Los generadores diésel se utilizan ampliamente para obtener energía fuera de la red, pero los costos de combustible representan un gasto operativo significativo. El almacenamiento de batería integrado con los sistemas de generador puede reducir el costo del diésel con el almacenamiento de batería al minimizar el tiempo de funcionamiento del generador y operar los generadores en puntos de eficiencia óptima. Injet HanCang ha desarrollado sistemas híbridos que reducen el costo del diésel con almacenamiento de batería en aplicaciones industriales, de telecomunicaciones y de minería. Este artículo presenta el enfoque técnico, los datos de ahorro de combustible y el análisis económico.
El almacenamiento en baterías reduce el consumo de diésel a través de tres mecanismos.
El primer mecanismo es la nivelación de carga. Los generadores funcionan de manera ineficiente a carga parcial. Un generador diésel típico tiene una eficiencia de sólo el treinta por ciento con una carga del veinte por ciento, pero alcanza una eficiencia del cuarenta por ciento con una carga del ochenta por ciento. Al utilizar el almacenamiento de batería para manejar períodos de baja carga, el generador se puede apagar o operar con una carga más alta, lo que reduce el consumo de combustible por kilovatio-hora producido.
El segundo mecanismo es la reducción de picos. Los generadores deben dimensionarse para cargas máximas, que pueden ocurrir sólo durante unas pocas horas al día. El generador funciona con carga baja durante la mayor parte del día. El almacenamiento en batería suministra la carga máxima, lo que permite que un generador más pequeño funcione con una carga promedio más alta. El generador más pequeño tiene un menor consumo de combustible que el generador más grande con la misma carga promedio. El tercer mecanismo es la reducción del arranque del generador. Los generadores consumen combustible durante los períodos de arranque y calentamiento. Al utilizar el almacenamiento de batería para cubrir las necesidades de energía de corta duración, el generador arranca menos veces al día. Los datos de Injet HanCang muestran que reducir los arranques de veinticuatro por día a seis por día ahorra aproximadamente el cinco por ciento de combustible gracias a un menor consumo de arranque.
Injet HanCang ha medido el ahorro de combustible en múltiples instalaciones diseñadas para reducir el costo del diésel con almacenamiento en batería. La siguiente tabla muestra datos de tres sitios representativos. Tipo de sitio Tamaño del generador Tamaño de la batería Combustible anterior por día Combustible actual por día Ahorro de combustible Torre de telecomunicaciones 50 kilovatios 200 kilovatios hora 110 litros 38 litros 65 por ciento Campamento minero 300 kilovatios 1000 kilovatios hora 580 litros 210 litros 64 por ciento Bombeo de agua 150 kilovatios 500 kilovatios hora 310 litros 115 litros 63 por ciento El sitio de la torre de telecomunicaciones anteriormente tenía un generador de cincuenta kilovatios de forma continua para alimentar una carga de veinte kilovatios. El generador funcionó con un cuarenta por ciento de carga, logrando una eficiencia del treinta y dos por ciento. Con almacenamiento de batería, el generador funciona sólo seis horas al día a plena carga para recargar la batería. El generador funciona ahora con una potencia de cincuenta kilovatios y alcanza una eficiencia del treinta y ocho por ciento. El consumo de combustible por kilovatio-hora entregado disminuyó de cero coma cuatro dos litros a cero coma uno cinco litros.
Injet HanCang utiliza un algoritmo de control predictivo para reducir el costo del diésel con almacenamiento en batería. El algoritmo considera tres entradas: el estado actual de carga de la batería, la previsión de carga para las próximas seis horas y la curva de consumo de combustible del generador. El algoritmo calcula la hora óptima de inicio del generador y la duración de funcionamiento. El objetivo es mantener el estado de carga de la batería entre un cuarenta y un ochenta por ciento minimizando al mismo tiempo el consumo total de combustible. El algoritmo de control se desarrolló utilizando datos de tres años de operación de campo. El algoritmo incluye una función de aprendizaje que ajusta las predicciones en función de los patrones de carga reales. Por ejemplo, si el sitio experimenta constantemente cargas más altas por la tarde, el algoritmo enciende el generador antes para recargar la batería antes del período de carga máxima. La función de aprendizaje reduce el error de predicción del quince por ciento al cinco por ciento durante el primer mes de funcionamiento.
Injet HanCang también implementa un sistema de monitoreo del consumo de combustible. El sistema mide el caudal de combustible durante el funcionamiento del generador y registra el consumo acumulado. Los operadores pueden ver los datos de consumo de combustible en tiempo real y compararlos con datos históricos. El sistema de monitoreo proporciona alertas si el consumo de combustible se desvía de los valores esperados, lo que indica posibles problemas de mantenimiento.
El beneficio económico de reducir el costo del diésel con almacenamiento en batería depende del precio del combustible, el costo del sistema y las horas de operación. Injet HanCang desarrolló un modelo económico para un sitio minero típico con una carga promedio de ciento cincuenta kilovatios y un generador de trescientos kilovatios. El modelo utiliza un sistema de almacenamiento de baterías de quinientos kilovatios hora y un inversor de ciento cincuenta kilovatios. Los supuestos del modelo son los siguientes. El precio del diésel es de uno coma dos dólares el litro. El costo de mantenimiento del generador es de doce mil dólares por año para el caso de solo generador y de seis mil dólares por año para el caso híbrido debido al tiempo de ejecución reducido. El coste del sistema de batería es de doscientos mil dólares. El coste del inversor es de cincuenta mil dólares. El costo de instalación y puesta en servicio es de treinta mil dólares. El costo total del sistema es de doscientos ochenta mil dólares. El consumo anual de combustible para el caso del generador solamente es de ciento treinta mil litros, con un costo de ciento cincuenta y seis mil dólares. El consumo anual de combustible en la versión híbrida es de cuarenta y seis mil litros y su coste es de cincuenta y cinco mil dólares. El ahorro de combustible es de ciento un mil dólares al año. El ahorro en mantenimiento es de seis mil dólares al año. El ahorro anual total es de ciento siete mil dólares. El plazo de recuperación es de dos coma seis años.
Varios conocimientos técnicos han surgido de los proyectos de Injet HanCang diseñados para reducir el costo del diésel con almacenamiento en batería. La primera idea es que el tamaño de la batería afecta significativamente al ahorro de combustible. Una batería demasiado pequeña requiere arranques frecuentes del generador, lo que reduce el ahorro de arranque. Una batería demasiado grande aumenta el costo inicial sin un ahorro proporcional de combustible. Injet HanCang recomienda una capacidad de batería de cuatro a seis horas de carga promedio para una reducción óptima de combustible. Este tamaño proporciona suficiente almacenamiento para cargas nocturnas y al mismo tiempo mantiene el costo de la batería dentro de los límites económicos. La segunda idea es que la selección del generador es importante. Los generadores con gobierno electrónico y altas relaciones de compresión tienen una mejor eficiencia de carga parcial.
Injet HanCang especifica generadores con operación de velocidad variable para aplicaciones híbridas. El generador de velocidad variable ajusta la velocidad del motor para que coincida con la potencia requerida, mejorando la eficiencia entre cinco y ocho puntos porcentuales en comparación con los generadores de velocidad fija. La tercera idea es que la temperatura ambiente afecta el consumo de combustible. Los generadores consumen más combustible a temperaturas ambiente altas debido a la menor densidad del aire. El almacenamiento en batería permite que el generador funcione durante los períodos más fríos del día, cuando el generador funciona de manera más eficiente. Los sistemas Injet HanCang incluyen programación de temperatura que prioriza el funcionamiento del generador durante las primeras horas de la mañana en climas cálidos. Esta programación reduce el consumo de combustible en un cuatro por ciento adicional.
Un sitio minero en Australia Occidental implementó un sistema Injet HanCang para reducir el costo del diésel con almacenamiento en batería. Anteriormente, el sitio operaba dos generadores de trescientos kilovatios en paralelo para suministrar una carga promedio de doscientos cincuenta kilovatios. Las cargas máximas alcanzaron los seiscientos kilovatios durante las operaciones de perforación. El sitio consumía ciento setenta mil litros de diésel al mes a un costo de doscientos mil dólares. Injet HanCang instaló un sistema de almacenamiento de batería de mil kilovatios-hora con un inversor de quinientos kilovatios. Los generadores existentes se conservaron, pero sólo se utilizaron uno a la vez. La batería suministra la carga durante los períodos de baja demanda y ayuda durante los períodos de máxima demanda. El generador funciona durante seis horas al día, recargando la batería mientras suministra la carga. Después de doce meses de funcionamiento, la planta redujo el consumo de diésel a cincuenta y ocho mil litros mensuales. El coste mensual del combustible se redujo a setenta mil dólares. El ahorro anual de combustible es de ciento treinta y dos mil litros, valorado en ciento cincuenta y ocho mil dólares. El período de recuperación del sistema fue de veintidós meses. El intervalo de mantenimiento del generador se amplió de mil a tres mil horas debido a la reducción del tiempo de funcionamiento.
El período de recuperación oscila entre dos y cinco años, dependiendo del precio del combustible y del coste del sistema. Los sitios con precios de diésel superiores a un dólar por litro generalmente logran recuperar la inversión en tres años.
Sí, Injet HanCang proporciona sistemas de modernización que agregan almacenamiento y control de batería a los generadores existentes. El generador existente debe tener controles compatibles para arranque y parada remotos. La mayoría de los generadores fabricados después de 2015 tienen esta capacidad.
El sistema de baterías requiere un mantenimiento mínimo en comparación con el generador. Se recomiendan pruebas de capacidad anuales e inspección visual. El sistema de enfriamiento requiere una limpieza del filtro cada tres meses.
No, el almacenamiento en batería reduce, pero no elimina, el tiempo de funcionamiento del generador. El generador debe funcionar periódicamente para recargar la batería. Los sistemas Injet HanCang normalmente reducen el tiempo de funcionamiento del generador entre un sesenta y un setenta por ciento.
Para sistemas con energía solar fotovoltaica, el generador se inicia automáticamente cuando el estado de carga de la batería cae por debajo del umbral establecido. El sistema funciona en modo de carga del generador hasta que la batería esté suficientemente recargada.
Los sistemas Injet HanCang demuestran que el almacenamiento en batería reduce significativamente el costo del diésel con almacenamiento en batería mediante la nivelación de carga, reducción de picos y arranques reducidos del generador. Los datos de campo muestran un ahorro de combustible del sesenta y tres al sesenta y cinco por ciento en aplicaciones de telecomunicaciones, minería y bombeo de agua. El algoritmo de control predictivo optimiza el funcionamiento del generador basándose en la previsión de carga y las curvas de eficiencia del generador. El análisis económico muestra períodos de recuperación de dos a tres años para instalaciones típicas. Los conocimientos técnicos sobre el tamaño de la batería, la selección del generador y la programación de la temperatura mejoran aún más los ahorros. Los sitios interesados en reducir el costo del diésel con almacenamiento en batería pueden solicitar una evaluación de reducción de combustible a Injet HanCang.