Homeostasis Minera
Incremento en la rentabilidad financiera con base en la sostenibilidad operativa.
¿Cómo alinearnos con la Minería sostenible?¿Cómo reducir los costos operativos energéticos? ¿Cómo abordar la transición energética para reducir la huella de carbono garantizando energía renovable asequible y segura?
¡Homeostasis como agente de cambio!
A lo largo de nuestras carreras profesionales, una constante ha sido la necesidad [imperiosa en algunos casos] de tener que adoptar nuevas tecnologías para garantizar la continuidad y/o supervivencia en las empresas y, consecuentemente, la resistencia al cambio de lógica que esto conlleva, pues da lugar a inseguridades sobre un futuro que se puede presentar como un factor de desestabilización al “status-quo” que existe en el seno de la organización.
La multiplicidad de agentes externos a la órbita de control, sumado a la resistencia interna al cambio, son factores que sirven para dilatar la decisión de implementar cambios significativos puertas adentro. Consecuentemente, algunas empresas no se deciden a hacer cambios hasta que notan que algo va realmente mal, y esto ya ha generado una pérdida significativa y/o irreparable de sus ventajas competitivas. Citándolo en palabras de Charles Darwin “No es la especie más fuerte la que sobrevive, ni la más inteligente, sino los que responden mejor al cambio”.En el sector minero, caracterizado por inversiones millonarias y entornos operativos muy exigentes, la idea de incorporar tecnología que pudiera poner en riesgo la operación diaria de la Mina es fuertemente resistida, en algunos casos dicha renuencia se basa en premisas fósiles obsoletas e infundadas.
La incorporación eficiente y eficaz de soluciones híbridas que utilizan primariamente la energía renovable e incluyen la convencional para la Mina, han sido concebidas para garantizar el debido y necesario suministro eléctrico para la operación de ésta en entornos extremos, no implica riesgo operativo alguno dado que se mantiene siempre la generación diésel como esquema de reserva y contingencia. Esta homeostasis (“igual estado” o “equilibrio dinámico”) minera que proponemos tiene por principal objetivo el derribar preconceptos, permitiendo que los ejecutivos [responsables de las empresas] lideren el cambio y obtengan los múltiples beneficios que éstas soluciones híbridas generan a nivel ambiental, institucional y operacional.
Entorno Minero – La Energía:
Permanente gestión de costos, consecuencia de la globalización en los precios de los minerales; caminos intransitables o inaccesibles; recelo en temas vinculados con el CAPEX; lugares remotos e inhóspitos; OPEX siempre en el punto de mira; condiciones extremas de temperatura; mantenimiento de equipos contra reloj; vida en campamentos aislados; alturas que dificultan el respirar; reducción continua en los precios de las materias primas. Falta de infraestructura; buen espíritu de equipo; ruido ensordecedor de generadores diésel; interminables distancias a los poblados; maquinarias gigantescas triturando rocas; olor a diésel;opinión pública en contra de la minería; mandato expreso de preservar el medio ambiente.
Quien ha estado vinculado al sector minero, seguramente se siente identificado por alguna de las frases expuestas anteriormente, que de forma resumida intentan pintar parte de la realidad de la Minería. Realidad que demanda y exige, para mantener un sistema eficiente de producción, contar con el adecuado y necesario suministro eléctrico que permita garantizar energía segura, despachable, confiable y asequible.
Debemos considerar que a nivel global solo el 30% de las Minas se encuentran conectadas a redes eléctricas (on-grid) con capacidad suficiente para cubrir sus necesidades operativas; el 70 % restante se encuentra desconectadas de la red (off-grid) o conectadas a redes eléctricas débiles | inestables que no llegan a cubrir las necesidades energéticas de las Minas.
Estas operaciones mineras se ven en la obligación de generar energía eléctrica mediante equipos de respaldo diésel, con costes que superan en algunos casos los US$ 600 MWh (seis cientos dólares estadounidenses por mega watt hora de energía).
Sí, existen lugares donde el costo de generación por efecto de la altura y por la logística, supera inclusive el valor mencionado.
El coste de la energía respecto a los costes totales de la operación representa en función del tipo de Mina y de si está o no conectada a la red, valores en el rango del 15% al 45%.
Reducir los costos de generación eléctrica, preservando además el medio ambiente -con los beneficios tangibles e intangibles que esto genera-, es un tema prioritario en la agenda de muchos ejecutivos del sector minero.
Efectos del Diésel:
Las Minas se encuentran ubicadas en zonas remotas, generalmente con serios problemas de acceso. El suministro del diésel para los equipos de generación que están instalados en las Minas, además de ser un costo, supone un riesgo operativo y medioambiental, genera una complejidad logística importante.
Los problemas logísticos pueden comprometer el suministro eléctrico, y contar con la reserva de combustible para garantizar dicho suministro incrementa los costos de producción.
El diésel, un hidrocarburo orgánico, posee cierta cantidad de agua que al almacenarse en un tanque de combustible puede producir un ambiente propicio para el crecimiento de microorganismos (bacterias, levadura, hongos) que conduce a la formación de sedimentos biológicos, los cuales pueden dañar los equipos de generación eléctrica.
Las emisiones de los motores diésel, en forma de finas partículas del escape, son una fuente principal de contaminación del aire, generando un riesgo significativo para la salud. Además de la contaminación auditiva y visual que produce la generación eléctrica mediante el diésel, generar electricidad mediante el mismo, conlleva un daño irreparable para el medio ambiente: i) los óxidos de nitrógeno y ii) los gases de efecto invernadero.
En la altura, los motores diésel se ven afectados por un derating en su performance por la compresión. Esto también genera un desgaste acelerado de los equipos diésel por inadecuadas condiciones de trabajo. Complementariamente se generan dos problemas más: i) fallas en el aislamiento eléctrico y ii) fallas en la refrigeración de los equipos.
Existe un sinnúmero adicional de aspectos poco favorables vinculados con la generación eléctrica con diésel, no obstante, destacaremos un aspecto positivo por el cual el equipo diésel debe permanecer en toda explotación minera: las contingencias y las emergencias.
Descripción de la Micro-red Híbrida Inteligente con Almacenamiento (MRH):
La MRH se basa en la combinación de tecnologías de generación fósil con energías limpias y/o renovables en redes eléctricas. Para ello, es necesario crear una microred que controle la dinámica eléctrica de la generación y el consumo. Esta MRH está compuesta por equipos electrónicos que controlan la generación renovable, el almacenamiento en baterías, los consumos y los grupos diésel que siempre están de respaldo a la operación (reserva fría).
En el gráfico resumimos, de forma conceptual, los componentes de la MRH.
Mediante la utilización de electrónica de potencia de última generación se realizan todas las funciones de gestión de la energía activa y reactiva precisas para que el sistema satisfaga la demanda, así como se absorban los eventos que se produzcan, utilizando la conversión de energía basada en corriente continua, de origen solar y almacenada en baterías, en corriente alterna y viceversa.
Toda la operación de la MRH está controlada por equipos de control que se encargan de gestionar el flujo de energía. Cada elemento de la MRH dispone de una unidad de control que regula su funcionamiento de cara a conexión y desconexión. El sistema de control tiene que ser muy rápido para anticiparse a las perturbaciones de red para asegurar la estabilidad de ésta, asegurando la tensión y la frecuencia del sistema.
El control es un elemento crítico para el funcionamiento optimo y estable de la MRH. Cada equipo debe de estar supervisado y controlado para la operación estable en tensión y frecuencia, regulando la potencia y la demanda de modo constante e instantáneo. Es importante una arquitectura distribuida y la experiencia probada de todos los componentes de la solución.
Una ventaja adicional de la MRH es la rápida velocidad para su puesta en funcionamiento, dependiendo del tamaño y de la complejidad de ésta, los tiempos van desde los cuatro a quince meses para que esté comisionada y operando al 100%.
Otra ventaja de estas soluciones es la capacidad que brindan para gestionar la matriz energética de la Mina en base a las operaciones, a los recursos existentes y a las reglas de negocios, integrando además la generación de vapor, mediante tecnologías CSP -energía termo solar de concentración–, en las condiciones de presión y temperatura que son necesarias para los procesos productivos de la Mina.
El grupo diésel queda para las situaciones donde la energía no pueda ser aportada por la planta solar PV y/o por las baterías y/o para arranques de cero, quedando SIEMPRE como garantía para la operación de energía eléctrica de la Mina.
Fiabilidad de la Solución Híbrida (con base energía solar PV):
El mercado de la energía solar renovable, con más de 300 GW instalados a nivel mundial, continúa su auge y es una alternativa de generación totalmente madura.
Consecuentemente, un objetivo principal de cualquier sistema de energía fotovoltaica es garantizar que el sistema funcione de manera continua y confiable:
Fuente de energía primaria. El sol. Aunque en una hora la energía solar recibida puede alimentar al mundo durante un año, seleccionar la ubicación correcta para la planta fotovoltaica es un punto crucial. Más del 80% de las Minas en zonas aisladas se encuentran dentro del cinturón solar (área de optima irradiación solar) lo que garantiza la capacidad de predicción de la radiación solar.
Recurso solar. Para calcular la irradiación solar correcta, se utilizan las bases de datos de irradiación solar (Ej.: Meteonorm y SolarGis), que garantizan los datos correctos de irradiación utilizados.
Tecnología de Planta Solar Fotovoltaica. Para mejorar el factor de la planta solar y optimizar la producción fotovoltaica, se deben evaluar los seguidores solares. Actualmente la opción más eficiente en coste es el uso de sistemas de seguimiento de 1 eje. La irradiación plana recibida aumenta significativamente (+20%) en comparación con la irradiación horizontal global.
Equipos eléctricos. Los equipos electrónicos y eléctricos tienen una fiabilidad superior al 99% sin disponer de partes móviles impactando notablemente en el coste de mantenimiento y personal disponible.
Selección de Productos y Componentes. La continua presión de fijación de precios en todas las partes de la cadena de suministro de energía fotovoltaica ha causado que muchos operadores tradicionales de la industria se preocupen por el rendimiento y la confiabilidad a largo plazo de los componentes fotovoltaicos. Si bien se han prestado la mayor atención a la confiabilidad del módulo, los componentes de BOS -balance of system -como los inversores, equipos eléctricos y las estructuras, también deben ser examinados.
Consecuentemente deben usarse proveedores de primer nivel [denominados TIER_1].
MRH Convencionales y Robustas:
Las MRH convencionales se han construido de forma exponencial en los últimos diez años, favorecidas por una reducción importante en los precios de los componentes, por un mayor nivel de conocimiento por parte de los proveedores de servicios eléctricos, por un espíritu sostenible que día a día se va afianzando y fundamentalmente por la confianza y seguridad que estas soluciones han demostrado brindar a sus clientes.
Denominamos MRH convencionales aquellas que han sido concebidas para trabajar mayormente en entornos donde la red eléctrica está presente con mala prestación –Ej.: cola de línea-, donde las condiciones climáticas no son extremas, donde la necesidad de almacenaje de energía no es elevada, donde la logística no es compleja, y donde el sistema está acoplado a la corriente alterna (CA).
Denominamos MRH robustas aquellas que han sido concebidas para trabajar mayormente en entornos donde la red eléctrica no está presente, donde las condiciones climáticas son extremas, donde la necesidad de almacenaje de energía es elevada, donde la logística es compleja, y donde el sistema está acoplado a la corriente directa (CD).
La arquitectura y prestación de ambas MRH es la que hace la primera diferencia al momento de elegirlas, dependerá el entorno donde deban instalarse para seleccionar la opción más adecuada. Solo tengan presente que la MRH robusta demandará una inversión inicial mayor, pero al ser el costo operativo hasta un 30% menor, la ecuación final termina siendo similar en términos económicos, más no así en términos de redundancia y resiliencia donde la robusta saca claras ventajas.
Almacenamiento de Energía:
Las energías renovables son despachadas mientras el recurso está disponible (sol, viento otro); por lo tanto, recomendamos utilizar un sistema de almacenamiento de energía para evitar tener el equipo de generación fósil operando en régimen permanente.
Dependiendo de la cantidad de energía que se desee almacenar, la necesidad de potencia requerida y el tiempo en el cual se demandará la energía acumulada, es necesario elegir el tipo de sistema de almacenamiento adecuado. Entre las opciones disponibles se encuentran sistemas de almacenamiento de energía basados en hidrógeno, sistemas mecánicos, sistemas electroquímicos, sistemas eléctricos y sistemas térmicos.
En el caso de las MRH, generalmente se escoge la batería electroquímica, cuyo principio de funcionamiento está basado principalmente en un proceso reversible llamado reducción-oxidación, donde uno de los componentes se oxida (pierde electrones) y el otro componente se reduce (gana electrones). Por lo tanto, se trata de un proceso en el que los componentes no se consumen, sino que únicamente cambian su estado de oxidación; por otro lado, dichos componentes pueden retornar a su estado original en las circunstancias adecuadas.
Son tres las principales características que definen una batería: 1) la cantidad de energía que puede almacenar (Wh), 2) la máxima corriente que puede entregar o descarga (A) y 3) la profunidad de descarga que puede sostener. La química de las baterías comunmente aceptadas son: 1) Plomo-acido, 2) Nickel-cadmio y 3) Ion-Litio.
Cada sistema de batería también funciona mejor en un rango o ventana de estado de carga (SOC) en particular. Mantener la batería dentro de esta ventana puede extender su vida útil.
Las baterías son diseñadas para entornos específicos donde podría haber temperaturas ambientales altas o bajas. Dado que la temperatura de la celda es fundamental para la vida útil de una batería, una refrigeración inadecuada o excesiva acortará su vida útil.
En resumen: ¡no hay baterías iguales! La elección de la química en el sistema de almacenamiento dependerá de la prestación o del uso de la energía almacenada, de las condiciones geógraficas donde funciona la MRH, del entorno operativo regulado por la calidad del servicio, del retorno esperado de la inversión y fundamentalmente del grado de fiabilidad esperado.
ASV-Concept:
Desde Green Cross promovemos el ASV-Concept como el primer modelo aproximado que permite presentar a una organización un proyecto energético, que permite analizar la viabilidad técnica / económica / financiera / operacional de la MRH comparada con otras fuentes de generación eléctrica – entre ellas la generación diésel-.
Para poder ejemplificar los beneficios de la MRH comparada con la generación diésel, compartiremos algunos datos significativos desarrollados para una Mina con una potencia instalada de 8 MW, en una zona con una muy buena radiación solar (+2200 horas), con una temperatura media baja producto de la altura (< 3000 mts) y con un perfil de carga constante durante las 24 horas.
Los resultados, habiendo simulado modelos con diferente grado de penetración de energía renovable en la solución híbrida, son contundentes:
Reducción en litros de combustible entre el 45 % y el 95%, o sea, entre 4 y 13 millones de litros de diésel por año.
Reducción en los costes de energía eléctrica entre el 40% y el 60%, o sea, entre 6 y 15 millones de dólares por año.
La MRH modelizada, además de garantizar el nivel de servicio eléctrico adecuado, brindará mayor rentabilidad al proyecto de explotación minero, contribuirá con la huella de carbón y minimizará los riesgos operativos.
Beneficios de la MRH:
Como hemos desarrollado, las MRH permiten brindar energía eléctrica segura, despachable, confiable y asequible, minimizando los riesgos operativos al dejar la generación diésel como reserva de potencia instalada.
El ASV-Concept permite concluir que la solución híbrida modelizada para la Mina permitirá generar los siguientes beneficios:
Una reducción significativa de costes operativos (OPEX), en paralelo con una reducción significativa de costes de combustible.
Una simplificación de la logística de combustible, evitando accidentes de tráfico de los camiones.
Un alargamiento de tiempos de revisión de los equipos de generación diésel y una simplificación sustancial del mantenimiento de equipos rodantes.
Una reducción significativa de mantenimiento de elementos fungibles (filtros, lubricantes, etc.).
Un costo constante de energía eléctrica a largo plazo, mediante un contrato de PPA (suministro de energía eléctrica), minimizando los riesgos de tener operaciones mineras atadas al costo del petróleo.
Una infraestructura eléctrica con vida útil superior a los 20 años, en sintonía con las operaciones mineras que son generalmente por largos períodos.
Una significativa reducción de emisiones y contaminaciones.
Un incremento en la imagen corporativa al hacer uso de energías limpias.
Conclusión:
Nos complace compartir con usted, estimado lector, un resumen de nuestra amplia experiencia en el sector minero. A lo largo de los años, hemos trabajado con los principales grupos mineros internacionales en cinco de los seis continentes, en temas vinculados con el abordaje de la sostenibilidad.
Con cientos de mega abordados, hemos demostrado la viabilidad de adoptar estas tecnologías. Por lo tanto, podemos afirmar con confianza que las micro-redes híbridas inteligentes con almacenamiento, basadas en fuentes primarias de energía solar o eólica o biomasa, son la alternativa ideal para reducir los costos operativos, preservar el ambiente y garantizar el suministro eléctrico en las operaciones mineras.
Por último, para maximizar los beneficios, es imprescindible abordar el proyecto dentro de un marco de infraestructura sostenible. Esto nos permitirá no solo llevar a cabo el proyecto de manera correcta, sino también asegurarnos de que sea el enfoque adecuado, optimizando los beneficios y minimizando los riesgos socioambientales.
Autor:
Ruy Campos-Dugone
Executive Director
Green Cross United Kingdom
ruycd@green-cross.org.uk