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Wärtsilä diseñó un motor con una eficiencia superior al 50%

03 junio 2019 a las 10:00 Argentina Standard Time

El motor a gas más eficiente del mundo

Uno de los desafíos que tiene por delante la industria de generación eléctrica es reemplazar por tecnologías más modernas a las viejas centrales térmicas que aún representan un porcentaje significativo del total de la capacidad instalada del país. Se trata, en gran medida, de máquinas turbo vapor o turbinas a ciclo abierto que consumen combustibles líquidos (fundamentalmente fuel oil) y registran bajos niveles de eficiencia, en algunos casos inferiores al 25 por ciento. Son equipos que en mercados desarrollados fueron quedando en desuso por la incorporación de nuevas tecnologías. Se estima que, en los próximos años, la Argentina deberá reemplazar centrales ineficientes que, en conjunto, suman una potencia cercana a los 5000 megawatt (MW).

En los hechos, el gobierno comenzó a avanzar en esa dirección mediante la incorporación de parques de energías renovables por medio del programa RenovAr para aprovechar el potencial eólico del sur del país y los recursos fotovoltaicos de las provincias del norte. Y también a través de tecnologías termoeléctricas mucho más eficientes.

En esa clave, la compañía finlandesa Wärtsilä —uno de los proveedores de equipos para las nuevas centrales térmicas construidas por impulso del Estado— lanzó el motor W31SG de 20 cilindros. Es, en rigor, el motor de cuatro tiempos más eficiente del mundo. Con una potencia de 11.5 MW, alcanza rendimientos que exceden el 50%. Su innovación más importante es el desarrollo de una estructura diseñada especialmente para incorporar la turbo compresión en dos etapas.

Los ingenieros de Wärtsilä se enfocaron en darle al motor W31SG la robustez requerida para poder manejar una presión media efectiva al freno (BMEP por sus siglas en inglés) de 30 bars.

Por eso, si bien el aumento de eficiencia asociado a la turbo compresión en dos etapas era conocido, ningún motor existente había tenido la capacidad de optimizar su efecto porque no podían resistir el esfuerzo de los cambios de carga. En un campo donde la competitividad y los precios de la generación eléctrica son tan importantes, la eficiencia y la flexibilidad son los commodities más cotizados. En este aspecto, el lanzamiento de Wärtsilä marca una diferencia radical.

Innovación

El motor de combustión interna ha evidenciado muchos cambios desde su aparición hace casi 150 años. A pesar de todos los avances efectuados a través de décadas, este concepto tecnológico que se remonta al siglo XVIII aún es la base de una gran parte de la producción de energía en la actualidad. El consenso es que aún hay muchas más vías para mejorar su diseño que sencillamente necesitan ser realizadas y evaluadas.

Con esa premisa, los ingenieros en Wärtsilä decidieron hacer algo que es bastante inusual en el ámbito de los fabricantes de grandes motores. En vez de mejorar su diseño, decidieron comenzar desde cero para poder desarrollar un nuevo motor considerablemente más eficiente que cualquier otro construido hasta ese momento. El resultado de todo este proceso es el motor Wärtsilä 31, disponible en diesel, dual fuel y gas, admitiendo una gama de diferentes calidades de gas. El más reciente es el W31SG en su versión de 20 cilindros que produce 11.5 MW de energía eléctrica.

La característica distintiva del Wärtsilä 31SG es su capacidad de alcanzar rendimientos que exceden el 50%; un hito en la industria. En comparación, las turbinas de gas de ciclo simple apenas suelen contar con una eficiencia de alrededor del 40%. El desarrollo de Wärtsilä permite ahora avanzar con un ahorro de costos de generación, reduciendo adicionalmente el nivel de emisiones.

Eficiencia bajo presión

El poder diseñar un motor desde cero les brindó a nuestros ingenieros la singular oportunidad de examinar todos los factores que contribuyen a la eficiencia del motor, y hacer mejoras en cada uno para lograr los mejores resultados. La calidad de la combustión, parámetros del motor, prevención de pérdidas de calor, flujos y fricción interna fueron los temas abordados y evaluados exhaustivamente.

Naturalmente, un diseño que incorpora conceptos que aumentan la eficiencia, no es lo mismo que darle vida a un motor nuevo. El desarrollo del W31SG fue un proceso muy largo y complejo que requirió una exhaustiva simulación digital, evaluando en laboratorio un motor experimental monocilíndrico para luego pasar a varios motores multi-cilindro que funcionaron una cierta cantidad de horas en los bancos de prueba de Wärtsilä en Finlandia, y otros lugares del mundo. Todas estas pruebas se realizaron para garantizar y comprobar el aumento en eficiencia logrado, y que el producto final reuniese los requisitos más exigentes de confiabilidad.

Flexibilidad

Una ventaja fundamental del W31SG es su flexibilidad y su capacidad para el arranque rápido y el mantenimiento de la alta eficiencia durante la totalidad del rango de carga. Esta cualidad es de vital importancia en el panorama de generación eléctrica vigente, dado que el crecimiento masivo de las fuentes renovables ha desencadenado un cambio disruptivo en el sector.

A nivel mundial, la generación de base está siendo desplazada por las renovables, a la vez que los generadores convencionales de energía asumen el nuevo rol de respaldar intermitentemente a la red cuando disminuye la producción por medio de fuentes alternativas. Es un cambio que representa un desafío enorme para las generadoras: la flexibilidad se torna vital. “Las usinas de energía de ciclos combinados no pueden operar económicamente frente a las necesidades de arranques diarios, paradas y despacho a carga parcial, que son los nuevos estándares del mercado causados principalmente por la penetración de energía eólica y solar”, explicaron desde Wärtsilä.

Un motor de combustión interna es una herramienta más eficiente para lidiar con este tipo de despacho. El aumento de su flexibilidad se debe en gran parte al rediseño de los actuadores hidráulicos de las válvulas del motor. Se reemplazaron los tradicionales balancines de modelos anteriores por un sistema con actuadores hidráulicos similares a los que se utilizan en la industria automotriz.

Esa característica permite que haya un preciso control de los tiempos de apertura de las válvulas para asegurar que la relación entre combustible y oxígeno en el cilindro sea la óptima para cada estado de carga. De esta manera el motor puede aprovechar la ventaja provista por el turbo de dos etapas, especialmente en cargas parciales.

Los parámetros optimizados del motor, el manejo de los tiempos de apertura y cierre de las válvulas de admisión y el control electrónico del encendido acarrean, como resultado, la presencia de menos hidrocarburos sin quemar luego de la combustión, mejorando la eficiencia y reduciendo las emisiones. Además, no es necesario el ajuste periódico de la luz de válvulas como se acostumbraba a realizar en otros motores de acuerdo con lo indicado en los planes de mantenimiento.

Una ventaja adicional de este nuevo diseño es la capacidad de poder operar continuamente con una carga del 10% como mínimo técnico, contra el 30% típico de los otros motores Wärtsilä. En lo que respecta a arranques rápidos, dependiendo de la configuración del BOP (Balance of Plant), es viable lograr el 100% de la carga en tan sólo dos minutos desde la orden de arranque.

Control total

En un motor de gas moderno la automatización es clave para garantizar la eficiencia, seguridad y flexibilidad. Sin embargo, hay requisitos especiales para una máquina tan compleja y avanzada como la W31SG. Cuenta con 20 cilindros que encienden más de seis veces por segundo, y por tratarse de tantas variables en juego la habilidad para poder armonizar y controlar cada aspecto de la operación es crucial.

Cuenta con algoritmos de control específicos para cada cilindro, requisito necesario para administrar tal cantidad de variables en un motor de gas con alta presión de encendido. Por esta razón, y como parte del desarrollo de este motor, Wärtsilä construyó un sistema de automatización de última generación que se integra al motor.

Es un sistema singular por su extensa implementación de controles que regulan el sistema de distribución variable, ingreso de gas, encendido, temperatura de refrigerante, y varios aspectos del turbo alimentador. A su vez, es modular e integrado. Todos los sensores están conectados directamente a los puertos de control sin atravesar conectores o cajas de conjunción; un cambio que reduce la probabilidad de fallas.

Visión a largo plazo

La ventaja de un motor como el Wartsila 31SG es obvio en épocas donde los precios de los combustibles son altos. Pero, al mismo tiempo, las características del motor cobran valor cuando se traza una mirada de largo plazo, dado que permiten reducir los costos del ciclo de vida útil de los centrales. “En un mundo que seguramente verá una dramática reducción de la generación de electricidad con hidrocarburos en las próximas décadas, sólo las soluciones termoeléctricas de altísima eficiencia y flexibilidad como el W31SG seguirán teniendo una clara ventaja”, analizaron desde Wärtsilä. “Por eso decimos que este es un gran motor construido para el futuro”, concluyeron.

Acerca de Wärtsilä

Wärtsilä es líder mundial en tecnologías inteligentes y soluciones de ciclo de vida completo para los mercados marino y de energía. A través del énfasis en la innovación sustentable, la eficiencia total y el análisis de datos, Wärtsilä maximiza el desempeño ambiental y económico de los buques y centrales eléctricas de sus clientes. En 2018, las ventas netas de Wärtsilä totalizaron 5.2 billones de euros con aproximadamente 19.000 empleados. La compañía tiene operaciones en más de 200 ubicaciones en más de 80 países alrededor del mundo. Wärtsilä cotiza en la bolsa de Nasdaq, Helsinki.
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Wärtsilä Energy Business está liderando la transición hacia un futuro 100% renovable. Como integradores de sistemas de energía, entendemos, diseñamos, construimos y proveemos sistemas óptimos para las generaciones futuras. Las soluciones de Wärtsilä proporcionan la flexibilidad necesaria para integrar las energías renovables y asegurar la confiabilidad del sistema eléctrico. Nuestra oferta incluye centrales eléctricas flexibles basadas en motores de combustión interna, centrales híbridas de energía solar, soluciones de integración y almacenamiento de energía, así como sistemas de energía a gas. Brindamos soporte a nuestros clientes durante el ciclo de vida de sus instalaciones con servicios que permiten una mayor eficiencia y un rendimiento garantizado. Wärtsilä tiene 70 GW de capacidad instalada en 177 países alrededor del mundo.

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