¿Los generadores de CC ofrecen ventajas de ahorro de combustible en comparación con los generadores de CA? Respuestas para la industria de telecomunicaciones

La pregunta es: si la misma carga va a ser alimentada por un grupo electrógeno de CC, ¿cuánto combustible se consumiría? Algunos argumentan que un generador de CC reduciría el consumo de combustible a la mitad. Si ese fuera el caso, usando el ejemplo anterior, solo se consumiría medio litro de combustible diésel en lugar de un litro. Para validar o refutar esta afirmación, examinemos el proceso de conversión de energía general en más detalle al comparar los pasos de conversión individuales en las Figuras 1 y 2.

La Figura 2 muestra un diagrama de un motor diésel impulsado por un grupo electrógeno de CC. La única diferencia entre la Figura 1 y la Figura 2 es que el generador sincrónico de CA y el rectificador han sido reemplazados por un generador de CC. Si el combustible usado por el grupo electrógeno de CC es solo una mitad de lo que usaría su contraparte de CA, solo 5 kWh de energía estaría disponible para el motor y su resultado mecánico estaría limitado a 2 kWh.

Sin embargo, para alimentar la misma carga de CC, el generador de CC requeriría un total de 3,4 kWh de electricidad. Entonces, la energía eléctrica del generador de CC necesitaría ser 1,4 kWh más alta que los 2,0 kWh de la energía mecánica usada para producir la salida eléctrica.

Es sabido que cualquier proceso de conversión de energía que produce más energía de la que consume viola el Principio de conservación de la energía. El generador de CC necesitaría crear energía, y su eficiencia tendría que ser de más de 100 %, lo cual no es posible.

De la misma forma, si pensamos en términos de potencia en lugar de energía, como es físicamente imposible que la potencia de salida sea mayor que la potencia de entrada, la ciencia no apoya la retórica de los defensores del generador de CC en la industria de telecomunicaciones.

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE

El análisis anterior demostró que los generadores de CC no pueden reducir el consumo de combustible en los montos que se indicaban. Sin embargo, organizaciones creíbles han informado importantes ahorros de combustible al usar los sistemas de CC. Además, este tema ha ocupado un lugar central en los debates en las reuniones de la industria de telecomunicaciones como el Congreso Mundial GSMA.

Debe haber cierta validez de lo que se informa. Pero, ¿cuáles son las verdaderas causas raíz? Para recopilar información real y apoyarla con datos sólidos, los ingenieros de Caterpillar realizaron pruebas de consumo de combustible integrales en cuatro unidades comercializadas como grupos electrógenos de CC y una unidad adicional compuesta de un grupo electrógeno sincrónico de CA y una salida completa de CA al convertidor de CC (rectificador) que alimenta las mismas cargas de CC. Las especificaciones de todas las cinco unidades no son idénticas, pero en conjunto representan las opciones líderes del mercado adecuadas para la aplicación en pequeños sitios de telecomunicaciones. La Figura 3 proporciona los resultados de la prueba de consumo de combustible para todas las cinco unidades. Los datos se normalizaron con respecto al consumo de combustible de la Unidad 5 a una carga de 10 kW (100 puntos porcentuales).

Al examinar la Figura 3, parece que la mayoría de los puntos de datos del consumo de combustible, para todas las unidades probadas están entre la banda de 15 y 20 % formada por las líneas azul oscuro (♦) y magenta (n). Estas dos líneas corresponden al consumo de combustible de las Unidades 1 y 2, respectivamente, que ambos son grupos electrógenos de CC comercializados. Las líneas de consumo de combustible para las Unidades 3, 4 y 5 (incluido el grupo electrógeno de CA) se encuentran en mayor parte cerca una de la otra en relación con las primeras dos.

Los datos muestran que hay mayor amplitud en el consumo de combustible entre dos grupos electrógenos de CC (Unidades 1 y 2) que la que existe entre el grupo electrógeno de CA y todas las unidades de CC, respectivamente. Por lo tanto, la diferencia en el consumo de combustible entre todas estas unidades no está relacionada con qué tipo de grupo electrógeno se usó. También existen otros factores.

Optimizar los componentes del sistema, como la selección del motor, reducir las pérdidas parasitarias a través de ganancias en la eficacia del sistema de enfriamiento y una integración general del sistema y los controles tienen una función mayor para mejorar el ahorro de combustible que cuando se usa un generador de CA o CC.

Un buen diseño explotaría los mejores atributos de cada tecnología de CC o CA para desarrollar un grupo electrógeno que optimizaría el consumo de combustible para una aplicación específica. Esto se puede alcanzar con cualquier tecnología. Los generadores de CC no son inherentemente más eficientes que los generadores de CA y vice versa. Los datos proporcionan evidencia sólida sobre que las diferencias en el consumo de combustible entre los generadores de CA y CC no son significativas. Todavía se ignoran los grandes ahorros de combustible informados atribuidos a los generadores de CC.

CONSIDERAR LAS DIFERENCIAS PERCIBIDAS

La sección anterior demostró que no hay diferencias significativas en el consumo de combustible entre los grupos electrógenos de CA y de CC al alimentar la misma carga constante. Sin embargo, varía la manera en que los grupos electrógenos se usan en las aplicaciones de telecomunicaciones.

En áreas donde la conexión de red es confiable, la cantidad total de horas en marcha es baja y el consumo de combustible generalmente no es una preocupación. Por otro lado, en las aplicaciones fuera de red o donde la red frecuentemente no está disponible por períodos prolongados de tiempo, las horas en marcha pueden ser muchas y el consumo de combustible es un problema importante.

En los últimos casos, los sitios de telecomunicaciones generalmente operan grupos electrógenos de CA y de CC en diferentes modos. Los grupos electrógenos de CA funcionan continuamente o por la duración de los cortes prolongados. El grupo electrógeno de CC funciona de manera intermitente. La razón por la que los sistemas de CC pueden funcionar de manera intermitente mientras alimentan de forma constante la carga es que tienen baterías, que proporcionan un almacenamiento de energía integrado. Las baterías proporcionan potencia para la carga cuando el motor no está en marcha. Cuando es el momento de recargar las baterías, el motor funciona según sea necesario, según la capacidad del paquete de batería.

En cambio, el grupo electrógeno de CA funciona de forma continua. Entonces, ¿podría ser que hacer funcionar de forma intermitente un motor proporcione la ventaja del ahorro de combustible en comparación con hacerlo funcionar continuamente? La respuesta sería obvia si estuvieran produciendo la misma cantidad de potencia durante el funcionamiento, pero ese no es el caso en una aplicación de telecomunicaciones. El grupo electrógeno de CA que funciona de manera continua funcionaría a un nivel de energía más bajo que el grupo electrógeno de CC que funciona algunas veces al día. La cantidad total de energía eléctrica producida por los dos sería la misma en un período de un día, pero el nivel de potencia no lo es.

Para ilustrar este punto importante, consideremos un sitio de telecomunicaciones fuera de red con una carga constante de 1 kW, que representa a un sitio de telecomunicaciones pequeño. La cantidad total de electricidad consumida por el equipo de telecomunicaciones en un período de un día sería de 24 kWh. Como las eficiencias de los generadores de CA y CC son comparables, ignoremos las pérdidas eléctricas en ambos y enfoquémonos en la potencia mecánica requerida del motor en cada caso.

Para el grupo electrógeno de CC, supongamos que funciona tres veces al día durante una hora para recargar las baterías. Supondremos que la eficiencia de carga de la batería es del 100 %, un caso muy idealizado pero adecuado para esta comparación. Entonces, el motor en el grupo electrógeno de CC funcionaría con una potencia de salida de 8 kW, tres veces al día, durante una hora cada vez, para producir 24 kWh en un período de un día. En cambio, el motor de un grupo electrógeno de CA funcionaría a una salida de 1 kW durante 24 horas para alimentar la carga de telecomunicaciones. La clasificación típica de un motor diésel encontrada en un sitio de telecomunicaciones pequeño es de aproximadamente 10 kW. Por lo tanto, la carga del motor sería de solo el 10 % de este valor nominal en el caso de un generador de CA, y 80 % en el caso de un generador de CC.

Entonces la pregunta sería: ¿un motor cargado al 10 % de su clasificación durante 24 horas consumiría más combustible que el mismo motor cargado al 80 % durante tres horas? Para responder esta pregunta, se debe revisar la curva de consumo de combustible específico del freno (BSFC) como una función de la carga del motor. La Figura 4 muestra una curva BSFC normalizada para un motor diésel pequeño con características típicas. El valor de BSFC del 100 % corresponde al mejor punto de ahorro de combustible obtenido a una carga de 80 % (vea el círculo rojo). Es claro que cuando un motor tiene una carga liviana, su consumo de combustible es significativamente más alto que cuando opera cerca de su salida nominal. En nuestro ejemplo, un grupo electrógeno de CA que opera a un nivel de potencia del 10 % consumiría más del doble de combustible que un grupo electrógeno de CC que opera a condiciones de ahorro máximo de combustible.

Por lo tanto, el principal motivo por el que se informó el ahorro de combustible en los grupos electrógenos de CC es por sus motores, cuando funcionan de forma intermitente, opera a una condición de carga mucho más alta donde el ahorro de combustible es considerablemente mayor. El mismo efecto se puede obtener usando un grupo electrógeno de CA si se le agrega una batería y funciona de forma intermitente. Opcionalmente, la eficiencia del combustible del grupo electrógeno de CA se podría mejorar significativamente si el motor no fuera tan grande para la aplicación de telecomunicaciones pequeña considerada en esta evaluación. Con todos los aspectos iguales, no habría diferencias tangibles en el consumo de energía de un grupo electrógeno independientemente de si se usa un generador de CC o de CA si los dos se cargan de la misma manera.

GRUPOS ELECTRÓGENOS HÍBRIDOS A BATERÍA

En la sección anterior, se mostró que un motor que funciona constantemente a condiciones de carga muy bajas genera poco ahorro de combustible. Además, el funcionamiento prolongado a cargas bajas es fundamental para la vida del motor, aumenta los costos de mantenimiento e impacta de forma negativa en la fiabilidad.

Para evitar estos problemas, un grupo electrógeno impulsado por un motor se debe dimensionar correctamente con respecto a las cargas esperadas, tanto máxima como continua. La mayoría de los fabricantes ofrecen herramientas de dimensionamiento para ayudar con la selección correcta de los grupos electrógenos para que coincidan con la aplicación, optimizando el valor del equipo para el propietario. Estos programas de dimensionamiento tienen en cuenta las cargas de corriente, las cargas máximas, los requisitos de arranque del motor, la tolerancia a las caídas de voltaje, las disminuciones de frecuencia, etc.

En algunos casos, debido a los requisitos de la aplicación en conflicto, puede ser inevitable tener una gran relación entre la clasificación del motor y la carga de corriente continua. Este es generalmente el caso en sitios de telecomunicaciones pequeños. Para estas aplicaciones de menos potencia, un sistema de generación de energía híbrido que incorpora el almacenamiento de energía en un grupo electrógeno proporciona una solución atractiva para reducir el consumo de combustible.

La Figura 5 muestra un diagrama de un grupo electrógeno híbrido a batería. Las variaciones de CA y de CC se muestran en la figura. En cualquiera de estas configuraciones, el motor debe funcionar de forma intermitente durante el ciclo de carga de la batería. Por lo tanto, el perfil de carga del motor sería el mismo para ambos casos, y no habría diferencias apreciables en el consumo de combustible entre los sistemas híbridos de CA o CC. Además, a pesar del mantenimiento de la batería, habría una reducción general del costo de mantenimiento debido a los intervalos de servicio del motor reducidos para los sistemas híbridos de CA y CC, las horas de funcionamiento se acumulan en períodos calendarios más largos ya que el motor funciona de manera intermitente. En muchos casos, el costo operativo de un sistema híbrido sería menor que el de un sistema de grupo electrógeno comparable en aplicaciones de telecomunicaciones de menor energía.

Otra idea errónea sobre los generadores de CC es que no requieren sistemas electrónicos. Ese podría ser el caso en las primeras épocas de la tecnología cuando se usaban las escobillas y conmutadores mecánicos en su construcción. Los generadores y motores modernos de CC sin escobilla ahora usan sistemas electrónicos en lugar de escobillas y conmutadores. Estos dispositivos electrónicos hacen que sea posible controlar generadores de mayor velocidad, regular estrictamente el voltaje, mejorar la calidad de la energía y reducir las pérdidas por conmutación.

Una ventaja potencial del uso de un generador de CC en una aplicación de telecomunicaciones sería la falta de energía de CA disponible en el sitio. La mayoría del equipo periférico del sitio funciona con energía de CA, y si solo hay disponible energía de CC, se necesitaría un inversor para suministrar energía auxiliar al equipo de CA.

La decisión de si seleccionar un generador de CA o CC se debe basar principalmente en el perfil de carga en el sitio, la mezcla de las cargas de CA y CC, la complejidad del sistema deseado y el costo. Cada elección, cuando se realiza correctamente, es probable que brinde el consumo de combustible comparable. También se debe tener en cuenta que el consumo de combustible solo, aunque a menudo es de gran importancia, puede no brindar un panorama completo de los costos operativos generales del sistema de potencia. Otros factores, como los intervalos de servicio, el mantenimiento programado y el costo de piezas y mano de obra, se deben considerar al seleccionar el tipo de grupo electrógeno que mejor se adapta a la aplicación.

RESUMEN

Existe un debate continuo en la industria de las telecomunicaciones sobre si los generadores de CC proporcionan una ventaja de ahorro de combustible en comparación con los generadores de CA. Para validar o rechazar la hipótesis de que los generadores de CC ahorran combustible, los ingenieros de Caterpillar realizan pruebas de consumo de combustible en cuatro grupos electrógenos de CC a motor y un grupo electrógeno de CA con un rectificador de salida total. Todas las unidades eran buenos ejemplos de lo que estaría actualmente disponible en el mercado para las aplicaciones de telecomunicaciones.

Los datos proporcionan evidencia sólida de que bajo condiciones de carga idénticas, no hay diferencias significativas en el consumo de combustible independientemente de si se usa un generador de CA o CC para alimentar la misma carga de CC. Además, el examen teórico del proceso de conversión de energía general para ambos grupos electrógenos a motor de CA y de CC prueba que las grandes reducciones en el consumo de combustible alegadas por los defensores del generador de CC eran falsas. También se mostró que el mayor consumo de combustible informado para algunos sistemas de CA se causa al operar de forma continua un motor diésel a cargar extremadamente livianas donde el ahorro de combustible es poco. Esto no está relacionado con la tecnología del generador.

El motivo subyacente por el que los sistemas de CC han percibido una ventaja en el ahorro de combustible en comparación con los sistemas de CA es porque complementan el funcionamiento de un motor diésel con el almacenamiento de energía en baterías. Las baterías permiten que el sistema de potencia haga funcionar el motor de manera intermitente a cargas más altas por períodos más cortos de tiempo durante el ciclo de carga de la batería. La carga intermitente del motor cerca de su valor nominal, en lugar de cargarlo de forma continua pero liviana, mejora significativamente el consumo de combustible promedio y reduce los costos operativos. Se pueden obtener beneficios comparables usando un grupo electrógeno de CA si una batería de almacenamiento de energía se agrega al sistema, junto con un rectificador.

En resumen, con todos los aspectos iguales, no habrá diferencias tangibles en el consumo de energía de un grupo electrógeno independientemente de si se usa un generador de CC o de CA si los dos se cargan de la misma manera.