Grupos electrógenos a gas natural para el mercado de reserva

TENDENCIAS QUE IMPULSAN EL CAMBIO

Tradicionalmente, la potencia de respaldo ha sido un mercado del combustible diésel porque las características de los motores diésel han sido inherentemente adecuadas.
Los motores diésel, con su alta densidad de potencia, ofrecían un bajo costo inicial y la capacidad de asumir cargas rápidamente durante los arranques de emergencia. El costo de operación era en gran medida irrelevante porque los grupos electrógenos de reserva suelen funcionar menos de 100 horas al año y, a menudo, solo para realizar ejercicios periódicos. Además, los requisitos de emisiones eran fáciles de cumplir y no constituían una preocupación importante.

Por su parte, los motores a gas, con menor densidad de potencia y mayor costo inicial que los motores diésel, estaban diseñados para un uso prolongado. En esta aplicación, el costo del combustible, el costo de mantenimiento y las emisiones eran (y siguen siendo) las principales preocupaciones. Sin embargo, los últimos acontecimientos han puesto de manifiesto algunos factores limitantes de los motores diésel en determinadas aplicaciones.

Por ejemplo, después de grandes tormentas como el huracán Katrina en la costa del Golfo y el huracán Sandy en la costa este, los grupos electrógenos diésel de algunos lugares no funcionaron durante todo el tiempo que duró el corte de energía. Algunos tanques de almacenamiento de combustible se vieron comprometidos por las inundaciones. En otros casos, las inundaciones o los residuos bloquearon las calles y carreteras, de modo que los camiones de combustible no pudieron realizar las entregas, lo que provocó que los tanques de combustible se secaran. Mientras tanto, las redes de gasoductos de gas natural se vieron mínimamente afectadas, si acaso.

En general, los grupos electrógenos diésel de reserva se han visto limitados por la normativa sobre emisiones, sobre todo en aquellos lugares en los que la calidad del aire no cumple con las normas de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA). En la mayoría de las localidades, las emisiones de los motores diésel de reserva Tier 2 son aceptables siempre que funcionen durante 100 horas anuales o menos (excluyendo las horas de servicio de emergencia real). Sin embargo, en las zonas de incumplimiento, como Los Ángeles y la ciudad de Nueva York, la normativa de la EPA limita las instalaciones a un tonelaje máximo anual de emisiones de NOx.

Las instalaciones con una gran capacidad de diésel de reserva pueden superar el límite de emisiones del sitio y enfrentarse a importantes multas, solo por las emisiones del ejercicio de rutina. Incluso una actualización a la tecnología diésel Tier 4, con un costo mucho más elevado, puede no ser del todo una solución. En estos casos, la ventaja de la potencia de respaldo alimentada con gas natural es clara: los motores de mezcla pobre de alta eficiencia de hoy en día pueden funcionar durante un tiempo prolongado respetando plenamente las normas de emisiones y cumpliendo al mismo tiempo con los rigurosos requisitos de tiempo de arranque y aceptación de carga.

LA TRANSICIÓN AL GAS DE RESERVA

Los motores a gas natural para la potencia de respaldo no son un concepto nuevo. Durante años, los grupos electrógenos a gas instalados para la administración de carga (respuesta a la demanda) han cumplido una doble función ocasional como fuentes de energía de emergencia, principalmente opcional. Del mismo modo, los grupos electrógenos a gas para CHP suelen estar en línea cuando se necesita potencia de respaldo.

Estas aplicaciones principales y continuas suelen implicar muchas más horas de funcionamiento anual que las de reserva pura. Los motores a gas pueden producir emisiones de escape mucho más limpias que la tecnología diésel tradicional sin necesidad de un costoso postratamiento. Los arranques rápidos y la rápida aceptación de la carga son secundarios en estos entornos.

Los grupos electrógenos a gas son un nuevo concepto para el servicio de reserva puro, sobre todo en el segmento de alto crecimiento de 500 kW o más. En este caso, los grupos electrógenos a gas deben cumplir los mismos requisitos que los diésel en cuanto a tiempo de arranque y aceptación de la carga completa (Tabla 1).

La cuestión que se plantea entonces es cómo reimaginar los motores a gas natural para conseguir un rendimiento de reserva similar al del diésel. Para ello es necesario conocer las cargas que se van a alimentar y la capacidad que necesita el motor para recoger esas cargas con la velocidad necesaria. La mejora del rendimiento del motor a gas lo hace comparable al motor diésel. También hay una mayor capacidad para recoger las cargas, así como una mejor caída de voltaje y tiempo de recuperación.

Las consideraciones incluyen:

• Tipos de cargas (iluminación, ordenadores, equipos sanitarios, motores, UPS, enfriadores, compresores, ventiladores, etc.)
• Cargas lineales comparadas con las no lineales
• Necesidad de dispositivos especiales de arranque de la carga (como arrancadores del motor para grandes cargas de un solo motor)
  
• Tamaño de la carga (tanto los dispositivos individuales como la carga total que debe conmutarse a la vez)
  
• Calidad de la energía requerida (caída de voltaje y frecuencia, tiempo de recuperación, requisitos del factor de potencia)
  
• Condiciones geográficas/ambientales (altitud, temperaturas extremas y condiciones atmosféricas que puedan limitar la capacidad del motor)
  
• Tipos y duración de las emergencias que probablemente se produzcan a nivel local (tormentas, inundaciones, cortes de suministro prolongados, etc.)   

EL DESAFÍO

El desafío es cómo producir motores/grupos electrógenos de reserva alimentados con gas natural a precios aceptables para el mercado. Los gerentes de planta son reacios a gastar más de lo necesario en una instalación de reserva obligatoria.

Los fabricantes de motores a gas y diésel trabajan mucho para maximizar la densidad de potencia (kW por unidad de cilindrada) para reducir el costo inicial de los equipos. Los motores a gas, diseñados para un servicio de muchas horas con una carga relativamente uniforme y una velocidad constante, funcionan tradicionalmente con presiones de cilindro muy inferiores a su capacidad física. Por ejemplo, los motores a gas de alto rendimiento de Caterpillar están construidos con los mismos componentes básicos y resistentes (bloque de motor, cigüeñal, bielas, bloque de cilindros, tren de válvulas) que los motores diésel. Evidentemente, tienen la resistencia estructural necesaria para aceptar una mayor densidad de potencia y un rendimiento exigente de respaldo sin necesidad de un gran rediseño.

La tarea consistía en utilizar los motores a gas existentes, conociendo sus limitaciones (como el margen de detonación, el número de metano del combustible, la temperatura de los gases de escape y la presión del combustible) y modificarlos para que tuvieran un rendimiento similar al de los motores diésel para el servicio de reserva con arranques rápidos, aceptación rápida de la carga y recorridos de corta duración.

La cuestión esencial era cómo forzar la entrada de aire y combustible en los cilindros con la suficiente rapidez como para cumplir los requisitos de rendimiento en situaciones de respaldo de emergencia. En pocas palabras, esto implicó el perfeccionamiento del sistema de combustible, el sistema de aire, incluidos los turbocompresores y, lo que es más importante, las estrategias de mapeo de la gestión del motor empleadas en el sistema de control electrónico. Los controles electrónicos tuvieron que desarrollarse para ayudar a los motores a gas a hacer lo que históricamente no habían sido diseñados para hacer.

Un atributo clave en la capacidad de los motores a gas de mezcla pobre para asumir la carga es el enriquecimiento transitorio. Integrado en la estrategia de control electrónico del motor, el enriquecimiento transitorio aumenta en gran medida el flujo de combustible a los cilindros cuando se aplica una carga de bloque, aprovechando el exceso de aire inherente a la combustión de mezcla pobre. Cuando la carga en bloque se ha completado y el motor ha vuelto a las condiciones normales de operación, el flujo de gas vuelve a la normalidad y se restablece la relación aire-combustible de mezcla pobre y de bajas emisiones.

Con el perfeccionamiento del proceso de enriquecimiento transitorio a través del sistema de control y la adición de componentes del sistema de aire de acción rápida, los motores a gas pueden ofrecer ahora un rendimiento comparable al de los motores diésel en aplicaciones de potencia de respaldo. Uno de los desafíos pendientes era el impacto del funcionamiento de estos motores a gas de reserva recién refinados con cargas muy ligeras durante los ejercicios y pruebas de rutina, cuando los fabricantes de motores normalmente recomiendan cargar los motores a gas al menos al 50 % de su capacidad nominal para tales fines. Los motores de reserva Cat® de nuevo diseño están configurados para permitir el funcionamiento sin carga durante un máximo de una hora al mes, siempre que se sigan las prácticas de mantenimiento.

MEZCLA POBRE O MEZCLA ABUNDANTE

Tanto los motores modernos de mezcla pobre como los de tecnología más antigua de mezcla abundante pueden utilizarse en el servicio de reserva. En la mayoría de los servicios de reserva, la tecnología de mezcla pobre tiene ventajas significativas. Tradicionalmente, los motores de mezcla abundante tenían mayor capacidad para recoger cargas, pero más recientemente los motores de mezcla pobre se están construyendo a propósito para mejorar la aceptación de la carga.

Los motores de mezcla abundante representan la tecnología de gas tradicional. Fáciles de manejar y con un costo inicial relativamente bajo, han demostrado su confiabilidad en muchas aplicaciones. Una de las principales limitaciones de los motores de mezcla abundante es que sus temperaturas de cilindro más elevadas producen emisiones de NOx relativamente altas que deben controlarse con un catalizador de oxidación de tres vías; esto tiene un costo adicional de instalación y mantenimiento. Además, la densidad de potencia de los motores de mezcla abundante es limitada debido a las mayores temperaturas de los gases de escape. Como indica la Figura 1, los motores de mezcla pobre tienen un exceso de aire en el cilindro que permite reducir las temperaturas de los gases de escape, aumentar la densidad de potencia y reducir las emisiones de NOx. De este modo, se consigue una mayor eficiencia del combustible de entre el 10 y el 20 por ciento y se mejoran las densidades de potencia.

Desde la década de 1980, los motores de mezcla pobre se diseñaron en gran medida para permitir bajas emisiones de NOx y de otro tipo sin postratamiento de los gases de escape, reduciendo las temperaturas internas de los cilindros, lo que disminuye la formación de NOx como indica la Figura 2. También tienen una mayor densidad de potencia que los motores de mezcla abundante, son más eficientes en cuanto a combustible y cuestan menos de mantener. Como su nombre lo indica, los motores de mezcla pobre funcionan con una relación aire-combustible más pobre en estado de reposo.

COMPARACIÓN DE LOS COSTOS DE OPERACIÓN

La elección de la potencia de respaldo a gas frente a la de combustible diésel también depende de una comparación del primer costo. Los motores diésel Tier 2, cuando lo permiten las normas de emisiones, mantienen una ventaja de primer costo sobre los grupos electrógenos a gas. Pero para los sitios que requieren tecnología diésel Tier 4, la diferencia de primer costo desaparece rápidamente. En las aplicaciones con paridad de primer costo, los motores a gas de reserva tienen una ventaja de costo a largo plazo por sus menores costos de operación.

Por ejemplo, mientras que los motores diésel suelen requerir cambios de aceite cada 250-300 horas de funcionamiento, dependiendo del factor de carga, los motores a gas tienen intervalos de cambio de aceite de 1.000 horas y, en algunos modelos, mucho más largos. Esto cobra importancia después de grandes catástrofes naturales, cuando los equipos de reserva pueden funcionar durante una semana, dos semanas o más antes de que se restablezca el suministro eléctrico. Incluso durante un suceso de potencia de respaldo, el mantenimiento de los equipos generadores sigue siendo necesario en los intervalos recomendados o similares para mantener la integridad operativa del sistema.

El costo del combustible también puede ser significativo, y no exclusivamente en los momentos de mayor actividad en espera. Por ejemplo, consideremos que un motor diésel de 1 MW y un motor a gas de 1 MW funcionan durante 100 horas al año, con el combustible diésel a 2,50 dólares el galón y el gas natural a 4 dólares/MM Btu. Para esas 100 horas de funcionamiento, el combustible del motor a gas costaría unos 20.000 dólares menos que el combustible del motor diésel (Figura 3).

Cuanto mayor sea el número de horas de funcionamiento y el número de años en el período de evaluación, mayor será la ventaja en el costo del combustible de la tecnología de gas. Además, hay que tener en cuenta el costo inicial y a largo plazo del almacenamiento de combustible in situ. El combustible diésel suele pagarse cuando se entrega en el lugar de almacenamiento. Dependiendo del volumen de combustible, puede ser una inversión importante. Además del costo inicial, hay que mantener el combustible mientras está almacenado. Esto incluye el pulido del combustible cuando sea necesario, los aditivos de almacenamiento del combustible y el mantenimiento y control del tanque y del sitio. El gas natural, por el contrario, se compra usado y no requiere una limpieza adicional más allá del siempre recomendable filtro de combustible en línea.

Conclusión

A la hora de elegir una potencia de respaldo de gas natural o diésel para una aplicación determinada, resulta útil consultar con un distribuidor o representante de un fabricante de motores con experiencia en el mercado de reserva. Estos profesionales tienen acceso a generadores de motor en una amplia gama de potencias y configuraciones y tienen experiencia en tecnologías tanto de gas como de diésel.

Conocen las necesidades de las diferentes instalaciones comerciales, industriales e institucionales y pueden ayudar a seleccionar el sistema de reserva más adecuado con el costo óptimo de instalación, funcionamiento y mantenimiento. También están familiarizados con los requisitos del código de potencia de respaldo y con las preferencias de los organismos locales de control.

Los distribuidores Cat pueden gestionar la ingeniería, la adquisición y la construcción de todo el proyecto, y suministrar todos los motores, generadores, transformadores, equipos de conmutación y otros accesorios necesarios. También tienen acceso a los programas de financiación del fabricante para ayudar a completar el proyecto con un presupuesto y un flujo de caja favorables.

El mercado de los motores de reserva sigue evolucionando hacia la tecnología de motores de reserva alimentados con gas natural. El desarrollo de motores a gas ha respondido con rapidez y éxito a la necesidad del mercado de motores de bajas emisiones capaces de aceptar rápidamente la carga que requiere el servicio de reserva. Muchos operadores de planta ahora dan la bienvenida a los grupos electrógenos a gas natural como herramientas para satisfacer la creciente lista de desafíos en el servicio de potencia de respaldo. Para programar una consulta, asistir a un seminario web o recibir formación in situ sobre este y otros temas, visite cat.com/powersystemstraining.

ACERCA DE

Acerca de la autora

Diane Clifford es Consultora de Mercado en Caterpillar Energy Solutions, situada en Lafayette, Indiana.

Acerca de Caterpillar

Durante más de 90 años, Caterpillar Inc. ha hecho posible el progreso sostenible e impulsado cambios positivos en todos los continentes. Los clientes recurren a Caterpillar para que los ayude a desarrollar activos de infraestructura, energía y recursos naturales. Con ventas y utilidades de $45.462 millones en 2017, Caterpillar es el principal fabricante del mundo de equipo de minería y construcción, motores diésel y a gas natural, turbinas industriales a gas y locomotoras diésel y eléctricas. La empresa opera principalmente a través de tres segmentos: la industria de la construcción, la industria de recursos y la industria de energía y transporte. Además, ofrece financiamiento y servicios relacionados a través de su segmento de productos financieros. Para obtener más información, visite caterpillar.com. Para comunicarse con nosotros en las redes sociales, visite caterpillar.com/social-media.