I generatori diesel sono ampiamente utilizzati per l’energia off-grid, ma i costi del carburante rappresentano una spesa operativa significativa. Lo stoccaggio a batteria integrato con i sistemi di generatori può ridurre i costi del diesel con lo stoccaggio a batteria riducendo al minimo il tempo di funzionamento del generatore e facendo funzionare i generatori a punti di efficienza ottimali. Injet HanCang ha sviluppato sistemi ibridi che riducono i costi del diesel con lo stoccaggio a batteria nelle applicazioni minerarie, delle telecomunicazioni e industriali. Questo articolo presenta l'approccio tecnico, i dati sul risparmio di carburante e l'analisi economica.
Lo stoccaggio della batteria riduce il consumo di diesel attraverso tre meccanismi.
Il primo meccanismo è il livellamento del carico. I generatori funzionano in modo inefficiente a carico parziale. Un tipico generatore diesel ha un'efficienza solo del 30% con un carico del 20%, ma raggiunge un'efficienza del 40% con un carico dell'80%. Utilizzando la batteria per gestire i periodi a basso carico, il generatore può essere spento o utilizzato a carico più elevato, riducendo il consumo di carburante per kilowattora prodotto.
Il secondo meccanismo è il peak shaving. I generatori devono essere dimensionati per i picchi di carico, che possono verificarsi solo per poche ore al giorno. Il generatore funziona a basso carico per gran parte della giornata. L'accumulo della batteria fornisce il carico di picco, consentendo a un generatore più piccolo di funzionare con un carico medio più elevato. Il generatore più piccolo ha un consumo di carburante inferiore rispetto al generatore più grande a parità di carico medio. Il terzo meccanismo è la riduzione dell'avvio del generatore. I generatori consumano carburante durante i periodi di avvio e riscaldamento. Utilizzando la batteria per coprire le esigenze di alimentazione di breve durata, il generatore si avvia meno volte al giorno. I dati di Injet HanCang mostrano che la riduzione da ventiquattro avviamenti al giorno a sei al giorno consente di risparmiare circa il 5% di carburante grazie alla riduzione del consumo di avvio.
Injet HanCang ha misurato il risparmio di carburante in più installazioni progettate per ridurre i costi del diesel con lo stoccaggio a batteria. La tabella seguente mostra i dati di tre siti rappresentativi. Tipo di sito Dimensioni del generatore Dimensioni della batteria Carburante precedente al giorno Carburante attuale al giorno Risparmio carburante Torre delle telecomunicazioni 50 kilowatt 200 kilowattora 110 litri 38 litri 65% Campo minerario 300 kilowatt 1000 kilowattora 580 litri 210 litri 64% Pompaggio dell'acqua 150 kilowatt 500 kilowattora 310 litri 115 litri 63% Il sito della torre delle telecomunicazioni gestiva in precedenza un generatore da cinquanta kilowatt in modo continuo per alimentare un carico da venti kilowatt. Il generatore funzionava con un carico del quaranta per cento, raggiungendo un'efficienza del trentadue per cento. Con lo stoccaggio a batteria, il generatore funziona solo sei ore al giorno a pieno carico per ricaricare la batteria. Il generatore ora funziona a una potenza di cinquanta kilowatt, raggiungendo un'efficienza del trentotto%. Il consumo di carburante per kilowattora erogato è sceso da zero virgola quattro due litri a zero virgola uno cinque litri.
Injet HanCang utilizza un algoritmo di controllo predittivo per ridurre il costo del diesel con lo stoccaggio della batteria. L'algoritmo considera tre input: lo stato di carica attuale della batteria, la previsione di carico per le prossime sei ore e la curva di consumo di carburante del generatore. L'algoritmo calcola l'ora di avvio del generatore e la durata di funzionamento ottimali. L'obiettivo è mantenere lo stato di carica della batteria tra il 40 e l'80%, riducendo al minimo il consumo totale di carburante. L'algoritmo di controllo è stato sviluppato utilizzando i dati di tre anni di operazioni sul campo. L'algoritmo include una funzione di apprendimento che regola le previsioni in base ai modelli di carico effettivi. Ad esempio, se il sito è costantemente sottoposto a carichi più elevati nel pomeriggio, l'algoritmo avvia il generatore prima per ricaricare la batteria prima del periodo di carico di punta. La funzione di apprendimento riduce l'errore di previsione dal 15% al 5% nel primo mese di funzionamento.
Injet HanCang implementa anche un sistema di monitoraggio del consumo di carburante. Il sistema misura la portata del carburante durante il funzionamento del generatore e registra il consumo cumulativo. Gli operatori possono visualizzare i dati sul consumo di carburante in tempo reale e confrontarli con i dati storici. Il sistema di monitoraggio fornisce avvisi se il consumo di carburante si discosta dai valori previsti, indicando potenziali problemi di manutenzione.
Il vantaggio economico derivante dalla riduzione del costo del diesel con lo stoccaggio a batteria dipende dal prezzo del carburante, dal costo del sistema e dalle ore di funzionamento. Injet HanCang ha sviluppato un modello economico per un tipico sito minerario con un carico medio di centocinquanta kilowatt e un generatore da trecento kilowatt. Il modello utilizza un sistema di accumulo a batteria da cinquecento kilowattora e un inverter da centocinquanta kilowatt. Le ipotesi del modello sono le seguenti. Il prezzo del diesel è di uno virgola due dollari al litro. Il costo di manutenzione del generatore è di dodicimila dollari all'anno per il caso del solo generatore e di seimila dollari all'anno per il caso ibrido a causa della ridotta autonomia. Il costo del sistema batteria è di duecentomila dollari. Il costo dell'inverter è di cinquantamila dollari. Il costo di installazione e messa in servizio è di trentamila dollari. Il costo totale del sistema è di duecentottantamila dollari. Il consumo annuale di carburante nel caso del solo generatore è di centotrentamila litri, per un costo di centocinquantaseimila dollari. Il consumo annuale di carburante per il caso ibrido è di quarantaseimila litri, che costa cinquantacinquemila dollari. Il risparmio di carburante è di centomila dollari all'anno. Il risparmio sulla manutenzione è di seimila dollari all'anno. Il risparmio annuo totale è di centosettemila dollari. Il periodo di rimborso è di due virgola sei anni.
Diversi spunti tecnici sono emersi dai progetti Injet HanCang progettati per ridurre i costi del diesel con lo stoccaggio delle batterie. La prima intuizione è che il dimensionamento della batteria influisce in modo significativo sul risparmio di carburante. Una batteria troppo piccola richiede avvii frequenti del generatore, riducendo i risparmi di avviamento. Una batteria troppo grande aumenta i costi iniziali senza un risparmio proporzionale di carburante. Injet HanCang consiglia una capacità della batteria compresa tra quattro e sei ore di carico medio per una riduzione ottimale del carburante. Questo dimensionamento fornisce uno spazio di archiviazione sufficiente per i carichi notturni mantenendo il costo della batteria entro limiti economici. La seconda intuizione è che la scelta del generatore è importante. I generatori con regolazione elettronica e rapporti di compressione elevati hanno una migliore efficienza a carico parziale.
Injet HanCang specifica generatori con funzionamento a velocità variabile per applicazioni ibride. Il generatore a velocità variabile regola la velocità del motore in modo che corrisponda alla potenza richiesta, migliorando l'efficienza da cinque a otto punti percentuali rispetto ai generatori a velocità fissa. La terza intuizione è che la temperatura ambiente influisce sul consumo di carburante. I generatori consumano più carburante a temperature ambiente elevate a causa della ridotta densità dell'aria. Lo stoccaggio della batteria consente al generatore di funzionare durante i periodi più freddi della giornata, quando funziona in modo più efficiente. I sistemi Injet HanCang includono la programmazione della temperatura che dà priorità al funzionamento del generatore durante le prime ore del mattino nei climi caldi. Questa programmazione riduce il consumo di carburante di un ulteriore 4%.
Un sito minerario nell’Australia occidentale ha implementato un sistema Injet HanCang per ridurre i costi del diesel con lo stoccaggio delle batterie. Il sito precedentemente gestiva due generatori da trecento kilowatt in parallelo per fornire un carico medio di duecentocinquanta kilowatt. I carichi di punta hanno raggiunto i seicento kilowatt durante le operazioni di perforazione. Il sito consumava centosettantamila litri di gasolio al mese per un costo di duecentomila dollari. Injet HanCang ha installato un sistema di accumulo di batterie da mille kilowattora con un inverter da cinquecento kilowatt. I generatori esistenti furono mantenuti ma funzionarono solo uno alla volta. La batteria alimenta il carico durante i periodi di bassa domanda e fornisce assistenza durante i periodi di massima domanda. Il generatore funziona per sei ore al giorno, ricaricando la batteria mentre alimenta il carico. Dopo dodici mesi di attività, il sito ha ridotto il consumo di gasolio a cinquantottomila litri al mese. Il costo mensile del carburante è sceso a settantamila dollari. Il risparmio annuo di carburante è di centotrentaduemila litri, per un valore di centocinquantottomila dollari. Il periodo di ammortamento del sistema era di ventidue mesi. L'intervallo di manutenzione del generatore è stato esteso da mille a tremila ore a causa della ridotta autonomia.
Il periodo di ammortamento varia da due a cinque anni a seconda del prezzo del carburante e del costo del sistema. I siti con prezzi del gasolio superiori a un dollaro al litro in genere raggiungono il rimborso entro tre anni.
Sì, Injet HanCang fornisce sistemi di retrofit che aggiungono stoccaggio e controllo della batteria ai generatori esistenti. Il generatore esistente deve disporre di controlli compatibili per l'avvio e l'arresto a distanza. La maggior parte dei generatori prodotti dopo il 2015 hanno questa capacità.
Il sistema di batterie richiede una manutenzione minima rispetto al generatore. Si consigliano test annuali della capacità e ispezione visiva. Il sistema di raffreddamento richiede la pulizia del filtro ogni tre mesi.
No, la conservazione della batteria riduce ma non elimina l'autonomia del generatore. Il generatore deve funzionare periodicamente per ricaricare la batteria. I sistemi Injet HanCang in genere riducono il tempo di funzionamento del generatore dal sessanta al settanta per cento.
Per gli impianti con solare fotovoltaico il generatore si avvia automaticamente quando lo stato di carica della batteria scende al di sotto della soglia impostata. Il sistema funziona in modalità di ricarica del generatore finché la batteria non è sufficientemente ricaricata.
I sistemi Injet HanCang dimostrano che lo stoccaggio delle batterie riduce significativamente i costi del diesel con lo stoccaggio delle batterie attraverso il livellamento del carico, il peak shaving e la riduzione degli avvii del generatore. I dati sul campo mostrano un risparmio di carburante compreso tra il 63% e il 65% nelle applicazioni di telecomunicazioni, estrazione mineraria e pompaggio dell’acqua. L'algoritmo di controllo predittivo ottimizza il funzionamento del generatore in base alla previsione del carico e alle curve di efficienza del generatore. L'analisi economica mostra periodi di ammortamento di due o tre anni per installazioni tipiche. Approfondimenti tecnici riguardanti il dimensionamento della batteria, la selezione del generatore e la programmazione della temperatura migliorano ulteriormente i risparmi. I siti interessati a ridurre i costi del diesel con lo stoccaggio a batteria possono richiedere una valutazione sulla riduzione del carburante a Injet HanCang.