DISIRE: (2015-2018) “Integrated ProcessControl based on Distributed In-Situ Sensors intoRaw Material and Energy Feedstock”. El objetivo deeste proyecto es el de avanzar en procesos más sos-tenibles en la industria intensiva a través de un sis-tema de control integrado. La fundación SolarImpulse incluyó a dicho proyecto dentro de su ca-tálogo de las 1.000 soluciones tecnológicas para laeficiencia. Financiado por el H2020-SPIRE de la Co-misión Europea.https://cordis.europa.eu/project/id/636834/es

Proyecto STEAMBIO: (2015-2018) “Flexible Super-heated Steam Torrefaction and Grinding of Indige-nous Biomass from Remote Rural Sources toProduce Stable Densified Feedstocks for Chemicaland Energy Applications”. El objetivo de este pro-yecto es demostrar la viabilidad de un sistema móvilpara pretratamiento de residuos agroforestales. Fi-nanciado por el H2020-SPIRE de la Comisión Euro-pea. https://www.steambio.eu/

Proyecto BAMBOO: (2018-2022) "Boosting Indus-trial Flexibility". El objetivo de este proyecto es lademostración de tecnologías basadas en la recupe-ración de calor, flexibilidad eléctrica y valorizaciónde corrientes residuales integradas en una herra-mienta para la gestión de la flexibilidad de materia-les y energías entre los diferentes sectores.Financiado por el H2020 de la Comisión Europea.http://bambooproject.eu/

Proyecto RETROFEED: (2019-2023) “Implementa-tion of a smart RETROfitting framework in the pro-cess industry towards its operation with variable,

biobased and circular FEEDstock”. El objetivo deeste proyecto se centra en proporcionar más flexi-bilidad a la industria intensiva para poder introducirmateriales alternativos, biobasados y adoptandoeconomía circular. Realizando un retrofitting delequipo principal del proceso, desarrollando nuevossensores y mejorando los sistemas de monitoriza-ción y control. Además, se desarrollará una herra-mienta de ayuda a la toma de decisión para la mejorgestión de este nuevo escenario. Financiado por elH2020 de la Comisión Europea.https://retrofeed.eu/

La viabilidad económica de esta tecnología está re-lacionada con el sistema de combustión en el que seaplique, siendo los sectores más adecuados para suimplementación la industria intensiva energética-mente, ya que son procesos que consumen un granvolumen de combustible y corresponden a procesosdonde las temperaturas que se alcanzan son supe-riores a los 1.000° C. Al tratarse de una herramientaad-hoc, ya que su desarrollo depende de multitudde factores, no es posible establecer un coste están-dar, pues es necesario definir su alcance. Mientrasen ocasiones se podría integrar en los sistemas exis-tentes de supervisión de los hornos, en otros casos,habría que comenzar desde la identificación del tipode cámara, posición, etc. más adecuados. Con todasestas limitaciones, y en el estado actual de desarro-llo, se estima un coste entre 30.000 y 70.000 €.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Esta tecnología se considera de especial relevanciapara los sectores altamente consumidores de ener-gía. Entre ellos destacan la industria de minerales nometálicos, la siderurgia y fundición y la metalurgiano férrea. Entre estos sectores, consumieron untotal de 5.833 ktep en 2018, según los últimos datosdisponibles, lo que supone un 41% de todos loscombustibles utilizados en el sector industrial du-rante ese año.

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Considerando que el escenario objetivo del PNIECmarca una estabilización del consumo energéticopara 2030 en el sector industrial, siendo similar alproducido en 2020, y asumiendo una extrapolacióna la mitad del consumo térmico en estos sectores in-tensivos, ya que esta tecnología es aplicable a cual-quier proceso de combustión, se obtendría unpotencial de ahorro de 102 ktep.

Análisis DAFO

En la tabla 7, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO de esta tecnología.

La principal fortaleza de esta herramienta es un am-plio campo de aplicación dentro de la industria in-tensiva, en particular los hornos, donde se puedenconsiderar diferentes combustibles, quemadores ytipos de hornos.

La apuesta por la digitalización de la industria y laeficiencia energética ofrece una gran oportunidad

para la implementación de esta tecnología, ya queaborda ambos aspectos. Además, la descarboniza-ción de la industria intensiva es objetivo en las hojasde ruta internacionales y supone una oportunidadde despliegue de esta tecnología, ya que, al intro-ducir nuevos combustibles, podría ayudar a monito-rizar y optimizar estos nuevos escenarios que sepresentan.

En cierta medida, la amenaza de esta tecnologíapuede venir provocada por las reticencias a la digi-talización de ciertos segmentos de la industria, yaque se observa un nivel de automatización muy di-ferente entre distintas industrias.

La principal debilidad que presenta esta herra-mienta es la necesidad de adaptación a cada una delas aplicaciones a considerar, ya que la combustióncontempla multitud de escenarios y es necesario di-señarla para cada caso en particular.

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SECTOR INDUSTRIAL

Tabla 7. Análisis DAFO del diagnóstico y optimización de la combustión mediante visualización de la llama.

Gran campo de aplicación en la industria intensiva.

Descarbonización de la industria intensiva.

Digitalización de la industria intensiva.

Bajo grado de digitalización de la industria.

Reticencia a la integración en los sistemas de control actuales.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Necesidad de adaptación a cada instalación.

Amplio campo de aplicación en hornos y calderas.

Aplicable a diversos tipos de combustible, incluido el hidrógeno.

Beneficios adicionales a la optimización de la combustión.

Bajo periodo de retorno.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

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SECTOR INDUSTRIAL

2.8Digitalización de procesosDescripción

La aplicación de inteligencia artificial en procesos in-dustriales supone la introducción masiva de tecno-logías digitales que más allá de la automatización,teniendo un efecto transformador en los procesosy productividad, así como en el consumo energéticode los mismos.

Este campo requiere del desarrollo y perfecciona-miento de tecnologías para el tratamiento de datosde múltiples fuentes en la industria. Para ello se uti-lizan tecnologías y algoritmos de machine learning,Big Data y Data Science, Blockchain o redes neuro-nales para el manejo y valorización de datos y la ex-plotación de la información resultante.

En la actualidad se encuentran en desarrollo cono-cimientos y tecnologías para aplicar estos principiospara cubrir las necesidades de la industria en cam-pos como los siguientes:

- Sistemas de modelización, simulación y predic-ción del comportamiento de máquinas y proce-sos de fabricación.

- Sistemas de trazabilidad que permitan monitori-zar la transformación y distribución de un pro-ducto, garantizando la validez y seguridad de lainformación.

- Desarrollo de gemelos virtuales que permitan eldiseño de procesos y posterior optimización).

- Visión artificial.- Realidad virtual y aumentada.

Estos modelos permiten la diagnosis industrial defallos en equipos, componentes y sistemas en servi-cio, así como estimar, preservar o extender la vida

útil funcional de activos industriales.

A continuación, se detallan las aplicaciones de digi-talización de procesos en los siguientes ámbitos:

- Monitoreo de eficiencia y mantenimiento predic-tivo.

- Modelo de sistemas mediante inteligencia artifi-cial y gemelo digital.

- Trazabilidad de productos utilizando Blockchain.- Visión por computador.

Monitoreo de eficiencia y mantenimiento predictivo

La recopilación de un gran volumen de datos sobreel estado y el funcionamiento de los equipos deplanta permite que las actividades de manteni-miento, que se realizan habitualmente de forma pe-riódica, pasen a estar agendadas por la situación realde los equipos, en lo que se conoce como condition-based maintenance.

De este modo se reducen costes de mantenimiento,se optimiza el rendimiento de estos equipos y se li-mitan los tiempos de parada de servicio, mejorandoel OEE (Overall Equipment Effectiveness).

La medición de los parámetros de entrada y salidade los sistemas permite controlar de manera cons-tante la eficiencia de estos y avisar, como vemosdestacado en rojo en la figura 10, de reduccionesden la eficiencia del sistema:

La realización de los mantenimientos basada en laevolución de la eficiencia del sistema, permite evitarperiodos de reducción del rendimiento previos almantenimiento de las instalaciones, o la realizaciónde paradas y revisiones innecesarias.

Los sistemas de mantenimiento predictivo utilizanlos datos del sistema (eficiencia, operación, tempe-raturas, vibraciones, distorsión de la señal eléctrica,etc.) y algoritmos de inteligencia artificial para:

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- Predecir la ocurrencia del fallo al identificar pa-trones y causas (root-cause analysis).

- Focalizar la atención en los elementos del sis-tema con probabilidad de fallo.

- Detección temprana de fallos actuales o inmi-nentes.

- Prevención del fallo, el aumento de su gravedady limitando su propagación.

- Estimación de la vida útil restante de los sistemas(Remaining Useful Life o RUL).

- Sincronizado de las acciones con los planes deproducción y mantenimiento.

- Soporte en tiempo real a la toma de decisiones.

Asimismo, utilizando el concepto de gemelo digital,se pueden crear modelos de equipos con restriccio-nes de mantenimiento. El resultado de la simulaciónse puede integrar en el hardware del equipo deforma que de avisos de alarma cuando las condicio-nes se han superado.

Estos sistemas se pueden aplicar transversalmenteen la industria. A continuación, se listan algunos sec-tores:

- Sistemas de refrigeración industrial (sector quí-mico, farmacéutico y alimentación y bebidas).

- Hornos industriales (sectores de siderurgia y ce-mento y minerales no metálicos).

- Plantas de cogeneración.

- Motores eléctricos y sistemas de bombeo de altapotencia: controlando su rendimiento y estadode partes móviles para agendar mantenimientos.

- Fundición de metales: detectar y gestionar loscrisoles atípicos, sus posibles causas (materiasprimas, condiciones de los ánodos) y mejorandoen términos de calidad o mantenimiento predic-tivo de los metales y evitando emisiones.

Modelado de sistemas y procesos y desarrollode gemelos digitales

Las técnicas de aprendizaje de machine learningpermiten modelar el comportamiento de una má-quina o sistema de cara a poder predecir o simularsu comportamiento en diferentes escenarios deproducción.

Este modelo permite evaluar las condiciones en lasque el sistema es más eficiente en cada escenarioproductivo y ajustar las configuraciones pertinentesóptimas. La implementación del modelado ayudaráa incrementar la productividad, reducir los costes yaumentar la eficiencia de los procesos industriales.El diseño tradicional basado en modelos implica laverificación y validación de dichos modelos, que sepueden utilizar para optimizar el diseño o el funcio-namiento de un dispositivo o proceso. Normal-mente, el modelo se valida comparando los

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR INDUSTRIAL

Figura 10. Curva de consumo real de un sistema de monitorizado de energía identificando desviaciones sobre consumo teórico. Fuente: ÖKOTEC EnEffCo

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SECTOR INDUSTRIAL

resultados experimentales con los resultados delmodelo y realizando la estimación de parámetros. El concepto de gemelos digitales abarca los pasosde verificación y validación descritos anteriormentepara el diseño basado en modelos. La diferencia esque un gemelo digital implica que la transferenciade información entre el modelo y el dispositivo oproceso es mucho más inmediata y a menudo entiempo real.

Para desarrollar proyectos de esta índole son nece-sarias arquitecturas y modelos con un nivel de digi-talización elevado para la adquisición, procesado yanálisis de datos de múltiples fuentes heterogéneasacorde a las especificaciones requeridas. Uno de losretos a la hora de su implementación es comple-mentar otras tecnologías legadas y superar las po-sibles carencias de datos en determinadasaplicaciones.

Algunos sectores de aplicación de estos modelosson los siguientes:

- Sistemas de refrigeración industrial (sectorquímico, automoción-Plantas de Pinturas, farma-céutico y alimentación y bebidas): control yajuste continuo los parámetros de operación delas instalaciones de refrigeración industrial,adaptando a las necesidades reales de trabajo encada momento con la configuración óptima (ges-tión de recursos renovables, temperaturas deimpulsión, regulación de equipos, etc.).

- Gestión de sistemas HVAC: de manera aná-loga al anterior, comunicando con sistemas deseguridad e incorporando información de ocupa-ción se puede aplicar un gemelo a la climatiza-ción de edificios. El sistema puede predecir lasnecesidades de climatización actual y futura porclimatología exterior, ocupación, etc. así como superfil de evolución, pudiendo aplicar la configu-ración de sistemas, impulsiones, temperaturas,etc. energéticamente óptima para asegurar elconfort de los usuarios.

- Planificación de la producción (sector químicoy farmacéutico): modelización de referencias deproducto y máquinas para establecer de maneraautomática la previsión de producción de loslotes acorde a los plazos de entrega.

- Hornos y calderas industriales (sector side-rurgia y cemento/minerales no metálicos): la mo-delización y el desarrollo de un gemelo digitalsirven para evaluar sistemas de control y losefectos de cambios en el modo de operación(cambio de combustible, de mezclas, de tempe-raturas de aire, de materia prima, etc.).

- Operación e instrumentación de sistemas decogeneración: en una cogeneración asociada auna planta industrial las condiciones de demandason cambiantes de manera constante, y los ins-trumentistas van incorporando sistemas y ajus-tando su configuración. El modelado de lossistemas permitiría una simulación de los dife-rentes escenarios de configuración. De estemodo el modelo podría sugerir (o incluso ejecu-tar) la configuración óptima para cada estado dela planta.

Visión artificial

La visión por computador es capaz de procesar e in-terpretar imágenes del mundo real a través de unordenador, permitiendo automatizar tareas y tomardecisiones correctas.

Estos procesos se logran a través de algoritmos deaprendizajes automático supervisado, aportando lospatrones de decisión; o no supervisado, mostrandoconjuntos de imágenes para cada posible resultadoy dejando que el sistema induzca las característicasy patrones de cada bloque.

Llevados al campo de la eficiencia energética lasprincipales aplicaciones de estos sistemas son las si-guientes:

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- Inspección automática de productos inter-medios o finales para determinar su validez.Estos aprendizajes permiten la detección de ob-jetos en 2D o 3D ya que el ordenador recibe lainformación visual y la relaciona con los patronesaprendidos con anterioridad, identificando losobjetos y diferenciando si cumplen los estánda-res marcados. Es un elemento importante en elcontrol de calidad de los productos alimentarios,tanto en la selección de frutas como el correctocierre de las latas de conserva, o la elaboraciónde productos cárnicos procesados. En la indus-tria química y/o farmacéutica existen vías de apli-cación para la inspección de envasados yembalajes. La detección intermedia de los pro-blemas de calidad del producto permite descar-tarlos automáticamente y evitar el consumoenergético de las fases posteriores de proce-sado.

- Análisis en tiempo real del estado de lallama en la combustión de hornos/calderas56

(siderurgia y cemento/minerales no metálicos):El sistema interpreta automáticamente el estadode combustión y propone otras entradas decombustible y aire o directamente reajusta lacomposición en tiempo real para asegurar la efi-ciencia óptima de manera constante.

- Medición en tiempo real por rayos X del es-tado de combustibles sólidos como la bio-masa57, determinando concentración dehumedad, objetos extraños para mejorar la efi-ciencia en su combustión.

- Supervisión con sistemas a través de imáge-nes térmicas con drones, desde el estado deinstalaciones eléctricas de generación o con-sumo a la verificación automática del estado deaislamiento y otras partes externas de sistemastérmicos como las chimeneas.

Trazabilidad de producto

La tecnología blockchain permite el desarrollo desistemas de trazabilidad que monitoricen la trans-formación y distribución de un producto garanti-zando la validez y seguridad de la información.Estos sistemas gestionan la trazabilidad de un pro-ducto desde materia prima, ya sea interna dentrode una empresa, o externa mediante un sistemacomún entre varias fases de extracción, procesado,transporte, etc. Esto abre la posibilidad a analizar encaso de fallo la procedencia y proceso de cada unade las partes del producto, aumentando ostensible-mente las capacidades del sistema de calidad paracontrolar la cadena.

Mediante la tecnología blockchain se crea una ca-dena de bloques para cada elemento, asociando unbloque por cada etapa por la que pase (una má-quina, un reparto, etc.) con la información de regis-tro necesaria. Una vez unido un bloque a la cadena,este se replica y no es modificable por el usuario,asegurando de este modo una fiabilidad máxima dela información.

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

La digitalización de procesos es un campo muy am-plio, tanto en actuaciones y capacidades de los sis-temas, como en sectores de aplicación en laindustria. La evolución de los sistemas está siendomás rápida, en cuanto a ampliación de capacidades,que la velocidad que tiene la industria de aplicarlos.Dado que en su mayoría se trata de soluciones pi-loto sin una implementación en mercado, podemoshablar de un TRL 6 actual.

Los sistemas de monitoreo de eficiencia y manteni-miento predictivo están en desarrollo en proyectosde investigación actuales, mediante la creación desistemas de soporte a la toma de decisiones entiempo real. La principal dificultad de implantación,

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SECTOR INDUSTRIAL

56- Proyecto BAMBOO.57- FUELCONTROL (ETV) https://ec.europa.eu/environment/ecoap/etv/fuelcontrolr_en

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SECTOR INDUSTRIAL

actualmente, radica en la ausencia de un volumende datos crítico que permita analizar en detalle elcomportamiento de un sistema frente a ciclos devida útil de equipamientos previos. La reducción decostes de los sistemas de sensores y las aplicacionesde big data en la nube están permitiendo una mayorcaptura de información, y deberán desarrollarse mo-delos de negocio para el aprovechamiento y explo-tación de la misma. Por otra parte, se estánproduciendo avances en la formación del personalde mantenimiento industrial, aspecto clave para laintegración y empleo de estas herramientas.

En cuanto al modelado de sistemas y procesos, ydesarrollo de gemelos digitales, la situación actualy barreras son similares, ya que el punto de partida(una fuente de datos amplia, heterogénea y fiable)es el mismo.

En sistemas de visión artificial y reconocimiento defallos, ya existen aplicaciones comerciales centradasen imágenes del espectro visible. La aplicación decámaras hiperespectrales en los próximos años per-mitirá registrar información química o física no visi-ble en tiempo real, pudiendo analizar elementoscomo el estado de alimentos, a través del espectrode luz, infrarroja y ultravioleta, o compuestos quími-cos mediante espectroscopia de imágenes.

Los sistemas de trazabilidad de producto, si bien sontecnológicamente aplicables y existen modelos enla gestión interna de datos en una empresa, encuen-tran una barrera a la hora de gestionar informaciónde diferentes partes interesadas, limitando su uso yaplicación. La estandarización de sistemas permitiráel intercambio de información entre empresas yfases de fabricación de bienes para multiplicar fun-cionalidades y sectores de aplicación.

Proyecto MONSOON (2016-2019) Inteligencia ar-tificial innovadora para mejorar la eficiencia de losrecursos y la energía.https://www.spire2030.eu/monsoon

Proyecto SERENA (2017-2021). Soluciones de

mantenimiento basado en la condición con inteli-gencia artificial predictiva para una fabricación másavanzada. https://www.serena-project.eu/.

Proyecto BAMBOO (2018-2022). Tecnologías inno-vadoras para la recuperación de calor residual, fle-xibilidad eléctrica y valorización de flujos deresiduos valorización integrado en una herramientade gestión transversal de la flexibilidad de energíay materias primas. http://bambooproject.eu/.

Proyecto Z-BRE4K (2017-2021) La solución Z-Breakcomprende la introducción de estrategias escala-bles a nivel de componente, máquina y sistema parala predicción y prevención de fallo, la detección tem-prana de fallos existentes o emergentes, la estima-ción de la vida útil restante de los activos y lagestión de las estrategias antes mencionadas a tra-vés de modelado de eventos, monitoreo de indica-dores clave (KPIs) y apoyo a la toma de decisionesen tiempo real.https://www.z-bre4k.eu/

Proyecto SHIP2FAIR (2018-2022) Herramienta dereplicación para evaluar la viabilidad técnico-econó-mica de proyectos de solar térmica en procesos in-dustriales y una herramienta de control DSS(soporte a las decisiones de control) para apoyar elfuncionamiento del proceso completo. http://ship2fair-h2020.eu/

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Dada la heterogeneidad de aplicaciones y sectoressusceptibles de mejora, se va a analizar y extrapolardatos de un caso y sector concreto.

Por ejemplo, para el proyecto MONSOON, que ins-taló la tecnología en un sistema de fundición de alu-minio para detectar y gestionar los crisoles decomportamiento anómalo y sus posibles causas, seconsiguieron ahorros del 9,2% en el consumo eléc-trico y del 22,2% en las emisiones de CO2 asociadasal proceso.

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Estos datos, extrapolados a la industria de fundiciónde aluminio nacional supondrían un ahorro de 67ktep/año y unas emisiones evitadas de 210.000tCO2.

Análisis DAFO

En la siguiente tabla, se resumen los principales re-sultados obtenidos en el análisis DAFO de esta tec-nología:

La principal debilidad de estos sistemas es la multi-tud de modelos de comunicación y almacenamientode datos en cada sistema, así como la presencia desistemas propietarios con acceso limitado a la infor-mación. Esa ausencia de estándares claros aumentala personalización de cada proyecto y por ende suscostes. La amenaza más importante sería la dificul-tad de comunicación con equipos legados, dado elelevado coste de implementación de sensórica endeterminados sistemas.

Con respecto a las fortalezas, hay que destacar que,la reducción paulatina de los costes de procesa-miento y almacenamiento en la nube, hacen que loscostes de operación y mantenimiento de estos sis-temas sean reducidos en comparación con sus be-neficios.

Asimismo, destacar la oportunidad que supone quela integración transversal de datos suponga unaclara ventaja en múltiples aspectos para la empresa,por lo que la implementación de estos sistemas seconvierte en una prioridad para múltiples departa-mentos y proporciona ventajas en diferentes cam-pos.

Además, el alto nivel de control integrado de serieen sistemas e instalaciones de nueva compra o di-seño permitirá paulatinamente aumentar la infor-mación disponible para la caracterización ymodelado de los datos industriales.

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SECTOR INDUSTRIAL

Beneficios transversales a la industria: tanto energéticos como de calidad de producto.

Integración de datos generados de nuevos desarrollos e instalaciones.

Ausencia de modelos estandarizados en la industria.

Equipos legados de baja conectividad y alto coste de proyectos brownfield.

Integración parcial en muchas industrias de los modelos de datos, produciendo sesgos de información que pueden conllevar aconclusiones erróneas.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Heterogeneidad de fuentes de datos.

Bajo grado de digitalización en industria.

Falta de información o fuentes de datos no automatizadas.

Dependencias entre variables difíciles de identificar durante la sensorización.

Bajos costes de operación y mantenimiento.

Técnicas de tratamiento de datos y modelos de IA han sido desarrollados y validados en otras aplicaciones.

Integración y análisis de múltiples factores, mayor comprensión de procesos productivos.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 8. Análisis DAFO de la digitalización de procesos.

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Sector Edificación03

E S T U D I O D E P R O S P E C T I V A 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T E C N O L O G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E R G É T I C A

Sector Edificación

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3.1Almacenamientotérmico a nivel devivienda o edificiopor calor latente ypor reaccionesquímicasDescripción

Dentro de los sistemas de almacenamiento de ener-gía térmica (AET) disponibles, se abordan en este in-forme aquellos que almacenan la energía térmicacomo calor latente asociado con el cambio de faseo como energía termoquímica asociada con las re-acciones químicas.

La figura 11 muestra las alternativas de utilizaciónde sistemas de AET en función de su categoría:

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Sector Edificación03

E S T U D I O D E P R O S P E C T I V A 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T E C N O L O G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E R G É T I C A

Sector Edificación

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SECTOR EDIFICACIÓN

Los sistemas de almacenamiento por calor latentese basan en el calor latente de fusión de los mate-riales de cambio de fase (PCM), que es la energíaque necesita un cuerpo para cambiar de fase modi-ficando su estructura molecular. Mientras que elPCM cambia de fase, la temperatura se mantieneprácticamente constante. El calor latente es direc-tamente proporcional a la masa y al calor latente defusión.

Para mejorar la eficiencia de la utilización de la ener-gía, el almacenamiento de calor latente basado enel PCM es bastante útil para la construcción debidoa su alta densidad de almacenamiento. DiferentesPCM en el sector de la construcción se han estu-diado aplicados de forma pasiva, para suavizar lasvariaciones de temperatura, y activa, para reducir lademanda energética de calefacción y refrigeración.Por otro lado, en el caso de sistemas de acondicio-namiento térmico de edificios, la combinación conintercambiadores de calor resulta una forma atrac-tiva de almacenar una gran cantidad de calor gene-rado durante el funcionamiento discontinuo.

En el caso de los sistemas de almacenamiento tér-mico por reacciones químicas, éstos proporcionanmayor densidad de energía térmica que los sistemasde calor latente, debido a las reacciones exotérmi-cas.

Mediante reacciones químicas como la adsorciónpuede lograrse una mayor densidad de energía, quepuede utilizarse para almacenar calor y frío, asícomo para controlar la humedad. El principio de acu-mulación termoquímica es la separación de enlaces,que está asociada a la absorción de energía y la re-cuperación de esta energía por la reacción y con-tacto de los reactantes previamente separados,asociada con la liberación de energía. Las reaccionespueden ser sólido-sólido, sólido-líquido o sólido-gas,e implican una gran cantidad de calor (entalpía dereacción de cambio alrededor de 0,277kWh/kg60).Ejemplos, sílice-agua o bromuro de litio y agua,entre otros. Aunque el desarrollo de estas tecnolo-gías se centra en almacenamiento de energía amedio plazo, los sistemas termoquímicos tambiéntienen la ventaja de almacenar durante periodos lar-gos.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Figura 11. Aplicaciones en edificación basadas en AET en función de la tecnología58.

58- J. Lizana, R. Chacartegui, Á. Barrios-Padura, J.M. Valverde, Caracterización de materiales de almacenamiento de energía térmica para aplica-ciones en edificación, in: Libro de Actas del 3erCongreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes, 2016.60- D. Aydin, S.P. Casey, S. Riffat, The latest advancements on thermochemical heat storage systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews,41 (2015) 356-367.

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Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Almacenamiento por calor latente

El desarrollo de tecnologías de almacenamiento por

calor latente es una alternativa que puede reducirel tamaño, cantidad de material asociado y el im-pacto ambiental, con respecto a los sistemas con-vencionales. Aunque los materiales de cambio defase están ya disponibles en el mercado, y algunasde sus aplicaciones también (por ejemplo, en inte-

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

59- Edwin I.Rodríguez Ubiñas, Almacenamiento de energía térmica por calor latente en los edificios: bases para la optimización de aplicacionespasivas, opacas y traslúcidas, in, UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID, 2015.

Integrado en materiales

En un componente

Directa; Inmersión, Impregnado; Microencapsulado; Matriz.

Material compuesto; Macroencapsulado (en placas,

manta, lienzo, otros).

Acristalamientos; Lamas y persianas; Placa de techo; Cornisas

y rodapiés; Suelos; Baldosas; Mobiliario; Separadores.

Sistemas radiantes (muros, techos, baldosas o placas); Sistema

ventilado (placa u hormigón en forjado).

Macroencapsulado en superficie radiante y cavidad ventilada;

Formas estables en superficie radiante y cavidad ventilada.

Acristalamientos, mobiliario y otros elementos activos.

Unidades de almacenamiento, intercambiadores, recuperadores,

unidades activas de acondicionamiento.

Integrado en materiales

En un componente

En un elemento

En un elemento

En una unidad de almacenamiento e

intercambio

Aplicaciones pasivas

Aplicaciones activas

PC

M: A

PLI

CA

CIO

NES

ED

IFIC

IOS

Figura 12. Esquema de aplicaciones de AET pasivas y activas en edificación59.

Calor sensible

Calor latente

Reacción química

Agua a 50oC

Hidratos (20-150oC)Fluoruros (500-1000oC)

A temperaturas superiores a 600oC

29,02

≈ 97,22≈ 361,11

≈ 972,22

Mecanismo de almacenamiento Medio de almacenamiento

Densidad de almacenamiento (kWh/m3)

Tabla 9. Densidad de almacenamiento de energía según tipología.

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SECTOR EDIFICACIÓN

gración con elementos constructivos o tanques deagua caliente), siguen presentando un elevadoriesgo técnico debido a la baja conductividad tér-mica, la estabilidad del material a lo largo de los ci-clos, la segregación de fases, el subenfriamiento,etc. Desde 1932, se conocen las primeras pruebaspara la implementación de los materiales de cambiode fase en la construcción61. Hasta 1948, una inves-tigadora del MIT62 no logró el primer resultado prác-tico63.

A partir del esquema presentado en la descripciónde la tecnología, se detallan a continuación algunosejemplos de aplicación. En sí, el sistema de acumu-lación por calor latente está bastante desarrollado(TRL 7-8, e incluso TRL 9), pero son algunas de susaplicaciones las que, en conjunto, están todavía enTRL 7. A continuación se resumen las principalesaplicaciones y su nivel de desarrollo actual:

• Gran desarrollo en la incorporación de PCM encomponentes de envolvente opaca, como tablerosde pared, baldosas de suelo, hormigón, ladrillos, es-teras, tejados, tubos e incluso persianas (TRL 9)64.

• Aplicación de almacenamiento de energía de en-friamiento pasivo o “free-cooling” diseñada para tra-bajar la diferencia natural entre las temperaturasambientales más frescas de la noche y las más cáli-das del día, y al almacenar la energía fría durante lanoche, las ganancias de calor diarias tanto internascomo externas pueden manejarse sin ninguna refri-geración mecánica. Consiste en la refrigeración delambiente de los edificios, industriales o habitáculos

mediante el uso de PCM (TRL 8)65.

• Impregnación de PCM en materiales de construc-ción porosos, como las placas de yeso, para mejorarel confort térmico (TRL 9).

• Muebles que integran PCM (con cambio de faseentre los 20 y 25 oC), por ejemplo, una mesa con su-perficie de madera lisa y una lámina plegada de alu-minio anodizado presentada en el Zero EnergyFurniture 2015. Según los diseñadores (https://zef-design.tumblr.com/), el uso de esta mesa podríaayudar a reducir en un 60% los costes de calefaccióny en un 30% los de aire acondicionado. Esta aplica-ción está en TRL 7.

• Análisis de envolventes transparentes o de vidriosintegrados con diferentes PCM, muestran una re-ducción de las pérdidas de calor y de las gananciassolares debido a la aplicación de estos materiales.Por ejemplo, la integración de una parafina dentrode la estructura de acristalamiento como fuente decalor durante el invierno mostró una disminucióndel 20% en el consumo de electricidad66. Así pues,esta aplicación está ya en mercado, por lo que ten-dría un TRL 9, pero su uso no está extendido.

• Métodos de calefacción y refrigeración, en los quese incorporan PCMs, por ejemplo, como parte delsuelo radiante. Esta aplicación está en TRL 7-867,68

• Integración en intercambiadores de calor, con va-rios diseños para climatización por aire y almacena-miento de agua. Como ejemplo un intercambiador

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

61- A. Oliver, F. Neila y A. García-Santos, «Clasificación y selección de materiales de cambio de fase según sus características para su aplicación en

sistemas de almacenamiento de energía térmica,» Materiales de Construcción, vol. 62, nº 305, pp. 131-140, 2012.

62- Massachusetts Institute of Technology63- J. Kośny, PCM-Enhanced Building Components. An Application of Phase Change Materials in Building Envelopes and Internal Structures, Bos-

ton, MA. Estados Unidos: Springer, 2015.64- S.E. Kalnæs, B.P. Jelle, Phase change materials and products for building applications: A state-of-the-art review and future research opportuni-

ties, Energy and Buildings, 94 (2015) 150-176.65- P. Products, Plus ICE Phase Change Material for Passive Cooling Products, in, 2010.

66- V. Dubovsky, G. Ziskind, R. Letan, Effect of windows on temperature moderation by a phase-change material (PCM) in a structure in winter,

Energy Conversion and Management, (2014).67- V.V. Tyagi, D. Buddhi, PCM thermal storage in buildings: A state of art, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11 (2007) 1146-1166.

68- R.L. R. Ansuini, A. Giretti y M. Lemma, Radiant floors integrated with PCM for indoor temperature control, Energ Buildings, 43 (2011) 3019-

3026.

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de calor de aletas y tubos lleno de PCM, cuya tem-peratura de cambio de fase es de 35-37 °C, como au-xiliar de la bomba de calor durante los días más fríosdel invierno. La aplicación está más desarrollada enacumulación en tanques (TRL 9), que en su uso enintercambiadores de calor (TRL 8)69.

• Incorporación de PCM en refrigeradores o conge-ladores domésticos para lograr una mejora en elrendimiento operativo. Actualmente se alcanzanahorros de energía de hasta el 12% y una mejora delos COP de hasta el 19%, junto con la consiguientemitigación de las emisiones. Esta aplicación todavíaestá en fase de pruebas con TRL 770.

A diferencia del almacenamiento térmico conven-cional, basado en el calor sensible, el calor latentepuede ofrecer una mayor densidad de almacena-miento de energía (0,055 kWh/kg), que es más de 3-4 veces mayor que el calor sensible, por lo queaumenta significativamente la capacidad de alma-cenamiento térmico y reduce el volumen del sis-tema. Existen numerosos PCM para el rango detemperatura de 0-80˚C, adecuado para las necesi-dades de calefacción en edificación, y por debajo delos 0˚C para refrigeración. En general, los PCMstiene valores de conductividad térmica bajos (0,2-1W/m-K), por lo que se recomienda la adopción detécnicas de mejora de la transferencia de calor paraasegurar una mayor eficiencia térmica. El precio ac-tual del PCM a granel para la aplicación de AETcubre una amplia gama, hasta 300 €/kg para PCMmetálicos71 con buenas propiedades; mientras quela mayoría de los PCM orgánicos se comercializan al-rededor de 1,5-5 €/kg72. Como ejemplo, el coste deuna sal de Glauber (material de cloruro de calcio), esbajo (0,10-0,20 €/kg). En este caso, los costes po-

drían incrementarse, según cantidad de energía al-macenada, hasta 70 €/kWh por el coste del conte-nedor, el intercambiador de calor y otroscomponentes auxiliares.

Almacenamiento por reacciones químicas

Haciendo revisión de las principales reacciones re-versibles, entre los pares de materiales, el gel de sí-lice/agua, el sulfato de magnesio/agua, el bromurode litio/agua, el cloruro de litio/agua y el hidróxidode sodio/agua parecen estar en la etapa más avan-zada de la investigación. Este tipo tiene la mayor ca-pacidad de almacenamiento; aproximadamente de8 a 10 veces mayor densidad de almacenamientoque los sistemas de calor sensible, y 2 veces mayorque el calor latente. Pueden almacenar energía tér-mica por una larga duración con bajas pérdidas decalor, apropiada para el almacenamiento estacional.Sin embargo, el desarrollo está todavía en fasestempranas, y los proce sos están restringidos por sunovedad (TRL 5) y se ven obstaculizados por reacto-res complicados, que han mostrado cierta inestabi-lidad y una débil reversibilidad a largo plazo.

Esta tecnología representa la mejor alternativa de-bido a la alta densidad energética del material delmedio de almacenamiento (100-540 kWh/m3) conpérdidas de calor insignificantes. Este tipo de sis-tema de almacenamiento puede ser más compactoque otras alternativas, y la selección de pares de tra-bajo permite adaptar el AET de acuerdo con los re-quisitos termodinámicos y las condiciones defuncionamiento. Esta tecnología de almacena-miento puede funcionar a temperatura ambiente ohasta rangos de 400 ̊ C. Los materiales utilizados enlas reacciones químicas para el almacenamiento tér-

59

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

69- Alexis Sevault et al, Latent heat storage for centralized heating system in a ZEB livinglaboratory: integration and design, in: s.N.c.o.Z.E.a.P.E.Buildings (Ed.) IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2019.70- R. Elarem, S. Mellouli, E. Abhilash, A. Jemni, Performance analysis of a household refrigerator integrating a PCM heat exchanger, AppliedThermal Engineering, 125 (2017) 1320-1333.71- H. Nazir, M. Batool, F.J. Bolivar Osorio, M. Isaza-Ruiz, X. Xu, K. Vignarooban, P. Phelan, Inamuddin, A.M. Kannan, Recent developments in phasechange materials for energy storage applications: A review, International Journal of Heat and Mass Transfer, 129 (2019) 491-523.72- H. Nazir, M. Batool, F.J. Bolivar Osorio, M. Isaza-Ruiz, X. Xu, K. Vignarooban, P. Phelan, Inamuddin, A.M. Kannan, Recent developments in phasechange materials for energy storage applications: A review, International Journal of Heat and Mass Transfer, 129 (2019) 491-523.

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SECTOR EDIFICACIÓN

mico tienen un coste alto (10-45 €/kWh)73 sin consi-derar el coste derivado de fabricar su aplicaciónpráctica.

En cuanto a centros de referencia, existen tanto anivel internacional como a nivel nacional. Los pro-yectos de trabajo promovidos por el Programa deCalefacción y Refrigeración Solar (SHC) y el pro-grama de Conservación de Energía a través del Al-macenamiento de Energía (ECES) de la IEA(International Energy Agency) son un referente anivel internacional. En el caso de España, se incluyenalgunos centros de referencia que trabajan en eldesarrollo de estas tecnologías, como FundaciónCIRCE, Universidad de Zaragoza, GREiA-Universidadde Lleida, CIC energiGUNE, Universidad de Sevilla,CENER, TECNALIA, Universidad Politécnica de Ma-drid (UPM), Instituto IMDEA Energía, CIEMAT, CSIC,EndeF Solar Solutions, AIDICO o el Centro Tecnoló-gico de Componentes (CTC). En cuanto a proyectosde referencia, que han servido, a lo largo de los últi-mos años, para desarrollar estas tecnologías, se lis-tan a continuación, tanto proyectos de impacto

nacional, como europeo con peso nacional en elconsorcio.

Proyecto ECOM4TILE (2011 –2014) - Técnicas avan-zadas de almacenamiento de energía térmica conPCM para la climatización de edificios. Material fa-bricado por la empresa CERACASA S.A., con el quese conseguía un ahorro de más de un 16% en el con-sumo energético de una vivienda tipo. Financiadopor 7th Framework Programme.

Proyecto EMILIE (2013 – 2015) - Mejorar las inicia-tivas mediterráneas de PYMES hacia la innovaciónde eficiencia energética en construcción. Desarrollode la acción conocida como “Glassolating”, utili-zando PCM en vidrios, consiguiendo ahorros anualesde entre el 5 y el 30%, dependiendo de la localiza-ción geográfica y la estación del año. Financiado porMed-Program. http://www.emilieproject.eu/es/the-project.aspx.

Proyecto TESSe2b (2015 –2019): Uso de PCMs ensistemas de producción de energía para refrigera-

60

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

%

kWh / m3

kWh / t

50 - 90

15 - 200

10 - 50

75-100

100 – 540

120 - 250

75-90

80 - 110

50 - 150

Propiedad Unidad Sensible Termoquímico Latente (PCMs)

DATOS ENERGÉTICOS

DATOS ECONÓMICOS

Eficiencia almacenamiento térmico

Capacidad almacenamiento térmico

€ / m3

€ / kWh

€/kW/año

1,5 – 2.600

0,1 - 13

107

800 – 50.000

8 - 100

18-53

800 – 7.700

10 - 70

223

Propiedad Unidad Sensible Termoquímico Latente (PCMs)

Coste inversión específico

Coste operación y mantenimiento

Tabla 10. Resumen de propiedades y características del almacenamiento térmico.

73- H. Nazir, M. Batool, F.J. Bolivar Osorio, M. Isaza-Ruiz, X. Xu, K. Vignarooban, P. Phelan, Inamuddin, A.M. Kannan, Recent developments in phasechange materials for energy storage applications: A review, International Journal of Heat and Mass Transfer, 129 (2019) 491-523.

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ción, calefacción y producción de agua caliente sa-nitaria (ACS) de una vivienda unifamiliar para mejo-rar su rendimiento. El sistema TESSe2b permitereducir el consumo de energía del edificio (15-30%)con un retorno de la inversión de unos nueve años,dependiendo del clima y las características del edi-ficio. Financiado por el H2020 Research InnovationActions (RIA) de la Comisión Europea, convocatoriaEeB – Energy Efficient Buildings.http://www.tesse2b.eu/;https://cordis.europa.eu/project/id/680555/es.

Sistemas de calefacción integrados con solar tér-mica – MiniStor Project (2019 –2024): En el proyecto Mi-niStor, desarrollará un sistema de almacenamientopor PCMs integrado en un panel solar híbrido. Parael usuario doméstico, el sistema podría reducir elconsumo de energía en un 44%, amortizándose suinversión en 7 años. Para el medio ambiente, si seimplementa ampliamente, podría ayudar a reducircerca de 3.396 t CO2/año. Se espera que MiniStortenga una capacidad de almacenamiento térmico10 veces mayor que los sistemas basados en aguamás convencionales. Financiado por el H2020 Inno-vation Actions (IA) de la Comisión Europea, convo-catoria EeB – Energy Efficient Buildings.https://cordis.europa.eu/project/id/869821/es;http://ministor.eu/.

Proyecto RESTRUCTURE (2011 –2016). Aplicacio-nes termoquímicas innovadoras para almacenarenergía térmica a temperatura elevada. A fin de in-crementar la utilidad de la generación energéticasolar, es necesario que este tipo de tecnología satis-faga la demanda incluso cuando el sol no brilla. Através de una iniciativa apoyada por la Unión Euro-pea, se introdujo una tecnología mejorada con laque almacenar energía térmica durante las horas deluz diurna. Financiado por 7th Framework Pro-gramme– Energy. https://cordis.europa.eu/article/id/151305-innova-tive-concept-for-thermochemical-applications-to-store-high-temperature-heat-for-later-u/es.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

A partir de la publicación en mayo 2018 de la Direc-tiva Europea 2018/844/UE, se establecen, para elsector edificación, unos indicadores y objetivos in-termedios a los de 2030 y 2040 establecidos en elERESEE 202074, incluyendo también los objetivos dedescarbonización del parque inmobiliario para 2050en el PNIEC. Según la información que recogenestos documentos, los objetivos e indicadores de ac-tuación en el sector edificación se resumen en la si-guiente tabla.

61

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

Tabla 11. Objetivos sector edificación en España. Fuente: PNIEC.

Propiedad Año 2020 Año 2030 Año 2050

Vivienda nueva75

Viviendas existentes principales76

Viviendas existentes principales con calefacción

Viviendas por mejorar envolvente térmica

Viviendas por mejorar en instalaciones térmicas

Superficie edificios no residenciales

Superficie edificios públicos (AGE)78

Superficie a mejorar energéticamente edificios públicos (AGE)

70.000 ud/año

18,77 millones

16,8 millones

23.402 edificios a rehabilitar77

698 millones m2

11,23 millones m2

--

180.000 ud/año

+1,24 millones

--

1,2 millones

3 millones

--

--

2,22 millones m2

180.000 ud/año

+3,22 millones

--

3,6 millones

9 millones

--

--

9 millones de m2

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SECTOR EDIFICACIÓN

La previsión de ahorros viene principalmente de la reducción del consumo de cale-facción y ACS79, en línea con la estrategia de descarbonización del parque inmobi-liario para 2050.

Según se establece en el MITMA80 para el ELP81 2050 en el sector residencial:

El consumo por vivienda en calefacción + ACS en 2020 está en 5.593kWh (el 60,9%del total), siendo el esperado para 2050 en 2.105kWh (42,8% del total).Para el sector terciario, según el número de actuaciones previstas (ver tabla “Ob-jetivos sector Edificación en España):

62

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Tabla 12. Evolución de los consumos y ahorros en sector residencial. Fuente: ERESEE

2020 2030 2040 2050

2020-2030 2030-2040 2040-2050 2020-2050

Consumo energía final (GWh)

Ahorros energía final (GWh)

Ahorro emisiones CO2 (miles toneladas)

Ahorro en calefacción + ACS (GWh)

172.419 146.025 124.172 108.264

26.394

6.319

21.910

21.853

5.871

20.160

15.907

4.653

16.60982

64.154

16.843

58.681

Tabla 13. Evolución de los consumos y ahorros en sector terciario. Fuente: ERESEE

2020 2030 2040 2050

2020-2030 2030-2040 2040-2050 2020-2050

Consumo energía final (GWh)

Ahorros energía final (GWh)83

Ahorro en calefacción + ACS (GWh)

131.858 114.788 91.703 84.463

17.069

10.109

23.085

17.948

7.240

6.465

47.395

34.524

74- Actualización 2020 de la estrategia a largo plazo para la rehabilitación energética en el sector de la edificación en España. Junio 2020. Secretaría general de Agenda Urbana y Vivienda.75- ERESEE 2020.76- ERESEE 2020.77- Datos del Ministerio de Fomento según registro de licencias municipales de obra(https://apps.fomento.gob.es/BoletinOnline/?nivel=2&orden=10000000)78- Inventario Energético de los edificios de la Administración General del Estado. Transposición del artículo 5 de la directiva 2012/27/UE.Año 2018.79- Medidas 2.6 (pag-145) y 2.8 (pag-150) del PNIEC.80- Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana.81- Estrategia a Largo Plazo para una Economía Española Moderna, Competitiva y Climáticamente Neutra en 2050.82- Valor superior al estimado en ahorro final debido a que los datos provienen de distintos métodos de cálculo.83- MITMA a partir del MITERD. Modelo TIMES-SINERGIA para ELP 2050.

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En el sector edificación está previsto, según las di-rectrices de la normativa tanto europea, como na-cional, que los usos de calefacción y ACS sean losque van a sufrir mayores reducciones, y, por tanto,las medidas determinadas para llegar a esos objeti-vos van en la misma línea: renovación de equipa-miento de instalaciones térmicas o mejora de laenvolvente térmica. Por ello, la aplicación de siste-mas de almacenamiento, tanto latente, como porreacciones termoquímicas, proporciona un 50% másde eficiencia que sistemas convencionales, ya sea através de elementos pasivos aplicables a la envol-vente, como mediante elementos activos integra-dos en las instalaciones de calor y frío. El uso masivo,o el completo despliegue de este tipo de tecnolo-gías en la construcción de nuevos edificios o su re-habilitación, podría ayudar a alcanzar antes losobjetivos y, según el número de viviendas y superfi-cie edificada que se ha de abordar, generar ahorrosde hasta 48.000 GWh en 2030, y acumulados en2050 de 139.800 GWh, siendo el escenario más fa-vorable la actuación sobre envolvente e instalacio-nes de 1,2 y 17,4 millones de viviendas respectiva-mente.

El coste estimado en la primera década (2020-2030)para la rehabilitación de envolvente está previsto en13.167 millones de €, y la renovación y cambio deinstalaciones, en 28.304 millones de €. Los costes enel periodo 2030-2050, en muchos casos, todavía sedesconocen por el bajo nivel de desarrollo que tie-nen. Por ello, se estima que podrían duplicar el costede estas acciones.

Análisis DAFO

En la tabla 14, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO de esta tecnología:

Los materiales que se emplean, tanto para el alma-cenamiento por calor latente, como por reacciones

termoquímicas, son costosos con respecto a mate-riales convencionales, y en cuanto a implementar enaplicaciones, depende de cuál sea, el coste aumentay/o no está actualmente en una fase de desarrolloque facilite su penetración en el sector de la edifi-cación.

A su vez, cabe destacar, que cualquier nueva solu-ción o tecnología innovadora en la construcción,está fuertemente limitada al inicio por la falta de ca-pacitación del personal involucrado. Por otro lado,falta un respaldo regulatorio ante soluciones tantoactivas como pasivas que integren este tipo de tec-nologías. Actualmente, para el cumplimiento delprincipal reglamento en edificación, el Código Téc-nico de la Edificación, tanto en nuevos edificios,como en reformas donde se altere una cierta partedel edificio, es necesario cumplir con las exigencias,en materia de eficiencia energética. El cumpli-miento de la limitación del consumo, y de la limita-ción de la demanda (HE0 y HE1) se lleva a cabo através de la herramienta de certificación energética(HULC84), la cual tendría que adaptarse para incluireste tipo de tecnologías y poder simular el efectoque éstas tendrían en el edificio y determinar losahorros en demanda y consumo, con la correspon-diente calificación energética.

63

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

La previsión de ahorros viene principalmente de la reducción del consumo de cale-facción y ACS79, en línea con la estrategia de descarbonización del parque inmobi-liario para 2050.

Según se establece en el MITMA80 para el ELP81 2050 en el sector residencial:

El consumo por vivienda en calefacción + ACS en 2020 está en 5.593kWh (el 60,9%del total), siendo el esperado para 2050 en 2.105kWh (42,8% del total).Para el sector terciario, según el número de actuaciones previstas (ver tabla “Ob-jetivos sector Edificación en España):

84- Herramienta unificada LIDER-CALENER

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SECTOR EDIFICACIÓN64

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Tabla 14. Análisis DAFO del almacenamiento térmico a nivel de vivienda o edificio por calor latente y por reacciones químicas.

Activación del sector industrial relacionado con materiales de la construcción e instalaciones térmicas de edificios.

Gran potencial y trayectoria en innovación en edificios terciarios.

En línea con las exigencias de edificios cero emisiones y de descarbonización del parque edificatorio para 2050.

Especialización y cualificación de los profesionales del sector de la construcción. Objetivos de mejora en el parque inmobiliario.

Exigencias derivadas del cambio climático.

El uso cada vez más extendido de las certificaciones (LEED y BREEAM).

Mayor concienciación de los usuarios y requerimientos de eficiencia energética.

Crisis económica.

Sector de la construcción muy tradicional y poco innovador en vivienda residencial.

Falta de financiación para la penetración en mercado.

Malas experiencias en innovaciones previas llevadas a cabo en el sector.

Falta de información de las tendencias e innovaciones en el sector.

Mala ejecución del mantenimiento continuo necesario para su buen funcionamiento.

Falta de capacitación y cualificación de los trabajadores del sector construcción.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Falta de fabricantes en España que integren estas tecnologías en sus productos.

Necesidad de desarrollo y perfeccionamiento de las tecnologías y soluciones.

Costes altos y poco competitivos con respecto a soluciones convencionales.

Falta de apoyo del marco regulatorio para incluir y potenciar soluciones innovadoras.

Dificultad para incluir estas soluciones en la certificación y calificación energética.

Falta de conocimiento en el sector de este tipo de tecnologías.

Altos costes que dificultan la aplicabilidad en el sector residencial.

Ejemplos y pruebas piloto que demuestran el potencial de este tipo de soluciones.

Propiedades sustancialmente más eficientes que las soluciones convencionales.

Los sistemas de almacenamiento térmico se integran en soluciones que se utilizan ya en edificios de manera convencional, por lo que no es necesaria una formación muy específica.

Existencia de algunos fabricantes y proyectos que pueden servir como referencia. Necesidad de renovar el parque edificatorio con medidas de mejora de la envolvente y de instalaciones térmicas donde aplicar este tipo de tecnologías. Versatilidad de soluciones y de aplicaciones.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

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3.2 Sistemas de producción deenergía integra-dos en fachada(soluciones activasestáticas y dinámicas)Descripción

La envolvente activa es aquella capaz de generarelectricidad o calor mediante instalaciones produc-toras de energía integradas en los propios materia-les de fachada, que también pueden incluir en sudiseño estrategias pasivas para la reducción de lademanda energética. De esta tipología de fachadas,las más habituales son las fotovoltaicas, pero cadavez se está investigando más en nuevas técnicas deproducción de energía más eficientes.

Los sistemas activos integrados en edificios puedenincorporarse en todas las partes de la envolvente(cubierta, cerramientos verticales opacos, huecosacristalados, elementos sombreantes, etc.) El incon-veniente de los sistemas integrados en cerramien-tos verticales (fachadas o ventanas) es la menorradiación solar incidente frente a las instalacionesfotovoltaicas convencionales en tejados o cubiertashorizontales, siendo estas últimas las que hastaahora han tenido mayor cuota de mercado.

Sin embargo, los cerramientos verticales tienen cier-

tas ventajas. Por un lado, permiten integrar los sis-temas productores de energía en los propios com-ponentes de fachada reduciendo así el costo, laenergía embebida y el impacto ambiental asociadoa instalaciones accesorias. Por otro lado, tienen unacaptación solar con menores variaciones diurnas yestacionales, por lo que pueden contribuir sustan-cialmente a la generación local de electricidad deforma más homogénea. Además, la superficie de te-jados o cubiertas no son suficientes como para ge-nerar toda la energía requerida por los edificiosactuales, sobre todo si son de gran altura.

Así, los sistemas activos integrados en fachada vana ser esenciales para satisfacer las demandas reque-ridas según marca el estándar de edificios de ener-gía casi nula (NZEB), y se espera que ganenimportancia en los próximos años debido al impulsodel mercado por esta directiva de la UE.

Estos sistemas integrados en fachadas se puedenclasificar en tecnologías activas estáticas o tecnolo-gías activas dinámicas:

• Las tecnologías activas estáticas son aquellassoluciones constructivas integradas que perma-necen inmóviles en la fachada sin variar su mor-fología ni interactuar con el entorno durante suproducción de energía.

• Las tecnologías activas dinámicas son aque-llas soluciones que implican cierta adaptación dela fachada a las condiciones del entorno. En mu-chos casos, requieren de mecanismos de segui-miento solar para maximizar el rendimiento dela producción, el cual puede ser “a un eje” o “ados ejes”, y se puede realizar mediante controlcon sensores solares, o bien de forma teóricamediante algoritmos astronómicos programa-dos que calculan la posición del sol según la hora,el día del año, orientación de fachada y latituddel emplazamiento del edificio.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

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SECTOR EDIFICACIÓN

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Tecnologías activas estáticas

Hasta ahora, la aceptación en el mercado de la inte-gración de sistemas activos en edificios se ha vistoobstaculizada por las dificultades de la industriapara proporcionar soluciones que cumplan con lasdemandas clave como la estética, flexibilidad en eldiseño y rentabilidad. Aunque el rápido desarrollomundial de estas tecnologías ha impulsado la apari-ción de nuevos fabricantes y arquitectos que incor-poran diseños con sistemas integrados en fachadas,los módulos fotovoltaicos actuales siguen siendouna solución poco eficiente que impide el plenoaprovechamiento de un sistema integrador.

Por ello, los estudios e investigaciones actualesestán tratando de mejorar el rendimiento de estossistemas, fundamentalmente fotovoltaicos, bus-cando nuevos materiales con mayor eficiencia,grado de transparencia, fácil fijación, mayor vida útily menor impacto ambiental, a unos costes de fabri-cación competitivos.

A continuación, se listan algunos de los proyectosde innovación que se están llevando a cabo a niveleuropeo en esta dirección, junto con su objetivo dedesarrollo a alcanzar:

Proyecto Tech4Win (2019 –2022) - Desarrollar pro-totipos de ventanas fotovoltaicas con notables me-joras en transparencia y calidad visual,aprovechando la región del IR, y a menor coste, em-pleando polímeros orgánicos semiconductores enlugar de materias primas críticas85. Financiado por elH2020 http://www.tech4win.eu/

Proyecto CUSTOM-ART (2020–2024) - Desarrollarla próxima generación de módulos fotovoltaicos in-tegrados en edificios basados en tecnologías de pe-lícula fina inorgánica rentables basados enmateriales de kesterita abundantes en la tierra. Fi-nanciado por el H2020https://cordis.europa.eu/project/id/952982/es

Proyecto BIPVBOOST (2018–2022) - Reducir loscostes de integración fotovoltaica en edificios(BIPV) mediante la implementación de planes detrabajo para la reducción de costes a corto y medioplazo a lo largo de toda la cadena de valor. Finan-ciado por el H2020 https://bipvboost.eu/

Proyecto Solar-Win (2019–2021) - Escalado indus-trial, la validación en condiciones de funcionamientoreal y la comercialización de ventanas fotovoltaicas(PV) transparentes y no intrusivas de próxima gene-ración. Financiado por el H2020 https://cordis.europa.eu/project/id/870004/es

Proyecto ENVISION (2017–2022) - Desarrollo deproductos que generen energía en todas las super-ficies de la envolvente (transparentes y opacas) contécnicas híbridas (térmica y eléctrica) que sean esté-ticas e invisibles, modulares y de fácil colocación consistemas de posicionamiento click-on. Financiadopor el H2020https://cordis.europa.eu/project/id/869366/es

A continuación, en la siguiente tabla se recogen al-gunos ejemplos de soluciones estáticas desarrolla-das hasta ahora por empresas o start-ups a nivelnacional e internacional que están investigandosobre nuevos productos en este campo.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

85- El silicio metalúrgico, principal componente de las células fotovoltaicas actuales, se obtiene a partir de procesos costosos energéticamentea partir de cuarzo ultrapurificado por transformación química a 1900ºC. Por ello, la UE lo tiene recogido en su catálogo de materias primas crí-ticas a controlar por estar en peligro de agotamiento o bien porque su abastecimineto presenta dificultades.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

86- Costes medios aproximados proporcionados por el fabricante Onyx Solar https://www.onyxsolar.es/ 87- Estudio RLA (Ruiz-Larrea & Asociados) ruizlarrea.com/88- Costes medios aproximados proporcionados por el fabricante Heliatek https://www.heliatek.com/89- https://www.heliatek.com/ 90- http://www.intelliglass.com91- Costes medios aproximados según estimaciones del Proyecto Tech4Win de H2020. http://www.tech4win.eu/ 92- https://www.solarwindow.com/

Tabla 15. Tecnologías activas estáticas. Prototipos precursores.

Fachadas opacas flexibles de materiales fotovoltaicos orgánicos.

TRL 6Eficiencias FV= 5-8%Costes=150-200 €/m2 88

Fachadas opacas rígidas de materiales fotovoltaicos o captadores térmicos.

TRL 7-8Eficiencias FV= 10-20%Eficiencias térmicas=40-60%Costes=250-300 €/m2 86

Fachadas translúcidas fotovoltaicas y térmicas.

TRL 6-7

Elementos modulares de fachada que pueden llevar integrados distintos sistemas según la función buscada fotovoltaica (formados por paneles mono o policristalinos) o térmica (formados por captadores solares planos o de tubo de vacío).

Paneles solares basados en moléculas orgánicas depositadas sobre finas películas plásticas.

Son ultraligeros, ultradelgados y ultraflexibles, adecuados para edificios curvos que no permitan soluciones convencionales, a un bajo coste y rápida instalación, y con materias primas abundantes.

Acristalamiento compuesto por una lámina fotovoltaica y una cámara de agua que aprove-chan la parte visible de la radiación solar para la generación eléctrica y la energía infrarroja es absorbida por el agua que es transportada por un sistema cerrado de circulación hasta depósi-tos de inercia para la climatización integral del edificio. La lámina fotovoltaica transparente produce energía eléctrica para el autoconsumo del edificio o inyección a la red eléctrica.

Tecnología basada líquidos fotovoltaicos orgáni-cos aplicado en forma de capas ultrafinas como recubrimiento de cualquier superficie transpa-rente (vidrio y plásticos flexibles). Presentan alta transparencia y calidad visual en la región visible, generando eléctricidad aprovechando la región del infrarrojo.

Fabricación a bajo costo empleando polímeros orgánicos en lugar de materias primas críticas.

Ejemplo de módulos “Biopix87”

Ejemplo Módulos solares adhesivos HeliaSol89

Ejemplo de producto intelliglass 90

Incorporado en la Facultad de Periodismo UCLM, Cuenca, con ahorros del 80% en climatización.

Imágenes disponibles para consultar en su web ( http://www.intelliglass.com)

Ejemplo Ventanas SolarWindow 92

Estiman recuperaciones de inversión en plazos cortos.Tecnología pendiente de patente. Lanzamien-to a gran escala en los próximos 10 años.

Imágenes disponibles para consultar en su webhttps://www.solarwindow.com/)

Incorporados en la Sede de la Agencia Andaluza de la Energía , Sevilla (cubre el 75% de su consumo energético).

Están investigando en 2 tipos:- módulos solares para rehabilitación de edificios con adhesivo en la parte trasera- soluciones integradas para materiales de construcción para obra nueva.

Ventanas con acristala-miento fotovoltaico.

TRL 6-7Eficiencias FV = 5-6%Costes=150-200€/m2 91

TECNOLOGÍAS ACTIVAS ESTÁTICAS PROTOTIPOS

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SECTOR EDIFICACIÓN

Tecnologías activas dinámicas

Como ya se ha comentado, los sistemas activos es-táticos tienen limitado el potencial de producciónde energía debido a su carácter fijo. Para mejorar surendimiento, es necesario investigar en solucionesmóviles, ya que el seguimiento solar puede mejorarel rendimiento de un módulo fotovoltaico hasta enun 30-40%93 anual, en comparación con un módulode orientación fija. Por ello, las investigaciones amedio-largo plazo van a ir dirigidas no sólo a mejorar

la eficiencia de los materiales, sino también hacia elempleo de sistemas dinámicos que permitan a lasenvolventes adaptarse a las condiciones exterioresen tiempo real, controlando la energía que pasa alinterior para reducir las demandas de energía y ga-rantizar el control interno, antes de realizar su fun-ción de producción.

En la siguiente tabla, a modo de ejemplo, se mues-tran algunos casos piloto innovadores y técnicas sur-gidas hasta ahora en esta dirección:

68

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Tabla 16. Tecnologías activas dinámica. Ejemplos de prototipos precursores.

Fachada de concentración solar integrada (FCSI).

TRL 6

Fachada bioactiva con microalgas .

TRL 7

Fachadas activas con recurso eólico.

TRL 6

Consiste en un muro cortina con receptores fotovoltaicos de concen-tración en forma de pirámides de vidrio con seguimiento solar.

El sistema también aprovecha la energía térmica captada por los prismas de vidrio para su uso en los sistemas de calefacción y refrigera-ción del edificio mediante intercambiadores de agua o aire.

Además de la generación eléctrica y el aprovechamiento de energía térmica, reduce la ganancia solar directa y mejora la iluminación natural difusa.

Las investigaciones indican que sus altas eficiencias permitirán retornos de inversión inferiores a los de los sistemas solares existentes94.

Formadas por paneles con agua y algas en su interior, donde se genera calor y energía mediante un proceso bioquímico, y que además propor-ciona aislamiento térmico y acústico. El calor generado se envía a un acumulador térmico donde se genera agua caliente para ACS y calefac-ción del edificio.

En verano, la mayor exposición solar hace que las microalgas crezcan oscureciendo los paneles y proporcionando sombra en el interior. Por último, las algas que se van generando como fruto de la radiación solar, se extraen de forma periódica para ser fermentadas en una planta externa dando lugar a biogás empleado en la generación de electricidad.

Este tipo de envolventes utilizan el estímulo del viento exterior como generador de energía, sin necesidad de aerogeneradores difíciles de integrar en fachadas.

Estos sistemas se basan en pequeños apéndices móviles que revisten la fachada, cuyo movimiento produce electricidad por efecto piezoeléc-trico de los materiales empleados (capacidad de adquirir polaridad eléctrica cuando son sometidos a tensiones mecánicas).

Esta nueva tecnología integrada genera electricidad con una leve corriente de aire y puede aplicarse a la mayoría de edificios.

Prototipo de fachada con tecnolo-gía de concentración FCSI, en YALE Center for ecosystems in architec-ture95 .

Imágenes disponibles paraconsultar en su web(https://www.cea.yale.edu/research-solar )

Edificio experimental BIQ (Bio Intelligent Quotient, Hamburgo96

Prototipo de fachada activa piezoeléctrica. Strawscraper Söder Torn piezoeléctricas97.

Madera como soporte flexible de seguimiento solar fotovoltaico autónomo.

TRL 6-7

La propiedad higroscópica de la madera hace que los paneles de madera tratados de cierta manera se doblen en una forma predetermi-nada sin el uso de ninguna fuerza mecánica. Esto se puede aplicar para sistemas formados por estructuras de madera combinadas con láminas fotovoltaicas de película delgada como método simple, de bajo costo y ligero para el seguimiento solar, de forma autónoma a lo largo del día en función de los cambios de humedad relativa sin necesidad de motores o controles adicionales, aportando sombreamiento y eficien-cia de producción.

Prototipos de fachada fotovoltaica con actuadores de madera 98,99,100

Elastómeros dieléctricos como material de seguimiento solar fotovoltaico autónomo.

TRL 6-7

Este tipo de tecnología consiste en el uso de un material flexible (elastómero dieléctrico) en forma de entramado que recubre el exterior del edificio. Estos elastómeros van cambiando gradualmente al variar su temperatura, expandiéndose cuando se calientan y contra-yéndose al enfriarse sin necesidad de elementos auxiliares.

El uso de este tipo de materiales en fachadas junto con materiales fotovoltaicos permite optimizar la generación eléctrica aportando a su vez sombreamiento, adaptándose de forma eficiente según las condiciones interiores y exteriores en cada momento.

Prototipo de fachada homeostática, abierta y cerrada101

Imágenes disponibles paraconsultar en su web (https://technologyinarchitecture.com/homeostatic-facade/)

Actuadores de silicona para el seguimiento fotovoltaico.

TRL 7

Consisten en láminas fotovoltaicas de película delgada adheridas a láminas de aluminio cuyo movimiento es producido por actuadores ligeros de silicona, que se van deformando y cambiando su inclinación en función de la hora del día, al hacer pasar por ellos aire a presión.

Estos sistemas se plantean como soluciones simples, de bajo costo y ligeras con buena aplicación para la mayoría de fachadas y obras de rehabilitación, aportando sombreamiento y eficiencia de producción eléctrica.

Prototipo de fachada fotovoltaica con actuadores de silicona102

TECNOLOGÍAS ACTIVAS DINÁMICAS PROTOTIPOS

93- Mousazadeh, H., Keyhani, A., Javadi, A., et al. 2009. A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systems output.Renewable and sustainable energy reviews.94- Dyson, A. H., Stark, P. R. H. and Jensen, M. K. 2007. Integrated concentrating (IC) solar façade system.95- YALE Center for ecosystems in architecture, https://www.cea.yale.edu/research-solar 96- ARUP, Firm of designers, planners, engineers and architects, https://www.arup.com/97- Empresa sueca Belatchew Arkitekter. https://belatchew.com/en/projekt/strawscraper/

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Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Dada la gran diversidad de edificios y contextos ur-banos que presentan las ciudades españolas (altura,compacidad, sombreamientos entre bloques, facha-das útiles al exterior, orientaciones adecuadas parala captación solar, etc.), resulta complicado realizaruna estimación global genérica de producción y aho-rro esperables con la incorporación de sistemas in-tegrados activos en el parque de edificios.

Para ello, sería necesario realizar estudios específi-cos a escala de ciudad o barrio, que permitieran

identificar en detalle el potencial de producciónenergética real de los edificios según las particulari-dades de cada caso analizado.

De cara a obtener un valor orientativo de ahorrospotenciales para el periodo 2030-2050 conseguidoscon la generación de energía en superficies de fa-chada activa incorporada al parque inmobiliario deese periodo, tanto en el sector residencial como enel sector terciario (público y privado), se ha estable-cido una serie de supuestos para el cálculo:

En primer lugar, se ha partido de que han sido alcan-zados los objetivos establecidos en el PNIEC 2021-

69

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

98- Mansoori M., Kalantar N., Creasy T., Rybkowski Z. (2019) Adaptive Wooden Architecture. Designing a Wood Composite with Shape-MemoryBehavior. 99- Lamoureux, A., Lee, K., Shlian, M., et al. 2015. Dynamic kirigami structures for integrated solar tracking, Nature communications.100- ETH Zurich, http://www.honr.ethz.ch/en/the-group/facade/wooden-bilayer.html101- Architectural material technologists firm Decker Yeadon, https://technologyinarchitecture.com/homeostatic-facade/102- Arquitectura y sistemas de construcción, ETH Zurich, www.honr.ethz.ch

Tabla 16. Tecnologías activas dinámica. Ejemplos de prototipos precursores.

Fachada de concentración solar integrada (FCSI).

TRL 6

Fachada bioactiva con microalgas .

TRL 7

Fachadas activas con recurso eólico.

TRL 6

Consiste en un muro cortina con receptores fotovoltaicos de concen-tración en forma de pirámides de vidrio con seguimiento solar.

El sistema también aprovecha la energía térmica captada por los prismas de vidrio para su uso en los sistemas de calefacción y refrigera-ción del edificio mediante intercambiadores de agua o aire.

Además de la generación eléctrica y el aprovechamiento de energía térmica, reduce la ganancia solar directa y mejora la iluminación natural difusa.

Las investigaciones indican que sus altas eficiencias permitirán retornos de inversión inferiores a los de los sistemas solares existentes94.

Formadas por paneles con agua y algas en su interior, donde se genera calor y energía mediante un proceso bioquímico, y que además propor-ciona aislamiento térmico y acústico. El calor generado se envía a un acumulador térmico donde se genera agua caliente para ACS y calefac-ción del edificio.

En verano, la mayor exposición solar hace que las microalgas crezcan oscureciendo los paneles y proporcionando sombra en el interior. Por último, las algas que se van generando como fruto de la radiación solar, se extraen de forma periódica para ser fermentadas en una planta externa dando lugar a biogás empleado en la generación de electricidad.

Este tipo de envolventes utilizan el estímulo del viento exterior como generador de energía, sin necesidad de aerogeneradores difíciles de integrar en fachadas.

Estos sistemas se basan en pequeños apéndices móviles que revisten la fachada, cuyo movimiento produce electricidad por efecto piezoeléc-trico de los materiales empleados (capacidad de adquirir polaridad eléctrica cuando son sometidos a tensiones mecánicas).

Esta nueva tecnología integrada genera electricidad con una leve corriente de aire y puede aplicarse a la mayoría de edificios.

Prototipo de fachada con tecnolo-gía de concentración FCSI, en YALE Center for ecosystems in architec-ture95 .

Imágenes disponibles paraconsultar en su web(https://www.cea.yale.edu/research-solar )

Edificio experimental BIQ (Bio Intelligent Quotient, Hamburgo96

Prototipo de fachada activa piezoeléctrica. Strawscraper Söder Torn piezoeléctricas97.

Madera como soporte flexible de seguimiento solar fotovoltaico autónomo.

TRL 6-7

La propiedad higroscópica de la madera hace que los paneles de madera tratados de cierta manera se doblen en una forma predetermi-nada sin el uso de ninguna fuerza mecánica. Esto se puede aplicar para sistemas formados por estructuras de madera combinadas con láminas fotovoltaicas de película delgada como método simple, de bajo costo y ligero para el seguimiento solar, de forma autónoma a lo largo del día en función de los cambios de humedad relativa sin necesidad de motores o controles adicionales, aportando sombreamiento y eficien-cia de producción.

Prototipos de fachada fotovoltaica con actuadores de madera 98,99,100

Elastómeros dieléctricos como material de seguimiento solar fotovoltaico autónomo.

TRL 6-7

Este tipo de tecnología consiste en el uso de un material flexible (elastómero dieléctrico) en forma de entramado que recubre el exterior del edificio. Estos elastómeros van cambiando gradualmente al variar su temperatura, expandiéndose cuando se calientan y contra-yéndose al enfriarse sin necesidad de elementos auxiliares.

El uso de este tipo de materiales en fachadas junto con materiales fotovoltaicos permite optimizar la generación eléctrica aportando a su vez sombreamiento, adaptándose de forma eficiente según las condiciones interiores y exteriores en cada momento.

Prototipo de fachada homeostática, abierta y cerrada101

Imágenes disponibles paraconsultar en su web (https://technologyinarchitecture.com/homeostatic-facade/)

Actuadores de silicona para el seguimiento fotovoltaico.

TRL 7

Consisten en láminas fotovoltaicas de película delgada adheridas a láminas de aluminio cuyo movimiento es producido por actuadores ligeros de silicona, que se van deformando y cambiando su inclinación en función de la hora del día, al hacer pasar por ellos aire a presión.

Estos sistemas se plantean como soluciones simples, de bajo costo y ligeras con buena aplicación para la mayoría de fachadas y obras de rehabilitación, aportando sombreamiento y eficiencia de producción eléctrica.

Prototipo de fachada fotovoltaica con actuadores de silicona102

TECNOLOGÍAS ACTIVAS DINÁMICAS PROTOTIPOS

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SECTOR EDIFICACIÓN

2030103 de enero 2020 en materia de rehabilitaciónenergética de edificios residenciales y de sector pú-blico, con una tasa de rehabilitación de envolventestérmicas de un total de 120.000 viviendas/año.

A partir de ahí, para la estimación de la superficie defachada útil en la que integrar envolventes activasen el periodo siguiente 2030-2050, y por tantopoder calcular el potencial de ahorro conseguidocon esta medida, se ha continuado con el objetivodel PNIEC de rehabilitación de edificios del periodoanterior empleando a su vez datos publicados en laERESEE 2020104 en cuanto a previsión de vivienda deobra nueva construida (180.000 viviendas/año) y deconsumos energéticos esperados en el sector resi-dencial para ese periodo.

En la tabla 17 se recoge el resumen de los datos departida recogidos de fuentes oficiales.

A partir de estos datos, de cara al cálculo de produc-ción eléctrica y costes por incorporación de facha-das activas, se han tomado una serie de supuestosadicionales necesarios:

• Radiación solar incidente en superficie de fa-chada (kWh/m2año): El valor tomado se ha calcu-

lado partiendo del valor sobre superficie horizontal(0°) correspondiente a localización geográfica deMadrid (1.787 kWh/m2año) empleando la base dedatos del PVGIS106, y se ha corregido a una inclina-ción de 90° tomando el promedio de las captacionesrecibidas para las orientaciones N, S, E y O.

• Superficie por vivienda (m2/vivienda): se ha to-mado un valor promedio de 90m2 a partir de la con-sulta de la superficie mayoritaria de las viviendasespañolas de la web del INE.107

• Superficie de fachada al exterior útil para la in-tegración de sistemas activos por superficieconstruida: se ha tomado un coeficiente medio de0,75 m2 fachada exterior/m2 construida conside-rando que el 40% de éstas son superficies acristala-das y el 60% restante son cerramientos opacos. Paraasumir estos datos se han consultados planos deedificios reales de distintos contextos y se han sa-cado valores promedios.

• Rendimiento de Conversión Eléctrica (%): Dadala falta de madurez actual de las tecnologías inte-gradas más novedosas presentadas en este informe(TRL 6), se ha optado por adoptar un escenario con-servador y optar por el sistema más consolidado,

70

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Tabla 17. Datos recopilados del ERESEE 2020 sobre previsiones para el periodo 2030-2050.

2020-2030

2030-2040

2040-2050

146.025

124.172

108.264

20.017.505

21.014.400

21.993.343

*Datos tomados del ERESEE 2020 105

-

3.000.000

6.000.000

* Considerando el ratio de 120.000 viviendas rehabilitadas/año del PNIEC y el de 180.000 viviendas nueva/año

del ERESEE 2020.

Consumo Residencial (GWh)

Viviendas totales (uds)

Viviendas con fachadas activas integradas (uds)

103- Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 (Enero 2020).104- Estrategia a largo plazo para la Rehabilitación Energética del Sector Residencial en España (Junio 2020).105- Fuente original: MITMA a partir de estadísticas del MITMA, INE, Ageing Report de la Comisión Europea, PNIEC.106- Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis 107- INE, Encuesta Continua de Hogares (ECH). Número de hogares según tamaño de hogar y superficie útil de la vivienda, datos referidos alvalor medio del periodo (2013-2019).

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Page 71: EESTUSTUDDIO DE PROSPECTIVA IO DE PROSPECTIVA 22030 …

como es el fotovoltaico activo estático (TRL 7-8),con un rendimiento medio del 20% (fruto de la mez-cla de tecnologías que podrían emplearse películadelgada, orgánicas, de silicio policristalinos, etc.).Para las superficies acristaladas se ha tomado unrendimiento del 10%108.

• Costes de los sistemas activos integrados:tanto para fachadas opacas como para superficiesacristaladas se ha tomado un coste medio de150€/m2 de envolvente con sistema integrado.109

• Factor de corrección (%): a la producción esti-mada se le ha aplicado un factor de corrección del20% asociado a todas las desviaciones inherentes ala hora de hacer estimaciones de este tipo para con-textos reales distintos, como son problemas desombreamiento entre bloques, distintas radiacionessolares según el área geográfica, reducciones enrendimientos de los sistemas de producción a lolargo del tiempo, etc.).

Con todas estas consideraciones se ha obtenido unratio de generación eléctrica de 150 kWh/m2 de fa-

chada activa y año. Así, partiendo de este coefi-ciente se ha pasado a calcular los valores totalesacumulados para el periodo 2030-2050 objeto deestudio, que se recogen en la tabla 18.

Según estos resultados, con la incorporación de sis-temas activos integrados en fachada a lo largo delperiodo 2030-2050 el ahorro de energía final totalcorrespondiente a la generación de estos sistemassería de unos 91.000 GWh totales acumulados, su-poniendo una cobertura del 24,5% del consumototal del sector de residencial durante la década2030-40, y del 56,2% del consumo total de la décadade 2040-50.

En cuanto a los costes de incorporar este tipo de en-volvente integrada tanto en las viviendas rehabilita-das como en las de obra nueva, el abordar estasmedidas supondría un desembolso total de unos60.750 millones de € totales a lo largo de todo el pe-riodo.

71

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

108- Rendimientos tomados de las estimaciones esperables para 2030 aportadas por los fabricantes consultados (Onyx Solar y Heliatek).109- Coste tomado de las estimaciones esperables para 2030 aportadas por los fabricantes consultados (Onyx Solar y Heliatek).

2030-2040

2040-2050

124.172

108.264

30.396

60.792

24,5%

56,2%

30.375

30.375

AÑO

Sector Residencial (Rehabilitaciones y Obra nueva)

Consumo Total(GWh)

Generación en fachadas activas

(GWh)*

% cobertura del Consumo total*

Costes totales por incorporación de fachadas

activas (Millones€)*

Tabla 18. Generación eléctrica de la integración de fachadas activas y costes asociados a rehabilitación del sector residencial en el periodo 2030-2050.

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Page 72: EESTUSTUDDIO DE PROSPECTIVA IO DE PROSPECTIVA 22030 …

SECTOR EDIFICACIÓN

Análisis DAFO

En la tabla 19, se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO de esta tecnología.

Actualmente, el principal inconveniente de las fa-chadas activas para su introducción a gran escala enedificios de energía casi nula (NZEB) son los costesde fabricación, las prestaciones visuales, rendimien-tos y la facilidad de instalación.

72

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Tabla 19. Análisis DAFO de los sistemas de producción de energía integrados en fachada.

Activación del sector industrial con la generación de nuevos productos de alta tecnología.

Activación del sector de la construcción.

Aumento de la especialización de los profesionales del sector.

Mejora de la cualificación del personal.

Mejora y renovación del parque inmobiliario.

Generación de nuevos puestos de trabajo en áreas nuevas.

Reducción de emisiones y consumos energéticos en edificios residenciales y terciarios.

Crisis económica.

Falta de financiación para la penetración en mercado.

Malas experiencias previas poco eficientes.

Mala ejecución del mantenimiento continuo necesario para el buen funcionamiento.

Necesidades de formación y del personal del sector.

Poca comunicación y trabajo conjunto entre los actores involucrados (fabricantes, arquitectos, constructores, etc.).

Sector tradicional, con mucha inercia y cambio de tendencia lento.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Necesaria inversión en I+D para perfeccionamiento de estas tecnologías.

Falta de experiencia y cualificación de los profesionales del sector.

Altos costes y poco competitivos con respecto a soluciones convencionales.

Falta de apoyo del marco regulatorio para incluir y potenciar soluciones innovadoras.

Dificultad para incluir estas soluciones en la certificación y calificación energética.

Edificios piloto existentes que demuestran el potencial de estas tecnologías.

Apoyo institucional para cumplir con los objetivos de NZBE.

Concienciación por la necesidad de la transición energética en el parque inmobiliario pese a los costes.

La evolución del clima peninsular, cada vez con más horas de insolación debido al cambio climático hacen más atractivas las tecnologías solares como vías de suministro.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

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En el caso de las fachadas dinámicas se añade ade-más el inconveniente de la complejidad técnica delos actuadores de seguimiento solar y el manteni-miento requerido debido a su complejidad mecá-nica110. A pesar de la eficacia documentada delseguimiento solar, esos sistemas no se han aplicadoampliamente debido a los altos costos y, a menudo,a las estructuras complejas y engorrosas que aña-den un peso sustancial al sistema fotovoltaico ini-cial.

Aunque esté demostrada la reducción del consumoen edificios con fachadas de este tipo, habrá que es-perar unas décadas más para verlas implantadas en

todos los edificios de nueva construcción, ya queestas envolventes son más caras que las convencio-nales, con una inversión inicial elevada, que haceque a día de hoy sea poco asumible en la mayoría deedificios.

Además, hay que señalar que, cualquier tecnologíainnovadora en la construcción, tiene complicada unarápida penetración si no va acompañada de una ca-pacitación del personal involucrado. También es unproblema la falta un respaldo regulatorio ante solu-ciones que integren este tipo de tecnologías activasen cuanto a la limitación del autoconsumo actual.

73

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR EDIFICACIÓN

110- Team of ETH Zurih. 2016. Chasing the sun. Revue Technique Luxembourgeoise, 2016

informe2_FIN2_Maquetación 1 02/03/2021 12:43 Página 73

Page 74: EESTUSTUDDIO DE PROSPECTIVA IO DE PROSPECTIVA 22030 …

Sector Transportes04

E S T U D I O D E P R O S P E C T I V A 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T E C N O L O G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E R G É T I C A

Sector Transportes

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4.1Gemelos Digitalesde MovilidadDescripción

La digitalización está transformando al sector deltransporte. No sólo con la aparición de nuevas tec-nologías y servicios, como los vehículos conectadosy autónomos (CAVs), la infraestructura inteligente,y los modelos de negocio de tipo Mobility-as-a-Ser-vice (MaaS), sino también al introducir nuevos patro-nes de comportamiento basados en el teletrabajo ylas compras en línea111. La suma de dichos cambiosconlleva nuevas tendencias de movilidad urbanaque, junto con la necesidad de priorizar el uso de losmodos más sostenibles (transporte público, bici-cleta y caminar), requieren de la implementación deSistemas Inteligentes de Transporte (ITS) que inte-gren de manera efectiva una perspectiva multimo-dal, con el fin de asegurar una movilidad fluida eininterrumpida de pasajeros y mercancías a travésde toda la red, de manera optimizada en términosde tráfico, rendimiento energético e impacto am-biental.

En este sentido, los Gemelos Digitales de Movilidadocupan un papel estelar para hacer realidad, tal ycomo describe la hoja de ruta a 2050 de la ComisiónEuropea (CE)112, “un entorno de transporte en el queuna persona o una mercancía puede ser desplazadadesde el origen hasta el destino cuando sea necesa-rio, en un tiempo fiable y con un nivel adecuado deconfort, sin tener que elegir un medio de transporteespecífico. Los diferentes medios de transporte noafectarán la calidad del servicio de movilidad, queserá adquirido por el usuario como un paquete‘todo incluido’, en un entorno sin fisuras y sin múlti-ples interfaces”.

75

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

111 - MOMENTUM H2020 (2019) Challenges and opportunities for TransportPlanning and Modelling.112 - TRIMIS (2016) STRIA Roadmap: Network and Traffic Management Systems.

Sector Transportes04

E S T U D I O D E P R O S P E C T I V A 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T E C N O L O G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E R G É T I C A

Sector Transportes

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SECTOR TRANSPORTES

Dicha visión supone la convergencia, dentro del con-cepto de Gemelos Digitales de Movilidad, de diver-sos desarrollos del tipo ITS cooperativos (o C-ITS113),que en su conjunto permitirían la creación de repre-sentaciones digitales del sistema de movilidad ur-bano que simulen el comportamiento de los flujosde personas y mercancías, inclusive ante eventosdisruptivos. Se trata entonces de simulaciones alta-mente fiables de la red de transporte, a nivel del in-dividuo y su trayectoria, que habiliten, entre otros,la monitorización en tiempo real de todos losmodos de transporte y servicios de movilidad, lagestión automatizada del tráfico, la predicción ycontrol automatizados de eventos. En general, estatecnología hará posible la optimización en tiemporeal de la demanda y la oferta bajo criterios de mo-vilidad sostenible, basada en la combinación de mo-delos tradicionales de transporte y técnicasavanzadas de la Ciencia de Datos que aprovechen elBig Data urbano generado por múltiples agentes demovilidad y de otros sectores afines.

La implementación de Gemelos Digitales de Movili-dad significa un cambio en la gestión tradicional deltráfico centrada en la optimización del viaje en ve-hículo privado, hacia un nuevo paradigma multimo-dal cada vez más presente en las ciudades y quesatisfaga la creciente demanda por sistemas detransporte sostenibles basados en modos limpios ycolectivos. Esto implica considerar cada viajero omercancía a ser transportada, independiente delmodo, dentro del modelo. En el futuro, se espera unpapel activo del usuario dentro de un sistema alta-mente conectado que garantice la posibilidad deviajar de forma segura y cibersegura, rápida y efi-ciente, y con la flexibilidad requerida para moverseentre redes locales, regionales, nacionales e inter-nacionales.

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

De manera simplificada, el despliegue de GemelosDigitales de Movilidad depende del desarrollo para-lelo de las diversas tecnologías que habiliten, entiempo real, las siguientes aplicaciones:

• Captura de datos: captura continua de proce-sos urbanos dinámicos, tanto de los vehículoscomo de individuos dentro de un sistema inter-modal.

• Comunicación de datos: se trata del Big Dataproveniente de múltiples fuentes, tecnologías yagentes de movilidad que requiere ser transmi-tida y almacenada para su procesamiento poste-rior. En este sentido, el desarrollo del 5G jugaráun papel principal en el desarrollo de la econo-mía digital de Europa. Su despliegue permitirá laconexión de millones de sensores, dispositivos ysistemas. Se espera que la red 5G otorgue solu-ciones seguras de tipo Vehículo a vehículo (V2V),Vehículo a Infraestructura (V2I) y de transportemultimodal.

• Procesamiento de datos: los algoritmos de laCiencia de Datos y Big Data aplicados en trans-porte son cada vez más comunes y presentanmayor capacidad de gestionar modelos sofistica-dos para el tratamiento de volúmenes de datosmasivos con resultados más precisos. Algoritmosde tipo aprendizaje automatizado o inteligenciaartificial, presentan diversas aplicaciones útilespara el desarrollo de los ITS, con funcionalidadesque van desde la agregación y limpieza de datosde diversas fuentes, hasta la generación de mo-delos para su aplicación en soluciones como de-tección de objetos, predicción del nivel deltráfico, planificación de rutas y mejora de la se-guridad de los vehículos y vías114.

76

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

113 - El documento STRIA Roadmap: Network and Traffic Management Systems incluye todo el sector transporte (aéreo, ferrocarril, marítimoy carretera). Cuando hace referencia al subsector carretera, dicho documento adopta el término C-ITS (Cooperative Intelligent TransportSystems) que es el utilizado como referencia para el presente estudio.114 - L. Zhu, F. R. Yu, Y. Wang, B. Ning and T. Tang (2019), "Big Data Analytics in Intelligent Transportation Systems: A Survey," in IEEE Transac-tions on Intelligent Transportation Systems, vol. 20, no. 1, pp. 383-398.

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• Modelos de transporte (optimización y si-mulación): se trata de la evolución de los mode-los tradicionales de transporte para responder anuevos requerimientos que surgen como conse-cuencia de nuevos servicios y tecnologías deltransporte. Por ejemplo, el despliegue de CAVsrequerirá de capacidades para simular la interac-ción entre vehículos autónomos y vehículos nor-males, inclusive a nivel de comportamiento delos conductores. Los modelos tradicionales seráncada vez más robustos al ser complementados ymejorados a partir de desarrollos propios de laCiencia de Datos115.

Actualmente, existen diversos desarrollos que apli-can dichas funcionalidades, pero que aún requierende mejoras para poder operar un ambiente simu-lado y predictivo en tiempo real a escala urbana, re-gional, nacional e internacional. Con esto enconsideración, el TRL actual de los Gemelos Digita-les de Movilidad se estima a partir del nivel de des-pliegue actual de cada una de estas funcionalidades,tal y como se presenta en la tabla a continuación.

Esta información ha sido contrastada con los exper-tos que colaboran en el presente estudio.

En cuanto a su evolución futura, se prevé un des-arrollo continuo de los C-ITS que culmine con el des-pliegue de Gemelos Digitales de Movilidad en redesde transporte urbanas, nacionales y a escala euro-pea. De acuerdo con la hoja de ruta de los Sistemasde Gestión de Redes y Transporte (NTM116) multimo-dal de la CE117, para el año 2025 se esperaría la im-plementación de proyectos demostradores queaprovechen el alto número de vehículos conectados(55%), mientras que sería entre el año 2030 y el año2035 cuando se logre alcanzar un nivel de desarrollotecnológico óptimo para su comercialización a granescala (TRL 9). Tal y como se presenta a continua-ción, se espera que para el año 2035 la gran mayoríade vehículos (98%) se encuentren contactos a travésde aplicaciones ITS. Esta situación permitiría un des-pliegue acelerado y constante de los sistemas degestión de transporte, entre ellos los Gemelos Digi-tales de Movilidad, para alcanzar un 70% en 2035 yun 100% en 2050.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSPORTES

115 - Papathanasopoulou, V., Antoniou, C., & Koutsopoulos, H. N. (2019). Data-driven traffic simulation models: Mobility patterns using machinelearning techniques. In Mobility Patterns, Big Data and Transport Analytics (pp. 263-295). Elsevier.116 - NTM: Network and Transport Systems.117 - TRIMIS (2016) STRIA Roadmap: Network and Traffic Management Systems.

Tabla 20. TRL actual de los Gemelos digitales de Movilidad

Captura de datos

Comunicación de datos

Procesamiento de datos

Modelo multimodales de transporte

Sensores, Cámaras con inteligencia artificial,

apps, etc.

Servicios en la nube, 5G

Machine learning, Data mining, etc.

Modelos micro/meso/macro

Gestión del turismo a escala de distrito

Gestión de logística a escala urbana

Gestión de sistemas controlados como naves

de logística

Planificación de transporte a escala urbana.

6

9

5

7

6TRL 2020 - Gemelo digital de movilidad

Funcionalidad Ejemplo de desarrollosEjemplo de aplicaciones

actuales con TRL 9TRL actual a escala

urbana y en tiempo real

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SECTOR TRANSPORTES

Respecto a los costes de desarrollo e implementa-ción de los C-ITS, la hoja de ruta de la CE estima unainversión necesaria entre 1.500 y 2.500 millones de€ en I+D+i provenientes de recursos públicos y pri-vados, divididos en 3 fases consecutivas (diseño, op-timización y ejecución) hasta 2050. Además, el costeasociado al despliegue de dichos sistemas se estimaque podría ser 10 veces más que los costes de inver-sión en I+D+i118. Como contrapartida, la CE esperaun impacto positivo, con una ratio coste-beneficioentre 2 y 8 al contabilizar los ahorros en energía,emisiones, tiempo de viajes y accidentes, por ejem-plo119. En total, si se toma la población urbana de laUE como referencia, los costes de implementaciónpueden suponer alrededor de 70 € por usuario im-pactado.

A modo de referencia, el presupuesto total porusuario impactado en el caso de la plataforma Co-penhagen Intelligent Traffic Solution fue entre 15 € y35 €120. Este proyecto es un caso de éxito que com-parte bastantes características incluidas dentro delconcepto de los Gemelos Digitales. Se trata de unaplataforma que agrega dentro de un cuadro demando diversas fuentes de información sobre el trá-fico en la ciudad de Copenhague. El sistema escapaz de recopilar información sobre las condicio-nes del tráfico, condiciones climáticas y eventos

puntuales, como obras civiles, además de la locali-zación geográfica y anónima de todos los dispositi-vos móviles que interactúan con la red de puntos deacceso WiFi de la ciudad. Esto permite medir entiempo real la cantidad de personas y los modos detransporte que transitan en un área específica, útilpara la identificación de patrones de movilidad ur-bana y la proposición de medidas que garanticenuna mayor eficiencia y seguridad del sistema detransporte urbano. El cuadro de mando tambiénpermite generar modelos para el análisis de dichasmedidas, pero carece de funcionalidades como si-mulaciones predictivas y control automatizado. Otros proyectos de referencia que están siendo lle-vados a cabo actualmente son:

Estrategia España Digital 2025. Estrategia nacio-nal para impulsar el proceso de transformación di-gital.

Proyecto DSS4SharedMobility (2019-2021). He-rramientas de Ayuda a la Decisión para la Planifica-ción y Gestión de Sistemas de MovilidadCompartida. FEDER/Comunidad de Madrid.

Proyecto BD4PT (2019-2021). Desarrollar unanueva tecnología capaz de procesar datos de siste-mas inteligentes de pago y combinarlos con otras

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Nivel de desarrollo deEstrategia NTM

Vehículos servidospor aplicaciones ITS

Nivel de desplieguede vehículos autónomos

5%

19%

2%

40%

90%

17%

20%

55%

10%

70%

98%

24%

90%

100%

30%

97%

100%

34%

100%

100%

36%

Figura 13. Hoja de ruta estratégica de la EU para el despliegue de sistemas de gestión de redes y transporte multimodal (NTM). Fuente: adaptado de TRIMIS (2016).

118 - TRIMIS (2016) STRIA Roadmap: Network and Traffic Management Systems.119 - Asselin-Miller, N., et al. (2016). Study on the deployment of C-ITS in Europe: Final Report. Report for DG MOVE MOVE/C, 3, 2014-794.120 - DG ENERGY (2016) Analysing the potential for wide scale roll-out of integrated Smart Cities and Communities solutions.

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fuentes de datos (posicionamiento de vehículos,usos del suelo, datos anonimizados de telefoníamóvil, etc.), para analizar los patrones de comporta-miento de usuarios de transporte público. Finan-ciado por FEDER/MITECO. www.nommon.es/bigdata4publictransport

Proyecto LEAD (2020-2023) logística de últimamilla baja en emisiones y flexible ante la economía“bajo demanda” a través de la generación de geme-los digitales urbanos. Proyecto H2020. https://cordis.europa.eu/project/id/861598

Proyecto MOMENTUM (2019 – 2022) Generaciónde herramientas de planificación y modelos detransporte para la integración efectiva de las nuevasalternativas emergentes de movilidad urbana. Pro-yecto H2020. https://h2020-momentum.eu/

Proyecto HARMONY (2019 - 2022). Su objetivo esdesarrollar herramientas para la planificación armo-nizada del espacio urbano y del transporte útilespara autoridades metropolitanas y regionales. Pro-yecto H2020. https://harmony-h2020.eu/

Proyecto MORE (2018-2021). Optimización multi-modal para el espacio rodado en Europa. El pro-yecto realizará pruebas en 5 nodos urbanos de lared transeuropea de transporte (TENT-T), para ge-nerar herramientas de apoyo para el diseño del es-pacio rodado por parte de las ciudades. ProyectoH2020. https://www.roadspace.eu/

Proyecto CoEXist (2017-2020) La misión de CoE-xist es la generación de modelos de transporte y deinfraestructura en la vía preparados para la integra-ción de los vehículos autónomos. Proyecto H2020.https://www.h2020-coexist.eu/

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Los beneficios en materia de Eficiencia Energéticavienen dados por la optimización del viaje y del sis-tema, programación (o reprogramación) inteligentede rutas y horarios para evitar cuellos de botella, porejemplo, al distribuir la intensidad de los viajes parasuavizar el flujo de tráfico y aumentar la eficienciade toda la red de transporte. No obstante, la cuan-tificación del potencial ahorro energético de los ge-melos digitales no solo depende de factoresendógenos, propios del desarrollo tecnológico, sinotambién de factores exógenos derivados de la de-manda de nuevos servicios y funcionalidades porparte de los usuarios.

En términos generales, se estima que la adopciónde sistemas NTM podría contribuir aproximada-mente en 7% o 10% del objetivo global de descar-bonización total del transporte de la UE (60 % para2050). Se debe tener en cuenta que el desarrollo desistemas de esta índole no solo se promueve parareducir el impacto ambiental de la movilidad. Se es-peran otros beneficios en términos de seguridad yciberseguridad, optimización de la red y aumentode la rentabilidad del transporte de carga y pasaje-ros.

En este sentido, y en específico para el transporteterrestre, el despliegue de sistemas basados en C-ITS, como sería el caso de los Gemelos Digitales, su-pondría una reducción en el consumo decombustible y en la emisión de CO2 de 1,2% a nivelde la UE. En cuanto a gases contaminantes se esti-man menores emisiones de NOx (-0,7%), CO (-0,4%),COV (-0,4%) y Material Particulado (-0,5%). Tambiénse esperan beneficios asociados a la reducción enlos tiempos de viaje (-3%) y en la tasa de accidenta-lidad (-7%)121.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSPORTES

121 - Asselin-Miller, N., et al. (2016). Study on the deployment of C-ITS in Europe: Final Report. Report for DG MOVE MOVE/C, 3, 2014-794.

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SECTOR TRANSPORTES

En el caso de España, si se adopta una mejora de1,2% en términos de eficiencia energética respectoal consumo final de energía del sector transporte a2030 (29.059 ktep/año)122, del cual el 77% corres-ponde al sector de carretera123, se podría concluirque los ahorros potenciales en el consumo de ener-gía final para el año 2030 serían alrededor de 270ktep/año. Igualmente, en términos de emisiones, se

podría considerar una reducción anual de 670 ktCO2 eq, al tomar las emisiones del sector transportea 2030 (59.895 kt/año) y aplicar el correspondienteporcentaje del sector carretera (93%124,125) y la re-ducción esperada en emisiones (1,2%).

Análisis DAFO

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Marco normativo favorable en términos de movilidad sostenible (Green deal, PNIEC, etc.).

Demanda social creciente de modos y servicios basados en internet.

Nuevas capacidades gracias al despliegue de la red 5G.

Desarrollos del sector de la automoción (CAVs, vehículos eléctricos, etc.) y de infraestructura inteligente (puntos de carga).

Ausencia de una regulación que garantice el uso colaborativo de los datos.

Estándares y protocolos para el uso multi-agente y ciber-seguro aún por desarrollar.

Riesgo de efecto rebote: optimización del tráfico puede aumentar el uso de modos menos eficientes.

Baja integración de los modos no motorizados, claves dentro de la movilidad sostenible.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Ausencia de plataformas o espacios para compartir Información entre agentes.

Baja tasa de desarrollo de modelos de transporte dentro de los planes de movilidad urbana sostenible.

Barreras de ciber-seguridad, privacidad de la información y protección de datos.

Sistema multimodal de complejidad creciente.

Falta de recursos financieros y humanos necesarios para gestión de Big Data en ciudades pequeñas y medianas.

El uso de la infraestructura actual se limita a diagnóstico.

Interés del sector por avanzar hacia la consolidación de este tipo de sistemas.

Colaboración público-privada en proyectos de I+D.

Múltiples aplicaciones reflejadas en mejor calidad de servicios para el usuario.

Potencial reducción de tiempo de viaje, accidentes, consumo de energía y emisiones.

El nivel de desarrollo actual de las tecnologías requeridas es prometedor.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 21. Análisis DAFO de los gemelos digitales de movilidad.

122 - MITECO (2020) Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 (PNIEC 2030)123 - IDAE (2020) Balance de Energía Final 2018.124 - MITECO (2020) Inventario Nacional GEI.125 - La diferencia del peso del subsector carretera entre consumo de energía final y emisiones de CO2 eq se debe a que en la primera se tieneen cuenta el aporte de los vuelos internacionales, y en la segunda no. Se ha comprobado el valor a 2018 entre PNIEC, el balance de energía finalde IDAE y el inventario nacional de emisiones para verificar esta diferencia.

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En la tabla 21 se resumen los principales resultadosobtenidos en el análisis DAFO respecto a los Geme-los Digitales de Movilidad:

El desarrollo de gemelos digitales en movilidad nosolo es de interés para el sector, debido a todas lasfuncionalidades que permitiría aplicar a la gestióndel tráfico y la movilidad urbana, sino que tambiénresulta ser una tecnología necesaria para la intro-ducción, bajo criterios de sostenibilidad y eficiencia,de nuevos modos y servicios de transporte conecta-dos, así como de las nuevas dinámicas de compor-tamiento asociadas a trabajo y a compras online. Loanterior requiere superar barreras tecnológicas, le-gislativas y de colaboración entre los agentes quegeneran la información y aquellos que gestionan lamovilidad en las ciudades.

4.2Recuperación deenergía de frenada, SmartGrids y combusti-bles alternativospara el subsectorFerrocarril Descripción

En el sector Ferrocarril, se percibe la descarboniza-ción de la economía como un espacio de oportuni-dad para la actividad del sector en general. La Redde Infraestructuras de Transporte, por un lado, y laRed Eléctrica, por otro, afrontan la transición bajoclaves que presentan puntos de confluencia coneste sector.

Además de su naturaleza propia, como infraestruc-tura de transporte, el despliegue existente de laRed de Ferrocarril, y su alto grado de electrificación,ofrece posibilidades de interés para el sector eléc-trico en el proceso de transición energética, más alládel propio ámbito de transporte.

Las líneas de trabajo relevantes desde la perspectivade la eficiencia energética presentan una madureztecnológica elevada en el ámbito de ‘integracióncon el sistema eléctrico’, con un recorrido previo re-levante, y un recorrido menor en otros ámbitosenergéticos, cuyo sentido es más oportunista y deun menor impacto probable para el propio sectoractual.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSPORTES

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SECTOR TRANSPORTES

Almacenamiento de energía en tierra y SmartGrids.

El aprovechamiento de la energía recuperada porfrenada es, actualmente, una realidad. Se han pro-puesto varias tecnologías para poder aprovechar elmáximo de esta fuente de energía (subestacionesreversibles, sistemas de almacenamiento de energíaen tierra y a bordo, etc.) en función del tipo de ins-talación ferroviaria (tranvía, metro, cercanías, etc.)y del tipo de alimentación eléctrica que se dispongaCA o CC. El objetivo de esta tecnología es evitar queel excedente de energía generada por el frenado re-generativo se disipe, recuperándolo para ser de-vuelto a la red eléctrica de alta tensión. Estarecuperación tiene diferentes ventajas: ahorro ener-gético, ahorro económico y disminución de emisio-nes de gases de efecto invernadero (GEI),contribuyendo por lo tanto a la lucha contra el cam-bio climático. Sin embargo, la energía generada enel frenado solo puede aprovecharse por otros tre-nes que se encuentren en la misma sección eléc-trica. El resto de energía no aprovechada se disipaen las resistencias del propio tren y se pierde. Estalimitación queda solventada con la instalación de unequipo inversor, que habilita la conversión a subes-taciones de tracción reversibles en la red convencio-nal, de modo que pueda equiparar su eficienciaenergética a la existente en la red de alta veloci-dad126.

Es también reseñable que la implementación deesta tecnología lleva intrínseco el desarrollo deredes eléctricas inteligentes o smart grids, que su-ponen uno de los mayores retos en el mundo de laenergía eléctrica. Hay que señalar la importancia encuanto a la eficiencia energética que se conseguiríaal implementar estas acciones de forma generali-zada.

El objetivo del almacenamiento de energía en tierraes aprovechar la energía regenerada por los trenes

a través de la catenaria, en una planta de almacena-miento situada en tierra. Ello permitiría devolverlaa dicha línea cuando el sistema ferroviario lo de-mande. A nivel general, el sistema se compone detres elementos principales: 1) Módulos de almace-namiento; 2) Electrónica de Potencia; 3) Sistema deControl. Los elementos 2 y 3 pueden considerarsemaduros en el momento actual (TRL 9). El módulode almacenamiento debe ser evaluado para concluircuál es la mejor tecnología para emplear. En estesentido se prevé analizar la tecnología asociada aBaterías de Ion Litio y de Flujo Redox.

Hidrógeno como combustible alternativo

El objetivo de la tecnología se basa en disponer devehículos ferroviarios dotados de tracción híbrida.Por una parte, se dispondría de tracción eléctricapura (similar a la empleada actualmente) para circu-lar en líneas ferroviarias dotadas de electrificación.Por otro lado, se dispondría de tracción basada enpila de hidrógeno que permita circular al tren en lí-neas sin electrificar, siendo un sustituto natural dela tracción diésel actual.

Los trenes de hidrógeno son competitivos cuandose diseñan para líneas no electrificadas de más de100 km de longitud. Son especialmente viables paralíneas con muy baja utilización (máx. 10 trenes pordía) pero también para el transporte de la últimamilla. Estos trenes se caracterizan por un reabaste-cimiento de combustible relativamente rápido(menos de 20 minutos) pudiendo funcionar durantemás de 18 horas sin reabastecimiento. Los nivelesde hibridación (relación entre la pila de combustibley la energía de una batería que se cargaría cuandoel tren circula bajo catenaria) son muy flexibles yhacen que los trenes de hidrógeno sean aplicablespara una amplia gama de casos de uso: masa dehasta 5.000 t, velocidades de hasta 180 km/h y re-corridos de hasta 700 km.

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126 - Fuente: Documento de posicionamiento. Gestión energética sostenible e inteligente en el ámbito ferroviario. Noviembre 2016. Plata-forma Tecnológica Ferroviaria Española.

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Talgo, por ejemplo, se encuentra en pleno desarro-llo del tren de hidrogeno Talgo Vittal-One. A finalesde 2021 se realizarán las primeras pruebas en vía,mientras que su puesta en marcha está planificadapara 2023127.

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Almacenamiento de energía en tierra y SmartGrids.

Como se ha comentado, la recuperación de energíade la frenada es una realidad hoy en día, pero no asísu almacenamiento en tierra a nivel nacional. En laactualidad, estamos en un TRL7, y se espera que, enel horizonte 2030, la tecnología de almacenamientoya esté integrada de manera comercial a nivel nacio-nal (TRL9). Cabe tomar como ejemplo la empresaJapan Railways East. La crisis energética derivada delaccidente de Fukushima llevó al país a un aumentoimportante de medidas para mejorar la eficienciaenergética en las líneas de transporte ferroviario,entre las cuales está el almacenamiento de energía.La tecnología más utilizada en Japón es la de bate-rías de ión-Litio, conectadas a la catenaria ferroviariade 1.500 V a través de un convertidor continua-con-tinua para la estabilización de la tensión en catena-ria. Según los ingenieros japoneses, la tecnología debaterías en Japón tiene un precio muy competitivoque permite amortizar la inversión en 20 años.128

Alineados con esta tecnología, podrían destacarselos siguientes proyectos también relacionados consmart grids:

Proyecto Ferrolinera. Mejora la eficiencia energé-tica del sector ferroviario al recuperar la energía defrenado de los trenes para la recarga de los cocheseléctricos. El sistema está protegido mediante pa-tente en España y también por la norma internacio-

nal de patentes PCT. http://www.adif.es/en_US/co-municacion_y_prensa/fichas_de_actualidad/ficha_actualidad_00072.shtml

Proyecto Train2Car. Desarrollar un innovador sis-tema de gestión inteligente de la red de continuade los trenes y de los sistemas y dispositivos asocia-dos de Metro de Madrid (subestaciones de tracción,acumuladores fijos, posibles inversores), introdu-ciendo en la red puntos de alimentación a cocheseléctricos, de manera que se maximice el aprove-chamiento de la energía regenerada por los trenesen frenadas y la eficiencia global del sistema.https : / /w w w.metromadr id .es/es/quienes-somos/fondos-feder-y-proyectos-idi#panel4

Proyecto Merlin (2016-2019). Basado en la gestiónsostenible e inteligente de la energía para sistemasferroviarios en Europa. Proyecto liderado por laUnión de la Industria Ferroviaria Europea (UNIFE) ycon una amplia participación española integrada porRenfe, Adif, CAF. Proyecto financiado dentro del 7ºPrograma Marco. https://cordis.europa.eu/project/id/314125

Proyecto E-Lobster (2018-2021) Propone un inno-vador sistema de gestión de R+G (ferrocarril a red)que, combinado con electrónica de potencia avan-zada, podrá reducir las pérdidas de electricidadtanto en la red de distribución de energía como enla red de ferrocarril ligero. Proyecto H2020.http://www.e-lobster.eu/

Proyecto ElecRail. Proyecto basado análisis siste-mático del consumo energético en líneas ferrovia-rias metropolitanas de cercanías y de alta velocidad,con valoración del impacto energético y del resul-tado económico, incluyendo el desarrollo de mode-los y simuladores parametrizables. http://www.investigacionffe.es/proyecto_elecrail.asp

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSPORTES

127 - Proyecto Talgo Vittal-One. Talgo. https://www.talgo.com/es/-/talgo-tendra-listo-su-tren-de-hidrogeno-en-2023/1.0http://www.ciemat.es/cargarAplicacionNoticias.do;jsessionid=938657EA9811D933F3989569C1A41506?identificador=632

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SECTOR TRANSPORTES

Hidrógeno como combustible alternativo

La utilización del hidrógeno en el sector ferroviariose encuentra en un TRL 6 a nivel nacional, no así enEuropa con el desarrollo de ALSTOM Coradia Ilint129,en los 65 kilómetros que unen las localidades deGroninga y Leeuwarden en el norte de Países Bajos.Basado en esta experiencia, se calcula que el CosteTotal de Propiedad (TCO por sus siglas en inglés) porcada tren al año sería de 6-8 €/km, valor que incluyeinfraestructura, mantenimiento, operación y depre-ciación de los trenes130. Recientemente, Talgo pre-sentó el que sería el primer prototipo en España deun sistema de propulsión de hidrógeno. Las prime-ras pruebas de validación en vía están planificadaspara finales de 2021131.

Derivado de que el modelo actual de transporte re-sulta insostenible, la tendencia es cada vez mayorhacia la descarbonización del sector del transporte.Esto hace que en el escenario 2050, la propulsióndiésel pueda tener muy poca presencia en el sectoro incluso desaparecer. En este sentido, la primeratendencia se sitúa en apostar por este combustiblealternativo en líneas no electrificadas. Actualmente,España cuenta con más de 5.500 km de vías sin elec-trificar. Para poder circular por ellos, aproximada-mente un 13 % de la flota en Renfe es dependientedel diésel, lo que implica un consumo superior a 70millones de litros de diésel al año. El hidrógeno seplantea como una forma de producir electricidad abordo del propio tren empleando pilas de combus-tible, lo que reducirá la dependencia de los combus-tibles fósiles y eliminará las emisionescontaminantes. De este modo los trenes híbridosque actualmente se emplean en recorridos que noestán completamente electrificados se sustituiríanpor trenes con un único sistema de tracción, el eléc-trico, y esta electricidad se produciría a bordo delvehículo mediante pilas de combustible de hidró-

geno cuando el tren atraviese tramos de vías noelectrificadas.

Se podría afirmar que para el año 2030 se podría dis-poner de una flota de trenes traccionados por hidró-geno, principalmente en líneas no electrificadas.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Almacenamiento de energía en tierra y SmartGrids.

En esta línea, considerando una subestación ener-gética tipo, podría recuperarse en torno a 1.200.000kWh/año en todas las líneas electrificadas. Encuanto a la inversión se refiere, una planta de alma-cenamiento de energía no debería superar el millónde €.132

De entre los proyectos alineados con esta línea tec-nológica destaca el proyecto europeo RSMES, per-teneciente al Programa Tecnológico de la UniónInternacional de Ferrocarriles (UIC) y en el que par-ticipan, además de ADIF, otros administradores fe-rroviarios europeos. El objetivo del proyecto esidentificar la tecnología óptima de almacenamientopara el sector ferroviario. Se plantea un escenario“tipo” consistente en alimentar los servicios auxilia-res (eléctricos) de una estación, con la energía alma-cenada en una planta.

Hidrógeno como combustible alternativo

Sobre la base de las ratios proporcionadas por ALS-TOM, considerando un tren, la reducción de emisio-nes de CO2 es de 700 t CO2/año, lo cual equivale ala emisión actual de 400 coches. Por lo tanto, consi-derando una flota de treinta trenes, la reducción po-dría ascender a 22.000 t CO2/año, lo cual es

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

129 - https://www.alstom.com/es/press-releases-news/2020/3/el-tren-de-hidrogeno-coradia-ilint-de-alstom-supera-con-exito-sus130 - Navas, C. (2017) Development of Business Cases for Fuel Cells and Hydrogen Applications for Regions and Cities. Fuel Cells and Hydrogen

Joint Undertaking (FCH JU) & Roland Berger.131 - https://www.talgo.com/es/-/talgo-elige-extremadura-para-presentar-su-innovador-sistema-de-propulsi%C3%B3n-de-hidr%C3%B3geno/2.0132 - Fuente: ADIF: Sección de desarrollo de proyectos I+D.

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equivalente a 12.000 coches.

En lo que respecta a proyectos alineados con estatecnología, destaca el inicio del proyecto europeoFCH2RAIL, recientemente aprobado por la Comi-sión Europea. El objetivo principal es convertir unaunidad de cercanías eléctrica (de RENFE Operadora)en una unidad híbrida dotada de una pila de com-bustible de Hidrógeno. Posteriormente sería ensa-yada en la red ferroviaria española (red de ADIF) yen la red ferroviaria portuguesa (red de IP).

Análisis DAFO

A continuación, se resumen los principales resulta-dos obtenidos en el análisis DAFO de estas tecnolo-gías:

El sector del ferrocarril es uno de los sectores másconcienciados con la eficiencia energética no solo anivel nacional, sino también europeo, con alternati-vas de inversión en función de la tipología de em-presa que la impulse (infraestructura ferroviaria ofabricación de trenes) y línea tecnológica a desarro-llar.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSPORTES

Existe cabida del H2 como combustible en las líneas no electrificadas.

Desarrollo prometedor en el ámbito del almacenamiento de energía.

Aparición de nuevos medios de transporte sostenibles: autobús eléctrico.

Mayores exigencias ambientales para el desarrollo de proyectos y presentación de propuestas.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Falta de inversiones para la mejora de la red convencional y en la construcción de nuevas infraestructuras y su mantenimiento.

Normativa actual, en ocasiones, por detrás de los desarrollos tecnológicos.

Sector muy concienciado con la eficiencia energética y mayoritariamente electrificado.

Sector cada vez más optimizado a nivel de eficiencia energética.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 22. Análisis DAFO de la recuperación de frenada, integración de smart grids y de combustibles alternativos para el subsector del ferrocarril.

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SECTOR TRANSPORTES

4.3Nuevos materialesy motores máseficientes para el subsector Transporte AéreoDescripción

ACARE (Advisory Council for Aviation Research andInnovation Europe) ha establecido unos objetivosmedioambientales muy ambiciosos, recogidos en elFlightpath2050, y un plan para alcanzarlos, recogidoen la SRIA (Strategic Research and InnovationAgenda):

• Reducción emisiones CO2 en un 75 %.• Reducción emisiones NOx en un 90 %.• Reducción de la exposición al ruido en un 65 %.• Cero emisiones en operaciones en tierra.• Reciclabilidad y uso eficiente de los recursos (di-seño, fabricación, mantenimiento y retirada deservicio).• Uso de combustibles alternativos.• Comprensión de los efectos de la aviación en elclima.133

La asunción por parte del sector aeronáutico de supapel de liderazgo en la reducción del impacto me-dioambiental de la aviación supone un coste suple-mentario, tanto en inversiones de I+D+i y costerecurrente, como en industrialización. Este hecho sesuma a los compromisos que las empresas aeronáu-ticas adquieren derivados de la normativa ambien-tal, dado su carácter transversal y el hecho de ser

cada vez más rigurosa y cambiante. Más allá de plan-tear la necesidad de apoyo para que las industriaspuedan cumplir sus requisitos de aplicación ambien-tales como los relacionados con instalaciones de co-rrección de la contaminación o eficiencia energética,las organizaciones tienen la necesidad de apoyopara adaptar sus actividades y procesos a los cam-bios que se producen en dichos requisitos, sin quese vea mermada su competitividad.134

En lo que se refiere a eficiencia energética en el sec-tor, derivado de su enorme grado de sensorización,hace que se genere entorno a un terabyte de datosen un vuelo promedio, pero todavía continúa siendouno de los sectores más contaminantes, derivadodel aumento internacional del número de pasajeroshasta 4.000 millones, según “World Bank Group”. Laplanificación de rutas ya puede hacer que los pilotostomen decisiones en pleno vuelo para reducir elconsumo de combustible y, por tanto, las emisionesde CO2 a la atmósfera, pero lo que posiblementecambie el futuro de la aviación a nivel nacional e in-ternacional será la automatización completa de lasaeronaves (Inteligencia Artificial), la electrificacióndel sector y la investigación y reciclado de materia-les para aligerar el peso de éstas.135

A nivel nacional, el aeronáutico siempre ha sido unsector de referencia y de progreso y, en los últimosaños, ha disfrutado de un periodo de bonanza. Setrata de una industria que factura cerca de 9.000 mi-llones de € y ofrece puestos de trabajo a 43.000 per-sonas con alta cualificación, y genera 63.000empleos indirectos.

Su elevado impacto económico y social se debe aque:

• El sector aeronáutico fabrica productos de altovalor añadido y emplea tecnología muy innova-dora.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

133 - Plataforma Tecnológica Aeroespacial Española.134 - Retos del Sector Aeronáutico Español. Guía Estratégica. TEDAE. 2015.135 - LA DIGITALIZACIÓN EN EL SECTOR ENERGÍA TRANSFORMACIÓN TECNOLÓGICA Y ENERGÉTICA. DigitalES, 2019. Asociación Española parala digitalización.

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• El nivel de competencia es muy alto, lo que lesobliga mantener niveles de competitividad muyexigentes.

• Las demandas del mercado les obligan a realizarfuertes inversiones en I+D+i para estar al día delas nuevas tecnologías y mantener su cuota demercado.

• Los procesos de fabricación son muy complejos,por lo que la industria aeronáutica demanda tra-bajadores cualificados y especializados.

• Debido a la gran inversión necesaria para des-arrollar este tipo de proyectos, el impacto econó-mico en la zona de influencia es prolongado en eltiempo y garantiza una demanda laboral a largoplazo.

En la actualidad, y derivado de la situación causadapor el Covid-19, el sector se ha visto duramente azo-tado, por lo que se confirma que la I+D+i tienemucha responsabilidad en el futuro del sector y enhacer frente a sus altos costes energéticos e impli-caciones medioambientales.

Materiales metálicos con prestaciones mejoradas

Esta línea tecnológica se basa en la optimización demateriales existentes y en el desarrollo de nuevosmateriales y procesos de obtención/fabricación(fundición, forja, conformado, mecanizado, etc.)para mejorar las prestaciones de aleaciones ligeras(fundamentalmente TiAl de segunda generación, ti-tanio y aleaciones base Al) y materiales para altatemperatura (superaleaciones base Ni). Esto incluyemateriales estructurales y no estructurales destina-dos tanto a la aeronave, como a la planta propulsoray los sistemas. Las mejoras en las prestaciones de losmateriales permitirán reducir el peso, mejorar la efi-

ciencia, vida y reparabilidad. Todo esto impacta di-rectamente en la reducción de emisiones, consumode recursos y materias primas.

Materiales poliméricos avanzados

El objetivo de esta tecnología es el desarrollo de ma-teriales compuestos poliméricos multifuncionales ymateriales híbridos con propiedades avanzadas parautilización en la aeronave y en los sistemas. Incluyecomposites de altas prestaciones, composites ter-moplásticos y termoestables (TPC y TSC), autorefor-zados, composites híbridos (polímero-metal ypolímero-cerámica), recubrimientos funcionales,etc. La mejora de prestaciones se logrará inte-grando tecnologías de material, de procesos de ob-tención y transformación, considerando, además delmaterial, la reducción del impacto ambiental de di-chos procesos en todo el ciclo de vida. Las mejorasen las prestaciones de los materiales permitirán re-ducir el peso, mejorar la eficiencia, vida y reparabili-dad. Todo esto impacta directamente en lareducción de emisiones, consumo de recursos y ma-terias primas.

Motores más eficientes, silenciosos y sostenibles

La realidad de esta línea tecnológica pasa por el des-arrollo de nuevos sistemas propulsivos y no propul-sivos cuyo objetivo sea explotar su potencial en lareducción de peso, ruido y emisiones.

Esto va alineado con el desarrollo de modelos y he-rramientas de simulación para mejorar la eficienciay reducir el peso, y nuevos conceptos y funcionali-dades de sistemas secundarios de potencia. Cabedestacar, más a largo plazo, la propulsión híbridacon nuevos combustibles.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSPORTES

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SECTOR TRANSPORTES

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Nuevos materiales (metálicos y poliméricos)

Algunos de estos desarrollos están en proceso hoyen día, y su horizonte de implementación en el sec-tor se podría estimar de cara a 2030 para cumplircon los objetivos medioambientales establecidospor el sector.

Motores más eficientes, silenciosos y sostenibles

El horizonte de implementación de estas líneas tec-nológicas es más amplio y podríamos hablar de2035 aproximadamente. Como referencia de imple-mentación en el sector y potenciales ahorros, pode-mos tomar como referencia el nuevo desarrollo deRolls Royce denominado Ultrafan, cuya versión deúltima generación será 25 % más eficiente en con-sumo de combustible que su versión inicial Trent.Este fabricante cree que una aeronave híbrida, másverde y silenciosa, podría estar volando comercial-mente en 2030.

Como proyectos de referencia, se pueden nombrarlos siguientes:

Proyecto FADO: fabricación aditiva por láser de pie-zas de grandes dimensiones. Programa FEDER-INN-TERCONECTA.https://www.hydracorte.es/downloads/Fado.pdf

Proyecto EWIRA: EWIRA (External Wing Integrationfor Regional Aircraft Demonstrator).

La actividad de EWIRA se concentra en la introduc-ción de tecnologías innovadoras de diseño, fabrica-ción y ensamblaje en componentes de ala deldemostrador de vuelo FTB#2. El demostradorFTB#2 está liderado por Airbus Defence & Space

dentro del consorcio Regional-IADP. El foco de la ac-tividad de innovación se centra en:

• Nuevos conceptos de ensamblaje que reduzcanel tiempo y los costes del proceso.

• Innovación en mecanizado metálico para mejorarla eficiencia y reducir el impacto ambiental.

• Técnicas de diseño innovadoras en fabricaciónaditiva para piezas críticas.

• Nuevas técnicas de fabricación compuesta cen-tradas en la reducción del número de piezas.

• Tipo de proyecto: Internacional. Comisión Euro-pea - Clean Sky. Horizonte 2020.

Proyecto SINTONIA: Proyecto de I + D del sectoraeronáutico dirigido por Boeing Research & Techno-logy Europe S.L. que tiene como objetivo estudiar ydesarrollar nuevas tecnologías destinadas a minimi-zar el impacto ambiental y aumentar la eficiencia delas aeronaves no tripuladas (UAVs) mediante la me-jora de su ciclo de vida. Aciturri Composites participaen diversas actividades de proyectos que van desdela investigación de nuevos materiales reciclables ysu procesamiento en autoclave (utilizando ademástécnicas avanzadas de preparación) hasta el desarro-llo de herramientas de diseño más eficientes. Paraeste propósito, Aciturri trabaja en colaboración conuna red de otros cuatro centros tecnológicos espa-ñoles estrechamente vinculados al sector aeroespa-cial e industrial: TECNALIA (Guipúzcoa), IMDEA(Madrid), AIMEN (Pontevedra) y CARTIF (Valladolid).Este es un proyecto colaborativo desarrollado porun consorcio nacional fundado y financiado por elCDTI a través del programa CENIT 2009.

Proyecto SUSPIRE: Sustainable Production of In-dustrial Recovered Energy using Energy Dissipativeand Storage Technologies. Proyecto financiado den-

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tro del programa marco H2020 de la Unión Europeabajo el acuerdo de n° 680169. https://cordis.europa.eu/project/id/680169/es.

Proyecto AssAssiNN: Development of a multifunc-tional system for complex aerostructures ASSembly,ASSisted by Neural Network. Su objetivo es mejorarlos ciclos de producción para reducir costes y pesode las aeronaves, mediante el uso de Redes Neuro-nales, IA, Realidad Mixta y Aumentada y la RobóticaColaborativa. Proyecto financiado dentro del pro-grama Clean Sky 2 y programa marco H2020 de laUnión Europea bajo el acuerdo de n° 886977.https://cordis.europa.eu/project/id/886977.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

En términos generales, el ahorro en los costes direc-tos de operación para viajes de corta y larga distan-cia podría oscilar entre 5.000 y 17.000 € por cadakilogramo reducido en el peso de una aeronave. Lafuente consultada estima estos valores para un Air-

bus A320 para vuelos de 600 millas náuticas, en elcaso de corta distancia, y de 1.800 millas náuticas,para el de larga distancia136.

En el marco de la eficiencia en los motores y alige-ramiento de aeronaves, Boeing, con el 737 MAX,afirma que el uso de combustible y las emisiones dedióxido de carbono se pueden reducir en un 20 %en comparación con el 737 original y la huella deruido es un 40 % menor que los aviones de un solopasillo actuales137.

Análisis DAFO

El desarrollo de tecnologías asociadas a la eficienciaenergética en el sector de la aviación siempre es si-nónimo de avance, derivado de los altos costesenergéticos del mismo y, actualmente, de la situa-ción delicada que vive a causa de la pandemiaCOVID-19, cualquier tipo de ahorro es más que sig-nificativo. A continuación, se resumen los principa-les resultados obtenidos en el análisis DAFO deestas tecnologías:

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSPORTES

136 - GILANI, M., & KÖRPE, D. S. (2019) Airline Weight Reduction to Minimize Direct Operating Cost. 4th International Aviation ManagementConference (4th INTAVIC).137 - https://www.boeing.es/productos-y-servicios/commercial-airplanes/737max.page

Amplio rango de mejora de la eficiencia del sector.

Entorno socioeconómico actual que no es favorable al transporte aéreo de pasajeros.

Vehículo eléctrico y, a nivel nacional, TAV (Tren de alta velocidad).

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Situación delicada derivada del COVID-19.

Transporte de carácter poco sostenible.

Lograr la combinación “eficiencia-bajo ruido” requiere un alto grado de investigación.

Los plazos de puesta en el mercado en el sector aeronáutico son largos.

Fuertes inversiones anuales en I+D.

Alto impacto en el resto de los sectores.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 23. Análisis DAFO de los nuevos materiales y motores más eficientes para el subsector del transporte aéreo.

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Sector Transversal05

E S T U D I O D E P R O S P EC T I VA 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T EC N O LO G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E RG É T I C A

Sector Transversal

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5.1Sistemas de Acumula-ción eléctrica de grancapacidad y potenciapara mejorar la integración y eficienciade grandes sistemas decogeneración (industriay grandes edificios terciarios), acumulandoexcedentes eléctricostransitorios, permitiendoasí mejorar su eficienciaglobal

Descripción

Se conoce por sistemas de cogeneración aquellosque permiten generar energía eléctrica y energíatérmica a partir de la misma energía final. Mientrasque en las plantas térmicas o nucleares se disipa elcalor de las corrientes que han sido necesarias paraproducir la electricidad, las plantas de cogeneraciónutilizan esa energía térmica para la generación decalor, agua caliente sanitaria, agua fría, etc., incre-mentando la eficiencia energética de la tecnologíaen su conjunto y permitiendo recuperar hasta un60% de la energía desperdiciada en los sistemasconvencionales de producción de electricidad138.Además, las plantas de cogeneración tienden a si-tuarse próximas a los puntos de consumo, evitando

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Sector Transversal05

E S T U D I O D E P R O S P EC T I VA 2 0 3 0 - 2 0 5 0 D E T EC N O LO G Í A S D E E F I C I E N C I A E N E RG É T I C A

Sector Transversal

138 - https://www.energyavm.es/que-produce-sistemas-cogeneracion-de-elec-tricidad

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SECTOR TRANSVERSAL

el transporte de la energía a largas distancias y rea-lizando un mejor aprovechamiento de la energía.

Una planta de cogeneración suele estar constituidapor motores alternativos, turbinas de gas o devapor, que transforman la energía contenida en elcombustible en energía mecánica y calor residual ode escape. La energía mecánica suele transformarseen energía eléctrica a través de un alternador (estees el caso más usual), y el calor residual puede recu-perarse en forma de vapor de agua, agua caliente,aceites térmicos y gases calientes, como fluidos ter-moportadores y dispuestos para sus aplicacionestérmicas139.

Tradicionalmente, las fuentes de energía utilizadaspor las plantas de cogeneración eran combustiblesfósiles como el gas natural o el gasoil. De hecho, casiun 25% del consumo total de gas natural en Españay un 40% del total consumido por la industria se des-tina a la cogeneración140. Sin embargo, en los últi-

mos años, ha aumentado el número de plantas queutilizan biomasa o biogás procedentes de vertede-ros o plantas de depuración de lodos, incremen-tando todavía más la sostenibilidad del proceso. Enla figura 14 se muestra la distribución de energíaneta producida en centrales de cogeneración segúnel tipo de combustible utilizado.

En España, la cogeneración contaba en el año 2019con una potencia eléctrica instalada de 5.663 MWen unas 650 instalaciones activas asociadas a fábri-cas calor-intensivas que producen el 20% del PIB in-dustrial del país. La electricidad registrada encogeneración alcanza los 30 TWh que suponen el12% de la electricidad del país142. Dentro de su con-sumo en España, la mayor parte de la energía vadestinada al sector industrial (90%). Por su parte, elconsumo de la energía de cogeneración que se des-tina actualmente a usos comerciales y residencial su-pone en torno al 10% del total (Figura 14).

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139 - https://www.idae.es/tecnologias/eficiencia-energetica/transformacion-de-la-energia/cogeneracion140 - https://www.unionfenosagas.com/es/Newsletter/NoticiaNewsletter/cogeneracion-gas-industria-nl-mayo-2019?p=MAYO2019141 - MITECO, “Centrales de cogeneración 2018,” 2018.142 - A. Pérez, “La mejor versión del futuro incluye la cogeneración,” Energética, 23-Dec-2019.

Biogases

Fuel Oil

Diesel

GLP

Residuos Urbanos

Gas Natural

Carbón Bituminoso

Otras fuentes

Coque de petróleo

Biomasa

Gas de Refinería

Figura 14. Energía neta producida en centrales de cogeneración según tipo de combustible empleado. Datos de España, 2018.141

GAS NATURAL 85%

FUEL OIL 9%BIOMASA 3%

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Según el informe estadístico de cogeneración(2016)144 las industrias que más cogeneración tienenson los sectores de Industrias Agrícolas, Alimenta-rias y Tabaco, Industria Química e Industrias delPapel y Cartón, Edición e Imprenta. Dentro de éstas,las tecnologías que más se utilizan son: Motor decombustión (1.436 MW), Ciclo Combinado (1.114MW) y Turbina de Gas con Recuperación de Calor(658,2 MW). El ciclo combinado muestra una mediadentro de estas industrias de 31,6 MW/unidad,siendo la tecnología que tiene mayor potencia eléc-trica por unidad.

Los sistemas de cogeneración más importantes enfunción de los equipos utilizados para la generaciónde la energía145 son las plantas de cogeneración conmotor de gas o de combustión, las plantas de coge-neración de ciclos combinados, y las plantas de co-generación con turbina de gas.

El continuo desarrollo de la cogeneración se pre-senta como un elemento clave para continuar por

el camino de la descarbonización de la economía. Al-gunas de las asociaciones de cogeneradores espa-ñoles más importantes (ACOGEN, COGEN), hanpresentado recientemente una hoja de ruta para elhorizonte 2030-2050 en el que se apuesta por lo-grar una industria con muy alta eficiencia, flexibili-dad en la operación, fomento del autoconsumo enlas propias industrias y en los polígonos y áreas deproximidad, así como una mayor contribución a lareducción de emisiones de CO2.

Además, se considera vital el apostar por el uso decombustibles renovables y de bajas emisiones comoel biogás, syngas, hidrógeno y la captura de CO2,con el objetivo de lograr un sistema de cogenera-ción con cero emisiones netas en el año 2050. Ade-más, la hoja de ruta contempla “acuerdossectoriales estratégicos con industrias y promoto-res, disposiciones transitorias para asegurar la con-tinuidad en la transición, procedimientos deconcurrencia competitiva para establecer nuevosmarcos de actividad y para fomentar el autocon-

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

143 - http://www.acogen.es/post/informe-encuesta-acogen16-y-hoja-ruta-2017-2020--29-09-2016.pdf144 - https://www.idae.es/sites/default/files/estudios_informes_y_estadisticas/boletin_chp_2016_web_ok_final.xlsx145 - https://www.energyavm.es/que-produce-sistemas-cogeneracion-de-electricidad

Figura 15. Distribución de la potencia de cogeneración de España por sectores143.

Industria papelera

Industria química

Alimentación

Textil, vestidoy cuero

Otros

Refinerías

Azulejos ycerámica estructural

Comercial yresidencial

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SECTOR TRANSVERSAL

sumo y contribuir al sistema de obligaciones de efi-ciencia energética, así como promover la alta consi-deración de la cogeneración en las compras públicasecológicas”146.

Además de los propios sistemas de cogeneración,resulta fundamental para su desarrollo la utilizaciónde sistemas de almacenamiento de energía para mi-tigar los problemas debidos a la pendularidad diaria,estacional o incluso del clima, que afectan en granmedida a algunas fuentes de energía renovablescomo la radiación solar y la energía eólica. Además,los sistemas de almacenamiento de energía puedenser útiles para mejorar las ventajas potenciales pro-porcionadas por los sistemas de cogeneración, yaque podrían garantizar más ahorros de energía ycostes, así como la confiabilidad de la energía, si sedimensionan y operan adecuadamente. Los resulta-dos obtenidos incluyen la cogeneración a gran es-cala: uso de motores de combustión propulsadospor gas natural (150-1.000 kW) en combinación conbaterías de litio (0 a 800 kWh)147; así como la coge-neración a pequeña escala (microgrid): pila de com-bustible de óxido sólido (0,5 kW) con una batería deCloruro de Níquel y Sodio (~4 kWh)148. La diferenciaentre la ratio de potencia instalada y la cantidad deenergía almacenada en el caso de la gran (575kW/400 kWh) y la pequeña (0,5 kW/4 kWh) escalaconlleva que las características del sistema de alma-cenamiento cobren más importancia cuando estesistema se integra a pequeña escala.

La ventaja de utilizar este sistema a gran escala re-side en la experiencia en el dimensionamiento deplantas de cogeneración acorde a la demanda deplantas industriales. De este modo, es habitual ges-tionar la demanda de electricidad (cogeneración),

demanda de calor (almacenamiento de excedenteseléctricos en la batería) y picos de demanda de elec-tricidad (cogeneración y batería). Mientras tanto, lacogeneración más almacenamiento eléctrico parauso doméstico (pequeña escala), contará con siste-mas de menor potencia y capacidad, pero con unalto rendimiento y fiabilidad, en especial cuando lavivienda esté en zonas remotas.

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Las baterías electroquímicas como sistemas de al-macenamiento tienen un alto grado de madurez ysu uso en el mercado es común, con niveles de TRL9 en muchos casos . Sin embargo, la integración delos sistemas de almacenamiento en las plantas decogeneración se ha abordado en una literatura téc-nica limitada. En general, su desempeño se encuen-tra todavía en el rango de TRL 3-4 según el tipo desistema de almacenamiento considerado.

Entre los últimos estudios realizados en este campo,Aghaei y Alizadeh150, abordan en su publicación eldesarrollo de un sistema de cogeneración en vivien-das con un sistema de almacenamiento de energíahíbrido equipado con una batería de plomo-ácido yun almacenamiento de energía magnética super-conductora para responder de manera efectiva a lasfluctuaciones que se producen entre la demanda deenergía térmica y eléctrica de los usuarios y el mo-mento de generación de la energía. En otro artí-culo151, los autores realizaron un estudio también enviviendas con el fin de analizar, desde el punto devista del ciclo de vida, las implicaciones de instalarun sistema de cogeneración con integración deenergía solar fotovoltaica en complejos residencia-

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146 - http://www.acogen.es/prensa.php?id=606147 - A. Gimelli et al., “Optimal con fi guration of modular cogeneration plants integrated by a battery energy storage system providing peakshaving service,” Appl. Energy, vol. 242, no. February, pp. 974–993, 2019.148 - V. Antonucci et al., “Thermal integration of a SOFC power generator and a Na – NiCl 2 battery for CHP domestic application,” Appl. Energy,vol. 185, pp. 1256–1267, 2017.149 - T. Nguyen, V. Martin, A. Malmquist, and C. Silva, “A review on technology maturity of small scale energy storage,” Renew. Energy Environ.Sustain., vol. 36, 2017.150 - J. Aghaei and M. Alizadeh, “Multi-objective self-scheduling of CHP (combined heat and power ) - based microgrids considering demand res-ponse programs and ESSs ( energy storage systems ),” Energy, vol. 55, pp. 1044–1054, 2013.

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les con almacenamiento de energía en baterías elec-troquímicas, logrando una reducción de los impac-tos ambientales de entre el 35-100%. V. Antonucciet al.152 analizaron el ahorro logrado por un sistemade cogeneración compuesto por una pila de com-bustible de óxido sólido como generador principal,y una batería electroquímica de cloruro de níquel só-dico de alta temperatura como almacenamiento enaplicaciones domésticas. Por otro lado, en otro es-tudio153, se analizó el impacto de utilizar una red decogeneración adaptada con un sistema de genera-ción de energía fotovoltaica y una batería de alma-cenamiento de energía eléctrica en un hospital,obteniéndose de nuevo importantes ahorros eco-nómicos y ambientales.

En todos los casos, los autores consideran crucial re-alizar un buen dimensionado de la batería para ase-gurar la viabilidad económica de la instalación, asícomo seleccionar el tipo de batería adecuado y rea-lizar un estudio detallado de los picos de consumosde energía que se esperan tener que cubrir. Paraello, debe buscarse un equilibrio entre el dimensio-nado de la instalación, su coste de adquisición y laenergía máxima almacenada. Terlouw et al154, pro-ponen el uso de un modelo de optimización de múl-tiples objetivos para minimizar los costes deoperación y las emisiones de dióxido de carbono deuna comunidad residencial que utiliza diferentestipos de tecnologías de batería, concluyendo que lasbaterías de litio-ion son las que presentan un mejordesempeño en este tipo de aplicaciones. Además,el estudio contiene el desarrollo de una metodolo-gía dirigida a optimizar el diseño de distintas plantasde cogeneración que incorporan diferentes tipos debaterías electroquímicas.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

El hecho de incluir un sistema de almacenamientode energía eléctrica para optimizar la eficiencia deuna planta de cogeneración se presenta como unapráctica óptima en la consecución de los objetivospropuestos por la Comisión Europea en la hoja deruta 2030-2050.

El ahorro logrado por este tipo de sistemas de-pende del tipo de consumo que vaya a realizarse, asícomo del tamaño de batería instalada y del preciode la electricidad de red en un determinado país.Pese a no existir en la literatura muchos estudiostecno-económicos que traten este tema, en la pu-blicación de A. Gimelli et al. (2019)155, se presentaun estudio sobre los ahorros que se obtendrían enun hospital ubicado en el sur de Italia.

Para ello, se analizó el impacto de un sistema de co-generación con una potencia entre 150-1.000 kW ycon un sistema de almacenamiento de energía debatería de litio-ion en el rango de 0 a 800 kWh. Paraello, se plantearon diferentes escenarios. En el pri-mero de los escenarios analizados, se consideró uncoste de instalación de almacenamiento de energíaeléctrica de 600 € / kWh, mientras que el segundo,se consideró un coste de instalación de 300 € / kWh,en función de su tamaño. Como principal resultadodel estudio, ambos escenarios mostraron una clararentabilidad de la inversión, alcanzándose en el pri-mero de los escenarios un VAN de 2,27 M€. Por otro lado, además de los ahorros económicos,la posible incorporación de combustibles renova-bles además del gas natural, que es el combustible

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

151 - P. Balcombe, D. Rigby, and A. Azapagic, “Environmental impacts of microgeneration: Integrating solar PV , Stirling engine CHP and batterystorage,” Appl. Energy, vol. 139, pp. 245–259, 2015.152 - V. Antonucci et al., “Thermal integration of a SOFC power generator and a Na – NiCl 2 battery for CHP domestic application,” Appl. Energy,vol. 185, pp. 1256–1267, 2017.153 - N. Mat, H. Shekhar, C. Wei, and A. H. M. Yatim, “A techno-economic assessment of a combined heat and power photovoltaic / fuel cell / bat-tery energy system in Malaysia hospital,” Energy, vol. 112, pp. 75–90, 2016.154 - T. Terlouw, T. Alskaif, C. Bauer, and W. Van Sark, “Multi-objective optimization of energy arbitrage in community energy storage systemsusing di ff erent battery technologies,” Appl. Energy, vol. 239, no. February, pp. 356–372, 2019.155 - A. Gimelli et al., “Optimal con fi guration of modular cogeneration plants integrated by a battery energy storage system providing peakshaving service,” Appl. Energy, vol. 242, no. February, pp. 974–993, 2019.

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SECTOR TRANSVERSAL

tradicionalmente utilizado, lleva asociados impor-tantes ahorros en las emisiones de CO2 y coste delas externalidades de la energía generada.

Los ahorros que generaría la integración de estetipo de sistemas se han calculado con base en la si-tuación de la cogeneración en el mix eléctrico delaño 2030 predicho por el PNIEC156. En ese momentose prevé que la cogeneración suministre 12.122GWh utilizando gas, productos petrolíferos, produc-tos renovables y residuos. Para hacer el cálculo sehan considerado los siguientes factores:

• Todos los sectores menos el de servicios (10% dela cogeneración actualmente) podrán integrar labatería en su sistema. 12.122 GWh*90% = 10.910GWh.

• Se tienen en cuenta todas las plantas que hoy endía trabajan en un régimen “TODO-TODO”. Un75% del total. 10.910 GWh*75% = 8.182 GWh.

• Se estima que solo el 20% de esas plantas tendráintegrado el almacenamiento eléctrico para el2030: 8.182 GWh*20% = 1.637 GWh.

Los ahorros generados al integrar la batería en la co-generación provienen de las “no pérdidas” por eltransporte y distribución de la energía eléctrica, yaque esa energía se almacenaría y utilizaría mástarde. Se ha estimado un 5% de pérdidas en la redde distribución y transporte. Por lo tanto, se alcan-zarían unos ahorros energéticos aproximados de 82GWh.El ahorro medioambiental asociado viene dado porlas emisiones de CO2 debidas a la producción de los82 GWh ahorrados. Para este cálculo se utiliza el fac-tor de emisión actual de la cogeneración: 0,38 tCO2-eq/MWh157. De este modo, el ahorro ambiental sería31.093 tCO2-eq.

Análisis DAFO

Es importante reseñar que ambas tecnologías, lasplantas de cogeneración y las baterías electroquími-cas, ya son lo suficientemente maduras y confiables.Sin embargo, el sistema planta de cogeneración +batería podría posicionarse en TRLs 3-4. En la tabla24, se resumen los principales resultados obtenidosen el análisis DAFO.

Los problemas que se pueden encontrar al imple-mentar está tecnología están mayoritariamente li-gados a los siguientes factores: capacidad de labatería, coste de la batería y retribuciones. En rela-ción con la batería, las baterías de flujo redox de Va-nadio parecen la mejor opción, ya que están en TRL9 y su capacidad se puede modificar fácilmente enfunción de la cantidad de electrolito. Sin embargo,hay que impulsar también el uso de otras tecnolo-gías como baterías de flujo redox de electrolitos al-ternativos (moléculas orgánicas o polioxometala-tos), para no depender solo del Vanadio. El preciode éstas dependerá de su demanda en los próximosaños, y de las inversiones para el desarrollo de losnuevos electrolitos.

En el caso de las retribuciones, el 75% de las plantasde cogeneración españolas son “TODO-TODO”, locual implica que su rentabilidad está ligada a las re-tribuciones obtenidas al verter toda energía eléc-trica a la red. Para que se comience a almacenar laenergía eléctrica en baterías habría que incentivarretributivamente el autoconsumo (actualmentesolo el 25% de las plantas españolas trabajan eneste régimen).

Además, la batería se podría utilizar no solo para al-macenar la energía eléctrica de la cogeneración,sino también para almacenar la energía de otrasfuentes renovables (paneles fotovoltaicos, aeroge-

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

156 - BORRADOR ACTUALIZADO DEL PLAN NACIONAL INTEGRADO DE ENERGÍA Y CLIMA 2021-2030.https://www.miteco.gob.es/images/es/pniec_2021-2030_borradoractualizado_tcm30-506491.pdf157 - Emisiones de CO2 asociadas a la generación de la electricidad en España. https://api.esios.ree.es/documents/580/download?locale=es

informe2_FIN2_Maquetación 1 02/03/2021 12:43 Página 96

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neradores etc.). Sería muy interesante que las plan-tas de cogeneración crearan un parque de baterías,ya que, en especial las que se encuentran ubicadasen la industria de calor intensivo, vierten la mayor

parte de la energía eléctrica generada a la red. Esteparque podría suplir la demanda de suministro de lared cuando las energías renovables no estén activas.

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SECTOR TRANSVERSAL

Acoplamiento de tecnologías - cogeneración + batería + energía renovable + vehículo eléctrico.

Demanda social creciente.

Utilización de combustibles renovables (biogás o hidrógeno).

Posibilidad de almacenar para verter – creación de un parque de baterías.

Integración de nuevas tecnologías para la respuesta a la demanda energética - sistemas más flexibles y óptimos.

Versatilidad de los sistemas de almacenamiento energético.

Autoconsumo.

Incorporación de sistemas de almacenamiento térmico.

Marco legislativo no favorable: reducción de la potencia instalada para 2030.

Competencia con las energías renovables para conseguir subvenciones para los sistemas de almacenamiento.

Sistema de retribuciones no favorables para el autoconsumo.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Alta inversión inicial.

Es necersario desarrollar el acoplamiento batería más sistema de cogeneración.

Alto coste de las baterías.

Baja capacidad de las baterías.

Baja vida útil de la batería.

Falta de formación en el ámbito de las baterías y smartgrids.

Una elevada proporción de las plantas son para vender toda la energía eléctrica generada.

Conocimiento de la demanda energética de las plantas.

Softwares de gestión de energía disponibles.

Desarrollo de marco normativo de impulso del almacenamiento.

Fuente de generación continua y estable.

Reducción de vertidos a la red - menos pérdidas.

Bajada de precio de las baterías en 2025.

Instalaciones EXISTENTES en puntos estratégicos (polígonos y zonas residenciales).

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

Tabla 24. Análisis DAFO de los sistemas de acumulación eléctrica para sistemas de cogeneración.

informe2_FIN2_Maquetación 1 02/03/2021 12:43 Página 97

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SECTOR TRANSVERSAL

Existen otras oportunidades también relacionadascon el uso de biocombustibles, en especial el hidró-geno. Por último, pero no menos importante, estasplantas de cogeneración ya están ubicadas en luga-res estratégicos, por lo que el coste para implemen-tar la tecnología se reduciría al coste de la batería ylos sistemas eléctricos adecuados.

5.2Sistemas de acumulación eléctricapara sistemas de transporte que permitanmejorar la eficienciarespecto a los sistemasde tracción basada encombustibles fósiles

Descripción

Los sistemas de acumulación eléctrica (baterías) seencuentran entre las tecnologías clave para lograrlos objetivos de energía y emisiones de la EU para elaño 2050158. Si bien es cierto que el salto tecnoló-gico hacia sistemas de tracción eléctricos es funda-mental para reducir las emisiones de Gases EfectoInvernadero (GEI) en los sistemas de transporte, losdesarrollos futuros deberán mantener el rendi-miento de las tecnologías de acumulación eléctricaactuales para poder aprovechar sus beneficios deeficiencia energética.

Dentro del almacenamiento electroquímico paraaplicaciones en vehículos de transporte, el desarro-llo actual y futuro se centra en baterías secundarias,cuyo funcionamiento se basa en conversiones elec-troquímicas reversibles de reducción y oxidación(redox), que ocurren entre especies electroquímica-mente activas. Entre las familias de pares redox másutilizadas actualmente en baterías, destacan:

• Níquel cadmio (NiCd): bastante utilizadas en laindustria de la automoción. No obstante, se trata

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

158 - Edström, K. et al (2020) Battery 2030+ Roadmap: Inventing the sustainable batteries of the future. Research needs and future actions.H2020 BATTERY 2030+.

informe2_FIN2_Maquetación 1 02/03/2021 12:43 Página 98

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de una tecnología cara y con envejecimiento pre-maturo ante el calor.

• Níquel Metal hidruro (NiMH): principalmenteusadas en híbridos eléctricos (HEVs).

• Baterías de litio-ion (Li-ion): tecnología másprometedora para la próxima década debido a sualta eficiencia y baja auto descarga. Dentro de lascomposiciones químicas usuales se encuentranIon-Litio (LiCoO2), Ion-litio con cátodo de LiFePO4y Polímero de Litio (LiPo). Hoy, todos los vehículoshíbridos enchufables (PHEVs) y eléctricos de bate-ría (BEVs) utilizan baterías Li-ion y, a partir de2025, todos los híbridos eléctricos (HEVs) y de pilade combustible (FCEVs) también159.

Aunque el límite teórico de densidad energética delas celdas Li-ion todavía está por ser alcanzado, losdesarrollos futuros de dicha tecnología se esperanmás a nivel de materiales y del diseño de los paque-tes de baterías. Por un lado, bien para reducir la de-pendencia de materiales críticos, o bien para reducirel peso de los materiales no activos, y, por otro, paragenerar diseños específicos que satisfagan las de-mandas del sector de la automoción160 y reduzcanel coste actual a menos de 100 €/kWh161.

De cara a la presente década, además de las bateríasLi-ion existentes, se espera avanzar en el desarrollode baterías de estado sólido que sean competitivasa nivel mercado, ya que su densidad energética esaún baja. Para el horizonte 2030-2050162, las líneasprincipales de investigación son (1) el desarrollo deespecies electroquímicamente activas con mejorescaracterísticas (menor precio por kWh, uso de ma-teriales no críticos, mayor seguridad, etc.), (2) la in-corporación de sensores para la realización de

diagnóstico preventivos y dotar a las baterías defuncionalidades de auto-reparación, y (3) avanzar entemáticas transversales como la reciclabilidad de susmateriales. En cuanto a las especies electroquímica-mente activas en investigación, se destacan:

• Baterías Litio-aire o Baterías Litio-azufre (gene-ración 5).

• Baterías post-Litio como Sodio-ion, Metal-ionmultivalente y Metal-aire.

• Baterías de flujo en las que, a diferencia de lasbaterías secundarias, el electrolito no se encuen-tra dentro de la propia celda electroquímica, sinoen tanques externos desde los que es bombeado.La cantidad de energía almacenada depende deltipo de electrolito y de su cantidad, mientras quela potencia que suministra depende del númerode celdas de la propia batería163. Actualmente,existen principalmente en el mercado dos tipos debaterías de flujo: batería de vanadio y batería dezinc-plomo, pero su aplicación en automoción estápoco explorada.

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Respecto al apartado anterior, la revisión a continua-ción se realiza a nivel general de las baterías que seestán desarrollando para su puesta en mercado pos-terior a 2030. Es decir, se parte de la suposición deque las baterías Li-ion y de estado sólido serán lasque dominen la presente década y que las bateríaspara el periodo 2030 – 2050 serán aquellas que re-sulten mejores entre todo lo que se propone des-arrollar la actual P lataforma Battery 2030+. Dichaplataforma es una iniciativa de investigación euro-

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

159 - Element Energy (2020). Batteries on wheels: the role of battery electric cars in the EU power system and beyond.160 - G. Meyer, R. Bucknall, and D. Breuil, “STRIA Roadmap ‘Electrification,’” 2016.161 - Goldie-Scot, L. (2019) BloombergNEF. A Behind the Scenes Take on Lithium-ion Battery Prices. https://about.bnef.com/blog/behind-scenes-take-lithium-ion-battery-prices/ 162 - Edström, K. et al (2020) Battery 2030+ Roadmap: Inventing the sustainable batteries of the future. Research needs and future actions.H2020 BATTERY 2030+.163 - NANOFLOWCELL: ttps://www.nanoflowcell.com/what-we-do/innovation-research/nanoflowcell

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SECTOR TRANSVERSAL

pea a gran escala y a largo plazo para abordar losdesafíos a los que se enfrentará el sector de las ba-terías del futuro. Su objetivo es generar nuevos con-ceptos para respaldar el desarrollo de una cadenade valor industrial europea de baterías, desde ma-terias primas hasta materiales avanzados, celdas, pa-quetes y gestión de fin de vida útil, y para adaptarsu incorporación en empresas que usan bateríaspara diferentes aplicaciones.

En términos teóricos, las tecnologías químicas endesarrollo prometen mayores niveles de densidadde energía, incluso doblar el valor de las Li-ion164, ypor ende otorgar más autonomía en vía. Los vehícu-los eléctricos comercializados actualmente presen-tan autonomías de alrededor 250 km por carga (conbaterías de 200 Wh/kg), cuando los vehículos con-vencionales logran autonomías de más de 500 km.Para lograr este nivel de autonomía sin entrar en di-seños específicos de los paquetes de baterías, se es-tima que las nuevas generaciones de baterías debenlograr una energía especifica de 550 Wh/kg165. Noobstante, avances actuales en el diseño de los pa-quetes de batería con celdas Li-ion podrían alcanzarautonomías de 500 Km por carga, así que tal vez eldesarrollo de nuevas tecnologías químicas no solose centre en la densidad energética, sino en mejorarprestaciones respecto a la potencia, la seguridad dela batería o para reducir el uso de materiales críti-cos.

En cuanto al coste, un paquete de batería comercialpresenta valores de 170 €/kWh, pero uno de losprincipales objetivos del sector es reducir el costede la batería a menos de 100 €/kWh para el pre-sente lustro. Como se puede observar en la tabla 25,a partir del 2030 y con reducciones adicionales para2040, se espera disminuir este valor a menos de 70€/kWh aun cuando los packs de baterías sean un20% más grandes que los actuales.

Las baterías Li-ion continuarán siendo la tecnologíacomercial durante la presente década, probable-mente acompañadas con la puesta a punto de bate-rías de estado sólido para 2025167. El desarrollo denuevas generaciones basadas en litio es aún prema-turo. Además, las baterías pos-litio168, basadas ensodio, calcio, magnesio o aluminio, aún requierenmayor desarrollo para que sean comercialmenteatractivas. No sólo su nivel de densidad de energíaes menor que el de las baterías Li-ion, característicaque podría ser compensada con reducción en loscostes de producción, por ejemplo, sino que el es-tado de la investigación actual no tiene en cuentafactores clave para su puesta en el mercado, comola relación masa/volumen de las baterías. Esta faltade madurez tecnológica hace que sea muy compli-cado predecir cual será la tecnología emergenteque supere la barrera de comercialización de cara alperiodo 2030 - 2050169.

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164 - E. Comission, “Battery 2030+.”165 - Benveniste, G., Rallo, H., Casals, L. C., Merino, A., & Amante, B. (2018). Comparison of the state of Lithium-Sulphur and lithium-ion batteriesapplied to electromobility. Journal of environmental management, 226, 1-12.166 - Element Energy (2019) Batteries on wheels: the role of battery electric cars in the EU power system and beyond167 - H2020 Astrabat: All Solid-State Reliable Battery for 2025. http://astrabat.eu/ 168 - La estrategia Battery 2030+ considera como tecnologías pos-litio aquellas que no dependen de este material crítico. Es decir, tecnologíasdiferentes a Li-ion avanzadas, Li-ion de estado sólido, Litio-metal, litio-aire o litio-azufre.169 - Walter, M., Kovalenko, M. V., & Kravchyk, K. V. (2020). Challenges and benefits of post-lithium-ion batteries. New Journal of Chemistry,44(5), 1677-1683.

Tabla 25. Evolución esperada en coste, tamaño y densidad de energía a 2030 y 2040. Fuente: adaptado de Element Energy.

2020 2030 2040

Tamaño pack (kWh)

Densidad de energía pack (Wh/kg)

Coste pack batería (€/KWh)

90

150

170

100

240

70

110

250

60

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Los proyectos H2020 más recientes, financiadosdentro de la estrategia Battery 2030+, como SPAR-TACUS170, que pondrá a prueba una solución de ba-tería inteligente basada en sensores mecánicos yacústicos para detectar fallos y niveles de degrada-ción de las baterías, o el proyecto HIDDEN171, quedesarrollará procesos de auto-reparación para me-jorar la vida útil y aumentar la densidad de energíade las baterías de Li-metal un 50 % por encima delnivel actual de las batería Li-ion, esperan tener re-sultados con TRL 4-6 a finales del 2023. De lo ante-rior, se puede concluir que, si los objetivos de I+D dela estrategia Battery 2030+ se alcanzan, se podrácontar con una nueva generación de baterías parael año 2030.

Otros proyectos de interés en desarrollo son:

Proyecto BIG-MAP (2020-2023). Este proyecto ge-nerará la estructura necesaria para acelerar el estu-dio de nuevos materiales sostenibles y eficientespara el desarrollo de baterías. Proyecto H2020.(http://www.big-map.eu/)

Proyecto SENSIBAT (2020-2023). Desarrollar tec-nología basada en sensores para baterías Li-ion quemida en tiempo real la temperatura, presión, impe-dancia y conductividad de la celda. Proyecto H2020. (https://cordis.europa.eu/project/id/957273)

Proyecto ASTRABAT (2020-2023) Desarrollo decomponentes, arquitectura y materiales para la pro-

ducción en masa de baterías de estado sólido parael sector de la automoción. H2020. Acuerdo:875029 (https://astrabat.eu/)

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Para su aplicación en vehículos, las característicasmás relevantes de una batería son su densidad ener-gética (Wh/kg) que, cuanto mayor sea, mayor serála autonomía que permite una batería; la potencia(W/kg) que proporciona en el proceso de descarga;su vida útil medido en ciclos completos de carga ydescarga; la eficiencia (%), que determina cuanto dela energía de carga es aprovechada durante la des-carga; y la autodescarga (%) que sufre en estado dereposo. Como se muestra en laTabla 26, las bateríasLi-ion presentan excelentes niveles en cuanto a laautodescarga y la eficiencia, lo que las convierte enel paradigma del sector. Cualquier batería en desarro-llo deberá al menos lograr dichos niveles.

Lo anterior significa un desafío para las nuevas ge-neraciones de baterías cuyo desarrollo actual pre-senta bajos niveles de eficiencia. Por ejemplo, lasbaterías Metal-aire y Metal-ion poseen una eficien-cia cercana al 60%, mismo caso de las baterías Li-aire. Otro tipo de baterías, como Magnesio-ion ybaterías de flujo, alcanzan valores cercanos al 80%.En cuanto a la auto-descarga, por ejemplo, algunasde estas tecnologías presentan pérdidas de 10% enun día.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

170 - H2020 SPARTACUS: Spatially resolved acoustic, mechanical and ultrasonic sensing for smart batteries.https://cordis.europa.eu/project/id/957221/es 171 - H2020 HIDDEN: HINDERING DENDRITE GROWTH IN LITHIUM METAL BATTERIES. https://cordis.europa.eu/project/id/957202/es 172 - Kurzweil, P., & Garche, J. (2017). Overview of batteries for future automobiles. In Lead-Acid Batteries for Future Automobiles (pp. 27-96).Elsevier.

Tabla 26. Datos técnicos de algunas baterías electroquímicas en mercado

NiCd

NiMH

Li-ion

50

90

200

400

300

400

1500

1000

1500

80

70

93

20

30

2-3

450

200

170

Densidad de energía (Wh/kg)

Potencia (W/Kg)

Ciclos Eficiencia%

Autodescarga mensual a 25 °C (%)

Coste (€/kWh)

Tipo de Batería

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SECTOR TRANSVERSAL

Si se supone que todo desarrollo que supere la ba-rrera de comercialización a 2030 logrará el nivel deeficiencia actual de las baterías Li-ion, se podría con-cluir entonces que la eficiencia energética de los sis-temas de acumulación eléctrica respecto a lossistemas de tracción basada en combustibles fósilesviene dada por la diferencia en el consumo de ener-gía final entre los vehículos de combustión (ICE) ylos vehículos eléctricos (VE). En este sentido, se es-pera que para el año 2030, España cuente con5.000.000 de VE, entre turismos, furgonetas, auto-buses y motos, que equivaldrían a alrededor el 15%del total de la flota173. Este valor es similar al esce-nario de adopción tendencial de VE presentado enfigura 18, que además supone que el peso de los VEserá del 38% en 2040 y del 74% en 2050 sobre eltotal de la flota europea.

Ahora bien, los ahorros energéticos para el hori-zonte 2030-2050 asociados a la adopción de vehícu-los eléctricos se estiman en 150 ktep por cadapunto porcentual de flota vehicular reempla-zada por vehículos eléctricos. Para calcular estevalor, se adopta como referencia el total de km-pa-sajeros, en autobús, turismo y motocicleta, de Es-paña en 2030, que equivale a 583.540 millones dekm-pasajero175, y se calcula el ahorro energético de-bido a los km-pasajero que se dejan de transitar enICE para ser reemplazados por EV. Se adopta el fac-tor de consumo de un turismo pequeño ICE (0,06l/km) y uno EV (155 Wh/km) estimado para Europapara 2050176. Además, se corrige el cálculo con lossiguientes factores de paso de consumo de energíaprimaria: 1,11 para el gasóleo y 2,4 para la red eléc-trica nacional177. El ahorro en emisiones asociado seestima comparando las emisiones generadas por el

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

173 - MITECO (2020) Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 (PNIEC 2030).174 - Element Energy (2019) Batteries on wheels: the role of battery electric cars in the EU power system and beyond.175 - MITECO (2020) Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 (PNIEC 2030).176 - Krause, J., et al. (2020). EU road vehicle energy consumption and CO2 emissions by 2050–Expert-based scenarios. Energy Policy, 138, 111224.177 - IDAE (2019) Guía para la cumplimentación de líneas de actuación en la plataforma MENAE. Anexo I: factores de conversión de unidades demedida de energía.

Figura 18. Estructura de la flota vehicular en la EU según el escenario tendencial. Fuente: adaptado de Element Energy174.

Eléctricos (PHEV, BEV, FCEV)

Híbridos (HEV)

Combustión interna (ICE)

100%

80%

60%

40%

20%

0%

284 294 304

2030 2040 2050

Tamaño flota vehicular (millones)

7%

8%

85%

38%

11%

51%

74%

6%

20%

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uso de vehículos de combustión respecto a las emi-siones del mix eléctrico esperado para el año 2030.Esta diferencia equivale a 858 Kt CO2 por cadapunto porcentual de flota vehicular reemplazadapor vehículos eléctricos.

No obstante, el valor anterior corresponde a un cál-culo “del tanque a la rueda” que no corresponde ala eficiencia energética “del pozo a la rueda” quepresentan los VE basados en sistemas de acumula-ción eléctrica. De acuerdo con los expertos consul-tados, un ICE tiene una eficiencia cercana al 20%mientras que un VE puede alcanzar una eficienciaenergética de 45% cuando se alimenta de la red. In-cluso, este valor puede aumentar hasta el 75% si la

fuente es renovable proveniente de autoconsumo,pero para el siguiente cálculo se considera que lagran mayoría de VE se alimentarán de la red. Enton-ces, si se tiene en cuenta el aumento de 25% en efi-ciencia energética se podría hablar de ahorroscercanos a 1.200 ktep por cada punto porcentual deICE reemplazado por EV desde una perspectiva “delpozo a la rueda”.

Análisis DAFO

En la siguiente tabla, se resumen los principales re-sultados obtenidos en el análisis DAFO de estas tec-nologías:

103

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

Tabla 27. Análisis DAFO de los sistemas de acumulación eléctrica para sistemas de transporte.

Mercado de vehículos eléctricos en crecimiento. El desarrollo está impulsado por el sector de la automoción.

Desarrollo de marco normativo UE (Green deal, movilidad eléctrica, ODS, etc.) y Estrategia de I+D 2030+.

Acoplamiento de sectores -cogeneración + batería + energía renovable + vehículo eléctrico.

Demanda social creciente.

Restricciones (compra/uso) a los vehículos de combustión.

Impacto ambiental (extracción materiales y fin de vida).

Limitado número de fábricas en EU.

Factores políticos de países con materias primas.

Efecto rebote: movilidad sostenible.

Poca infraestructura de carga.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Baja vida útil de las baterías respecto a Li-ion.

Nuevas tecnologías presentan menos eficiencia y mayor auto descarga que Li-ion.

TRL bajo: proyectos H2020 esperan demostrar TRL4 para 2023.

Diversas tecnologías en desarrollo de cara a periodo 2030 – 2050 (Li-azufre, Li-aire, Li-ion estado sólido) con mayor Wh/Kg (impacta autonomía 250 km/carga).

Reducción de coste esperado a partir de 2025. Más atractivo para la movilidad eléctrica.

Tecnologías en desarrollo independientes de los materiales críticos.

Gran potencial de EE si se alimenta de Generación Distribuida.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

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SECTOR TRANSVERSAL

Actualmente, una de las principales barreras queafronta la adopción masiva de la movilidad eléctricaes el alto coste de sus sistemas de almacenamientoy la dependencia a materiales críticos para la pro-ducción masiva de baterías. Se espera que la puestaen marcha de ‘gigafábricas’, como la que actual-mente construye Tesla en Berlín, pueda reducir cos-tes aprovechando economías de escala. Noobstante, actualmente no existe ninguna tecnologíapos-litio con un nivel de desarrollo adecuado parasu fabricación y comercialización en masa.

5.3Nuevos combustibles derivados de residuos o producidos a partir de electrici-dad renovableDescripción

Los principales gases de síntesis obtenidos a partirde residuos o electricidad renovable que se hanidentificado son los siguientes:

• Hidrógeno.• Amoniaco y otros compuestos orgánicos.• Gas natural sintético o syngas.• Combustibles a partir de CO2 como Dimetil éter(DME) y Metanol.

En los siguientes apartados, se procede a detallar lainformación relativa a cada uno de ellos, así comosus posibles aplicaciones en el marco del caminohacia la descarbonización en el periodo 2030-2050.

Producción de hidrógeno verde

El uso del hidrógeno tiene como ventajas su altocontenido energético PCI (119,93 MJ/kg) y que nogenera contaminantes. Sin embargo, como restric-ciones presenta la dificultad en el sistema de alma-cenamiento y de seguridad. El hidrógeno verde, o

104

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

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hidrógeno producido a partir de recursos renova-bles, puede obtenerse mediante diferentes proce-sos y materias primas, como la conversión debiomasa, procesos fotobiológicos o por electrólisisde agua mediante suministro eléctrico de fuente re-novable. A continuación, se detallan los aspectosmás relevantes de estas fuentes de hidrógeno.

Conversión de biomasa

La producción a partir de biomasa se puede clasifi-car en procesos termoquímicos (reformado, pirólisisy gasificación) y procesos biológicos (fermentaciónalcohólica y digestión anaeróbica). En el caso de losprocesos termoquímicos, el proceso de pirólisis per-mite obtener productos que dependen de la natu-raleza del combustible empleado, de la temperaturay presión de la operación y de los tiempos de per-manencia del material en la unidad: gases (combus-tible gaseoso de bajo PC), sólidos (carbón vegetal)o líquidos (bioaceite). Por ejemplo, la pirolisis deRSU permite obtener líquidos hidrocarbonados queposteriormente pueden ser reformados para obte-ner hidrógeno. Al igual que en el caso anterior, en lagasificación, el producto final depende del agentegasificador (aire u oxígeno). Desde el punto de vistade la producción de hidrógeno interesan los proce-sos de gasificación con vapor de agua y oxígenopuro, ya sean a partir de carbón o de biomasa.

Radiación solar y procesos fotobiológicos

Los procesos de obtención de hidrógeno a partir dela radiación solar son procesos fotolíticos que sepueden separar en dos procedimientos: fotobioló-gicos y fotoelectroquímicos. Cabe destacar queambos procedimientos se encuentran actualmentebajo foco de estudio y se plantean para una implan-tación a largo plazo. Algunos organismos comoalgas verdes, cianobacterias, bacterias fotosintéti-cas y bacterias de fermentación oscura pueden ac-

tuar como catalizadores biológicos para producir hi-drógeno a partir de agua y ciertas enzimas como lahidrogenasa y nitrogenasa, de manera que daríanlugar a la obtención de H2 a partir de procesos fo-tobiológicos. La eficiencia solar de conversión de lasalgas verdes es del 10% y la de las bacterias fotosin-téticas del 6%. Esta tecnología permitirá, por tanto,producir hidrógeno a partir de agua, luz, enzimas ybiomasa, aunque a largo plazo.

En los procesos fotoelectroquímicos, se logra laelectrólisis del agua utilizando la luz solar mediantesemiconductores especializados. Diferentes mate-riales semiconductores trabajan en diferentes lon-gitudes de onda, de manera que las investigacionesse centran en seleccionar aquellos que disocien elagua y sean estables en ella. El atractivo de este pro-cedimiento radica en que ofrece gran potencial dereducción de costes, que presenta una eficiencia un30% mayor que la electrólisis realizada con célulasfotovoltaicas, y que en laboratorio se ha obtenidouna eficiencia de conversión sol-H2 de hasta el 16%.

Eólica y fotovoltaica para producción de energíaverde para el electrolizador

A partir de la energía generada por el recurso eólicoy/o recurso solar se puede realizar un almacena-miento de hidrógeno: producción en un electroliza-dor y reconversión a electricidad mediante pilas decombustible.

Amoniaco y Compuestos Orgánicos

Al igual que el hidrógeno, el amoniaco (NH3) es unproducto que puede obtenerse a partir de combus-tibles fósiles, biomasa u otras fuentes renovables.Algunas ventajas del amoniaco con respecto al hi-drógeno son un menor coste por unidad de energíaalmacenada, una mayor densidad de energía volu-métrica comparable a la de la gasolina, una produc-

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ción, manipulación y distribución mejor acomodadascon la infraestructura existente y una mejor viabili-dad comercial178. Además del NH3 (10,7-12,1kgH2/100l), hay otros compuestos líquidos que sehan estudiado para almacenar hidrógeno:

• Metil-ciclohexano (C7H14): densidad de alma-cenamiento de hidrógeno moderada (4,7kgH2/100l) y puede manejarse como un combus-tible líquido como la gasolina, en condiciones am-bientales, lo que es una ventaja para el proceso detransferencia de material. Sin embargo, se formatolueno en la deshidrogenación.

• Hidracina: resulta ser un candidato para la gene-ración de hidrógeno en condiciones ambientales(8,3 kgH2/100l).

Por su parte, el amoniaco muestra un valor diezveces superior en cuanto a densidad volumétrica179

al de las aleaciones de almacenamiento de hidró-geno. Además, la eficiencia teórica de conversión dehidrógeno de NH3 es del 89,3%, que es un valor cer-cano al de la aleación convencional de LaNi5(88,8%).

El amoniaco también se puede quemar sin la emi-sión de CO2. De esta forma, se espera que sea utili-zado como portador de hidrógeno y de energíarenovable en el futuro180. Aunque la forma más ba-rata de producir amoniaco en la actualidad es el re-formado de gas natural, que produce H2 y CO2, estepuede ser producido a partir de fuentes renovablescomo la solar, la eólica, a partir del aire (vía licuefac-ción de N2) o mediante electrólisis del agua. Estosmétodos no contribuyen a la producción de gasesde efecto invernadero y además ofrecen flexibilidaden su utilización, pudiendo ser empleado comofluido de trabajo en ciclos de generación de energía,

como vector para almacenamiento de energía,fluido refrigerante, y materia prima química aptapara la captura de CO2. El amoniaco permite un fun-cionamiento más efectivo de las celdas de combus-tible usando configuraciones más pequeñas, másseguras y más económicas, logrando una recupera-ción eficiente y una utilización del H2 con bajo im-pacto medioambiental. A pesar de estas ventajas,las celdas de combustibles deben de ser mejoradasdesde el punto de vista económico y de su implan-tación a gran escala. En la actualidad, el uso del amo-niaco parece centrarse en sistemas de propulsiónpequeños para aplicación en satélites los cuales re-quieran energía para la ruptura de la molécula deamoniaco en los componentes de H2 y N2.

Gas Natural Sintético

El Gas Natural Bio-Sintético (también conocidocomo Bio-SNG, gas natural renovable (RNG), biome-tano o metano renovable) se obtiene a través de lapurificación de biogás. El biogás es una mezcla debiometano CH4 (65-70%) y CO2 (30-35%) y peque-ñas cantidades de otros gases. Se crea mediante ladigestión anaeróbica de residuos orgánicos comoaguas residuales, estiércol, residuos alimentarios,vertederos, etc., que es una tecnología ya estable-cida. Después de la eliminación de contaminantes,el biometano es el mismo que el gas natural, y sepuede utilizar como combustible de transporte enforma de Gas Natural Líquido (GNL) o Gas NaturalComprimido (GNC).

La mayor parte de la producción de biometano pro-viene de la mejora del biogás, por lo que las mate-rias primas renovables y sostenibles para suobtención, son las utilizadas para la obtención debiogás (residuos de cultivo, estiércol animal, frac-ción orgánica de desechos, lodos de aguas residua-

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178 - Zamfirescu C., Dincer I.. Using ammonia as a sustainable fuel. Journal of POwer Sources (2008). 185(1):459-465.179 - El NH3 se licúa con facilidad a 1 MP y 298 ºK y alcanza una densidad de 1,5 veces la del H2 líquido.180 - Kojima Y., “Hydrogen storage materials for hydrogen and energy carriers”, International Journal of Hydrogen Energy 2019, 44(33):18179-18192.

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les). Sin embargo, la ruta de gasificación del biome-tano puede utilizar la biomasa leñosa (además delos desechos domésticos y agrícolas) como materiaprima, que consiste en residuos de tratamientos fo-restales y la transformación de la madera181. Usarbiomasa como fuente o recurso en la producción deSNG es muy interesante. Los desafíos de usar bio-masa en lugar de carbón surgen por un lado debidoa la diferente composición química y al diferentetipo de impurezas en el gas, como el azufre orgá-nico, y por otro lado debido al menor tamaño de launidad.

Dimetil éter (DME)

El DME es un gas en condiciones normales, con unpunto de ebullición de -25 °C y una presión de vaporde 0,5 MPa a 20 °C. El DME es ligeramente polar, yparcialmente tóxico. Además, su poder calorífico esmayor que el del metanol182. El DME se considerauno de los combustibles alternativos renovablesmás prometedores. Recientemente, el DME se haseñalado como combustible potencial para el trans-porte, el uso doméstico y la generación de energíadebido a sus propiedades físicas y características decombustión. El DME es conocido como posible sus-tituto del gasóleo, y su obtención se podría realizara partir de la biomasa. En el caso del biodiésel, suobtención se desarrolla a partir de grasas y aceitesvegetales o animales. Esto coloca al biodiesel encompetencia directa con la producción de alimen-tos. Sin embargo, DME puede producirse a partir degas de síntesis obtenido por la gasificación de bio-masa celulósica o carbón, por lo que no es un com-petidor directo de la producción de alimentos. Elgas de síntesis también puede convertirse en gasó-leo mediante la síntesis Fischer-Tropsch, pero la sín-tesis de DME es menos compleja. De esta forma, elDME se considera un combustible limpio ya quetiene bajas emisiones de gases de escape, no pro-

duce partículas, produce menores emisiones deCO2 y tiene una alta eficiencia térmica. Además,puede ser utilizado para diferentes aplicacionescomo el transporte, la calefacción residencial y la ge-neración de energía. Asimismo, puede actuar comoun combustible dual con GLP y gasolina para reducirlos impactos ambientales. El DME es portátil, lo queimplica que puede ser almacenado, transportado yutilizado fácilmente siempre y cuando su manejosea adecuado. Puede ser sintetizado a partir de unavariedad de materias primas como la biomasa. ElDME obtenido a partir de biomasa también está de-finido como Bio-DME.

Metanol

Actualmente, el metanol se sintetiza a partir de unareacción catalítica de gas natural a escala industrial.El proceso empieza con el reformado para dar lugara gas de síntesis y producir metanol a partir de re-acciones catalíticas a elevadas presiones y tempera-turas. Asimismo, la obtención de metanol se puedellevar a cabo a partir de energía y materias primasrenovables (definiéndolo como biometanol). Sepuede distinguir entre los procesos que utilizan labiomasa como fuente de carbono y energía simul-táneamente y los enfoques basados en la electrici-dad renovable en forma de energía química dehidrógeno con fuentes de carbono separadas enforma de CO2 de origen biogénico o fósil. La bio-masa puede utilizarse para obtener biogás, que seconvierte a su vez en metanol, ya sea catalítica o bio-lógicamente, o mediante gasificación para obtenergas de síntesis de manera similar a los procesos con-vencionales. Para utilizar la energía renovable y elCO2, el metanol puede sintetizarse a partir de gasde síntesis intermedio mediante la reacción inversade desplazamiento de gas del agua o mediante hi-drogenación directa. Por ejemplo, en la generaciónde metanol con energía renovable, a partir de hidró-

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181 - https://www.iea.org/reports/outlook-for-biogas-and-biomethane-prospects-for-organic-growth/an-introduction-to-biogas-and-biomethane182 - Semelsberger T.A., Borup R. L., Greene H.L. Dimethyl ether (DME) as an alternative fuel. Journal of power source (2006); 156(2,1): 497-511.

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geno y dióxido de carbono, el hidrógeno puede pro-ceder de la electrolisis del agua, pirolisis de biomasao gasificación, mientras que el CO2 puede procederde las emisiones industriales.

Nivel de desarrollo tecnológico, recursos y perspectivas de evolución

Relacionado con el sector de la automoción, la in-corporación de vehículos híbridos y de batería eléc-trica al mercado es una realidad desde hace unosaños. La relevancia de estos últimos ha ido en au-mento debido a su mayor eficiencia energética y au-sencia de emisiones contaminantes. Sin embargo,técnicamente siguen presentando una serie de in-convenientes, principalmente asociados a su mo-desta autonomía y al tiempo de recarga necesario.Este escenario favorece el desarrollo de nuevas tec-nologías que permitan mejorar las prestaciones ac-tuales de estos vehículos, como es el caso de la pilade combustible de hidrógeno. Este sistema utiliza elmencionado gas para generar la electricidad que im-pulsa el vehículo en el propio coche, al combinarlocon el oxígeno del aire. Es también, por lo tanto, unvehículo eléctrico, pero con la diferencia de que esaenergía se genera a bordo del automóvil. Sin em-bargo, el uso de hidrógeno en automoción presentauna serie de inconvenientes que hacen que no re-sulte una tecnología rentable hoy en día. En primerlugar, se trata de una tecnología cara (más que la delvehículo eléctrico), estando valorados los pocos ve-hículos disponibles en torno a 70.000 €, por lo quesu mercado potencial no está desarrollado en la ac-tualidad. Además, el hidrógeno se vende actual-mente a 10-12 €/kg183, siendo el consumo medio de

unos 0,9 kgH2/100 km184.

Por otro lado, si bien el amoniaco se lleva utilizandodesde hace años en diferentes aplicaciones, a nivelcomercial, los motores de combustión interna ali-mentados con amoniaco han atraído el interés devarias compañías y países a lo largo de mundo comouna tecnología prometedora que puede contribuira un futuro sostenible. Existen varios ejemploscomo los trabajos realizados por Boothroyd185,quién propuso el uso de amoniaco para almacena-miento de energía producido a partir de recursos re-novables en áreas rurales y generación de energíaen grandes ciudades de Australia. Otros comoLeighty186 propuso la producción de amoniaco a par-tir de recursos renovables y su utilización como com-bustible para aplicación en motores de combustióninterna y/o en celdas de combustible para produc-ción de energía o uso en transporte. Diferentes aná-lisis de viabilidad en el uso de amoniaco comocombustible en motores de combustión basados enel análisis de su rendimiento termodinámico, la efec-tividad del sistema y la compactibilidad del tanquede combustible han sido llevados a cabo hasta lafecha187,188. La mayoría de estos estudios llegan a laconclusión de que, para hacer del uso del amoniaco,una opción viable en motores de combustión in-terna, este necesita ser mezclado con otros combus-tibles promotores de la combustión debido a su bajavelocidad de llama y alta resistencia a la auto-igni-ción. Esto fue corroborado por estudios previos, enlos que un diseño de cámara dual de combustiblefue elegido como el sistema más adecuado para eluso del amoniaco como combustible en motores decombustión189. De igual forma, otros trabajos reali-

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183 - Cuánto cuesta producir y utilizar el hidrógeno para los coches, Álvaro Subías, Autofácil, octubre 2019. https://www.autofacil.es/coches-electricos-e-hibridos/2019/10/16/cuesta-producir-utilizar-hidrogeno-coches/52811.html 184 - El hidrógeno en los coches: ventajas e inconvenientes. https://www.motor.es/que-es/hidrogeno185 - Boothroyd RG. A proposed Australian transition to an anhydrous ammonia fuel transport economy to replace liquid petroleum fuels. WITTrans Ecol En- viron 2014; 186 :443–56.186 - Leighty WC. Alaska’s renewables-source ammonia fuel energy storage pilot plant: Toward community energy independence. In: Powerand energy society general meeting (PES), 2013 IEEE. IEEE; 2013. p. 1–5.187 - Zamfirescu C, Dincer I. Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicular applications. Fuel Process Technol 2009; 90 :729–37.188 - Zamfirescu C, Dincer I. Using ammonia as a sustainable fuel. J Power Sources 2008; 185 :459–65.189 - Reiter AJ, Kong S-C. Demonstration of compression-ignition engine combustion using ammonia in reducing greenhouse gas emissions.Energy Fuels. 2008; 22 :2963–71.

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zados por Liu et al190 muestran que los motores decombustión alimentados con amoniaco sufrenpocas pérdidas de energía, y que su corrosión y ne-cesidades de lubricación no son mucho mayores quelas de los combustibles convencionales. Hasta lafecha, se han llevado a cabo diferentes análisis deviabilidad en el uso de amoniaco en motores decombustión, basados en el análisis de su rendi-miento termodinámico, la efectividad del sistema yla compactibilidad del tanque de combustible191,192.

El desarrollo del uso del biometano para el trans-porte es el foco de varios proyectos como BIOMAS-TER, MADEGASCAR, GasHighWay, BioGas Max,Urban Biogas, Green Gas Grids y Baltic Biogas Bus,cuyo objetivo es aumentar su uso en el mercado.BIOSURF es un proyecto financiado con fondos eu-ropeos en el marco del programa Horizonte 2020.BIOSURF se centra en aumentar la producción y eluso del biometano (a partir de residuos animales,otros materiales de desecho y biomasa sostenible),para la inyección de red y como combustible detransporte, eliminando las barreras no técnicas yallanando el camino hacia un mercado europeo debiometano.

Entre los combustibles alternativos de automoción,el dimetil éter (DME) está siendo objeto de investi-gación extensa para su uso como combustible dié-sel. El DME tiene un alto índice de cetano y, por lotanto, propiedades antidetonantes (baja tempera-tura de ignición) similares a las de un gasóleo bueno,por lo que la relación de compresión del motor dié-sel es la misma193. De esta forma, es el sector de laautomoción el que ha recibido la focalización de losestudios. En Europa, una agrupación de organizacio-nes y empresas escandinavas en la que participan laUniversidad Técnica de Dinamarca, Haldor Topsoe,

Volvo y Statoil han hecho con éxito ensayos con unautobús Volvo propulsado con DME194.

Por otra parte, los costos de producción del biome-tanol dependen en gran medida de la materia primautilizada, la configuración de la planta y las condicio-nes locales. En la Figura 16 se indican los costes aso-ciados a materias primas renovables como madera,desechos y CO2, junto con los combustibles fósilesconvencionales, gas natural y carbón. Los costos delbiometanol basado en biomasa (madera) se estimanentre 160 €/t y 940 €/t. Cuando se utilizan desechos,se estima que los costos de producción son ligera-mente inferiores; entre 200 €/t y 500 €/t. Se estimaque la producción basada en el CO2 es muy costosa,entre 510 €/t y 900 €/t. Aunque los datos son esca-sos, los costos de producción parecen más bajospara las capacidades más altas, con una dispersiónmenor. Se prevé que hasta que los costos de la ga-sificación de la biomasa disminuyan, las primerasoportunidades para el biometanol se encontraránprincipalmente en la producción integrada conotros procesos industriales (por ejemplo, produc-ción de pulpa, biodiesel y bioetanol). Por último, seobserva como la producción de biometanol a partirde CO2 es el proceso de producción más caro, concifras que oscilan entre los 510-900 €/t. Los proyec-tos actuales de biometanol se centran en el uso decorrientes de desechos de otros procesos industria-les, lo que sugiere que estos pueden ofrecer lamejor economía. La presencia de otras oportunida-des de nicho depende de las condiciones locales es-pecíficas, como los precios muy bajos de laelectricidad195.

El reemplazo de queroseno en el sector de la avia-ción esta aun en los comienzos de su desarrollo. Eluso del hidrógeno en el sector de la aviación puede

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190 - Liu R, Ting DSK, Checkel MD. Ammonia as a fuel for SI engine. SAE; 2003. Technical paper 2003-01-3095 p. 1–7.191 - Zamfirescu C, Dincer I. Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicular applications. Fuel Process Technol 2009; 90 :729–37.192 - Zamfirescu C, Dincer I. Using ammonia as a sustainable fuel. J Power Sources 2008; 185 :459–65.193 - Aga R. El dimetil éter (DME) como nuevo combustible limpio. (2002).194 - James P. Szybist, Samuel McLaughlin, Suresh Iyer. Emissions and Performance Benchmarking of a Prototype Dimethyl Ether-Fueled Heavy-Duty Truck (2014). 195 - Production of Bio-methanol. ETSAP and IRENA (2013). https://iea-etsap.org/E-TechDS/PDF/I09IR_Bio-methanol_MB_Jan2013_final_GSOK.pdf

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clasificarse en dos rutas principales: la primera es eluso del hidrógeno como sustituto del querosenopara los aviones de gran tamaño, y la segunda es eluso de pilas de combustible en lugar de motores dereacción para aviones pequeños196. El uso de la tec-nología de pilas de combustible para aviones toda-vía está desarrollándose, pero cada día recibe mayoratención de los principales fabricantes de aviones.Airbus y Boeing están estudiando actualmente laposibilidad de utilizar la tecnología de pilas de com-bustible para alimentar las unidades de energía au-xiliar (APUs) de sus aviones que antes funcionabancon motores diésel. Además, las pilas de combusti-ble tienen el potencial de utilizarse en lugar de lasbaterías para alimentar otros dispositivos y sistemasde las aeronaves. Por ejemplo, pueden utilizarsepara la presurización de la cabina, el sistema de con-trol ambiental, la iluminación y la instrumentaciónde la cabina, la protección antihielo de las alas, el ac-cionamiento de la superficie de control y del tren deaterrizaje197. Para que el hidrógeno sea viable parala industria de la aviación, debe aumentarse su den-sidad volumétrica o densidad de energía por unidadde volumen. Comparado con el queroseno, se nece-sita un volumen cuatro veces mayor de LH2 (hidró-geno líquido) para entregar la misma cantidad deenergía198. Sin embargo, a pesar de este inconve-niente, las aeronaves propulsadas por hidrógenoson más eficientes en cuanto a su peso e implicanmenores costos operativos que las aeronaves pro-pulsadas por queroseno.

El amoniaco es una de las opciones de combustiblealternativo en el transporte marítimo por sus bene-ficios. Actualmente, hay dos tipos de dispositivoscero carbono que las investigaciones sugieren queserían viables: uno es el amoniaco y el otro son lascélulas de combustible de hidrógeno. Con la com-bustión de amoniaco puro o la generación de ener-

gía eléctrica en una pila de combustible de hidró-geno, las emisiones se limitan a los vapores de aguay aire caliente en ambos casos, mostrando el amo-niaco menores emisiones que el hidrógeno. El amo-niaco es más difícil de encender y no es explosivo,en contraste con el hidrógeno, que es altamente ex-plosivo. También tiene una densidad de energía vo-lumétrica más alta que el hidrógeno, y essignificativamente más fácil de licuar para su alma-cenamiento y transporte, haciéndolo más rentable.Al ser almacenado, el amoniaco también tiene laventaja de que puede descomponerse en nitrógenoe hidrógeno, siendo este último potencialmente uti-lizado como combustible.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Por el estado de desarrollo de la tecnología, no secuenta con información robusta de proyección deimplementación de la misma (utilizando residuos oelectricidad renovable), por lo que se espera que lasprincipales aplicaciones de los combustibles estu-diados en los sectores de la automoción, la aviacióny el marítimo, bajo el enfoque temporal de estudio,descritas en el apartado anterior, sirvan de referen-cia para la definición de los ahorros potenciales enlos próximos años.

Existen estudios como el presentado por Ajanovicet al199, en que se analizaron los costes totales demovilidad de los vehículos de celda de combustiblede hidrógeno y los convencionales de combustiónen su respectivo escenario actual y a futuro. Su tra-bajo determina que actualmente el vehículo de hi-drógeno no puede competir con los vehículosconvencionales en términos económicos. Sin em-bargo, el escenario a largo plazo equilibra la balanza,con un coste aproximado de 50€/100 km, funda-

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196 - Dincer I., Acar C. A review on potential use of hydrogen in aviation applications. Int J Sustain Aviat, 2 (1) (2016), p. 74. 197 - Baroutaji A., Wilberforce T., Ramadan M. and Olabi A.G. Comprehensive investigation on hydrogen and fuel cell technology in the aviationand aerospace sectors. Renew. Sustain. Energy Rev., 106 (2019), pp. 31-40, 10.1016/j.rser.2019.02.022..198 - Cecere D, Giacomazzi E, Ingenito A. A review on hydrogen industrial aerospace applications. Int J Hydrog Energy 2014;39(20):10731–47199 - Ajanovic A, Haas R, Prospects and impediments for hydrogen and fuel cell vehicles in the transport sector, International Journal of Hydro-gen Energy, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.122

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mentalmente por el mayor coste asociado al uso decombustibles fósiles frente a una fuente renovable(prácticamente el doble), lo que supondría un aho-rro significativo en combustible en el caso del vehí-culo de hidrógeno. En lo que respecta al sector dela aviación, en comparación con las aeronaves dequeroseno, las de H2 tienen diferentes costos decombustible e infraestructura ligados, la propia ae-ronave y las operaciones. En el estudio presentadopor Clean Sky 2 JU and Fuel Cells and Hydrogen 2JU200, se analizan los costos de combustible que in-cluyen todos los costos de producción del combus-tible y la infraestructura necesaria para distribuir,almacenar y reabastecer a los aviones. No incluyenlos efectos indirectos de segundo orden que son in-ciertos y difíciles de estimar hoy en día, como la po-sible necesidad de adaptar los tamaños de las cajasde embarque de los aeropuertos para acomodaraviones más largos. Para una aeronave de corto al-cance en 2035, los costos aumentan alrededor deun 25 por ciento en comparación con una aeronavede queroseno ajustada a la nueva tecnología queprovee desarrollarse hasta 2035. Las principales di-ferencias de costos provienen de los mayores costosde energía, que afectan en un 9%, el mayor CAPEX(es el coste de desarrollo o el suministro de compo-nentes no consumibles para el producto o sistema)de la aeronave (7%), y los costos de mantenimiento(6%) y otros costos (3%).

A pesar de que las nuevas tecnologías basadas encombustibles sostenibles como el H2 supongan unaumento en los costes y en la demanda de energía,debido a las infraestructuras que son necesarias, elgran impacto que supone en la reducción de emisio-nes de CO2 (100% de reducción) y la reducción enel impacto medio ambiental (50-60%) suponen laventaja y un gran beneficio que hace que estas nue-vas tecnologías y combustibles sean rentables. Laproducción de hidrógeno a partir de biomasa reno-vable es una opción prometedora a medio plazo,

con emisiones netas de carbono muy bajas. Asi-mismo, desde una perspectiva a largo plazo, la tran-sición al hidrógeno a partir de la energía renovabledebería permitir una movilidad con cero emisionesde carbono. Si bien esta tecnología está mejorandorápidamente, el alto costo de los electrolizadores yde la electricidad renovable constituyen barrerasclave para una mayor absorción.

El despliegue actual de la infraestructura es limi-tado, y se centra fundamentalmente en proyectospiloto. Para ello, es necesario elaborar normas y re-glamentos comunes relativos a la seguridad de lasestaciones de repostaje, mantenimiento, sistemasde pago, etc.

Con los objetivos de la Organización Marítima Inter-nacional de reducir las emisiones totales anuales deGEI en al menos un 50% para 2050 en comparacióncon 2008 y, finalmente, eliminar por completo lasemisiones nocivas, es de suma importancia que la in-dustria marítima mundial analice los combustiblesrenovables como el hidrógeno, el amoniaco y el me-tanol.

Por otro lado, una de las tecnologías más amplia-mente probadas para la utilización del amoniaco esla de su aplicación en turbinas de gas. Hay que con-siderar que el desarrollo de turbinas de gas funcio-nando con NH3 es un campo todavía inmaduro, conrelativamente pocas publicaciones al respecto.

Finalmente, con referencia a planes a nivel españoly europeo de apoyo al desarrollo de estos combus-tibles alternativos, teniendo en cuenta las diferen-tes convocatorias de financiación en la temática ylas publicaciones de referencia, para un escenario amedio-largo plazo se puede ver que el hidrógeno ylos llamados e-fuels (combustibles sintéticos a partirde CO2 capturado + H2 renovable) son aquellos quetienen un mayor horizonte de apoyo a su desarrollo.

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200 - Hydrogen-powered aviation A fact-based study of hydrogen technology, economics, and climate impact by 2050(https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/FCH%20Docs/20200507_Hydrogen%20Powered%20Aviation%20report_FINAL%20web%20%28ID%208706035%29.pdf)

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Algunos estudios de referencia se indican a conti-nuación:

• “A roadmap for the sustainable production offuels and chemicals” https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/roadmap-sustainable-pro-duction-fuels-and-chemicals

• “Hoja de Ruta del Hidrógeno” https://www.miteco.gob.es/es/ministerio/hoja-de-ruta-del-hidrogeno-renovable.aspx

• “A look into the role of e-fuels in the transportsystem in Europe (2030–2050) (literature review)”https://www.concawe.eu/wp-content/uploads/E-fuels-article.pdf

Análisis DAFO

El análisis DAFO recoge un resumen no exhaustivode la información recolectada sobre los combusti-bles alternativos estudiados. Pretende señalar aque-llos aspectos más importantes a tener en cuentapara la implementación de dichas tecnologías. Deeste modo, en la siguiente tabla, se resumen losprincipales resultados obtenidos en el análisis DAFOde estas tecnologías:

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Tabla 28. Análisis DAFO de nuevos combustibles derivados de residuos o producidos a partir de electricidad renovable.

Barreras en cuanto a Demanda, Oferta e Infraestructura por cada una de estas tecnologías.

El uso de hidrógeno en el sector de la aviación requiere modificar el diseño tanto de la aeronave como de los motores.

El despliegue actual de la infraestructura de repostaje es limitado, y se centra fundamental-mente en proyectos piloto.

Aceptación pública considerando aspectos de seguridad (hidrógeno y amoniaco).

Baja viabilidad económica para la integración de tecnologías y producción.

El precio del combustible depende en gran medida del régimen de subvenciones e impuestos en cada país. No existe un enfoque comúnmente utilizado en Europa hasta el momento.

Dependencia de los costos de la gasificación de la biomasa.

Hidrógeno.

Dificultad en el sistema de almacenamiento y de seguridad.

Baja disponibilidad de hidrogeneras en España.

Los depósitos de hidrógeno son muy voluminosos limitando su implementación en vehículos privados.

Para la aviación, baja densidad de energía por unidad de volumen. Además, mayor consumo de combustible. Costo de capital mayor y reduce el espacio de carga.

Amoniaco.

Excesiva producción de NOx en los sistemas de generación.

Debido a la naturaleza corrosiva del amoniaco se debe prestar especial atención a los componentes del motor compuestos de cobre y latón.

En el caso del biometano, DME y biometanol el despliegue actual de aplicación es limitado, incluidas las estaciones de repostaje disponibles, centrándose fundamentalmente en proyectos piloto.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

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SECTOR TRANSVERSAL

Tabla 28. Análisis DAFO de nuevos combustibles derivados de residuos o producidos a partir de electricidad renovable.

La necesidad de mejorar las prestaciones de las baterías de vehículos eléctricos (autonomía y tiempo de descarga) favorece el desarrollo de nuevas tecnologías como las pilas de combustible de hidrógeno.

Actualmente se están adaptando los reglamentos de la Organización Marítima Internacional para prever la futura utilización de pilas de combustible en el transporte marítimo.

Objetivos de la OMI de reducir las emisiones totales anuales de GEI en al menos un 50% para 2050 en comparación con 2008.

Apoyo de diferentes fondos europeos para el desarrollo del uso del biometano para el transporte.

El biometanol se puede utilizar en los motores de ciclo Otto y Diésel.

Los Vehículos con Energía Alternativa son solucio-nes tecnológicas que ayudarán a cumplir los distintos compromisos exigidos por el marco legislativo y entorno internacional.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

En el caso del hidrógeno, alto contenido energéti-co y no generación de contaminantes.

El amoniaco puede ser usado como combustible en motores de combustión interna.

Existencia de una infraestructura considerable para el transporte y almacenamiento de amoniaco.

Posibilidad de aprovechamiento de infraestructuras existentes ya construidas para combustibles líquidos.

El DME no es un competidor directo de la producción de alimentos.

El DME como combustible en un motor diésel proporciona un grado de eficiencia tan alto y un nivel de ruido algo menor en comparación con un motor tradicional.

Aprovechamiento de corrientes de desechos de otros procesos industriales para producción de biometanol.

FFoorrttaalleezzaass

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SECTOR TRANSVERSAL

5.4Nuevos materiales quepermitan reducir el consumo o mejorar laeficiencia de los sistemas o equiposdonde se utilicen (p. e.sensible reducción depeso de equipos de vehículos y naves)

Descripción

Los nuevos materiales son un factor clave a la horade la fabricación de estructuras más eficientes queayuden a la descarbonización tanto en el área de laedificación como en el sector transportes. Sin em-bargo, es estrictamente necesaria la evaluación deestos materiales, especialmente en el sector trans-porte, donde la alta resistencia mecánica y térmicade los materiales juega un papel muy importante.Además, en el mundo de la edificación hay que bus-car nuevos materiales que mejoren la eficiencia deedificios rehabilitados, ya que gran parte de éstosfueron construidos cuando no había ninguna nor-mativa relacionada con la construcción eficiente.

De este modo, a continuación, se presenta una des-cripción de las tecnologías con mayor potencial dealcanzar ahorros para los sectores de la construc-ción, aeronáutico y transporte. Cabe señalar que en

el apartado de transportes ya se ha hecho mencióndel potencial de los nuevos materiales en el subsec-tor ferrocarril (sector 4 - 4.2) y aéreo (sector 4 -4.3), al igual que se mencionan nuevos materialespara la construcción en el apartado del sector de laedificación (sector 3 - 3.1).

Sector de la construcción

En el presente, la eficiencia energética de los edifi-cios es una de las mayores preocupaciones, debidoa los altos impactos en el medio ambiente, la eco-nomía y la sociedad. Para reducir la demanda deenergía, existen diferentes materiales innovadores(de cambio de fase, paneles de aislamiento de vacío,aerogeles, nuevas espumas de aislamiento, etc.) quepueden ser utilizados en la construcción, combinán-dolos con los materiales tradicionales201,202.

Panel de aislamiento a vacío (VIP: Vacuum Insula-tion Panels)

Recientemente se han considerado los VIP, comouna alternativa capaz de mejorar el rendimiento tér-mico de edificios con un espesor más reducido encomparación con el aislamiento tradicional de lanade roca o poliestireno expandido ( EPS). Los VIP per-tenecen a la prometedora familia de materiales desuper aislamiento (SIM: Super Insulating Materials).El aislamiento térmico se obtiene mediante una car-casa hermética que rodea un núcleo rígido del quese ha evacuado el aire. Gracias a su alta resistenciatérmica, su aplicación podría ser interesante en edi-ficios modernos para que sean más eficientes ener-géticamente. A continuación, se muestra una tablacomparando la conductividad térmica de diferentesmateriales aislantes y con la de los VIP203,204,205.

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201 - A. Magrini, G. Lentini, S. Cuman, A. Bodrato, and L. Marenco, “From nearly zero energy buildings (NZEB) to positive energy buildings (PEB):The next challenge - The most recent European trends with some notes on the energy analysis of a forerunner PEB example,” Developments inthe Built Environment, vol. 3, no. June, p. 100019, 2020.202 - Smart Cities Stakeholder Platform, “Advanced Materials for Energy Efficient Buildings”.203 - J. Fricke, U. Heinemann, and H. P. Ebert, “Vacuum insulation panels-From research to market,” Vacuum, vol. 82, no. 7, pp. 680–690, 2008.204 - A. Hashemi, M. Alam, and K. Ip, “Comparative performance analysis of vacuum insulation panels in thermal window shutters,” Energy Proce-dia, vol. 157, no. 2018, pp. 837–843, 2019.

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Materiales de cambio de fase

Como se ha descrito en el apartado del sector de laedificación, la incorporación de PCM en elementosconstrucción tiene sus dos mayores aplicaciones sonel almacenaje de energía y el control térmico pasivo.Se pueden utilizar en paredes, techos y/o suelos,desde donde pueden regular la temperatura de edi-ficios terciarios. Los dispositivos free cooling, o freeheating, consisten en el confinamiento del PCM entanques por los que se hace pasar el flujo de aire deledificio. Durante el día, los PCM absorben el calorbajando la temperatura de la sala (free cooling). Porla noche, los PCM devuelven el calor al ambiente(free heating), subiendo la temperatura de la sala ymanteniendo así una temperatura estable durantelas 24 horas. El uso de estos materiales permite unareducción de las temperaturas extremas y así comograndes fluctuaciones de temperatura, lo que re-sulta en un ahorro de energía (por ejemplo, de unequipo de aire acondicionado). Por lo tanto, los ma-teriales de cambio de fase se muestran como una

tecnología muy prometedora para reducir el altoconsumo de energía de los edificios y sus impactosnegativos en el medio ambiente206.

Materiales reciclados

Una de las etapas del ciclo de vida de los materialesde construcción con mayor impacto ambiental es lavalorización o depósito de Residuos de Construc-ción y Demolición (RCD) en vertederos. Tras la de-molición o deconstrucción de un edificio, un altoporcentaje de los materiales se convierten en resi-duos. Su destino, ya sea la reutilización directa, el re-ciclaje o la deposición en vertedero, hará que suimpacto ambiental sea menor o mayor.

Para reducir el impacto de los RCD y también reducirla extracción de materias primas, se está investi-gando el empleo de materiales reciclados en losnuevos productos de construcción. En la actualidad,en el sector de la edificación se percibe la prolifera-ción de nuevos productos de construcción que in-

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

205 - Owens Corning, “Thermal conductivity of insulation materials,” 2020. [Online]. Available: http://www.owenscorning.com/206 - S. R. L. da Cunha and J. L. B. de Aguiar, “Phase change materials and energy efficiency of buildings: A review of knowledge,” Journal ofEnergy Storage, vol. 27, no. September 2019, 2020.

Tabla 29. Conductividad térmica para diferentes materiales aislantes.

Poliestireno expandido

Fibra de vidrio

Lana mineral o de roca

Silicato de calcio

Silicato de sodio

Corcho corrugado

Corcho aglomerado

Fieltro semirrígido

Vacuum insulation panels, VIP

0,058

0,046

0,085

0,058

0,056

0,064

0,045

0,063

0,005-0,008

Materiales aislantesConductividad térmica k

(W·m-1·ºK-1)

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SECTOR TRANSVERSAL

corporan materiales reciclados (pétreos, plásticos,madera, vidrio, papel, etc.), gestándose lo que se havenido a denominar una nueva generación de eco-productos que aúnan eficiencia y compromiso me-dioambiental207.

Industria aeroespacial

La aeroespacial es una de las industrias pesadas másimportantes del mundo. Sin embargo, junto con unvalor económico sustancial viene un elevado con-sumo de recursos, y una de las mayores huellas decarbono en relación con el tamaño del mercado. Poresta razón, los principales impulsos de la I+D aero-espacial actual son hacia materiales estructuralesmás ligeros y motores más eficientes. El objetivo esfrenar el consumo de combustible y las emisionesde carbono asociadas a los viajes aéreos y al trans-porte de mercancías. Los nanomateriales y la na-noingeniería están ayudando poco a poco a alcanzarestos objetivos, lo que justifica el gran interés de laindustria aeroespacial por la nanotecnología.

Metales nanoestructurados

Los metales nanoestructurados, definidos comometales formados por cristales de tamaño nanomé-trico, presentan propiedades considerablementemejores en comparación con sus análogos con es-tructura de macroscópica o de grano más grande.Pueden mejorar propiedades cruciales para aplica-ciones aeroespaciales, como son el módulo elástico,la resistencia a la tracción, la resistencia a la corro-sión o una menor densidad para facilitar reduccio-nes sustanciales en el peso estructural.

Además, se ha demostrado que los metales nanoes-tructurados no sólo muestran propiedades mejora-das, sino que también pueden diseñarse paraaportar propiedades no características de materia-les de tamaño convencional. Un ejemplo de esto son

las aleaciones nanoestructuradas de titanio y níquelque tienen gran elasticidad208.

Nano composites poliméricos

Varios nanomateriales se han utilizado con éxito enla construcción de aeronaves como materiales de re-lleno (aditivos) en los polímeros, para mejorar laspropiedades estructurales y no estructurales. Losnano composites más utilizados incluyen nanotubosde carbono, nanoarcillas, nanofibras y grafeno.

Los nanotubos de carbono (CNTs: Carbon Nanotu-bes,) se pueden usar como aditivo en diferentes po-límeros debido a su excepcional rigidez, dureza ypropiedades eléctricas únicas. Las propiedades eléc-tricas de los CNTs fueron empleadas para la disipa-ción de la carga electrostática y el blindaje de lainterferencia electromagnética en el satélite Júpiterlanzado en 2011.

Las nanoarcillas (nanoclays) también se utilizan confrecuencia en la fabricación aeroespacial debido asus propiedades ignífugas. Esto, combinado con sualta resistencia, bajo peso y costo relativamentebajo, han hecho de los nanocompuestos epoxi/arci-lla un sustituto asequible y de alto rendimiento deldióxido de titanio, empleado para atenuar la perme-abilidad de los tanques de combustible en la avia-ción.

Una ventaja excepcional que proporcionan todos losnano composites poliméricos es su estructura intrín-seca libre de defectos a nivel de cristal. Como resul-tado, su resistencia a la deformación es muysuperior a la de los polímeros más grandes. Te-niendo en cuenta la carga extrema a la que están so-metidos los vehículos aeroespaciales, esto tiene elpotencial de reducir el tiempo y el costo incurridosen el mantenimiento requerido209,210.

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207 - M. Marrero Meléndez, “Aislamiento y reciclaje para reducir el consumo energético de las viviendas en Andalucía.” Jornada Nacional deConstrucción Sostenible y Soluciones Ecoeficiente, Sevilla, 2011.208 - R. Z. Valiev, I. Sabirov, A. P. Zhilyaev, and T. G. Langdon, “Bulk nanostructured metals for innovative applications,” Jom, vol. 64, no. 10, pp.1134–1142, 2012.

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Recubrimientos tribológicos y anticorrosivos

Otra tendencia en los materiales de las aeronaveses la utilización de nano recubrimientos sobre lasaleaciones de magnesio, para aumentar la durabili-dad de los metales. Por un lado, las aleaciones demagnesio son mucho más ligeras que el acero o elaluminio, pero, se ven comprometidas por su sus-ceptibilidad a la corrosión, causada por la alta reac-tividad química del magnesio.

La solución más común para combatir la corrosiónes utilizar un recubrimiento. Sin embargo, los recu-brimientos a base de cromo actuales pueden sercancerígenos. Los nanomateriales utilizados comoalternativa al cromo incluyen óxidos de silicio y boroy nano cristales de cobalto y fósforo. Desafortuna-damente, todavía no se ha desarrollado un revesti-miento adecuado para aluminio, normalmenteutilizado en estructuras aeronáuticas, lo que planteauno de los desafíos más apremiantes para el sector.La superficie heterogénea del aluminio hace quesea particularmente vulnerable a la corrosión. Lasinvestigaciones recientes identifican los nanocom-puestos de magnesio como una alternativa prome-tedora.

Además de utilizarse para prevenir la corrosión,también se pueden aplicar estos recubrimientos acomponentes mecánicos sometidos a altas tempe-raturas y al desgaste por fricción, como las palas deturbina. Estos recubrimientos pueden reducir drás-ticamente el coeficiente de fricción y mejorar la re-sistencia al desgaste, lo que mejora significativa-mente la eficiencia del motor y ayuda a reducir elconsumo de combustible.

A lo largo de los años han aparecido muchos mate-riales nanoestructurados como posibles agentesmodificadores de la fricción, como pueden ser: car-buros, nitruros, metales y diversas cerámicas211,212.

Sector transporte

Además de los nanomateriales - ya comentados enel anterior apartado (nano metales, nano composi-tes poliméricos, etc.) - que se pueden aplicar en estesector, una nueva tendencia interesante y de granaplicación podrían ser los recubrimientos autorre-parables.

Recubrimientos autorreparables de poliuretanos

Los recubrimientos autorreparables están desper-tando un gran interés en el sector de automoción.El gran valor añadido del que disponen estos recu-brimientos reside en su habilidad para remediar, porsí mismos, los daños recibidos. En algunos casos in-cluso pueden ser capaces de eliminar imperfeccio-nes de forma repetida. De este modo, aumentan elciclo de vida, y reducen costes de mantenimiento yreparación del vehículo recuperando las prestacio-nes iniciales.

Por todas estas ventajas, durante los últimos años,el sector del automóvil está desarrollando nuevosrecubrimientos autorreparables (self-healing). Eneste campo de aplicación tan interesante, los poliu-retanos destacan por encima de otros materialespoliméricos por sus propiedades amortiguadoras ybaja densidad, y sus propiedades de aislamiento tér-mico, de ruido, resistencia y durabilidad. Su bajadensidad desplaza el uso de materiales más pesa-dos, aumentando la eficiencia del vehículo en el uso

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SECTOR TRANSVERSAL

209 - V. T. Rathod, J. S. Kumar, and A. Jain, “Polymer and ceramic nanocomposites for aerospace applications,” Applied Nanoscience (Switzerland),vol. 7, no. 8, pp. 519–548, 2017.210 - NASA Technical Reports, “Graphite Nanoreinforcements for Aerospace Nanocomposites,” 2020.211 - R. D. Davidson, Y. Cubides, J. L. Andrews, C. M. McLain, H. Castaneda, and S. Banerjee, “Magnesium Nanocomposite Coatings for Protection ofa Lightweight Al Alloy: Modes of Corrosion Protection, Mechanisms of Failure,” Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science, 2019.212 - S. Dinca, I., Manoliu, V., Stefan, A., Stan, A., & Llina, “Nanocomposites and Nanotechnologies in Aerospace Research,” National Institute for ae-rospace research and development, 2010.

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SECTOR TRANSVERSAL

del combustible. Además, estos polímeros destacanpor su buena adherencia sobre cualquier tipo desustrato y por aportar propiedades tales como re-sistencia al desgaste y a la intemperie. Tambiéncombinan la dureza con un alto grado de elasticidady resistencia química frente a diferentes sustancias(ácidos, bases, compuestos orgánicos, etc.). La com-binación entre la versatilidad y buenas prestacionesde los poliuretanos, ha llevado a los científicos alempleo de estos materiales poliméricos como can-didatos idóneos para el desarrollo de este tipo derecubrimientos inteligentes autorreparables.

La clasificación de los recubrimientos autorrepara-bles se puede hacer en función de la naturaleza delagente reparador intrínseco o extrínseco. Los mate-riales de autorreparación considerados intrínsecospueden consistir, por una parte, en polímeros quecontienen uniones químicas o físicas, térmica o fo-toquímicamente reversibles o, por el contrario, enmatrices poliméricas con memoria de forma. La vidaútil de este tipo de agentes autorreparables se con-sidera prácticamente infinita. En el caso de losagentes extrínsecos, su aplicación no resulta tan in-teresante por el hecho de que los materiales auto-rreparables suelen ir encapsulados. Esto conllevaque la duración del efecto autorreparable esté li-gada a la cantidad de material dentro de la cápsula,y su vida útil sea más baja que en el caso de los agen-tes autorreparables intrínsecos.

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

El proyecto E2PBEER (Affordable and Adaptable Pu-blic Buildings through Energy Efficient Retrofitting)- un proyecto de investigación financiado parcial-

mente por "Horizonte 2020" - ha desarrollado unametodología rentable de "modernización energé-tica eficiente" para edificios públicos, aprovechandolos VIPs. Sin embargo, las barreras actuales para laaplicación de esta tecnología son: el riesgo de dañosdurante la instalación; la falta de conocimientosobre su durabilidad y vida útil; los efectos depuente térmico entre los paneles que, si no se miti-gan adecuadamente, pueden comprometer el ren-dimiento final; y el alto costo inicial en comparacióncon los materiales aislantes comunes213,214.

Los VIPs se comercializan actualmente llegando adurabilidades máximas de 60 años de servicio,siendo una de sus más prometedoras aplicacioneslos sistemas compuestos de aislamiento térmico ex-terno. Sin embargo, las mayores preocupacionestécnicas son el efecto de puente térmico en elborde del panel y el riesgo de condensación super-ficial. Además, es necesario que aumente la con-fianza en estos paneles haciéndolos más atractivospara las constructoras y reduciendo así su coste. Porestos motivos, la tecnología VIP dentro de estasaplicaciones se encuentra hoy en día en torno a unTRL7, a la espera de métodos de validación estándarque promuevan su lanzamiento215.

Con relación a los PCM como nuevos materiales, to-davía hay algunas necesidades de investigación enlo que respecta a las técnicas de incorporación yaplicaciones de estos materiales en los elementosde construcción exteriores216,217. Otros elementosclave que se tienen que mejorar son el coste de losmateriales debido al desconocimiento de esta tec-nología, y su lenta incorporación en el mercado es-pañol. Por lo tanto, hay acciones importantespendientes que sitúan esta tecnología en un TRL 5-

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

213 - A. Magrini, G. Lentini, S. Cuman, A. Bodrato, and L. Marenco, “From nearly zero energy buildings (NZEB) to positive energy buildings (PEB):The next challenge - The most recent European trends with some notes on the energy analysis of a forerunner PEB example,” Developments inthe Built Environment, vol. 3, no. June, p. 100019, 2020.214 - Smart Cities Stakeholder Platform, “Advanced Materials for Energy Efficient Buildings.”215 - Márcio Gonçalves, Nuno Simões, Catarina Serra, Inês Flores-Colen, ”A review of the challenges posed by the use of vacuum panels in ex-ternal insulation finishing systems”, Applied Energy, Volume 257, 2020, 114028.216 - Smart Cities Stakeholder Platform, “Advanced Materials for Energy Efficient Buildings”.217 - S. R. L. da Cunha and J. L. B. de Aguiar, “Phase change materials and energy efficiency of buildings: A review of knowledge,” Journal ofEnergy Storage, vol. 27, no. September 2019, 2020.

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6218. Los materiales más esperanzadores para su usoen edificios son las parafinas debido a su larga vidaútil trabajando en aplicaciones de baja temperatura(-15 – 100 °C).

Tendencias actuales como la adición de nanocom-puestos de grafeno de núcleo cerámico a materialesde construcción se sitúan en TRLs en torno a 3219. Latecnología utilizada por suntalphy220 podría conside-rar en TRLs en torno al 7-8.

En el sector ferroviario las tendencias actuales secentran en la conformación de grandes piezas utili-zando impresoras 3D, pero se podría decir que eluso de nuevos materiales compuestos ultraligerosque cumplen con los requisitos FST más exigentesestá avanzando hacía niveles TRL 7221. En el mundoautomovilístico, los materiales self-healing, en espe-cial elastómeros y polímeros, están ganando muchaatención, pero aún se encuentran en fase experi-mental (TRL 3 – 4)222,223.

Por parte de materiales para el sector aeroespacialy aeronáutico, los aerogeles de poliamida se en-cuentran en fase experimental224, y la adición de ma-teriales de carbono (nanotubos, fibras, materiales

basados en grafito, etc.) se encuentra en TRLs 4-6225,226.

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Como se ha expuesto anteriormente, dado queestos materiales ya se han explicado en otras sec-ciones, en este epígrafe, el cálculo de los ahorros seva a acotar al sector aeroespacial y a los PCM.

En el caso del sector del transporte nos centramosen el uso de nanomateriales en estructuras plásticasque pueden llegar a reducir el consumo de combus-tible en una aeronave227. En el año 2018, el tráficoaéreo nacional e internacional español consumió4.473 ktep228. El tráfico aéreo previsto para el año2030 conllevará un consumo de 5.472ktep (233.838TJ)229. Considerando una reducción de combustibleigual al 25% para el 20% de los aviones, el ahorro enenergía sería igual a 274 ktep (11.694 TJ230). Si con-sideramos que todo el combustible es queroseno,ya que los factores de emisión del queroseno y dela gasolina u otros productos petrolíferos son simi-lares, el factor de emisión utilizado sería 71.500 kgCO2-eq/TJ. Por lo tanto, los ahorros medioambien-tales serían 0,836 millones de t CO2-eq.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

218 - Bland, A.; Khzouz, M.; Statheros, T.; Gkanas, E.I. PCMs for Residential Building Applications: A Short Review Focused on Disadvantages andProposals for Future Development. Buildings 2017, 7, 78.219 - https://www.lavanguardia.com/local/valencia/20190122/454264100976/desarrollan-nuevo-material-para-la-construccion-que-mejora-la-sostenibilidad.html.220 - https://sunthalpy.com/en/what-we-do/221 - https://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/302277-Cidetec-desarrolla-materiales-compuestos-ultraligeros-cumplen-requisitos-FST-mas.html222 - https://www.engineerlive.com/content/self-healing-materials-and-automotive-industry.223 - Chirag Goyal, Viraj Dhavalkumar Modi, V. Paulson, Stanley Samlal, "Self-healing composites: A review on material characterization and tes-ting methods", Materials Today: Proceedings, 2020.224 - Yixing Wang, Taijun He, Zheng Cheng, Mengyun Liu, Jianqi Ji, Xinhao Chang, Qiang Xu, Yang Liu, Xiangyang Liu, Jiaqiang Qin, "Mechani-cally strong and tough polyimide aerogels cross-linked with amine functionalized carbon nanotubes synthesized by fluorine displacement reac-tion”, Composites Science and Technology", Volume 195, 2020, 108204.225 - https://www.mastro-h2020.eu/226 - https://www.solvay.com/en/press-release/solvay-and-sgl-carbon-collaborate-develop-highly-competitive-advanced-carbon-fiber227 - EA5d. Strategic Plan: Nanotechnology in the plastic sector. http://sudoenanodesk.net/public/docs/deliverables/EA5d.%20Plastic%20Sec-tor%20Strategic%20Plan.pdf228 - IDAE. Consumo de energía final. http://sieeweb.idae.es/consumofinal/bal01.asp229 - BORRADOR ACTUALIZADO DEL PLAN NACIONAL INTEGRADO DE ENERGÍA Y CLIMA 2021-2030.https://www.miteco.gob.es/images/es/pniec_2021-2030_borradoractualizado_tcm30-506491.pdf230 - Huella de carbono del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente; NIPO 280-15-142-X.https://www.miteco.gob.es/es/cambio-climatico/publicaciones/publicaciones/hc_magrama_2013_tcm30-178455.pdf

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SECTOR TRANSVERSAL

En el caso de los PCM, los ahorros no se puedencuantificar porque se utilizan como complementodel sistema tradicional de calefacción, refrigeracióny ACS. Además, los PCM tienen aplicaciones muyversátiles, lo que no permite obtener un dato deahorro absoluto. Por ejemplo, en el proyecto CERA-CASA la introducción de PCM en baldosas significóuna reducción de un 16% en el consumo eléctrico.Sin embargo, en el proyecto EMILIE se consiguieronahorros anuales del 5-30% cuando el PCM se intro-ducía dentro del acristalamiento. La utilización deestos materiales permitiría que los sistemas tradi-cionales trabajen menos y tengan un dimensiona-miento menor, lo que acarreará ahorrosenergéticos.

Análisis DAFO

El análisis DAFO de esta sección se ha concentradoen el estudio de dos tipos de materiales: PCM parael sector de la construcción y el uso de nanomate-riales en estructuras plásticas en la industria aeroes-pacial. Esta focalización se hace teniendo en cuentaque hay otras secciones en las que ya se hace refe-rencia al sector de la edificación y transportes (sec-tor 4 - 4.2, sector 4 - 4.3, y sector 3 - 3.1).

En primer lugar, se presenta el análisis DAFO de losPCM.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Tabla 30. Análisis DAFO para los materiales de cambio de fase para el sector de la edificación.

Coste de los materiales para encapsular.

Vida útil de los materiales utilizados para encapsular.

Cambio en las propiedades reológicas del material en el que se incorporan (morteros, cemento...).

Procesamiento de los PCMs junto otros materiales de construcción: estudio de costes y de optimización de los procesos de aplicación.

Proyectos I+D muy costosos ya que se requiere la construcción de un prototipo.

Poco conocimiento de estos materiales por parte de los cuadros técnicos.

Rendimiento ligado a la cantidad de material - la cantidad de material determina el coste y la aplicabilidad.

Riesgo de fuego de los PCM orgánicos (ej: parafinas).

Bajo ratio de encapsulamiento.

Ocupan espacio - difícil aplicación en edificios particulares.

No pueden sustituir al sistema de climatización por completo.

Dependencia de las condiciones ambientales.

TRLs bajos: 3-5 en el mercado nacional.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

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En el caso de los PCM, una de las grandes debilida-des es el desconocimiento de estos materiales. Ar-quitectos y constructoras no tienen en cuenta lautilización de estos materiales, a pesar de que sonmateriales comerciales en otros países como Franciay Estados Unidos. Sin embargo, en España no se handesarrollado, y esto es en gran parte por la falta devalidación en prototipos y porque dichos materialesencarecen productos que hoy en día son muy bara-tos (como el mortero o el cemento). Además, hayque invertir en investigación para los procesos,tanto de encapsulación de los PCMs, como de apli-cación de la mezcla [PCM + material construcción].Hay una necesidad importante de invertir para eldesarrollo de un prototipo que incorpore estos ma-teriales, y desde el que se pueda ver la existenciareal de un aumento de la eficiencia energética y unahorro. En contraste con las debilidades, estos ma-teriales ofrecen aplicaciones muy diversas para edi-ficios terciarios, siendo un complemento al sistematérmico tradicional. El precio de éstos no es alto: en

este caso hablaríamos de parafinas (1-2€/kg), que,si se encuentran bien encapsuladas, no dan lugar aincendios y tienen una alta vida útil.

En segundo lugar, se presenta el análisis DAFO deluso de materiales avanzados para reducir el peso delas naves utilizadas en aviación.

Las estrategias tecnológicas actuales en las que tra-baja la industria aeroespacial son las nuevas arqui-tecturas del motor y los sistemas de propulsiónhíbrida. Sin embargo, el uso de materiales más lige-ros, pero con las características térmicas y mecáni-cas adecuadas está en continuo desarrollo. Una delas debilidades de cualquier tecnología que quieraintegrarse en este mercado es la escasez de unida-des (aviones), y por lo tanto de productores. Porotro lado, todos los nuevos materiales o estructurasque se pretende incorporar han de pasar unas rigu-rosas pruebas de aceptación en fábrica, lo que re-trasa su implementación. El refuerzo de materiales

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

Tabla 30. Análisis DAFO para los materiales de cambio de fase para el sector de la edificación.

Recuperación y almacenamiento de calor en instalaciones industriales.

Integración de PCM en paneles o en suelos radiantes.

Integración en tanques de agua para zonas residenciales o polígonos.

Sinergias construcción - productores de PCM - centros de investigación.

Utilización de sales con mayores calores de fusión que las parafinas - hay que trabajar en el encapsulado.

Los PCMs son una solución pasiva que revaloriza toda la cadena de edificación.

Programas de I+D para optimizar la procesabilidad de los PCMs y posterior MARKETING.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Ahorro energético y ambiental (CO2) por almacenamiento de energía y control térmico pasivo.

Larga vida útil del material.

Materiales respetuosos con el medio ambiente.

Tecnologías ya desarrolladas en otros países - conocimiento.

Bajo coste de los materiales activos térmicamente.

Fácilmente encapsulable y tipo de encapsulamien-to muy versátil.

Integración versátil: ventanas, paredes, techos, suelos.

FFoorrttaalleezzaass

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SECTOR TRANSVERSAL

plásticos con nanomateriales de carbono ya se rea-liza en otras industrias como la automovilística, porlo que ya hay mucho aprendizaje ganado. Por otrolado, los gobiernos están impulsando la reducciónde emisiones de CO2 en el sector, lo que con la in-

geniería actual se traduce en reducir el peso delavión para gastar menos combustibles fósiles. Seprevé que el consumo en combustible baje un 25%si se incorporan estos tipos de materiales.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Tabla 31. Análisis DAFO de los materiales avanzados para la aviación.

Solución más inmediata para reducir el peso de los aviones.

Se prevé (post covid19) que el tráfico aéreo se incremente.

Gran interés de las empresas - aumento de la competitividad.

Compromiso medioambiental por parte de muchos países.

Interés social.

Nuevas técnicas de simulación.

Riesgos asociados a los procesos de producción de nanomateriales - necesidad de normativa.

No existen herramientas de predicción y gestión de riesgos, además de equipos de medición para la evaluación de riesgos.

Desarrollo de la tecnología lento y caro.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Nicho de mercado: menos unidades que en otro tipo de transportes y el coste de implementar una nueva tecnología es alto.

Su implementación es este sector irá más lenta.

Rigurosas pruebas de aceptación en fábrica.

Necesidad de producción a gran escala.

Materiales desarrollados paralelamente en el mundo de la automoción.

Mundo globalizado - alto uso de la tecnología aeroespacial.

Materiales fuertes y ligeros, con muy buenas características físicas, químicas, eléctricas, térmicas y mecánicas.

Reducción del consumo de combustible y de las emisiones de CO2.

Mejora del confort del pasajero (aumento de la presión en la cabina).

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

FFoorrttaalleezzaass

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5.5Sistemas fiablesde monitorización,control, manteni-miento predictivo,diagnóstico de averías y tele-reparación,basados en Inteli-gencia ArtificialDescripción

La evolución de la Inteligencia Artificial, unida al au-mento de la capacidad de cómputo y almacena-miento al aplicar tecnologías Big Data, permitenprocesar grandes volúmenes de datos combinandoinformación de múltiples fuentes, verificar el co-rrecto funcionamiento de los equipos, y recomen-dar las mejores estrategias de actuación de formaautomática y en tiempo real. El análisis de estosdatos permite estimar diferentes características delestado de operación de las máquinas, pudiendo ayu-dar a predecir fallos potenciales, diagnosticar lascausas de las averías y ayudar en la tele-reparaciónde los equipos utilizando sistemas por control re-moto o drones.En la actualidad los conocimientos y tecnologíaspara aplicar estos principios se encuentran en dife-rentes fases de desarrollo:

• Análisis y predicción de series temporales me-diante algoritmos estadísticos o técnicas de apren-dizaje automático como Deep Learning. Se utilizanpara pronosticar la evolución de las variables, ha-ciendo posible anticipar potenciales averías o esta-dos de operación subóptimos o peligrosos.

• Sistemas de clasificación automática que, con baseen el aprendizaje de datos históricos, realizan eldiagnóstico de las máquinas, pudiendo detectar lafuente de la avería y recomendar acciones para susolución.

• Algoritmos de optimización para planificar los me-jores modos de operación de los equipos en funciónde variables y condicionantes externos. En aquelloscasos donde el volumen de información es alto, conrelaciones complejas entre las variables analizadas,es posible aplicar algoritmos metaheurísticos, queson capaces de converger a soluciones cercanas alóptimo en aquellos casos que serían imposibles deabordar mediante otros enfoques debido a su altocoste computacional.

• Métodos de aprendizaje por refuerzo para reco-mendar las acciones más adecuadas según el estadode la máquina observado. Estas técnicas se enmar-can en el área de la inteligencia artificial y son capa-ces de aprender a interaccionar con el entorno yencontrar la mejor línea de actuación de acuerdocon los objetivos perseguidos.

El comportamiento y alcance de estas tecnologíasdepende del volumen y calidad de los datos propor-cionados, por lo que es necesaria la digitalización delos equipos para poder monitorizarlos de formaadecuada. También se requiere una arquitecturaapropiada que permita el flujo de datos masivo y suprocesamiento, muchas veces en tiempo real, paraofrecer respuesta automática y en el tiempo estipu-lado.

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PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

SECTOR TRANSVERSAL

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SECTOR TRANSVERSAL

Monitorización y control

Los sistemas de monitorización y control permitensumar datos de múltiples fuentes del proceso paraaportar información útil que permita reducir los cos-tes de operación y controlar el desempeño de ma-nera continua.

Las fuentes de información van desde sensores ins-talados para controlar variables en campo (tempe-ratura, vibración, presión, consumo energético…),pasando por la integración de información de los au-tómatas de los sistemas actuales, hasta la correla-ción de estos datos con variables de rendimientoproductivo.

Estos sistemas permiten crear dashboards o cuadrosde mandos de control en tiempo real, observar elestado de las instalaciones frente al esquema delsistema, realizar registros de incidencias o sucesosy aportar funciones de reporting y análisis compara-tivo.

El gran reto en el desarrollo de estos sistemas estáen convertirlos en sujetos activos en el manteni-miento de las instalaciones. Mediante sistemas derespuesta automática, la monitorización pasa a nosólo ser una fuente de consulta para el técnico, sinoa aportarle información directa para la gestión delas instalaciones.

Las aplicaciones de inteligencia artificial y machinelearning permitirán detectar situaciones y patronesde fallo mediante el estudio del histórico de datospara predecir y alertar de posibles problemas conanterioridad a que ocurran, reduciendo ostensible-mente los tiempos de parada y permitiendo estu-diar en detenimiento estas causas y determinandopatrones para evitarlas en la medida de lo posible.

Big Data en la nube

La recopilación de un gran volumen de datos sobre

el estado y el funcionamiento de los equipos, unidaa la información de otras variables externas, comopredicciones meteorológicas, hacen necesarias ar-quitecturas que permitan procesarlas en un tiempoadecuado para proporcionar respuestas automáti-cas con rapidez. Los requisitos computacionales y dealmacenamiento de estas aplicaciones requieren in-fraestructuras adecuadas, normalmente distribui-das e interconectadas a través de una red. Lastecnologías Big Data permiten escalar el análisis deestos volúmenes de datos masivos, de modo quesea posible analizarlos de forma distribuida, en sis-temas en clúster.

Una ventaja importante de estas arquitecturas es lafacilidad de integración en las aplicaciones empre-sariales, la portabilidad y la seguridad de la informa-ción. Además, los sistemas de computación tienenuna alta tolerancia a fallos, lo que les permite recu-perarse en caso de mal funcionamiento en algunode los equipos del clúster, o recepción incorrecta delos datos.

Estas tecnologías son idóneas para la monitoriza-ción y detección de averías en equipos ya que per-miten tratar con datos generados de formaconstante y en grandes volúmenes (data streaming)que necesitan ser procesados para extraer y estruc-turar la información relevante, ya que normalmenteno pueden ser almacenados en su totalidad. Los mé-todos de data streaming permiten analizarlos deforma eficiente, proporcionando una respuesta au-tomática que cumpla las restricciones de tiempo es-tablecidas, lo cual resulta indispensable, porejemplo, en la detección y prevención de averías in-minentes.

Mantenimiento predictivo y diagnóstico de averías

Los sistemas de mantenimiento predictivo utilizanlos datos del sistema (eficiencia, operación, tempe-raturas, vibraciones, distorsión de la señal eléctrica,

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etc.) y algoritmos de inteligencia artificial para pre-decir la ocurrencia del fallo al identificar patrones ycausas (root-cause analysis), focalizando la atencióndel personal en los elementos del sistema con pro-babilidad de fallo y detectando de forma tempranafallos presentes o inminentes.

Estos sistemas son capaces a su vez de estimar lavida útil restante de los sistemas (Remaining UsefulLife o RUL). La conjunción de estas funcionalidades,y su sincronización planes de producción y manteni-miento, suponen un importante soporte en tiemporeal a la toma de decisiones del personal.

Detección y prevención del fallo

En el mantenimiento predictivo o por condición, seevalúan el estado de los componentes mecánicos oeléctricos mediante técnicas de seguimiento y aná-lisis, permitiendo programar las operaciones demantenimiento “solamente cuando sean necesa-rias”. Consiste esencialmente en el estudio de cier-tas variables o parámetros relacionados con elestado o condición del equipo en cuestión, como lavibración, temperatura, aceites, aislamientos, etc. Elestudio de estos parámetros suministra informacióndel estado de sus componentes y, algo también muyimportante, del modo en que está funcionandodicho equipo, permitiéndonos no sólo detectar pro-blemas de componentes sino también de diseño yde instalación. El objetivo del mantenimiento pre-dictivo es la reducción de los costes de operación yde mantenimiento incrementando la fiabilidad delequipo.

Una parte importante de un programa de manteni-miento predictivo es tener la capacidad de verificaruna avería con más de una tecnología. Esto no sóloasegura la validez del diagnóstico, sino que tambiénayuda a hacer recomendaciones de reparación másconcretas y precisas.

Podemos tomar como ejemplo el fallo en un roda-miento de una bomba, el cual ya tiene un daño se-vero, de tal manera que hemos detectado medianteanálisis de vibraciones dicho fallo, pero para asegu-rarnos, decidimos completar el estudio medianteotra tecnología, por lo que nos decantamos por elanálisis de aceite, con el fin de encontrar partículasmetálicas en dicho análisis.

Son muchas y muy variadas las fuentes de datos quese pueden aplicar al campo del mantenimiento pre-dictivo, entre las cuales podemos enumerar: análisisde vibraciones, termografía, inspección visual, aná-lisis de aceite, ultrasonidos o análisis de corrientesde motores.

Mediante la monitorización diferentes datos, tantode máquinas como de producción, se puede cono-cer cómo trabaja el sistema para evaluar y detectarproblemas antes de que se produzcan. La utilizaciónde Inteligencia Artificial permite una gestión delmantenimiento predictivo más eficaz y rápido.Todos estos datos, los capturados en tiempo real ylos históricos, e incluso datos de equipos semejan-tes, pueden ser utilizados para mejorar el manteni-miento predictivo, y que las máquinas aprendan ypuedan detectar problemas de forma autónoma,mostrando alarmas de fallo indicando cuándo setiene que cambiar una pieza o incluso, en casos ex-tremos, parar de forma preventiva la producción.

Como ejemplo, el personal de mantenimientopuede utilizar tanto móviles como tabletas los cua-les están conectados a sistemas de Deep Learningpara obtener las causas de fallo de una máquina apartir de una foto, gracias a los algoritmos de reco-nocimiento de imágenes. El trabajador recibe unaexplicación de cómo arreglar dicho fallo, e inclusopueden comunicarse con comandos de voz para ha-bilitar el trabajo en manos remotas.

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SECTOR TRANSVERSAL

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SECTOR TRANSVERSAL

Estimación de la vida útil restante de los sistemas(Remaining Useful Life o RUL)

Los sistemas de mantenimiento predictivo avanza-dos pueden llegar a estimar la vida últil restante delos equipos o Remaining useful life (RUL), con dos ob-jetivos principales: predecir roturas evitar paradas oanalizar la influencia de variables externas (tempe-ratura, humedad, periodicidad de mantenimiento,etc.) en la vida útil de los equipos para mejorar suscondiciones de trabajo y alargar su vida operativa.

Esta información es clave para la organización delmantenimiento de las instalaciones y optimizar surendimiento.

Los algoritmos de estimación de la vida útil restanteemplean indicadores y variables registradas parabuscar patrones de degradación y/o cambios deoperación.

Los algoritmos y métodos dependen de la informa-ción que haya disponible acerca del sistema:

• Datos de la vida útil de sistemas similares hastasu punto de fallo.

• Los modelos y las distribuciones de probabili-dad de los tiempos de falla de los componentesse utilizan para estimar la RUL a partir de datosde vida útil. Un ejemplo es la estimación deltiempo de descarga de una batería en función delos valores anteriores y variables como la tempe-ratura a la que la batería funcionaba y la carga.

• Datos históricos de máquinas similares desdepuesta en marcha hasta fallo.

• Si hay una base de datos de puesta en marchaa error de sistemas similares o semejantes, sepuede estimar la vida restante utilizando méto-dos de similitud. Estos métodos capturan perfi-

les de degradación y los comparan con nuevosdatos procedentes de la máquina para determi-nar qué perfil de los datos de partida coincidemás estrechamente con los datos del sistema aevaluar.

• Indicadores de estado conocidos y umbrales apartir de los cuales se evidencia el fallo.

• En muchos casos no se dispone de un históricotan detallado, pero se dispone de informaciónsobre los valores umbral recomendados de cier-tas variables. Por ejemplo, la temperatura de unlíquido en una bomba o la presión mínima o unaconjunción de varias condiciones. Con este tipode información, se pueden ajustar los modelosde serie temporal a los indicadores de condiciónextraídos de los datos del sensor, como la tem-peratura y la presión, que suben o bajan con eltiempo.

Con unas estimaciones fiables de la vida útil res-tante podemos integrar la información en la gestiónde mantenimiento de los sistemas y los equipospueden responder a los cambios en el estado del sis-tema lo antes posible y sin afectar a las operaciones.

Soporte en tiempo real a la toma de decisiones

Con las herramientas GMAO actualmente se comn-sigue una gestión de los servicios de mantenimientobastante completa, pasando desde la gestión de ac-tivos hasta la gestión de mantenimientos preventi-vos y correctivos.

Actualmente, gracias a la inteligencia artificial y ma-chine learning, esto podría ir más allá de lo que se econoce. Es posible conectar algunos sistemas GMAOcon la sensórica de las máquinas de planta, de talmanera que se pueda realizar un mantenimiento ba-sado en condición, el cual podría lanzar órdenes detrabajo según el estado del equipo.

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Por ejemplo, una máquina a la que se le ha aplicadoesta tecnología podría detectar qué un rodamientoestá fallando y directamente mandar una orden demantenimiento para sustituirlo, evitando así queesta información pase por varias personas, por loque se reduce el MTTR (tiempo medio de repara-ción).

Incluso, esta información podría estar conectadacon el departamento de almacén, de tal maneraque, en el momento que este equipo detecte unfallo, y no exista repuesto, se envíe una orden de pe-dido de este componente.

En definitiva, la implementación de estos sistemas,permite optimizar los recursos empleados en elmantenimiento e incluso realizar una mejor gestiónde inventario o compras.

Tele-reparación y soporte remoto

La monitorización continua del estado de los equi-pos y sistemas permite su gestión y control en re-moto, independientemente de la ubicacióngeográfica en la que se encuentren.

Estas instalaciones de soporte remoto son especial-mente beneficiosas en aplicaciones de alta criticidady/o con una alta dispersión geográfica. Dos sectoresde aplicación de alto potencial son las grandes plan-tas industriales e instalaciones de generación deenergía como parques eólicos o fotovoltaicos. Conestas soluciones, los departamentos de manteni-miento están presentes en cada ubicación y equiposin necesidad de desplazarse desde su centro decontrol.

La tecnología de soporte remoto permite recibiralertas e incidencias de los sistemas y equipamientopara proceder a su resolución, mejorando los tiem-pos de respuesta y reduciendo al mínimo los costesasociados a la intervención. Dependiendo de las ca-racterísticas de la falla, esta podrá ser resuelta en

remoto en caso de que los sistemas de actuación lopermitan o a través de la coordinación de trabajoscon el personal de campo.

En caso de necesitar personal in situ, ya sea por ne-cesidad de reparación en local como en caso de ave-rías mecánicas o por acceso a sistemas legados sincontrol remoto, el centro de soporte puede seguirpresente a través de la aplicación de sistemas de vi-sión/realidad aumentada con sensores en manos ygafas, mediante los cuales tienen en tiempo realvideo y comunicación directa con el personal des-plazado, permitiendo que el centro de soporteasista al técnico de campo en directo, permitiendover el estado de la instalación e intercambiar infor-mación y archivos.

Nivel de desarrollo tecnológico y perspectivas de evolución

Esta medida abarca un abanico amplio de posiblessoluciones de inteligencia artificial, a su vez aplica-bles en múltiples sectores productivos. En conjunto,se considera que el desarrollo actual de la tecnolo-gía es TRL 6 teniendo en cuenta el grado de innova-ción de los sistemas descritos.

A nivel de monitorización y control, el estándar ac-tual es disponer de un control en tiempo real, demayor o menor calado, de los parámetros de pro-ducción a través de un ERP para su estudio poste-rior. De manera incipiente las aplicaciones deinteligencia artificial y machine learning permiten de-tectar desviaciones y patrones de fallo mediante elestudio del histórico de datos, para predecir y aler-tar de posibles problemas previamente a que ocu-rran. Esto convierte a los sistemas en un soporteactivo, capaz de procesar volúmenes de informaciónmás elevados que el personal de gestión y, portanto de extraer conclusiones más complejas. Sobreesta base se construyen los sistemas de manteni-miento predictivo y diagnóstico de averías.

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SECTOR TRANSVERSAL

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SECTOR TRANSVERSAL

En sistemas de tele-reparación, se contempla queen el futuro sea habitual la supervisión y detecciónde fallos en equipos a través de la supervisión dedrones autónomos, como ya sucede en parques fo-tovoltaicos. Además, aplicar algoritmos de inteligen-cia artificial podrá favorecer el desarrollo desistemas multiagente, que podrán operar de formacolaborativa en entornos compartidos con perso-nas.

Por otro lado, la investigación y el desarrollo de dro-nes manipuladores de alta precisión permitirá au-mentar sus competencias, pudiendo realizar tareasde mantenimiento y reparación complementarias ala detección y el diagnóstico de las averías. En el fu-turo es previsible que se produzcan avances signifi-cativos en esta línea de investigación, dado que, enalgunos entornos, especialmente en aquellos quepuedan resultar peligrosos, supondría un ahorro sig-nificativo de los costes y reduciría los riesgos labo-rales para las personas.

Proyecto MONSOON (2016-2019) inteligencia ar-tificial innovadora para mejorar la eficiencia de losrecursos y la energía.https://www.spire2030.eu/monsoon

Proyecto Z-BRE4K (2017-2021) La solución Z-Breakcomprende la introducción de estrategias escala-bles a nivel de componente, máquina y sistema parala predicción y prevención de fallas, la deteccióntemprana de fallos actuales o emergentes, la esti-mación de la vida útil restante de los activos y lagestión de las estrategias antes mencionadas a tra-vés de modelado de eventos, monitoreo de KPI yapoyo a la toma de decisiones en tiempo real.https://www.z-bre4k.eu/

Proyecto DOCTOR PV (2018-2021) aplicación deun mantenimiento predictivo y una operación ópti-mos para los distintos tipos de plantas fotovoltaicas.

El proyecto combina las dos técnicas más promete-doras relacionadas con el mantenimiento predic-tivo: mantenimiento basado en la condición detodos los elementos de la planta y mantenimientobasado en medidas de electroluminiscencia (EL) ytermografía infrarroja (TIR), las cuales se pretendenimplementar mediante vuelos con drones.https://www.fcirce.es/energias-renovables/doctor-pv-desarrollo-de-herramientas-optimizadas-de-ope-racion-y-mantenimiento-predictivo-de-plantas-fotovoltaicas-redes-electricas

Potencial de ahorros en el horizonte2030-2050

Dada la heterogeneidad de aplicaciones y sectoressusceptibles de mejora vamos a analizar y extrapolardatos de un caso y sector concreto.

Por ejemplo, para el proyecto DOCTOR PV, en plan-tas de producción fotovoltaica donde se implantóun sistema de mantenimiento predictivo basado enla condición y en medidas de electroluminiscencia ytermografía infrarroja, se están consiguiendo mejo-ras de producción entre el 1 y el 5%.

Tomando una media del 3% y extrapolados a todala generación fotovoltaica nacional supondrían unahorro de 276,67 GWh/año y unas emisiones evita-das de 60.591 TnCO2.

Análisis DAFO

En la siguiente tabla, se resumen los principales re-sultados obtenidos en el análisis DAFO de esta tec-nología de monitorización, mantenimientopredictivo y telereparación a través de inteligenciaartificial :

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La principal debilidad es la dificultad de acceder adatos históricos fiables de sistemas similares paramodelizar su comportamiento. Cualquier industriamedia-grande dispone de decenas de miles de se-ñales en sus SCADA, y previamente a ser aplicadocualquier sistema experto hay que filtrar y priorizarpor especialistas en la propia instalación (Ingenierosde Mantenimiento Predictivo o Técnicos de Mante-nimiento expertos) para “alimentar” correctamenteal sistema de Mantenimiento basado en condición(Condition Monitoring), como en sistemas tipo BigData o basados en Inteligencia Artificial que aportenel análisis de las condiciones que derivan en una ave-ría.

Con respecto a las fortalezas, hay que destacar losbajos costes de operación y mantenimiento de estossistemas en comparación con sus beneficios. Asi-mismo, se destacan las implicaciones que estos sis-temas pueden tener más allá de la eficienciaenergética en la industria, dado que sus implicacio-nes a nivel de calidad, disponibilidad operativa yalargamiento de vida útil permitirán su incorpora-ción al mercado con mayor velocidad. Un ejemploes que un aumento significativo del consumo eléc-trico de un compresor de aire industrial de tornillopuede indicar el comienzo de un daño en los torni-llos o problemas de lubricación, lo que potencial-mente es un fallo crítico. Una avería de este tipo se

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SECTOR TRANSVERSAL

Tabla 32. Análisis DAFO de los sistemas de monitorización, control y mantenimiento predictivo basados en inteligencia artificial.

Beneficios transversales a la industria: tanto energéticos como de calidad de producto.

Necesidad de optimización cada vez mayor de costes de mantenimiento que obliga a buscar propuestas innovadoras en la tecnología.

Extensión del 5G y futuros desarrollos de comunicaciones.

Equipos existentes (de instalaciones anteriores) de baja conectividad y alto coste de proyectos brownfield.

Legislación poco actualizada para entornos compartidos entre humanos y máquinas autónomas.

OOppoorrttuunniiddaaddeess

Ausencia de datos históricos de sistemas.

Heterogeneidad de fuentes de datos.

Fuentes de datos sesgadas, dificultad de obtener datos completos fiables de intervenciones de mantenimiento correctivo en averías en los GMAO actuales (reportes incompletos que generalmente no incluyen microparos o pequeños rearmes que aportarían datos preciosos a la IA).

Actualmente, bajo grado de digitalización por lo que no hay datos suficientes.

Bajos costes de operación y mantenimiento.

Evita fallos potencialmente críticos en sistemas que requieren disponibilidad muy elevada y con un alto coste de paradas de producción/ averías o incluso de seguridad de personas (Automoción, Petroquímica, Papeleras, Aeronáutica).

Técnicas con alto TRL y ya validadas en otras aplicaciones.

DDeebbiilliiddaaddeess AAmmeennaazzaass

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podría detectar con análisis de vibraciones actual-mente, pero en adelante un sistema experto con in-teligencia artificial podría detectar con el volumende datos adecuado los rangos límite reales en cadainstalación con parámetros más simples y económi-cos de obtener, para después aplicar esos límitespara definir alarmas de mantenimiento basado encondición y prevenir las averías.

Estos sistemas permiten a su vez obtener informa-ción muy valiosa para aplicar un análisis RCM (Relia-bility Centered Maintenance) exitoso eninstalaciones críticas. Por ejemplo, las causas raíz deavería principales y las variables que tienen influen-cia en ellas son un parámetro muy importante a ana-lizar en el estudio FMECA (Failure Mode Effects andCriticality Analysis) del análisis de MantenimientoBasado en Fiabilidad.

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Índice de figuras

Figura 1. Fases del proyecto.

Figura 2. Metodología de cálculo para la evaluación de

ahorros y reducción de emisiones esperadas tras la

implementación de las tecnologías.

Figura 3. Principio de operación de un ciclo de compresión simple.

Figura 4. Esquema de revalorización de calor en un AHT.

Fuente: Tecnalia.

Figura 5. Módulo de una membrana de fibra hueca. Fuente:

MEDALTM, Air Liquide.

Figura 6. Membranas de fibra hueca (izq.) y módulos de membrana

(dcha.). Fuente: TECNALIA.

Figura 7. Esquema de un reactor de membrana para producción de

H2 de alta pureza. Fuente: Palladium based membranes and

membrane reactors for hydrogen production and purification: An

overview of research activities at Tecnalia and TU/e. Elsevier, 2017.

Figura 8. Esquema básico de la ósmosis directa. Fuente: CIRCE.

Figura 9. Combustión de mezcla gas natural/ hidrógeno con

diferentes ratios aire/combustible. Fuente: Effects of hydrogen

and primary air in a commercial partially-premixed atmospheric

gas burner by means of optical and supervised machine learning

techniques. Elsevier, 2020.

Figura 10. Curva de consumo real de un sistema de monitorizado

de energía identificando desviaciones sobre consumo teórico.

Fuente: ÖKOTEC EnEffCo.

Figura 11. Aplicaciones en edificación basadas en AET en

función de la tecnología.

Figura 12. Esquema de aplicaciones de AET pasivas y activas

en edificación.

Figura 13. Hoja de ruta estratégica de la EU para el despliegue

de sistemas de gestión de redes y transporte multimodal (NTM).

Fuente: adaptado de TRIMIS (2016).

Figura 14. Energía neta producida en centrales de cogeneración

según tipo de combustible empleado. Datos de España, 2018.

Figura 15. Distribución de la potencia de cogeneración de

España por sectores.

Figura 18. Estructura de la flota vehicular en la EU según el

escenario tendencial. Fuente: adaptado de Element Energy.

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Índice de tablas

Tabla 1. Análisis DAFO de las bombas de calor de alta temperatura.

Tabla 2. Análisis DAFO de los transformadores de calor por

absorción (AHT).

Tabla 3. Análisis DAFO de la separación mediante membranas.

Tabla 4. Análisis DAFO de la reducción de clínker en el cemento.

Tabla 5. Análisis DAFO de las nuevas tecnologías para la

pasteurización/esterilización de alimentos.

Tabla 6. Análisis DAFO de la concentración de efluentes mediante

membranas.

Tabla 7. Análisis DAFO del diagnóstico y optimización de la

combustión mediante visualización de la llama.

Tabla 8. Análisis DAFO de la digitalización de procesos.

Tabla 9. Densidad de almacenamiento de energía según tipología.

Tabla 10. Resumen de propiedades y características del

almacenamiento térmico.

Tabla 11. Objetivos sector edificación en España. Fuente: PNIEC.

Tabla 12. Evolución de los consumos y ahorros en sector residencial.

Fuente: ERESEE.

Tabla 13. Evolución de los consumos y ahorros en sector terciario.

Fuente: ERESEE.

Tabla 14. Análisis DAFO del almacenamiento térmico a nivel de

vivienda o edificio por calor latente y por reacciones químicas.

Tabla 15. Tecnologías activas estáticas. Prototipos precursores.

Tabla 16. Tecnologías activas dinámica. Ejemplos de prototipos

precursores.

Tabla 17. Datos recopilados del ERESEE 2020 sobre previsiones para

el periodo 2030-2050.

Tabla 18. Generación eléctrica de la integración de fachadas activas

y costes asociados a rehabilitación del sector residencial en el

periodo 2030-2050.

Tabla 19. Análisis DAFO de los sistemas de producción de energía

integrados en fachada.

Tabla 20. TRL actual de los Gemelos digitales de Movilidad.

Tabla 21. Análisis DAFO de los gemelos digitales de movilidad.

Tabla 22. Análisis DAFO de la recuperación de frenada,

integración de smart grids y de combustibles alternativos

para el subsector del ferrocarril.

Tabla 23. Análisis DAFO de los nuevos materiales y motores más

eficientes para el subsector del transporte aéreo.

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Índice de tablas

Tabla 24. Análisis DAFO de los sistemas de acumulación eléctrica

para sistemas de cogeneración.

Tabla 25. Evolución esperada en coste, tamaño y densidad de

energía a 2030 y 2040. Fuente: adaptado de Element Energy.

Tabla 26. Datos técnicos de algunas baterías electroquímicas

en mercado.

Tabla 27. Análisis DAFO de los sistemas de acumulación eléctrica

para sistemas de transporte.

Tabla 28. Análisis DAFO de nuevos combustibles derivados de

residuos o producidos a partir de electricidad renovable.

Tabla 29. Conductividad térmica, k, para diferentes materiales

aislantes.

Tabla 30. Análisis DAFO para los materiales de cambio de fase para

el sector de la edificación.

Tabla 31. Análisis DAFO de los materiales avanzados para la aviación.

Tabla 32. Análisis DAFO de los sistemas de monitorización, control y

mantenimiento predictivo basados en inteligencia artificial.

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ESTE DOCUMENTO SE HA REALIZADO CON LA AYUDA DE LA AGENCIA ESTATAL DEINVESTIGACIÓN CORRESPONDIENTE A LA CONVOCATORIA DE TRAMITACIÓN AN-TICIPADA DEL AÑO 2018 DE PLATAFORMAS TECNOLÓGICAS Y DE INNOVACIÓN,DEL PROGRAMA ESTATAL DE INVESTIGACIÓN, DESARROLLO E INNOVACIÓNORIENTADA A LOS RETOS DE LA SOCIEDAD, EN EL MARCO DEL PLAN ESTATAL DEINVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TÉCNICA Y DE INNOVACIÓN 2017-2020.

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