Alimentando guindastes de torre por menos dinheiro e com menos poluição

Dr. Andrew Deakin apresentando sua visão sobre as diferentes tecnologias e desafios para alimentar guindastes de torre com mais eficiência. Foto: Joe Mather/KHL

Investigar a maneira como os guindastes de torre são movidos revela notícias surpreendentes, especialmente em relação à eficiência ou, na maioria dos casos, à nítida falta dela.

"Qual é a maneira mais eficiente de alimentar guindastes de torre?", perguntou o Dr. Andrew Deakin, diretor técnico da Dumarey Green Power, sediada no Reino Unido, ao iniciar a discussão na conferência de guindastes de torre do ITC de 2025, em Roma, no início de junho.

Para ajudar a responder a essa pergunta, Deakin analisou dados reais, incluindo as emissões reais de dióxido de carbono (CO2) geradas ao alimentar guindastes de torre. Ele analisou uma gama de soluções, além dos geradores a diesel convencionais, incluindo sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS), tecnologia de volante de inércia e combustíveis alternativos. Custos financeiros e outros, como as emissões de dióxido de carbono (CO2), foram considerados.

Para um exemplo de dados de ciclo de trabalho real, Deakin utilizou um local com guindastes de torre Terex CTL 1600 com lança basculante, trabalhando em Londres para a Select Plant. Dumarey operou um volante de inércia em um desses guindastes por cerca de 18 meses e registrou os dados. O guindaste funciona o dia todo e parece bastante movimentado, diz Deakin. É um guindaste de torre grande, que consome de 250 a 300 quilowatts. Normalmente, seria alimentado por uma rede elétrica de 400 kVA ou por um gerador de 650 kVA.

Ao ampliar um gráfico de consumo, fica claro que há longos períodos, mesmo que pareça movimentado, em que o guindaste consome pouquíssima energia. Observando a potência média do dia inteiro, mesmo sendo um guindaste de 300 quilowatts, essa média é de cerca de 11 quilowatts. "Não precisamos de tanta energia para acionar o guindaste. Seriam cerca de 110 quilowatts-hora para o dia inteiro", disse Deakin.

Observando o gerador de 650 kVA, "ele está operando a uma média de cerca de 2,1% de sua capacidade de pico de potência. Esses geradores são extremamente superdimensionados, mas precisam lidar com os picos e os altos transientes."

Do ponto de vista das emissões, a primeira opção é operar o guindaste conectado à rede elétrica principal. "Assim, não queimamos diesel e ele deve emitir o mínimo de CO2." A quantidade de CO2 da rede depende do país em que o guindaste está operando. Na França, diz-se que é próxima de zero devido à energia nuclear. O Reino Unido tem cerca de 124 gramas de CO2 por quilowatt-hora e a média da UE é de 242. A Itália tem cerca de 376 e a Polônia, 662, devido às usinas a carvão. Ainda é melhor operar nessa rede relativamente poluente do que usar um gerador a diesel.

“Isso significa que se pegarmos um grande guindaste de torre com um consumo médio de energia de cerca de 10 quilowatts, isso significa entre zero e seis quilos de CO2 por hora, produzidos na alimentação desse guindaste, se ele estiver conectado à rede elétrica.”

Guindastes de torre precisam de um grande suprimento de eletricidade. Um pequeno normalmente precisa de 75 kVA, um médio de 150 kVA e um grande de 300 kVA. O CTL 1600, no topo de linha, precisa de 400 kVA. Um local com cinco desses guindastes grandes pode precisar de 1 a 1,5 MVA de fornecimento de energia da rede, o que pode não estar disponível, então cinco grandes geradores a diesel são usados.

"Obviamente, isso resultará em emissões relativamente altas. Deveríamos ser capazes de fazer melhor do que isso", sugere Deakin.

Dimensionando o poder

Para guindastes de diferentes tamanhos, a necessidade média de potência é muito baixa: 2 a 3 quilowatts para um guindaste pequeno; 4 a 7 kW para um médio; e 8 a 12 kW para um grande. As cargas de pico, no entanto, são bastante altas em relação a isso – 50, 100 e 200 quilowatts (SML). O tamanho do gerador é cerca de duas vezes e meia maior, para lidar com os picos e transientes. Uma carga média, no entanto, tende a ser cerca de 2,5% da capacidade de pico do grupo gerador. "Estamos instalando um gerador enorme para lidar com o fornecimento de uma potência média muito baixa."

Grandes geradores são utilizados para acomodar cargas transitórias. A eficiência do gerador, quando o guindaste está operando, realizando um levantamento pesado, provavelmente está na faixa de 50 a 60% da carga, e o gerador está trabalhando com uma eficiência entre 35 e 40% – uma eficiência típica estimada para um motor a diesel.

“Se observarmos a demanda média de um guindaste de torre, porém, estamos com uma carga reduzida a 2,5%. Isso significa que estamos operando com uma eficiência de cerca de 5% a 10%. É bem ruim. A questão é: o que podemos fazer a respeito? Se precisarmos usar geradores a diesel, como podemos aumentar essa eficiência?”

Motores a diesel têm eficiência de 40% em potência máxima. A energia do combustível é perdida de diversas maneiras durante o processo de combustão e o funcionamento do motor. Bomba d'água, turbo, alternador, etc., consomem energia e há perdas mecânicas ao longo do processo. Uma grande quantidade de energia é desperdiçada na forma de calor, pelo escapamento do motor e pelo sistema de arrefecimento.

Deakin explicando o fluxo de energia em um diagrama de Sankey para a eficiência de um motor a diesel em um gerador operando a 40% de eficiência. Foto: Joe Mather/KHL

Eficiência do motor

Utilizando um gerador de 500 kVA operando com eficiência ótima de 40% (potência de frenagem no virabrequim), são gerados cerca de 400 quilowatts. Há 50 quilowatts de perda mecânica, que é a mesma independentemente da carga. Além disso, há 600 quilowatts desperdiçados em calor. "Basicamente, estamos queimando combustível para gerar mil quilowatts, para obter 400 quilowatts de energia útil."

Aplique isso a uma aplicação de guindaste de torre, onde o motor está operando com eficiência ideal, mas operando a cerca de 2,5% da carga média. "Neste caso, terminamos com cerca de 7% de potência útil e 93% é apenas convertido em calor. Agora, voltando às perdas mecânicas – elas agora representam cerca de 38% da energia no combustível, apenas superando o atrito do motor e todas essas outras coisas novamente."

A maior parte da potência do virabrequim é convertida em perdas mecânicas, resultando em uma eficiência geral de 7%. Voltando ao gerador de 500 kVA, há 10 quilowatts de trabalho útil e 50 quilowatts de perdas mecânicas. Novamente, o mesmo número, e 140 quilowatts acabam saindo do motor como calor residual.

Se você acha que isso é ruim, pode ser ainda pior com os motores EU Stage Five. "Vi em canteiros de obras um gerador de 500 kVA com um banco de carga de 100 quilowatts, e muitos dos geradores também têm bancos de carga [permanentes] integrados. Então, agora temos 3% de trabalho útil e o banco de carga está consumindo 28%. Estamos com uma eficiência de 3% e 97% da energia do combustível está sendo transformada em calor residual. A conclusão é que, com o EU Stage Five, podemos piorar muito a eficiência."

Quais são os custos?

O volante de um sistema de armazenamento de energia Flybrid. Foto: Joe Mather/KHL

Um gerador de 500 kVA da UE Estágio III A, alimentando um grande guindaste de torre, consome em média 15 litros de diesel por hora, durante 60 horas por semana. Isso representa 45.000 litros de diesel por ano, ou € 67.500 a € 1,50 o litro, e 120 toneladas de CO2. Um gerador equivalente de Estágio Cinco poderia consumir € 200.000 em diesel.

Do dinheiro gasto com combustível, apenas € 4.500 são transformados em energia para movimentar o guindaste. O restante, impressionantes € 63.000, é desperdiçado em calor. "A questão então é como podemos reduzir esses € 63.000 de desperdício? Se tivéssemos um motor a diesel funcionando com 40% de eficiência, esse custo cairia para € 13.500 por ano."

Para referência, se o guindaste estivesse funcionando com eletricidade da rede elétrica, isso daria cerca de € 7.500 por ano para o mesmo trabalho.

Como o diesel pode ser usado de forma mais eficiente? Um gerador de 500 kVA, consumindo 15 litros de combustível por hora, fornece nossos 10 quilowatts, com uma eficiência de 5% a 10%, como mencionado anteriormente. Se você usar um dispositivo transitório – um sistema de volante que realiza o corte de pico e auxilia nos transitórios, ou supercapacitores – o gerador precisa lidar com a carga de pico por cerca de 10 segundos, mas também precisa de tempo para atingir essa carga de pico.

Poderíamos substituir o gerador de 500 kVA por um gerador de 200 kVA mais um volante. Isso reduz nosso consumo de combustível para cerca de sete litros por hora. Nossa potência de frenagem ainda é de 10 quilowatts, mas elevamos essa curva de eficiência para 15%.

Se adotarmos um dispositivo de potência máxima, por exemplo, um sistema de armazenamento de energia por bateria, ou um volante de inércia muito grande, onde o sistema basicamente carrega a partir do gerador com alta eficiência, poderíamos reduzir isso para, por exemplo, um gerador e bateria de 25 kVA, que consome menos de três litros de diesel por hora. A potência de frenagem ainda é de 10 quilowatts, mas a eficiência foi transferida para a região onde obtemos a eficiência máxima do motor.

A tecnologia de bateria e volante pode reduzir significativamente a quantidade de combustível necessária para alimentar o guindaste.

Big BESS e a grade

Agora, vejamos outro exemplo: há eletricidade da rede elétrica no local para nossos cinco grandes guindastes de torre. Se houvesse apenas 100 kVA de rede disponível, um ou dois sistemas de bateria seriam suficientes, mas isso dependeria de alguns fatores. "Um deles é a rapidez com que a bateria responde, porque ela precisa proteger a rede contra transientes. Não podemos fornecer toda a energia da rede por curtos períodos, pois isso apenas desarmaria o disjuntor da rede. Provavelmente, precisaremos instalar uma ou duas baterias e três geradores no local neste caso."

Baterias grandes contêm muito lítio – muito CO2 incorporado – e as cargas parasitas podem ser de 7 a 10 quilowatts. O Dumarey PowerSkid BESS pode ser alimentado por uma rede elétrica de 40 kVA para alimentar grandes guindastes de torre.

Ou podemos optar por uma bateria do tamanho certo. Novamente, temos uma rede de 100 kVA disponível e usamos algumas baterias de alta potência. A diferença é que elas têm um circuito de carga separado, o que significa que a rede é isolada do guindaste. A rede nunca recebe a mesma carga que o guindaste. Com baterias de 20 kVA ou 30 A, a alimentação seria suficiente para alimentar cada um dos guindastes de torre.

Lá, temos cinco guindastes de torre operando com 100 kVA em vez de uma fonte de 1 ou 1,5 MVA. Eliminamos o diesel do local para alimentar os guindastes de torre, e há outros benefícios. Essas baterias são bem pequenas, então há muito menos lítio nelas e menos carga parasitária. Redes elétricas de baixa potência podem funcionar, com o sistema de armazenamento de energia de bateria correto para permitir que o local seja alimentado com o mínimo de emissões. A tecnologia aqui é a bateria Revolution, que pode funcionar com uma fonte de 10 ou 20 kVA, e há menos de 30 quilowatts-hora de baterias em cada unidade.

CO2 e custo

Para resumir, a rede elétrica sempre será a melhor opção porque tem o menor custo, não queima muito diesel e, desde que esteja no local, é gratuita, e a emissão de CO2 será a mais baixa.

O Estágio Cinco será muito caro e gerará até cerca de cem quilos de CO2 por quilowatt-hora para os 10 quilowatts que usaremos nesta aplicação.

Com um volante e uma bateria, reduzimos significativamente o CO2, dependendo da tecnologia adotada. O pequeno gerador emite cerca de 10% do CO2 em comparação com o gerador Stage Five. Isso representa uma economia de 90%.

O volante e a bateria são um pouco mais baratos que o gerador Estágio III A. Essa solução não vai custar mais dinheiro ao implementar a tecnologia em comparação com o gerador a diesel básico que todos escolheram nos últimos anos.

Todas essas soluções não só economizam CO2 como também economizam dinheiro para o cliente final.

Combustíveis alternativos

Em termos de alternativas ao diesel, há inúmeras opções, incluindo: óleo vegetal hidrogenado (HVO); células de combustível de hidrogênio; combustão interna de hidrogênio (IC); combustíveis sintéticos; e os colegas de Deakin em Dumarey, na Itália, trabalham com a TecnoGen para desenvolver um gerador de IC de hidrogênio com fluxo integrado.

Hoje, cerca de 99% do hidrogênio ainda é cinza, então isso não ajuda. Se você estiver queimando HVO, há coisas como o óleo de palma que são menos ecologicamente corretas do que você imagina. Além disso, o custo pode ser relativamente alto e permanecerá assim por um tempo.

Se você for usar hidrogênio, talvez faça uma entrega de caminhão de diesel no seu local uma vez por semana, mas isso pode significar dez caminhões de hidrogênio por semana para abastecer aqueles guindastes de torre.

Será imperativo usar combustíveis alternativos de forma eficiente. Utilizar o BESS e os volantes de inércia para otimizar a eficiência permitirá o melhor uso desses combustíveis alternativos no futuro. O mesmo aprendizado com o diesel sempre se aplicará.

Em poucas palavras

Guindastes de torre, em média, têm uma necessidade de energia de cerca de 1 a 12 quilowatts. Os geradores operam com baixa eficiência devido à baixa carga – de 5% a 10% para um Estágio Três A e de até 3% para o Estágio Cinco. A rede elétrica resulta no menor custo e nas menores emissões de CO2.

Sistemas de armazenamento de energia em baterias podem permitir que pequenas redes alimentem mais guindastes. Novas tecnologias que combinam volantes e BESS podem torná-los mais baratos em geral e reduzir as emissões de CO2 em mais de 90%. Combustíveis alternativos poderão, eventualmente, atingir os últimos 10%. A primeira coisa a fazer é garantir que a meta de 90% seja alcançada.

Dr. Andrew Deakin, diretor técnico da Dumarey Green Power, sediada no Reino Unido