Comprender las opciones de combustible del sistema de energía de respaldo

En los primeros días de la energía de respaldo comercial e industrial, la elección del combustible no era un problema en la selección de un sistema generador de respaldo porque el combustible preferido siempre era el diésel. Tal no es el caso hoy. Los ingenieros y los usuarios finales tienen varias opciones de combustible para elegir, y cada una ofrece beneficios únicos en diferentes aplicaciones.

Los generadores de energía de respaldo son impulsados ​​por motores de combustión interna, que a su vez funcionan con combustibles fósiles. El combustible diésel se ha utilizado en sistemas de energía de respaldo durante décadas. Los combustibles gaseosos, como el gas natural o el propano líquido, están ganando aceptación. La combinación de estos combustibles de formas únicas proporciona opciones de combustible adicionales. Por ejemplo, los generadores de combustible dual funcionan con gas natural o combustible de vapor LP, según el combustible disponible en ese momento. Los generadores bicombustibles funcionan con combustible diesel y gas natural simultáneamente y aprovechan los beneficios de cada uno.

La gasolina está notablemente ausente de esta lista porque generalmente es una mala elección de combustible para los sistemas de energía de respaldo. No solo es extremadamente volátil en comparación con el diesel o el combustible gaseoso, lo que hace que sea problemático almacenarlo en grandes cantidades, sino que, en comparación con el combustible diesel, tiene una densidad térmica significativamente menor. Además, la gasolina no se puede usar fácilmente en combinación con un combustible gaseoso. Como tal, los sistemas de energía de respaldo comerciales e industriales rara vez, si es que alguna, se alimentan con gasolina.

Combustible diesel

Como se mencionó anteriormente, el combustible diesel ha sido el combustible tradicional elegido para aplicaciones de energía de respaldo comercial e industrial (consulte la Tabla 1). Entre las ventajas del motor diésel se encuentra su alta eficiencia térmica, que puede generar un bajo costo de capital por kW en aplicaciones de gran potencia, generalmente 150 kW o más. Debido a que el combustible diesel debe almacenarse en el sitio, los generadores que funcionan con diesel también pueden proporcionar energía de respaldo en áreas remotas que no cuentan con el beneficio de una infraestructura de gas natural. Por la misma razón, los segmentos de mercado con aplicaciones de misión crítica, como hospitales y centros de llamadas al 911, a menudo eligen generadores a diésel porque el combustible en el sitio ayuda a garantizar la confiabilidad. Finalmente, debido a que el combustible diésel se ha utilizado durante tanto tiempo en aplicaciones de energía de respaldo, existe la percepción dentro del mercado de que los motores diésel son los motores primarios más confiables para los sistemas de energía de respaldo.

A pesar de su amplia aceptación, el combustible diesel tiene sus inconvenientes. Por ejemplo, la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. exige el uso de diésel con contenido ultrabajo de azufre (ULSD) en todas las aplicaciones de generadores de reserva. El ULSD pasa por procesos de refinación adicionales, lo que lo hace menos estable que el combustible diesel tradicional. Si no se le da mantenimiento, el combustible diesel se degradará con el tiempo. Dentro del primer año de almacenamiento, sufrirá oxidación, que ocurre cuando los hidrocarburos reaccionan con el oxígeno para formar un sedimento fino y una goma. Si ingresan al motor, estos contaminantes podrían obstruir el filtro de combustible y los inyectores de combustible. Los microorganismos también pueden contaminar el combustible. El agua, que puede ingresar al sistema de combustible como condensación, promueve el crecimiento de bacterias y hongos. Estos microorganismos en realidad se alimentan del combustible mismo. Si se les permite crecer, pueden formar colonias gelatinosas que también pueden obstruir los sistemas de combustible. Además, sus desechos son de naturaleza ácida, lo que puede conducir a la corrosión del tanque de combustible.

Estas son preocupaciones importantes en las aplicaciones de energía de respaldo. Un generador de combustible diésel con un tanque dimensionado para 72 horas de funcionamiento a plena carga podría tardar fácilmente unos 20 años en quemar un solo tanque de combustible, suponiendo un nivel de carga típico del 60 %, ejercicio semanal sin carga y cortes de energía promedio de solo 4 h al año. Sin embargo, estos problemas se pueden mitigar instituyendo un plan continuo de prueba y mantenimiento de combustible que elimine regularmente tanto el agua como los sedimentos del tanque de combustible. Para aplicaciones de emergencia, el mantenimiento de combustible es requerido por el código dentro de NFPA 110: Estándar para sistemas de energía de reserva y de emergencia. Este tipo de programa de mantenimiento se suma al costo total de propiedad de un grupo electrógeno, que también debe tenerse en cuenta. Los pulidores automáticos de combustible, que constan de una bomba y un sistema de filtración, se suman al costo inicial de un sistema de energía de respaldo, pero reducen los costos continuos de mantenimiento del combustible. Los planes de mantenimiento manual son más costosos a largo plazo.

Para algunas aplicaciones, los generadores a diésel también se enfrentan a los estándares de emisiones Tier 4 más estrictos para motores diésel estacionarios que no son de carretera adoptados por la EPA, con una introducción gradual inicial dentro de 2011. Sin embargo, la regla Tier 4 afecta a "emergencia" y " generadores que no son de emergencia" de manera diferente porque los tiempos de funcionamiento, y por lo tanto las emisiones, para cada uno tienden a ser muy diferentes. La EPA define un generador de energía de emergencia como "un generador cuya única función es proporcionar energía de respaldo cuando se interrumpe la energía eléctrica de la empresa de servicios públicos local". Las aplicaciones de emergencia solo requieren el cumplimiento de las normas EPA Tier-2/Tier-3. En comparación, un generador que no es de emergencia es aquel que no se usa exclusivamente para energía de emergencia, como los que se usan para la gestión de carga/reducción de picos. En aplicaciones que no son de emergencia, se aplican los requisitos de emisiones de Nivel 4. Por lo tanto, al considerar el diesel como opción de combustible en un sistema de energía de respaldo, se debe considerar el impacto de la aplicación en los requisitos de emisión del generador.

En comparación con los combustibles gaseosos, los costos actuales del combustible diesel (y la gasolina) son relativamente altos. El alto costo por barril de petróleo crudo, así como las regulaciones adicionales de emisiones de motores de la EPA, han aumentado el costo total de los motores diesel y del combustible. En mayo de 2012, los costos del combustible diésel fuera de carretera eran de aproximadamente $3,46/galón (una estimación basada en el costo promedio por galón de combustible diésel en carretera según lo informado por la Administración de Información de Energía de EE. UU. para mayo de 2012, menos una estimación del costo de los impuestos especiales estatales y federales, que solo se aplican al combustible diesel en carretera). En comparación, los precios comerciales del gas natural para mayo de 2012 fueron de $8,09/mil pies cúbicos (según lo informado por la Administración de Información de Energía de EE. UU.). Un generador diesel de 150 kW funcionando durante 24 horas con combustible diesel a plena carga probablemente consumiría 260 galones, o alrededor de $900 de combustible diesel. Una unidad similar alimentada con gas natural funcionando a plena carga durante la misma cantidad de tiempo probablemente consumiría alrededor de 48,000 pies cúbicos, o alrededor de $388 de gas natural. Como tal, al considerar el combustible diesel para un sistema de energía de respaldo de emergencia, considere la duración promedio de los cortes de energía que afectarán la aplicación para predecir los costos de combustible y determinar si son aceptables.

Gas natural

En el pasado, los combustibles gaseosos se evitaban en las aplicaciones industriales de energía de respaldo en función de la rentabilidad, la densidad de potencia y las percepciones de durabilidad y confiabilidad del combustible. Sin embargo, las innovaciones tecnológicas recientes han cambiado eso. Estas innovaciones incluyen válvulas y asientos endurecidos y mezclas optimizadas de aire y combustible. La optimización de la velocidad del motor ha sido una mejora significativa. Históricamente, los generadores se configuraban para conexión directa a un alternador de cuatro polos que limitaba la velocidad del motor a 1800 rpm. Al implementar un tren motriz de engranaje sobre engranaje o alternadores de dos polos, según corresponda, los fabricantes de generadores han podido optimizar la potencia y el rendimiento de los motores de encendido por chispa. Esto ha mejorado el rendimiento transitorio, ha reducido la tensión en los cojinetes del motor y ha aumentado las densidades de potencia. En pocas palabras, significa motores más potentes y costos de capital reducidos.

En particular, con respecto al gas natural como combustible para los sistemas de energía de respaldo, un beneficio clave es el tiempo de funcionamiento prolongado (consulte la Tabla 2). Debido a que el gas natural es suministrado por una empresa de servicios públicos en lugar de almacenarse en una cantidad finita en el sitio, el reabastecimiento de combustible no es un problema, independientemente de la duración del corte de energía. Es este beneficio en particular el que también es un punto de venta clave en las soluciones de energía de respaldo residencial.

El gas natural también es más ecológico que el combustible diesel. Los motores alimentados con gas natural no solo emiten menos NOX y partículas que los motores diesel comparables, sino que también evitan los problemas de contención de combustible y las preocupaciones ambientales asociadas con el almacenamiento de grandes cantidades de combustible diesel. Además, debido a que es un gas, el derrame no es una preocupación. Por estas razones, las reglamentaciones locales que se aplican a la contención de combustible son considerablemente menos estrictas que las de los motores diésel, lo que hace que el cumplimiento sea mucho menos costoso.

Los motores encendidos por chispa de estilo automotriz también están más disponibles en grandes volúmenes, lo que los convierte en componentes más rentables para los fabricantes de generadores. Por lo general, también son más rentables de obtener que los motores diésel de tamaño similar. Esto significa que los sistemas de energía de respaldo de combustible gaseoso tienden a costar menos por kW en aplicaciones de energía de respaldo de un solo motor de 150 kW e inferiores. Para aplicaciones de mayor kW, los generadores de combustible gaseoso se pueden configurar para combinar su salida en un enfoque integrado para el funcionamiento en paralelo del generador (consulte la Figura 1). Su rentabilidad general combinada con los beneficios de confiabilidad y escalabilidad que ofrece el paralelismo integrado (en comparación con un generador diesel muy grande) puede convertirlos en alternativas atractivas incluso en aplicaciones grandes. En aplicaciones que requieren que el generador asuma la carga de emergencia en 10 segundos, el sistema se puede configurar para que el primer generador en línea sea lo suficientemente grande para esa carga. Este primer generador puede cumplir con el requisito de 10 segundos, mientras que los generadores restantes pueden recoger las otras categorías de carga.

Lamentablemente, los tiempos de funcionamiento prolongados proporcionados por el gas natural dan como resultado una desventaja percibida: es entregado por una empresa de servicios públicos y, como tal, su disponibilidad está fuera del control de la instalación. Muchas autoridades con jurisdicción (AHJ) prefieren el almacenamiento de combustible in situ porque no hay duda de su disponibilidad. Generalmente es requerido por NFPA 70: Código Eléctrico Nacional, Artículo 700: Sistemas de Emergencia para cargas de sistemas de emergencia en muchos municipios. Si bien el gas natural se entrega en gran parte por tuberías subterráneas que generalmente no se ven afectadas por el tipo de clima severo que corta la energía, la infraestructura de gas natural no es 100% confiable. Los ingenieros deben trabajar con la empresa de servicios públicos de gas local y AHJ para comprender la confiabilidad de la infraestructura de gas natural en comparación con el combustible diesel en el sitio. También colabore con el propietario del sistema para asegurarse de que la instalación no esté sujeta a una política de restricción que cortaría el suministro de combustible de gas natural a discreción de la empresa de servicios públicos local. No es raro que la confiabilidad del gas natural sea favorable en muchas aplicaciones cuando se entienden por completo las preocupaciones sobre el reabastecimiento de combustible y el deterioro del combustible.

combustible LP

Los sistemas de energía de respaldo alimentados con LP pueden funcionar en configuraciones de LP líquido o de vapor LP. El vapor de LP es quizás el más frecuente en los sistemas de energía de respaldo (consulte la Tabla 3). Todos los beneficios generales del combustible gaseoso descritos anteriormente también se aplican al combustible LP, incluido un menor costo por kW en aplicaciones de energía de respaldo de un solo motor de 150 kW e inferiores. Como combustible de ignición por chispa, el combustible LP funciona en motores de estilo automotriz adaptados para su uso.

Más allá de los beneficios generales del LP como combustible gaseoso, el LP debe almacenarse en el sitio, al igual que el combustible diesel. Por lo tanto, el combustible LP podría proporcionar una alternativa de combustible gaseoso aceptable al diesel para aplicaciones que requieren combustible en el sitio. Los ingenieros consultores también deben explorar esto con su cliente antes de seleccionar una solución de combustible diésel. El LP cumple con los mismos requisitos en el sitio, pero tiene la ventaja de no tener problemas de deterioro del combustible.

Los inconvenientes del combustible LP son realmente más desafíos en el diseño del sistema. Independientemente de si el sistema funciona en configuraciones de LP líquido o LP vapor, el combustible LP se almacena bajo presión como líquido. En los diseños de combustible de vapor de LP, este combustible líquido debe introducirse en la cámara de combustión del motor como vapor. Debido a que tiene un punto de ebullición de -44 F, la vaporización ocurre naturalmente dentro del tanque de combustible a temperatura ambiente. Sin embargo, administrar esa tasa de evaporación (la tasa a la que el combustible LP líquido se convierte en vapor) es una consideración de diseño. La temperatura ambiente, el tamaño del tanque de combustible LP y la tasa de consumo de combustible del generador deben tenerse en cuenta al implementar sistemas de energía de respaldo de vapor LP.

En comparación, los sistemas de energía de respaldo que funcionan con LP líquido no dependen de la vaporización natural de LP dentro del tanque de combustible para entregar cantidades adecuadas de combustible al generador. En cambio, estos sistemas requieren un vaporizador para convertir el líquido presurizado en vapor en cantidades suficientes antes de introducirlo en el motor del generador para la combustión. Los vaporizadores permiten dimensionar los tanques para el tiempo de ejecución en lugar de las tasas de evaporación. Por lo general, el vaporizador está integrado en un generador al aire libre. Sin embargo, este no es el caso cuando el generador está ubicado dentro de un edificio. Debido a que la mayoría de los códigos de construcción no permiten el uso de combustible LP líquido dentro de un edificio, ya sea almacenado o entubado, el vaporizador debe instalarse fuera de la instalación. El vaporizador requiere alguna forma de calor generado internamente o suministrado externamente.

Sistemas duales y bicombustibles

Una forma de aliviar los problemas de confiabilidad que invariablemente surgen cuando se habla de combustible en el sitio versus combustible suministrado por la empresa es especificar un sistema que utilice ambos combustibles, ya sea uno a la vez o simultáneamente. Los sistemas de combustible dual y bicombustible se ajustan a estos criterios (consulte la Tabla 4).

Como se mencionó anteriormente, un sistema de combustible dual puede operar con vapor LP o combustible de gas natural, dependiendo de cuál esté disponible en ese momento. El sistema generalmente se iniciará y funcionará con combustible de gas natural, y si ese suministro de combustible se interrumpe, cambiará a la fuente de combustible LP en el sitio. Esta configuración es muy popular para generadores de hasta 150 kW.

Para aplicaciones más grandes, un sistema bicombustible, uno que quema combustible diesel y gas natural al mismo tiempo dentro de un solo motor, es una opción atractiva (consulte la Figura 2). Los generadores bicombustibles se inician utilizando 100 % de combustible diésel, que se enciende entre 500 y 750 F y sirve como combustible piloto. Una vez que se cumplen ciertos criterios, como la aceptación de la carga eléctrica, el controlador del generador introduce gas natural en la mezcla de combustible. La quema del combustible diesel enciende el gas natural, que tiene una temperatura de ignición mucho más alta de 1150 a 1200 F. A medida que el controlador del generador agrega gas natural, la función de control de velocidad normal del motor reduce la cantidad de combustible diesel que ingresa al motor. El proceso continúa hasta que se alcanza una mezcla de combustible óptima, típicamente 75% de gas natural a 25% de combustible diesel. Si la carga aumenta, el transitorio se abordará inicialmente con diesel, después de lo cual se volverá a agregar gas natural al sistema para que coincida con el nuevo nivel de carga más alto.

Los generadores bicombustibles aprovechan los beneficios de confiabilidad tanto del combustible diésel como del gas natural al tiempo que minimizan sus respectivos inconvenientes. Los costos iniciales del generador bicombustible suelen ser entre un 15 % y un 30 % más altos que los de los generadores diesel. Sin embargo, debido a que el gas natural, no el diesel, es el combustible predominante en un generador bicombustible, los tiempos de operación se extienden mientras que los requisitos de almacenamiento de combustible en el sitio (y sus costos de mantenimiento asociados) se reducen. Además, debido a que el combustible en el sitio sigue siendo parte del sistema, se mejora la confiabilidad. En caso de que falle el suministro de gas natural, porque se cortó en el servicio público o se interrumpió de otra manera, el generador puede funcionar con 100% diesel.

Conclusión

Los días en que todos los sistemas de energía de respaldo se alimentaban exclusivamente con combustible diésel se han ido. Si bien el diesel sigue siendo un suministro de combustible popular, los ingenieros y los usuarios finales tienen varias opciones de combustible adicionales para elegir: gas natural, combustible LP (líquido y vapor), combustible dual (ya sea gas natural o vapor LP) y bicombustible (gas natural). gas y diesel funcionando simultáneamente). Cada uno ofrece beneficios únicos. Los ingenieros consultores deben tomarse el tiempo para aprender cómo se puede aplicar cada una de estas fuentes de combustible para que puedan hacer las mejores recomendaciones a sus clientes. Como siempre, asegúrese de consultar a su AHJ local para comprender sus políticas sobre el uso de un combustible en particular en una aplicación determinada. Conocer sus opciones hará que esas conversaciones sean más fructíferas.

Kirchner es gerente de soporte técnico de Generac Power Systems, Waukesha, Wis., donde brinda soporte y capacita en todos los productos industriales. Recibió una licenciatura en ingeniería eléctrica y una maestría en administración de empresas de la Universidad de Wisconsin. Ha estado con Generac Power Systems desde 1999.

Bibliografía

Seitz, John S., Cálculo del potencial de emisión (PTE) para generadores de emergencia. Memorándum, Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., 1995.

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