Alimentar grúas torre por menos dinero y con menor contaminación

El Dr. Andrew Deakin comparte su perspectiva sobre las diferentes tecnologías y los desafíos para impulsar de forma más eficiente las grúas torre. Foto: Joe Mather/KHL

Investigar el modo en que se accionan las grúas torre revela noticias sorprendentes, especialmente en lo que respecta a la eficiencia o, en la mayoría de los casos, una clara falta de ella.

“¿Cuál es la forma más eficiente de alimentar grúas torre?”, preguntó el Dr. Andrew Deakin, director técnico de Dumarey Green Power, con sede en el Reino Unido, al iniciar el debate en la conferencia de grúas torre ITC 2025 en Roma, a principios de junio.

Para responder a esta pregunta, Deakin analizó datos reales, incluyendo las emisiones reales de dióxido de carbono (CO₂) generadas al alimentar grúas torre. Analizó diversas soluciones, además de los generadores diésel convencionales, incluyendo sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), tecnología de volante de inercia y combustibles alternativos. Se consideraron los costos financieros y de otro tipo, por ejemplo, las emisiones de dióxido de carbono (CO₂).

Para un ejemplo de datos de ciclo de trabajo real, Deakin utilizó una planta con grúas torre Terex CTL 1600 de pluma abatible en Londres para Select Plant. Dumarey utilizó un volante de inercia en una de estas grúas durante aproximadamente 18 meses y registró los datos. La grúa funciona todo el día y parece bastante ocupada, dice Deakin. Es una grúa torre grande, que maneja de 250 a 300 kilovatios. Normalmente, se alimenta con una red eléctrica de 400 kVA o un generador de 650 kVA.

Al ampliar el gráfico de uso, se aprecia claramente que hay largos periodos, aunque parezca que hay mucha actividad, en los que la grúa consume muy poca energía. Si observamos la energía promedio de todo el día, a pesar de ser una grúa de 300 kilovatios, ese promedio es de unos 11 kilovatios. "No necesitamos tanta energía para accionar la grúa. Serían unos 110 kilovatios-hora durante todo el día", dijo Deakin.

En cuanto al generador de 650 kVA, "funciona a un promedio de aproximadamente el 2,1 % de su capacidad de potencia máxima. Estos generadores están sobredimensionados, pero deben gestionar los picos de potencia y los transitorios elevados".

Desde el punto de vista de las emisiones, la primera opción es conectar la grúa a la red eléctrica. «Así no quemamos diésel y debería emitir menos CO2». La cantidad de CO2 procedente de la red depende del país en el que opera la grúa. En Francia, se dice que es casi nula gracias a la energía nuclear. El Reino Unido tiene una media de unos 124 gramos de CO2 por kilovatio-hora y la media de la UE es de 242. Italia ronda los 376 y Polonia los 662, gracias a las centrales eléctricas de carbón. Aun así, es mejor utilizar esa red relativamente contaminante que un grupo electrógeno diésel.

“Esto significa que, si tomamos una gran grúa torre con un consumo energético promedio de unos 10 kilovatios, se producen entre cero y seis kilogramos de CO2 por hora al alimentar esa grúa, si está conectada a la red eléctrica”.

Las grúas torre requieren un gran suministro eléctrico. Una grúa pequeña suele necesitar 75 kVA, una mediana, 150 kVA y una grande, 300 kVA. La CTL 1600, en su nivel más alto, necesita 400 kVA. Una planta con cinco de estas grúas grandes podría necesitar de 1 a 1,5 MVA de suministro a la red, y esta podría no estar disponible, por lo que se utilizan cinco grandes generadores diésel.

Obviamente, eso resultará en emisiones relativamente altas. Deberíamos ser capaces de hacerlo mejor que eso —sugiere Deakin—.

Dimensionando la potencia

Para grúas de diferentes tamaños, el requerimiento promedio de potencia es muy bajo: de 2 a 3 kilovatios para una grúa pequeña; de 4 a 7 kW para una mediana; y de 8 a 12 kW para una grande. Sin embargo, las cargas pico son bastante altas en comparación con eso: 50, 100 y 200 kilovatios (SML). El tamaño del generador es aproximadamente dos veces y media mayor para gestionar los picos y los transitorios. Sin embargo, una carga promedio tiende a ser de aproximadamente el 2,5 % de la capacidad pico del grupo electrógeno. "Estamos instalando un generador de gran capacidad para gestionar la entrega de una potencia promedio muy baja".

Se utilizan generadores de gran tamaño para soportar las cargas transitorias. La eficiencia del generador, cuando la grúa opera realizando una elevación pesada, se sitúa probablemente entre el 50 % y el 60 % de la carga, y el generador funciona con una eficiencia de entre el 35 % y el 40 %, la eficiencia típica de un motor diésel.

Sin embargo, si consideramos la demanda promedio de una grúa torre, la carga se reduce al 2,5 %. Esto significa que nuestra eficiencia es de entre el 5 % y el 10 %. Es bastante baja. La pregunta es ¿qué podemos hacer al respecto? Si debemos usar generadores diésel, ¿cómo podemos aumentar esa eficiencia?

Los motores diésel tienen una eficiencia del 40 % a plena potencia. La energía del combustible se pierde de muchas maneras durante la combustión y el funcionamiento del motor. La bomba de agua, el turbo, el alternador, etc., consumen energía y se producen pérdidas mecánicas en todo el proceso. Gran parte de la energía se desperdicia en forma de calor, a través del escape del motor y del sistema de refrigeración.

Deakin explica el flujo de energía en un diagrama de Sankey para la eficiencia de un motor diésel en un grupo electrógeno que opera al 40 % de eficiencia. Foto: Joe Mather/KHL

Eficiencia del motor

Un generador de 500 kVA con una eficiencia óptima del 40 % (potencia de frenado en el cigüeñal) genera unos 400 kilovatios. Hay una pérdida mecánica de 50 kilovatios, que es la misma independientemente de la carga. Además, se desperdician 600 kilovatios en calor. «Básicamente, quemamos combustible para generar mil kilovatios y obtener 400 kilovatios de energía útil».

Apliquemos esto a una grúa torre, donde el motor funciona con una eficiencia óptima, pero con una carga promedio de aproximadamente el 2,5 %. «En este caso, obtenemos aproximadamente un 7 % de potencia útil, y el 93 % restante se convierte en calor. Volviendo a las pérdidas mecánicas, ahora representan aproximadamente el 38 % de la energía del combustible, simplemente superando la fricción del motor y todos esos otros factores».

La mayor parte de la potencia del cigüeñal se convierte en pérdidas mecánicas, con una eficiencia general del 7 %. Volviendo al generador de 500 kVA, hay 10 kilovatios de trabajo útil y 50 kilovatios de pérdidas mecánicas. De nuevo, es la misma cifra, y 140 kilovatios salen del motor como calor residual.

Si cree que esto es deficiente, puede ser aún peor en los motores de la Fase Cinco de la UE. «He visto en obras un generador de 500 kVA con un banco de carga de 100 kilovatios, y muchos de los generadores también tienen bancos de carga [permanentes] integrados. Así que ahora tenemos un 3 % de trabajo útil y el banco de carga consume el 28 %. Hemos bajado al 3 % de eficiencia y el 97 % de la energía del combustible se convierte en calor residual. La conclusión es que con la Fase Cinco de la UE podemos empeorar mucho la eficiencia».

¿Cuales son los costos?

El volante de inercia de un sistema de almacenamiento de energía Flybrid. Foto: Joe Mather/KHL

Un generador de 500 kVA de la UE, Etapa III A, que alimenta una grúa torre de gran tamaño consume un promedio de 15 litros de diésel por hora, durante 60 horas semanales. Esto supone 45.000 litros de diésel al año, o 67.500 € a 1,50 € el litro, y 120 toneladas de CO2. Un grupo electrógeno equivalente de la Etapa V podría consumir 200.000 € en diésel.

Del dinero gastado en combustible, solo 4.500 € se convierten en energía para impulsar la grúa. El resto, la asombrosa cifra de 63.000 €, se desperdicia en calor. «La pregunta entonces es cómo podemos reducir esos 63.000 € de desperdicio. Si tuviéramos un motor diésel funcionando al 40 % de eficiencia, ese coste se reduciría a 13.500 € al año».

Como referencia, si la grúa funcionara con electricidad de la red eléctrica, serían unos 7.500 € al año para el mismo trabajo.

¿Cómo se puede usar el diésel de forma más eficiente? Un generador de 500 kVA, que consume 15 litros de combustible por hora, nos proporciona nuestros 10 kilovatios, con una eficiencia del 5 al 10 %, como se mencionó anteriormente. Si se utiliza un dispositivo transitorio (un sistema de volante de inercia que reduce los picos y ayuda a los transitorios, o podrían ser supercondensadores), el generador tiene que gestionar la carga máxima durante unos 10 segundos, pero también necesita tiempo para alcanzarla.

Podríamos sustituir el grupo electrógeno de 500 kVA por un generador de 200 kVA con volante de inercia. Esto reduce nuestro consumo de combustible a unos siete litros por hora. Nuestra potencia de frenado sigue siendo de 10 kilovatios, pero hemos aumentado la eficiencia hasta un 15 %.

Si optamos por un dispositivo de máxima potencia, por ejemplo, un sistema de almacenamiento de energía de batería o un volante de inercia de gran tamaño, donde el sistema se carga básicamente desde el generador con alta eficiencia, podríamos reducirlo a, por ejemplo, un generador y batería de 25 kVA, que consume menos de tres litros de diésel por hora. La potencia de frenado sigue siendo de 10 kilovatios, pero la eficiencia se ha ajustado al rango donde obtenemos la máxima eficiencia del motor.

La tecnología de batería y volante puede reducir significativamente la cantidad de combustible necesaria para alimentar la grúa.

Big BESS y la red

Tomemos otro ejemplo: en el emplazamiento hay suministro eléctrico para nuestras cinco grandes grúas torre. Si solo hubiera 100 kVA de red disponibles, bastaría con uno o dos sistemas de baterías, pero dependería de un par de factores. "Uno es la rapidez de respuesta de la batería, ya que esta debe proteger la red de los transitorios. No podemos suministrar toda la potencia a la red durante periodos cortos, ya que simplemente activaría el interruptor. En este caso, probablemente tendremos que instalar una o dos baterías y tres generadores en el emplazamiento".

Las baterías grandes contienen mucho litio (una gran cantidad de CO2 incorporado), y las cargas parásitas pueden alcanzar de 7 a 10 kilovatios. El sistema BESS Dumarey PowerSkid puede funcionar con una red eléctrica de 40 kVA para alimentar grandes grúas torre.

O podemos optar por una batería del tamaño adecuado. De nuevo, disponemos de una red de 100 kVA y usamos baterías de alta potencia. Estas se diferencian porque tienen un circuito de carga independiente, lo que significa que la red está aislada de la grúa. La red nunca recibe la misma carga que la grúa. Con 20 kVA o 30 amperios, el suministro sería suficiente para alimentar cada una de las grúas torre.

Allí tenemos cinco grúas torre que funcionan con 100 kVA en lugar de 1 o 1,5 MVA. Hemos eliminado el diésel de la planta para alimentar las grúas torre, lo que ofrece otras ventajas. Estas baterías son bastante pequeñas, por lo que contienen mucho menos litio y menos carga parásita. La red eléctrica de baja potencia puede funcionar con el sistema de almacenamiento de energía de baterías adecuado para permitir que la planta se alimente con el mínimo de emisiones. La tecnología utilizada es la batería Revolution, que puede funcionar con una fuente de alimentación de 10 o 20 kVA, y cada unidad tiene menos de 30 kilovatios-hora de baterías.

CO2 y costes

En resumen, la red eléctrica siempre será la mejor opción porque tiene el menor costo, no se quema mucho diésel y, siempre que esté en el sitio, es gratis y las emisiones de CO2 son las más bajas.

La quinta etapa va a ser muy costosa y supondrá hasta cien kilogramos de CO2 por kilovatio-hora para los 10 kilovatios que vamos a utilizar para esta aplicación.

Con un volante de inercia y una batería, reducimos el CO2 significativamente, dependiendo de la tecnología elegida. El generador pequeño emite aproximadamente un 10 % de CO2 en comparación con el generador de Etapa Cinco. Esto supone un ahorro del 90 %.

El volante y la batería son un poco más baratos que el generador de Etapa III A. Esta solución no le costará más dinero al implementar la tecnología en comparación con el generador diésel básico que todos eligieron en los últimos años.

Todas estas soluciones no sólo ahorran CO2 sino que también ahorran dinero al cliente final.

Combustibles alternativos

En términos de alternativas al diésel, existen numerosas opciones, entre ellas: aceite vegetal hidrogenado (HVO); pilas de combustible de hidrógeno; combustión interna de hidrógeno (CI); combustibles sintéticos; y los colegas de Deakin en Dumarey, Italia, trabajan con TecnoGen para fabricar un generador de CI de hidrógeno con flujo integrado.

Hoy en día, alrededor del 99 % del hidrógeno sigue siendo gris, así que esto no ayuda. Si se quema HVO, se utilizan sustancias como el aceite de palma, que son menos respetuosas con el medio ambiente de lo que se cree. Además, el coste puede ser relativamente alto y seguirá siéndolo durante un tiempo.

Si va a utilizar hidrógeno, entonces tal vez tenga que enviar un camión de diésel a su sitio una vez por semana, pero eso podría significar diez camiones cargados de hidrógeno cada semana para poder alimentar esas grúas torre.

Será imperativo utilizar los combustibles alternativos de forma eficiente. El uso del BESS y los volantes de inercia para optimizar la eficiencia permitirá optimizar el uso de estos combustibles alternativos en el futuro. La misma lección del diésel siempre será aplicable.

En una palabra

Las grúas torre, en promedio, requieren una potencia de entre 1 y 12 kilovatios. Los generadores funcionan con baja eficiencia debido a la baja carga: del 5 al 10 % para una Etapa Tres A y tan solo un 3 % para la Etapa Cinco. La red eléctrica ofrece el menor coste y las menores emisiones de CO2.

Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías pueden permitir que las redes pequeñas alimenten más grúas. Las nuevas tecnologías que combinan volantes de inercia y sistemas BESS pueden abaratar el proceso en general y reducir las emisiones de CO2 en más del 90 %. Los combustibles alternativos podrán alcanzar ese último 10 % con el tiempo. Lo primero es asegurar que se alcance el objetivo del 90 %.

Dr. Andrew Deakin, director técnico de Dumarey Green Power con sede en el Reino Unido