Diseño de sistemas de energía: Soluciones mundiales para la industria minera

Por: Thomas Quinlin*

Obtener soluciones efectivas al problema energético de la industria minería mundial presenta algunos desafíos de ingeniería. Comprender estos desafíos puede beneficiar a los ingenieros al incorporar soluciones para mejorar los conceptos de diseño relacionados con la energía, especialmente aplicados a la industria minera. 

En un esfuerzo por ayudar a las personas que están considerando comprar o alquilar sistemas de energía eléctrica renovable, compartimos algunas experiencias que hemos tenido con clientes (y clientes potenciales).

Como es sabido, la industria minera consume mucha energía eléctrica y térmica. Esta industria produce grandes emisiones de carbono y ejerce una gran presión sobre la red eléctrica al consumir cerca del 11% de la energía mundial. La energía renovable será una solución para reducir el consumo de energía y las emisiones de carbono. Con el rápido aumento del costo de la energía, muchas corporaciones mineras han considerado cerrar partes de sus minas. ¹¹

¿Puede la energía renovable rescatar a las minas?
En muchas partes del mundo, la industria minera está haciendo un esfuerzo por compensar su consumo eléctrico con energías renovables. Al avanzar hacia la energía renovable, las corporaciones mineras pueden sentirse más seguras durante los cortes de energía, lo que garantiza que podrán continuar trabajando y ganando dinero.

Cada país tiene sus propios problemas relacionados con la energía, por ejemplo, Canadá, quiere reducir los costos de combustible. Sudáfrica, Ghana y Chad están tratando de encontrar soluciones para aliviar sus impredecibles redes de servicios públicos.  En Chile, los costos de la minería están aumentando debido al incremento de los costos térmicos además de tener que entregar combustible a grandes altitudes.²

En los últimos años, el mundo ha experimentado avances sustanciales en la tecnología de las energías renovables.  El argumento para su uso ya no es simplemente político porque se está volviendo financieramente beneficioso para la industria minera invertir en energía renovable.

Los avances tecnológicos han sido posibles porque muchas industrias han comprado energía renovable en volumen, reduciendo el costo de crear y comprar sistemas de energía renovable. El costo de la energía se encuentra entre los principales costos de operación para la industria minera, junto con el costo de la mano de obra.

Hay ventajas únicas para la industria minera cuando se utilizan sistemas de energía solar debido a su disponibilidad de terrenos. Los sistemas tradicionales de energía solar (fotovoltaica) necesitarán aproximadamente 2-3 acres para generar 1 megavatio. Otra opción es utilizar un sistema móvil de energía fotovoltaica (solar) y batería que también esté integrado con un generador. ¹²

POWER (I X V = W) VS. ENERGY = (PXt)
Todavía hay bastante confusión sobre la mejor manera de determinar los requisitos de energía del cliente en muchas circunstancias. Para entender cuánta energía necesitamos producir, primero debemos comprender cuánta energía se necesita consumir y a que velocidad se consumirá. Después de calcular cuánta energía necesitamos producir, podemos entonces averiguar cuánto costaría un sistema de tamaño exacto. Elegir un sistema de tamaño más económico es menos dinero, pero también significa que el tamaño del sistema será más pequeño. En este caso, el sistema aún podría usarse para alimentar cosas esenciales en caso de emergencias, pero puede no tener la capacidad de alimentar nada más que las necesidades.

Para diseñar un sistema adaptado a los requerimientos de la industria, necesitamos entender con precisión que es crítico en tiempos de cortes de energía o en escenarios fuera de la red. Al obtener información sobre la producción de fuentes de energía basadas en el carbono, como los generadores diésel, podemos comprender mejor la cantidad de energía necesaria en determinadas circunstancias.¹³ El tamaño adecuado de un sistema fotovoltaico (solar) requiere recopilar información como el uso de energía por hora, día, mes y año.

Los sistemas híbridos de energía renovable crean más seguridad que depender únicamente de fuentes de combustible basadas en carbono. Al utilizar una combinación de diferentes tipos de producción de energía, las empresas mineras tienen la oportunidad de ser más eficientes en la forma en que se crea y distribuye su energía. Dado que las energías renovables son intermitentes, es lógico utilizarlas junto con fuentes de energía ya existentes o con baterías. 

La esperanza de vida de un generador disminuye cuando se usa con frecuencia, especialmente cuando funciona las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Los sistemas fotovoltaicos tienen una expectativa de vida de aproximadamente 30 años y el costo generalmente se puede recuperar en los primeros 10 a 15 años de uso. Combinando un sistema diverso de energía renovable con una unidad existente como un generador de propano o diésel, se extenderá la vida útil del generador.

La mayoría de la energía utilizada en la minería no proviene de la energía eólica o solar, sino de la quema de combustibles fósiles. Se sabe que la industria minera se encuentra entre las mayores fuentes de emisiones de CO₂. Todos los sectores de la sociedad dependen de la minería para obtener los valiosos productos utilizados en la industria manufacturera. A medida que el mundo cambia hacia una mayor producción de energía renovable, creemos que tenemos una solución para ayudar a las compañías mineras a combinar su producción de energía actual con energía renovable. Esto podría darle a este sector una fuerte ventaja para avanzar en una sociedad de energía renovable.

Un ejemplo de la vida real: Reemplazar un generador de propano con un sistema fotovoltaico móvil
El siguiente ejemplo de un sistema fotovoltaico móvil (PV) instalado en 2011 para el Servicio Forestal de los Estados Unidos (USFS) proporciona mucha información sobre el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos en un escenario del mundo real. Este ejemplo fue seleccionado porque hay muchas similitudes con la industria minera.  La ubicación era una estación de guardabosques remota.  La estación no tenía acceso a ninguna red eléctrica y dependía de un generador de propano como única fuente de energía. La instalación de guardabosques del USFS consistía en una unidad de vivienda dúplex, taller, estación de visitantes separada, un edificio modular utilizado como dormitorio y un granero de trabajo. También había dos sitios de RV para empleados estacionales. 

Las unidades solares móviles consisten en paneles de energía solar fotovoltaica (PV), baterías y otros componentes. Estas unidades solares móviles se pueden desplegar y usar, luego no desplegarse y moverse de un lugar a otro. Tener unidades fotovoltaicas móviles, especialmente grandes sistemas de energía que serían utilizados por la industria minera, proporciona una gran ventaja en el caso de cierres y/o reubicaciones de minas, o en el caso de un desastre natural o creado por el hombre.

Estos sistemas móviles también ofrecen una ventaja en situaciones en las que el combustible sería difícil o costoso de entregar, como áreas remotas o de crisis. Por otro lado, los sistemas móviles se pueden desplazar a través de carros, remolques especializados e incluso entregarse en áreas remotas extremas a través de un helicóptero.

Los módulos fotovoltaicos no son pesados, pero requieren una gran superficie para interceptar la radiación solar: entre 5 y 10 metros cuadrados, 1 por cada kW generado. Además, las baterías utilizadas en los sistemas fotovoltaicos son grandes y pesadas, lo que presenta problemas de diseño que deben superarse.

Las cargas eléctricas en las instalaciones de guardabosques del USFS incluían una gran bomba de pozo de CA de 240 voltios para suministrar agua. Toda la instalación utilizaba unos 35 kWh/día.¹ Anteriormente, toda la estación dependía de un generador de propano de 22 kW, que funcionaba las 24 horas del día.¹³ El sitio también utilizó propano para cargas térmicas como calentadores de agua, secadoras de ropa y calefacción de espacios.  [Tener en cuenta que la energía utilizada por la estación era menor que la utilizada por una operación minera típica].

En muchos casos, existe una gran preocupación por parte del gobierno sobre el efecto visual del sistema en el medio ambiente, que también puede afectar a la industria minera.  Si bien el USFS estaba preocupado por el efecto en un sitio emblemático nacional, es fácil ver dónde las compañías mineras también tendrían preocupaciones con respecto al impacto ambiental y visual de implementar grandes sistemas de energía.

Sin embargo, estas preocupaciones finalmente se aliviaron mediante el despliegue de un sistema fotovoltaico móvil. El sistema USFS se construyó sobre un remolque de cuello de cisne que podía tirarse detrás de un camión debidamente equipado. [Nota: Hoy en día, utilizamos plataformas especialmente diseñadas que contienen paneles, baterías y equipos eléctricos.] La colocación del remolque no necesita ser precisa porque las plataformas se pueden mover a posiciones óptimas, independientemente de su posición.

La unidad móvil que se creó para el USFS tenia módulos solares montados en bastidores que giraban, se extendían y desplegaban para exponer la matriz solar. Una sola persona operaba los controles hidráulicos desde una posición en la parte trasera del remolque para desplegar el sistema en aproximadamente 45 minutos. La orientación de los módulos solares se ajustó fácilmente utilizando los controles hidráulicos. El ángulo de inclinación se ajusta periódicamente, generalmente dos veces en la temporada de verano, para interceptar mejor la energía solar. 

Aunque el generador de propano de 22 kW se mantuvo como respaldo, la cantidad de tiempo que estuvo funcionando se redujo de 24 horas a menos de 1-2 horas por día.  Las baterías utilizadas en ese momento eran AGM selladas que proporcionaron 2.500 amperios-hora de almacenamiento de energía. [Nota: La tecnología de baterías ha recorrido un largo camino en los últimos doce años.  Con la incorporación de litio y tecnología mejorada de carbono, los ciclos de trabajo han aumentado de 3.000 a varios miles, y hasta 13.000 ciclos.]

La energía eléctrica se suministró a través de disyuntores de sobrecorriente en el panel eléctrico del remolque a un subpanel de cableado eléctrico temporal.  El voltaje de salida del sistema era de 120/240 VCA con una corriente máxima de 150 amperios, lo que resultaba en un sistema de energía solar móvil que proporcionaba (en ese momento) un servicio eléctrico casi idéntico al del servicio típico de red de servicios públicos residenciales. [Nota: Este pequeño sistema de 10 kW utiliza enchufes de salida, los sistemas móviles más grandes (hasta 1 MW) típicamente capaces de 208/480 de salida de 3 fases están “cableados” directamente a las cargas, como los utilizados por las redes de servicios públicos.].

¿Cómo funcionó el sistema?
La evaluación del rendimiento del sistema dio como resultado la siguiente información (tener en cuenta que este sistema se encargó hace 12 años). Aunque el sombreado todavía tenía un efecto general en la eficiencia del sistema, se minimizó mediante la colocación estratégica de los remolques y módulos solares. [El análisis de sombreado estimó que, en los meses de verano, cuando el sol está casi directamente encima, las pérdidas debidas al sombreado se estimaron en 11% en junio, 9% en julio y 9% en agosto. En otoño, cuando el sol está más bajo en el cielo, las pérdidas de sombreado pueden aumentar al 25% en septiembre y hasta al 51% en octubre en esta región.] 

Los 32 módulos solares de 280 vatios proporcionaron unos 9 kW de potencia. Antes de la instalación, se suponía que el sombreado causaría complicaciones mas o menos todo el día, excepto que aproximadamente 2,5 horas de luz solar por día estarían disponibles.⁹ Sin embargo, a pesar de los problemas de sombreado, los cálculos financieros indicaron un período de recuperación dentro de las directrices del USFS.

El sistema de carga era capaz de producir 23 kWh / 2.5 horas al día. Esta capacidad diaria de producción de energía dependía de la cantidad de luz solar, la eficiencia del módulo, el estado de carga de las baterías y si la carga es suficiente para utilizar toda la energía solar disponible en un día.

[Nota: en muchos casos, la producción solar puede exceder el consumo de energía, por lo que cualquier exceso de energía se transfiere a las baterías para su uso cuando no hay producción solar. Los controladores de carga regulan la cantidad de energía que se pone en las baterías y luego reducen la cantidad de energía solar que se pone en las baterías a medida que alcanzan su estado de carga completo (SOC). Una vez que las baterías alcanzan su estado de carga completo (SOC), los controladores de carga interrumpen la conexión de la matriz fotovoltaica a la batería de respaldo para que las baterías no se sobrecarguen.]

El resultado es que cualquier energía fotovoltaica adicional se pierde en forma de calor. Este desperdicio de energía puede ser notable, ya que el sistema USFS pierde hasta 9 kWh durante los meses de verano. Si bien los cálculos anteriores son fundamentales para diseñar un sistema del tamaño adecuado, hemos descubierto que este desperdicio rara vez se considera. Otra solución al problema de residuos es utilizar el exceso de energía para calentar agua.³

El sistema fotovoltaico móvil fue capaz de reducir el tiempo de funcionamiento del generador de propano de 24 horas a una o dos horas por día. El ahorro en el consumo de propano se estimó en 3,300 galones (cerca de 12,500 litros) cada año. Con los precios actuales de propano en los Estados Unidos de $2.50 a $3.00/galón (cerca de $0.80/ litro), los ahorros aquí son de aproximadamente $8,250 a $9,900 anuales.  Gran parte de este ahorro se debió a las baterías que permiten que el generador se mantenga apagado por la noche.

Operación y Mantenimiento
Los viajes frecuentes para mantener los generadores de propano prácticamente se eliminaron después de implementar el sistema fotovoltaico. Durante un período de 3 años, hubo tres fallas del sistema; dos requirieron un simple reinicio del sistema, y un tercero requirió un reemplazo de relé (esto generalmente toma 30 minutos para reemplazar y se puede hacer en el sitio). El sistema fotovoltaico USFS requirió 3 visitas por año por parte del personal eléctrico de Ranger. Una vez para desplegar y encender el sistema, otra para retraer, guardar y almacenar el sistema durante los meses de invierno cuando la estación de guardaparques estaba cerrada, y una última para cambiar el ángulo de los paneles a mitad de temporada. Los caminos de tierra crearon mucho polvo, que se acumuló en los paneles. Esto se resolvió lavando los paneles una vez por temporada.

El sistema fotovoltaico móvil USFS tenía 40 baterías en total.¹⁰ El sistema móvil fotovoltaico USFS utilizó baterías de respaldo pero las baterías sin sellar requieren mantenimiento, por lo que el USFS seleccionó baterías selladas para el sistema móvil. Esto evitó sistemas complicados que requerían medir la densidad y agregar agua para mantener el electrolito dentro de las baterías. Otro problema con las baterías FLA es el peso. Las baterías de ciclo profundo suelen ser resistentes, la razón detrás de esto es que las placas dentro de las baterías son pesadas. No es inusual que cada una de estas baterías de 12 voltios exceda las 150 – 175 libras.

[Nota: Muchas baterías utilizan química de plomo ácido inundado (FLA).  Si bien esta tecnología “probada y verdadera” ha existido durante mucho tiempo, tiene desafíos inherentes a su uso.  No se pueden descargar por debajo del 50% de profundidad de descarga (DOD) ya que el ciclo de trabajo (típicamente de 2,000 a 3,000 ciclos) se vería afectado negativamente. Por lo tanto, era fundamental garantizar que las baterías siempre se cargaran por encima del nivel del 50%.]

Las 3,000 baterías clasificadas para el ciclo de trabajo utilizadas por el USFS tendrían que ser reemplazadas cada 8 años, a un costo estimado de $900/batería, o aproximadamente $36,000 para el conjunto de 40 utilizadas en el sistema USFS. [Nota: Los cálculos originales determinaron 32 baterías, que luego se incrementaron a 40.] Cuando no está en uso, el sistema se guardó y se conectó a un cargador flotante mientras estaba almacenado porque las baterías pueden auto descargarse a una velocidad de aproximadamente 5%/mes.

El mantenimiento planificado en el generador de propano ahora de respaldo se llevó a cabo de acuerdo con el tiempo de funcionamiento acumulado que se mide con un simple contador. El mantenimiento incluye el filtro de aceite y los cambios de aceite aproximadamente cada 100 horas, el reemplazo del filtro de aire, las bujías y el lavado/llenado del refrigerante, según sea necesario. Esto resultó en $2/hora de tiempo de ejecución. Los generadores de 20 kW generalmente se reemplazan después de aproximadamente 15,000 – 25,000 horas de tiempo de funcionamiento acumulado, a un costo de $32,500, o aproximadamente $2.14/hora de tiempo de funcionamiento. 

Dado que el USFS sólo requería que el generador de respaldo funcionara de una a dos horas por día, después de implementar el sistema fotovoltaico, el generador no requeriría reemplazo durante el período de análisis de 40 años. Si el generador funcionara las 24 horas del día, requeriría un reemplazo cada 4 años.

Análisis económico
El costo inicial (incluidas las baterías) del sistema móvil fue de aproximadamente $170,000.  El desglose del costo fue de $40,500 para módulos fotovoltaicos, $32,500 para el generador diesel de respaldo de 20 kW, $39,200 para baterías, $9,500 para el inversor de 10kW y $48,000 para el remolque especializado.

En 2011, el propano promediaba $1.98/galón. Este sistema de menor tamaño todavía le ahorraba al USFS $6,500 cada año en costos de combustible.  Los costos anuales de mantenimiento descritos anteriormente se redujeron de $14,400/año a aproximadamente $4,000/año una vez que se entregó el sistema fotovoltaico (con más de la mitad de esos costos asociados con el reemplazo de la batería).

En los Estados Unidos, las regulaciones federales especifican cualquier período de análisis de 40 años. La Sección 432 de la Ley de Independencia y Seguridad Energética (EISA) también especifica la tasa de descuento y la tasa de aumento de combustible utilizadas en el análisis del sistema del Servicio Forestal. Los puntos de referencia anteriores son importantes ya que se han convertido en un estándar comúnmente aceptado en todo el mundo.

Los supuestos anteriores dieron como resultado un factor de patrimonio neto presente de 24 años, lo que significa que ahorrar $1/año durante 40 años se cuenta como $24 en valor presente neto. El costo del ciclo de vida (es decir, el total de todos los costos durante 40 años, descontado al valor actual) del sistema generador fotovoltaico móvil fue de $295,000, frente al costo del ciclo de vida de $400,000 para el generador de propano solamente.

Dividiendo este costo del ciclo de vida por 5,355 kWh / año (basado en el sistema que promedia 35 kWh/día X 153 días de operación por año)¹ y 24 años (teniendo en cuenta la tasa de descuento) da como resultado un costo de energía entregado nivelado estimado en $2.29/kWh, frente a $3.11/kWh para el sistema de propano solo. Con un costo inicial de $170,000, $6,500 en ahorros de combustible y $10,400 en ahorros de mantenimiento y reemplazo, el sistema móvil produjo un período de recuperación simple de 10 años en comparación con el generador de propano solamente.

¿Qué significa todo esto para la industria minera?
Estas son algunas de las conclusiones importantes relacionadas con el diseño de un sistema fuera de la red del USFS:

1. La industria minera, al igual que el Servicio Forestal de los Estados Unidos, tiene acceso limitado a las redes y en áreas remotas, con poco o ningún acceso a los servicios públicos.
2. Otro desafío que el USFS y la industria minera comparten en común es la necesidad de tener sistemas móviles.
3. Del mismo modo, entre el USFS y los mineros existe la necesidad absoluta de comprender los costos de capital de riesgo involucrados, y tener una idea clara de los períodos de recuperación.
4. Aún más importante para los mineros es el aumento de los costos de la energía, especialmente las fuentes tradicionales de energía.^{7, 8}
5. Al igual que el USFS, que utiliza generadores de propano, la industria minera no tiene la reputación de ser consciente del medio ambiente cuando se trata de los diversos efectos de excavar, perforar, triturar y separar minerales.

Algunas diferencias que hemos visto en las necesidades actuales de energía en la minería es que su uso en la industria es grande y variado. La cantidad de potencia y energía necesaria en la industria minera es muy grande incluso en comparación con otras industrias, con necesidades de energía de hasta 250 kW a 1 MW para sistemas móviles.⁵ Es posible que las compañías mineras necesitan tener la capacidad de reubicar sus “redes” sin previo aviso.

Mientras que el costo de los sistemas USFS fue ligeramente inferior a $5/vatio (excluyendo las baterías), los sistemas modernos a gran escala se han reducido al nivel de $3/vatio, y los precios continúan disminuyendo en los sistemas estandarizados debido a los precios del volumen de fabricación. Los costos están bajando; las eficiencias aumentan. Todas estas son buenas revelaciones para la industria minera.

Footnotes and Sources

1. How much electricity on average do homes in your state use?  https://www.electricchoice.com/blog/electricity-on-average-do-homes/ 
2. Where you live affects your electricity rates.  https://www.chooseenergy.com/electricity-rates-by-state/
3. How efficient is electric radiant floor heat?  How much energy does it use?  https://www.warmyourfloor.com/knowledge-center/how-efficient-is-electric-radiant-floor-heat-how-much-energy-does-it-use/
4. Battery, inverter and solar panel pricing based on pass-through Patriot Energy Systems manufacturer’s pricing as of 06/05/23 
5. Patriot Energy Systems Solar Calculator, calculations available upon request. 
7. Coming soon, drastic rate increases for electricity and natural gas.  http://indepthnh.org/2021/10/03/coming-soon-drastic-rate-increases-for-electricity-and-natural-gas/
8. Here’s why your electricity prices are high and soaring.  https://calmatters.org/california-divide/debt/2021/03/california-high-electricity-prices/
9. Assumes 2.5 hours of insolation, 280 watt panels, figure is approximate.  Power discharge system sized according to charging system, i.e., roughly 9,000 kW (this figure is load dependent). 
10. 9 kw X 2.5 hours per day = 22.5 kWh/day = 22,500 Wh/day.  22.5 kWh/day = 675 kWh/month.  Each bank = 220 Ah.  To determine the number of banks, (600 A/day)/(220 A/bank) = 3.00 banks/day X 3 days = 9.00 banks, or 48 batteries.  However, if you further assume that you do not wish to burn the batteries below 50% depth of discharge (“DoD”), then rerunning the calculations will yield a need of 18-19 banks (96 batteries).
11. Mining Industry’s Energy Problem, Wartsila, https://www.wartsila.com/insights/article/mining-industrys-energy-problem
12. Bechler Ranger Station Solar Array, https://www.nps.gov/articles/bechler-solar.htm
13. One gallon of diesel can produce about 33kW per hour of energy.  That same gallon of propane will produce 27 kWh of energy.  If a gallon of propane costs $2.40, then $2.40/27 kWh = $0.088/kWh.  Using the same formula and price for diesel ($2.40), it produces electricity for $0.073/kWh.  There are a number of advantages and disadvantages of using propane versus diesel.  Diesel generators can last 15,000 to a maximum of 50,000 (5-6 years) before needing major servicing.  Propane vs. Diesel Generator, James Rogers, 10/6/22, https://www.powerblanket.com/blog/propane-vs-diesel-generator/

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* CEO de Patriot Energy Systems, ubicada en Idaho, EE. UU.  PES actualmente tiene proyectos de trabajo en África, Europa, América del Sur y Central.  Los sistemas móviles fabricados por PES van desde 12 kw hasta 1 MW.

Puede ser contactado en thomas@patriotenergysystems.com