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Generadores a gas soluciones cada vez más verdes

Los problemas de almacenamiento de combustible y confiabilidad de los generadores con motor diesel se están convirtiendo en retos cada vez mayores. Además, crece el número de empresas interesadas en escuchar opciones más amigables con el medioambiente.

Los motores diesel han sido sometidos a un intenso nivel de regulación de emisiones, y ha habido una serie de cambios importantes en los Tier por parte de EPA.

Por  Ricardo Maiselson de la Rosa.

Tradicionalmente, la selección de generadores para sistemas de emergencia de potencia de 150 kW, o superiores, había sido a favor de equipos operados con motor diesel en lugar de motores a gas. Pero, gracias a las innovaciones tecnológicas, tener generadores con motor a gas más potentes y a menores costos es una realidad.

Generadores con motor a gas vs. diesel
Ambos ofrecen ventajas que se deben considerar al momento de diseñar un sistema de emergencia. El beneficio más sobresaliente de los generadores operados con motor a gas es el largo tiempo de operación que permite un constante suministro de gas natural (pocas veces interrumpido).

En comparación, los generadores con motor diesel pueden suministrar energía de respaldo en lugares remotos que no cuentan con una infraestructura de gas.

En operaciones en standby o emergencia de 150 kW, o superiores, los generadores diesel permiten menores costos de capital por kilowatt eléctrico que los generadores a gas.

Ambos equipos comparten aplicaciones en potencias inferiores a 150 kW. Los generadores a gas son seleccionados normalmente para aplicaciones residenciales y comerciales ligeras. Los motores que utilizan estos generadores de tipo automotriz están disponibles en grandes volúmenes,  lo que los hace muy competitivos en costo. La existencia de un gran suministro de gas LP y natural en dichas aplicaciones los hacen también ideales.

Retos del diesel
Los generadores que utilizan motores diesel pueden presentar varios inconvenientes ambientales relacionados con el almacenamiento de combustible y confiabilidad en el suministro.

Es evidente la ventaja de poder almacenar diesel en lugares remotos sin acceso a suministro de gas. Sin embargo, puesto que éste es almacenado por periodos de tiempos largos, la contaminación y averías son una preocupación real.

Según Exxon Mobile, el diesel puede ser almacenado hasta por un año sin sufrir un deterioro, si es mantenido en un ambiente limpio, fresco y seco. Periodos más largos requieren filtrados periódicos, y agregar estabilizadores y biocidas.

Un generador con un tanque de diesel, para 72 horas de operación a plena carga, podría tardarse hasta 20 años para terminarse el combustible, asumiendo un nivel de carga típico del 60 por ciento, sin ejercicios semanales y un promedio de cortes de luz de una hora por año.

Sin un mantenimiento adecuado, el combustible sería contaminado con agua y biomasa. El agua ingresa al tanque como humedad a través de entradas de ventilación y se condensa, acumulándose en el fondo del recipiente. Si la humedad entrara al motor, podría crear pérdida de potencia, pérdida de lubricación, corrosión o tapar los filtros.

En contraste, el gas natural es suministrado continuamente a través de la infraestructura de gas local, entonces el almacenaje del mismo no es un problema. En cuanto al gas LP, éste puede ser guardado en sitio por años, de forma más económica y segura que el diesel.

Confiabilidad en el suministro de combustible
En muchas ocasiones los cortes de luz son ocasionados por mal tiempo y eventos naturales severos, causando el bloqueo de calles y toda infraestructura, que dificulta o imposibilita el reabastecimiento de diesel para los generadores. Los que diseñen tanques pequeños para contrarrestar los problemas de contaminación del combustible y averías del motor pueden correr el riesgo de quedarse sin combustible en caso de emergencia.

Preocupaciones ambientales
El interés de las empresas por conocer el impacto de la huella de carbono crece alrededor del mundo. Esto tiene que ver con todas las áreas de negocio, incluyendo los generadores de emergencia. En este sentido los equipos con motor diesel se están topando con nuevos retos, como el hecho de que emiten más nitrógeno de óxido que los motores a gas, y que son continuamente investigados para reducir su impacto ambiental.

Por ejemplo, los motores diesel han sido sometidos a un intenso nivel de regulación de emisiones, y ha habido una serie de cambios importantes en los Tier por parte de EPA (Environmental Protection Agency). Estos cuidados han incrementado los costos totales de los motores y el diesel.

El confinamiento de combustible y los riesgos ambientales por almacenar grandes cantidades de diesel en sitio son problemas considerables. Se tienen que hacer construcciones especiales e instalar sistemas de control y seguridad para evitar fugas y derrames.

Debido a esto, las plantas de luz superiores a 150 kWe representan un menor costo de capital que equipos similares a gas, pero el administrar el almacenaje de diesel, la confiabilidad del suministro, y los riesgos ambientales tienden a disminuir ese diferencial en costos.

Cambios tecnológicos en generadores con motor a gas
Los generadores a gas están creciendo su popularidad debido a avances tecnológicos, tales como la optimización de la velocidad del motor (RPM), arreglos de equipos sincronizados o en paralelo, y motores bi-fuel (combinan diesel y gas). Los anteriores están reduciendo la ventaja en costos de los generadores con motor diesel.

Optimización de las RPM del motor
En la actualidad, los generadores de emergencia con motor diesel giran a 1 mil 800 RPM, cuando hace 30 años lo hacían a 1 mil 200 RPM.

Un comportamiento similar han visto los generadores a gas para potencias hasta 150 kWe, que han pasado de los 1 mil 800 RPM a 2 mil 300, 3 mil y 3 mil 600 RPM.

El incremento de velocidad de estos motores a gas tipo automotriz ofrece varias ventajas, como incluir mejoras en el desempeño de la transiente, menor estrés y desgaste en piezas de rodamiento del motor y aumento de la densidad de potencia (kW/m2). La gráfica 1 ilustra el desempeño asociado con la optimización de las RPM de los motores.

Lo más importante es que esta tendencia significa más potencia de los motores a menores costos.

Generadores sincronizados o en paralelo
Hoy en día se pueden conectar en sincronía varios generadores a gas que utilizan motores de RPM optimizados para entregar mayores potencias. De esta forma, se pueden ofrecer soluciones con costos atractivos como alternativa a equipos diesel con un sólo motor de tamaño grande.

Las soluciones de potencia en paralelo o sincronía han ofrecido siempre ventajas relevantes, incluyendo flexibilidad, escalabilidad y redundancia. Estas soluciones habían sido limitadas a aplicaciones con procesos críticos y proyectos grandes de varios kW, principalmente por las limitantes de los tableros y páneles de control (costos, espacio, confiabilidad, y complejidad).

En la actualidad, los fabricantes han mitigado el costo y la complejidad al utilizar un controlador digital en cada generador que controla todas las funciones, lo que mejora considerablemente el desempeño y confiabilidad. Algunos de ellos han integrado los tableros de sincronización y paralelismo al tablero de conexión del mismo generador, eliminando así la necesidad de tableros y páneles externos y su costo correspondiente.

Por ejemplo, hoy en día tres generadores de 300 kWe, trabajando en paralelo, pueden reemplazar a un generador diesel de 1 mil kWe de un motor a un menor costo, lo que ofrece una redundancia de forma integrada. Con un equipo de 1 mil  KWe, una falla del generador dejaría sin energía de respaldo al edificio. En el caso de que en un sistema en paralelo o sincronía fallara uno de los generadores de 300 kWe, las cargas más críticas quedarían distribuidas y protegidas por los otros dos generadores.

Generadores bi-fuel
Este tipo de generadores combinan la densidad de potencia y beneficios en costo de los motores diesel con la mayor autonomía de operación que ofrece el gas natural. Los generadores bi-fuel que utilizan motores diesel tradicionales como primera fuente de poder arrancan con diesel de forma normal. Conforme se agregan cargas, el gas natural es introducido al aire de la combustión mientras la cantidad de diesel es reducida. En condiciones típicas de operación, los generadores bi-fuel operan en la proporción 25 por ciento diesel y 75 por ciento gas natural, sin pérdida de potencia.

En la gráfica 2 se puede ver el ejemplo de un generador de 600KWe.

Los generadores bi-fuel, siendo un poco más costosos que alternativas con motores a diesel, únicamente ofrecen ventajas importantes, como menores emisiones contaminantes.

Además, el tiempo de operación es extendido de forma significativa debido a un menor consumo de diesel. Esto puede ser importante, ya que recargar combustible en condiciones de emergencias, ocasionadas por desastres naturales (vías de comunicación bloqueadas), sería muy difícil o imposible. Se podrían permitir en sitio tanques de diesel de menor capacidad, puesto que el gas natural sería el combustible predominante. Con tanques menores, el riesgo de contaminación y costos de mantenimiento serían reducidos de forma importante.

Por último, se contaría con redundancia de combustible en el sistema. Si llegara a interrumpirse el suministro de gas natural por cualquier razón o si fallara el sistema de inyección del bi-fuel, los controles convertirían automáticamente a una operación ciento por ciento diesel, sin paros del equipo.

Eficiencia y emisiones de CO2
Para evaluar el tema ambiental de forma amplia y comparar los generadores de gas versus los que usan diesel, es necesario conocer los costos inherentes para poder usar cada combustible en sitio, los cuales incluyen costos de la extracción, transportación, precios de mercado y costo por kilowatt hora del generador. A su vez, se deben considerar las emisiones de CO2 respectivas.

En una comparativa realizada con datos de 2008, se observó que un equipo de 100 kWe quemaba combustible 23 por ciento más eficientemente que un generador similar con motor a gas; que su costo de generación por kilowatt hora era casi el doble, y sus emisiones de CO2 eran 16 por ciento superiores.

Además, históricamente, los generadores a gas han logrado menores costos por kilowatt hora que sus contrapartes con motor diesel en potencias pequeñas y medianas.

Dados los avances tecnológicos asociados a los generadores a gas, y sus ventajas en términos de confiabilidad y costos, los clientes podrían estar más interesados en considerar las soluciones en base a gas para situaciones en donde típicamente han comprado equipos diesel.

Los generadores a gas se están volviendo más atractivos para aplicaciones de emergencia, incluso superiores a 150 kWe. Las ventajas del diesel en cuanto a costos de inversión y eficiencia térmica en relación con el gas han sido moderadas por los retos en el mantenimiento y confiabilidad que representan almacenar diesel en sitio por periodos largos.

Además, varios avances tecnológicos que permiten utilizar equipos a gas de potencias mayores les están permitiendo a éstos competir en costo y capacidad de generación que sus contrapartes de diesel.

Adicionalmente, el hecho de que los motores a gas ofrecen mejores comportamientos en las emisiones contaminantes que los motores diesel -y que el gas no crea los riesgos inherentes que almacenar diesel- convierten a los generadores a gas más atractivos para las empresas que buscan reducir sus huellas de carbono e impacto al medioambiente.

Los generadores diesel seguirán sirviendo al mercado de plantas de emergencia, pues no hay una solución que sea ideal para todo tipo de aplicaciones. Los generadores a gas están siendo cada vez más competitivos en costo y una alternativa más amigable con el medioambiente para varias aplicaciones, incluso superiores a los 150 kWe.
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Ricardo Maiselson de la Rosa
Ingeniero Industrial por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Actualmente es director de Cime Power Systems, especialistas en soluciones integrales para la generación, respaldo, y ahorro de energía en México desde hace 69 años.

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