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Un generador diésel (GD) (también conocido como grupo electrógeno diésel) es la combinación de un motor diésel con un generador eléctrico (a menudo un alternador ) para generar energía eléctrica . [1] Este es un caso específico de un motor generador . Un motor diésel de encendido por compresión suele estar diseñado para funcionar con combustible diésel , pero algunos tipos están adaptados para otros combustibles líquidos o gas natural (GNC). [2]
Los grupos electrógenos diésel se utilizan en lugares sin conexión a una red eléctrica o como fuente de energía de emergencia si la red falla, así como para aplicaciones más complejas como reducción de picos, soporte de red y exportación a la red eléctrica. [2]
El tamaño del generador diésel es crucial para minimizar la carga baja o la escasez de energía. El dimensionamiento se complica por las características de la electrónica moderna , específicamente las cargas no lineales. Su tamaño varía alrededor de 50 MW y más, una turbina de gas de ciclo abierto es más eficiente a plena carga que un conjunto de motores diésel, y mucho más compacta, con costos de capital comparables; pero para carga parcial regular, incluso a estos niveles de potencia, los conjuntos diésel a veces se prefieren a las turbinas de gas de ciclo abierto, debido a sus eficiencias superiores.
La combinación de un motor diésel , un generador y varios dispositivos auxiliares (como una base, una cubierta, atenuación de sonido, sistemas de control , disyuntores , calentadores de agua de las camisas y un sistema de arranque) se denomina "grupo electrógeno" o "Genset" para abreviar.
Los tamaños de los grupos electrógenos varían de 8 a 30 kW (también de 8 a 30 kVA monofásicos ) para hogares, pequeñas tiendas y oficinas, y los generadores industriales más grandes, de 8 kW (11 kVA) hasta 2000 kW (2500 kVA trifásicos), se utilizan para complejos de oficinas, fábricas y otras instalaciones industriales. Un grupo electrógeno de 2000 kW se puede alojar en un contenedor ISO de 40 pies (12 m) con un tanque de combustible, controles, equipo de distribución de energía y todos los demás equipos necesarios para operar como una central eléctrica independiente o como respaldo de la red eléctrica. Estas unidades, denominadas módulos de energía, son grupos electrógenos en grandes remolques de tres ejes que pesan 85 000 libras (38 555 kg) o más.
En las centrales eléctricas pequeñas se utiliza una combinación de estos módulos, que pueden utilizar de una a 20 unidades por sección de potencia; estas secciones se pueden combinar para incluir cientos de módulos de potencia. En estos tamaños más grandes, los módulos de potencia (motor y generador) se llevan al sitio en remolques por separado y se conectan con cables grandes y un cable de control para formar una planta de energía sincronizada completa . También existen varias opciones para adaptarlas a necesidades específicas, incluidos paneles de control para arranque automático y conexión en paralelo a la red, marquesinas acústicas para aplicaciones fijas o móviles, equipos de ventilación, sistemas de suministro de combustible, sistemas de escape, etc.
Los generadores diésel no solo se utilizan para generar energía en situaciones de emergencia, sino que también pueden tener una función secundaria: suministrar energía a las redes eléctricas durante períodos pico o cuando hay escasez de grandes generadores de energía. En el Reino Unido, este programa lo gestiona la red nacional y se denomina STOR.
Los barcos también suelen emplear generadores diésel, a veces no solo para proporcionar energía auxiliar para luces, ventiladores, etc., sino también indirectamente para la propulsión principal . Con la propulsión eléctrica, los generadores se pueden colocar en una posición conveniente, para permitir transportar más carga. Los accionamientos eléctricos para barcos se desarrollaron antes de la Primera Guerra Mundial . Los accionamientos eléctricos se especificaron en muchos buques de guerra construidos durante la Segunda Guerra Mundial porque la capacidad de fabricación de grandes engranajes reductores era escasa, en comparación con la capacidad para la fabricación de equipos eléctricos. [2] Este tipo de disposición diésel-eléctrica también se utiliza en algunos vehículos terrestres muy grandes, como las locomotoras de ferrocarril .
Los grupos electrógenos se seleccionan en función de la carga eléctrica que se pretende que suministren, las características de la carga eléctrica, como kW , kVA , var , el contenido armónico , las corrientes de sobretensión (por ejemplo, la corriente de arranque del motor) y las cargas no lineales . También se debe tener en cuenta el servicio previsto (como potencia de emergencia, principal o continua), así como las condiciones ambientales (como la altitud, la temperatura y las normativas sobre emisiones de escape).
La mayoría de los fabricantes de grupos electrógenos más grandes ofrecen software que realizará los complicados cálculos de dimensionamiento simplemente ingresando las condiciones del sitio y las características de la carga eléctrica conectada .
Uno o más generadores diésel que funcionan sin conexión a una red eléctrica se denominan "funcionamiento en modo isla" . El funcionamiento de los generadores en paralelo ofrece la ventaja de la redundancia y puede proporcionar una mejor eficiencia con cargas parciales. La planta pone en funcionamiento y desconecta los grupos electrógenos según las demandas del sistema en un momento determinado. Una planta de energía en isla destinada a una fuente de energía primaria de una comunidad aislada a menudo tendrá al menos tres generadores diésel, dos de los cuales están clasificados para soportar la carga requerida. No es raro que haya grupos de hasta 20.
Los generadores se pueden conectar eléctricamente a través del proceso de sincronización . La sincronización implica hacer coincidir el voltaje , la frecuencia y la fase antes de conectar el generador al sistema. Si no se realiza la sincronización antes de una conexión, se podría producir una corriente de cortocircuito elevada o el desgaste del generador o de su cuadro de distribución . El proceso de sincronización se puede realizar automáticamente mediante un módulo sincronizador automático o manualmente por el operador instruido. El sincronizador automático leerá los parámetros de voltaje, frecuencia y fase de los voltajes del generador y de la barra colectora , mientras regula la velocidad a través del regulador del motor o ECM (módulo de control del motor).
La carga se puede compartir entre generadores que funcionan en paralelo mediante el uso compartido de carga. El uso compartido de carga se puede lograr mediante el uso del control de velocidad de caída controlado por la frecuencia en el generador, mientras que ajusta constantemente el control de combustible del motor para cambiar la carga hacia y desde las fuentes de energía restantes. Un generador diésel absorberá más carga cuando se aumenta el suministro de combustible a su sistema de combustión, mientras que la carga se libera si se reduce el suministro de combustible.
Además de su conocida función como fuentes de alimentación durante cortes de energía, los grupos electrógenos diésel también respaldan rutinariamente las principales redes eléctricas en todo el mundo de dos maneras distintas:
Los generadores diésel de reserva de emergencia, como los que se utilizan en hospitales y plantas de agua, se utilizan ampliamente en los Estados Unidos y, en el pasado reciente, en Gran Bretaña, como función secundaria, para apoyar las respectivas redes nacionales en ocasiones por diversas razones. En el Reino Unido, las licitaciones conocidas como Reserva Operativa de Corto Plazo han mostrado precios bastante variables y, a partir de 2012, el volumen de participación del lado de la demanda, que implica principalmente el uso de diésel in situ, ha disminuido a medida que caían los precios de las licitaciones. En ocasiones se han utilizado unos 0,5 GWe de diésel para apoyar la Red Nacional , cuya carga máxima es de unos 60 GW. Se trata de grupos en el rango de tamaño de 200 kW a 2 MW. Esto suele ocurrir, por ejemplo, durante la pérdida repentina de una gran planta convencional de 660 MW, o un aumento repentino e inesperado de la demanda de energía que erosiona la reserva de rotación normal disponible. [1]
Esto es beneficioso para ambas partes: los motores diésel ya se han comprado por otros motivos, pero para que sean fiables deben someterse a pruebas de carga completas. La conexión en paralelo a la red es una forma cómoda de hacerlo. Este método de funcionamiento normalmente lo lleva a cabo un agregador externo que gestiona el funcionamiento de los generadores y la interacción con el operador del sistema.
En algunos casos, estos motores diésel pueden ponerse en funcionamiento en paralelo en tan solo dos minutos, sin que ello afecte a la planta (no es necesario cerrar la oficina o la fábrica). Esto es mucho más rápido que una central eléctrica de carga base, que puede tardar 12 horas desde que se enfría, y más rápido que una turbina de gas, que puede tardar varios minutos. Si bien el diésel es un combustible muy caro, solo se utiliza unos pocos cientos de horas al año para esta función, y su disponibilidad puede evitar la necesidad de que una central de carga base funcione de manera ineficiente a carga parcial de forma continua. El combustible diésel utilizado es el que se habría utilizado en las pruebas de todos modos.
En Gran Bretaña, National Grid puede contar en general con una reducción de la demanda de los clientes de unos 2 GW mediante el suministro de diésel de reserva durante unas 10 a 40 horas al año en los momentos de máxima demanda nacional prevista. National Grid no controla estos diésel: los utiliza el cliente para evitar los cargos por uso del sistema de la red de transmisión "tríada", que se aplican únicamente al consumo de cada sitio, en las tres medias horas de máxima demanda nacional. No se sabe de antemano cuándo serán las tres medias horas de máxima demanda nacional (los períodos "tríada"), por lo que el cliente debe utilizar su diésel durante muchas más medias horas al año que sólo tres.
Se estima que la capacidad total de generación de reserva fiable en funcionamiento en Gran Bretaña es de unos 20 GW, casi toda ella impulsada por motores diésel. Esto equivale a casi el 29% del pico del sistema británico, aunque sólo una fracción muy pequeña se generará al mismo tiempo. La mayoría de las plantas están destinadas a grandes edificios de oficinas, hospitales, supermercados y diversas instalaciones donde la energía continua es importante, como los aeropuertos. Por lo tanto, la mayoría se encuentran en zonas urbanas, en particular centros urbanos y comerciales. Se estima que alrededor del 10% de la planta supera 1 MW, alrededor del 50% está en el rango de 200 kW a 1 MW y el 40% restante es inferior a 200 kW. Aunque está creciendo, se cree que sólo una proporción muy pequeña se utiliza regularmente para el recorte de picos, y la gran mayoría se utiliza sólo para generación de reserva. La información de este párrafo procede de la sección 6.9 del informe del gobierno: "Superar las barreras para programar la generación integrada para apoyar las redes de distribución" [3]
En Gran Bretaña se está haciendo un uso cada vez mayor de bancos de generadores diésel (conocidos como "parques diésel") para equilibrar la producción fluctuante de fuentes de energía renovables, como los parques eólicos . [4]
En Francia funciona un sistema similar al de la reserva operativa a corto plazo de Gran Bretaña, conocido como EJP, que en momentos de tensión en la red permite disponer de al menos 5 GW de grupos electrógenos diésel, cuya función principal es suministrar energía a la red.
Durante el funcionamiento normal en sincronización con la red eléctrica, las centrales eléctricas se gobiernan con un control de velocidad de caída del cinco por ciento . Esto significa que la velocidad a plena carga es del 100% y la velocidad sin carga es del 105%. Esto es necesario para el funcionamiento estable de la red sin oscilaciones ni cortes de las centrales eléctricas. Normalmente, los cambios de velocidad son menores. Los ajustes en la potencia de salida se realizan elevando lentamente la curva de caída mediante el aumento de la presión del resorte en un regulador centrífugo . En general, este es un requisito básico del sistema para todas las centrales eléctricas porque las plantas más antiguas y las más nuevas tienen que ser compatibles en respuesta a los cambios instantáneos de frecuencia sin depender de la comunicación externa. [5]
El consumo de combustible representa la mayor parte de los costos de propiedad y operación de las plantas diésel para aplicaciones energéticas, mientras que el costo de capital es la principal preocupación en el caso de los generadores de respaldo. El consumo específico varía, pero una planta diésel moderna, con su carga casi óptima del 65-70 %, generará al menos 3 kWh por litro (aproximadamente un índice de eficiencia de combustible del 30 % ). [6] [7]
Los generadores deben proporcionar la potencia necesaria prevista de forma fiable y sin sufrir daños, y esto se consigue asignando una o más clasificaciones a un modelo específico de grupo electrógeno. Es posible que un modelo específico de generador que funcione como generador de reserva solo necesite funcionar unas pocas horas al año, pero el mismo modelo que funcione como generador de potencia principal debe funcionar de forma continua. Cuando está en funcionamiento, el generador de reserva puede funcionar con una sobrecarga especificada (p. ej., del 10 %) que se puede tolerar durante el breve tiempo de funcionamiento previsto. El mismo modelo de generador tendrá una clasificación más alta para el servicio de reserva que para el servicio continuo. Los fabricantes asignan a cada grupo una clasificación basada en definiciones acordadas a nivel internacional.
Estas definiciones de clasificación estándar están diseñadas para permitir comparaciones válidas entre fabricantes, evitar que los fabricantes califiquen incorrectamente sus máquinas y guiar a los diseñadores.
Definiciones de clasificación de generadores
Clasificación en modo de espera basada en Aplicable para suministrar energía de emergencia durante la interrupción normal del suministro eléctrico. No hay capacidad de sobrecarga sostenida disponible para esta clasificación. (Equivalente a la potencia de parada de combustible según ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Clasificación nominal.
Aplicación típica: centrales eléctricas de emergencia en hospitales, oficinas, fábricas, etc. No conectadas a la red.
Clasificación de potencia principal (tiempo de funcionamiento ilimitado): no debe utilizarse para aplicaciones de energía para construcción. La salida está disponible con cargas variables por tiempo ilimitado. La demanda máxima típica es del 100 % de ekW nominal principal con una capacidad de sobrecarga del 10 % para uso de emergencia durante un máximo de 1 hora en 12. [ cita requerida ] Hay disponible una capacidad de sobrecarga del 10 % por tiempo limitado. (Equivalente a potencia principal según ISO8528 y potencia de sobrecarga según ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Esta clasificación no se aplica a todos los modelos de grupos electrógenos.
Aplicación típica: cuando el generador es la única fuente de energía para, por ejemplo, un sitio remoto de minería o construcción, un recinto ferial, un festival, etc.
Clasificación de carga base (continua) basada en: Aplicable para suministrar energía de manera continua a una carga constante hasta la potencia nominal total durante un número ilimitado de horas. No hay capacidad de sobrecarga sostenida disponible para esta clasificación. Consulte a un distribuidor autorizado para obtener la clasificación. (Equivalente a potencia continua según ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Esta clasificación no se aplica a todos los modelos de grupos electrógenos
Aplicación típica: un generador que funciona con una carga continua invariable o en paralelo con la red eléctrica y que suministra energía de forma continua al nivel máximo permitido de 8760 horas al año. Esto también se aplica a los grupos utilizados para ahorro de energía en horas pico o para apoyar la red, aunque esto solo ocurra durante, por ejemplo, 200 horas al año.
Por ejemplo, si en un conjunto en particular la potencia nominal en modo de espera era de 1000 kW, la potencia nominal en modo de funcionamiento principal podría ser de 850 kW y la potencia nominal en modo continuo, de 800 kW. Sin embargo, estas potencias nominales varían según el fabricante y deben consultarse en la hoja de datos del fabricante.
A menudo, un conjunto puede tener las tres clasificaciones estampadas en la placa de datos, pero a veces puede tener solo una clasificación de reserva o solo una clasificación principal.
Sin embargo, normalmente, lo que determina el tamaño del equipo es el tamaño de la carga máxima que se debe conectar y la caída de tensión máxima aceptable, no los valores nominales en sí. Si el equipo se necesita para arrancar motores, tendrá que ser al menos tres veces mayor que el motor más grande, que normalmente se arranca primero. Esto significa que es poco probable que funcione con valores nominales cercanos a los del equipo elegido.
Muchos fabricantes de grupos electrógenos cuentan con programas de software que permiten la elección correcta de un grupo para cualquier combinación de carga determinada. El dimensionamiento se basa en las condiciones del lugar y el tipo de aparatos, equipos y dispositivos que serán alimentados por el grupo electrógeno. [8]
El combustible diésel recibe su nombre de los motores diésel, y no al revés; los motores diésel son simplemente motores de encendido por compresión y pueden funcionar con distintos combustibles, según la configuración y la ubicación. Cuando hay una conexión a la red de gas, se suele utilizar gas, ya que la red de gas permanecerá presurizada durante casi todos los cortes de energía. Esto se logra introduciendo gas con el aire de admisión y utilizando una pequeña cantidad de combustible diésel para el encendido. La conversión al funcionamiento con combustible diésel al 100 % se puede lograr instantáneamente. [9]
En situaciones más rurales, o para plantas con bajo factor de carga, el combustible diésel derivado del petróleo crudo es un combustible común; es menos probable que se congele que los petróleos más pesados. La resistencia estará limitada por el tamaño del tanque. Los motores diésel pueden funcionar con todo el espectro de destilados de petróleo crudo , desde gas natural , alcoholes , gasolina y gas de madera hasta combustibles de gasóleo y combustibles residuales más económicos que son como manteca de cerdo a temperatura ambiente y deben calentarse para permitir que fluyan por una línea de combustible. [10]
Los motores más grandes (de unos 3 MWe a 30 MWe) a veces utilizan aceites pesados, esencialmente alquitranes, derivados del final del proceso de refinación. La ligera complejidad adicional de mantener el aceite combustible caliente para permitir que fluya, al tiempo que se reducen los riesgos de incendio que surgen del sobrecalentamiento del combustible, hace que estos combustibles sean impopulares para las centrales generadoras más pequeñas, a menudo sin personal.
Otros combustibles posibles incluyen: biodiesel , aceite vegetal , grasas animales y sebos , glicerina y lodo de agua y carbón . Estos deben usarse con precaución: debido a su composición, el motor debe ajustarse adecuadamente o tienen un efecto perjudicial en la vida útil del motor. Por ejemplo, los motores que usan lodo de agua y carbón a menudo se modifican con inyectores más grandes para permitir que el combustible de mayor densidad se inyecte en la pequeña fracción de segundo necesaria. Otros combustibles de alta viscosidad como sebo, aceite vegetal o cera de parafina se pueden usar con inyectores de combustible estándar si el combustible se precalienta para reducir su viscosidad al rango del combustible diésel estándar. El motor diseñado y construido por Rudolf Diesel para la Feria Mundial de 1900 se alimentaba con aceite de maní en lugar de un producto derivado del petróleo como la mayoría de los motores modernos que usan su sistema.