En muchas regiones donde operan fundiciones —África subsahariana, el sur de Asia y partes de Oriente Medio— la red eléctrica es inexistente o poco fiable. Una fundición conectada a una red deficiente puede sufrir caídas de tensión, variaciones de frecuencia e interrupciones imprevistas que imposibilitan la fusión por inducción sin un sistema de generación de respaldo. Los generadores diésel han sido la solución tradicional, pero el combustible diésel cuesta entre 0,25 y 0,50 dólares por kWh si se tienen en cuenta el combustible, el mantenimiento y la depreciación del generador, lo que eleva considerablemente el coste de la fusión.
MONTE INTELLIGENCE ha estado trabajando en sistemas híbridos de energía solar-diésel para aplicaciones de fusión por inducción. El concepto es sencillo: utilizar energía solar fotovoltaica para suministrar la carga eléctrica base durante el día, con generadores diésel que proporcionan respaldo durante los períodos nublados y el funcionamiento nocturno. El sistema reduce el consumo de diésel entre un 40 % y un 60 %, lo suficiente para recuperar la inversión en energía solar en 3 a 5 años con los precios habituales del diésel.
La arquitectura del sistema consta de cinco componentes principales. Primero, el conjunto fotovoltaico solar: paneles instalados en tierra o en el techo, dimensionados para proporcionar la fracción deseada del consumo energético diario del horno. Para un horno de inducción de 1 MW que funciona 8 horas al día, el consumo energético diario es de aproximadamente 8 MWh (suponiendo 1000 kWh/tonelada para la fusión de hierro y procesando 8 toneladas al día, o bien funcionando a potencia reducida para fundiciones más pequeñas). Un conjunto solar que proporcione el 50 % de esta energía necesita generar 4 MWh al día.
El cálculo del tamaño del conjunto fotovoltaico depende del recurso solar disponible en el lugar. En una ubicación con 5 horas pico de sol al día (típico de muchas regiones tropicales y subtropicales), un conjunto fotovoltaico de 1 MW (CC) genera aproximadamente 5 MWh al día, considerando pérdidas del sistema de entre el 15 % y el 20 % debido a la eficiencia del inversor, el cableado, la suciedad y la reducción de potencia por temperatura. El conjunto requiere aproximadamente entre 1,2 y 1,5 hectáreas de terreno por MW, o entre 0,6 y 0,8 hectáreas si se instala en el techo de la fundición.
En segundo lugar, el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) proporciona la amortiguación entre la salida variable de energía fotovoltaica y la carga del horno de inducción. La fusión por inducción es una carga variable de alta potencia: el horno puede consumir 1 MW durante la fusión y entre 100 y 200 kW durante el mantenimiento de la temperatura. La batería debe suministrar o absorber la diferencia entre la generación fotovoltaica y la carga del horno segundo a segundo, manteniendo la estabilidad de la tensión del bus de CC que requiere el inversor. Las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) son la química preferida debido a su larga vida útil (4000-6000 ciclos con una profundidad de descarga del 80 %), buenas características de seguridad y la disminución de su coste (actualmente entre 80 y 120 dólares por kWh a nivel de paquete en 2026).
La capacidad de la batería está dimensionada para el período más largo previsto de baja generación solar durante un turno de fusión, que suele ser de 2 a 4 horas de funcionamiento a plena carga para un sistema diseñado para una alta fiabilidad. Para el horno de 1 MW, una batería de 4 MWh proporciona 4 horas de funcionamiento a plena potencia sin aporte solar, lo que cubre la mayoría de los eventos de nubosidad y permite al operador completar una fusión en curso en lugar de interrumpirla. La batería se puede cargar durante los períodos en que la producción fotovoltaica supera la demanda del horno, o durante la noche con el generador diésel si se prevé que el día siguiente esté nublado.
En tercer lugar, el inversor híbrido: la electrónica de potencia que convierte la corriente continua (CC) del conjunto fotovoltaico y la batería en corriente alterna (CA) para el horno. Este no es un inversor solar estándar; debe soportar las características de carga del horno de inducción, que incluyen un bajo factor de potencia (0,15-0,25 solo para la bobina de inducción, corregido a 0,95+ por el banco de condensadores del horno) y un alto contenido armónico de la fuente de alimentación de media frecuencia. El inversor debe dimensionarse para la demanda en kVA, no solo en kW, y debe incluir filtrado de armónicos para evitar que los armónicos del horno retroalimenten el sistema fotovoltaico y provoquen disparos del inversor.
En cuarto lugar, el generador diésel, dimensionado para proporcionar la potencia máxima de la caldera cuando ni la energía solar ni la batería pueden satisfacer la demanda, normalmente durante periodos prolongados de nubosidad o durante la noche. La potencia del generador debe ser aproximadamente entre 1,2 y 1,5 veces la potencia nominal de la caldera para tener en cuenta la corriente de arranque y el factor de potencia. Para una caldera de 1 MW, un generador de 1,5 MVA es lo habitual. El generador funciona solo cuando es necesario: el controlador híbrido lo arranca y lo detiene automáticamente en función del estado de carga de la batería y la previsión de la producción fotovoltaica.
En quinto lugar, el sistema híbrido de gestión de energía (EMS), el controlador que decide, segundo a segundo, cómo distribuir la energía entre el conjunto fotovoltaico, la batería, el generador y la caldera. La lógica del EMS incluye: si la producción fotovoltaica supera la demanda de la caldera, cargar la batería; si la demanda de la caldera supera la producción fotovoltaica, descargar la batería; si el estado de carga de la batería cae por debajo del 20 %, arrancar el generador; si el pronóstico meteorológico predice una nubosidad prolongada, arrancar el generador antes para preservar la capacidad de la batería; si la energía de la red está disponible (para sistemas conectados a la red), usar la red como complemento.
El análisis económico de un sistema híbrido solar-diésel es sencillo: basta con comparar el coste nivelado de la electricidad solar (incluido el coste del ciclo de la batería) con el coste marginal de la generación diésel. El coste nivelado de la electricidad solar para un sistema híbrido, incluyendo la sustitución de la batería cada 8-10 años, es de aproximadamente 0,06-0,10 $ por kWh. El coste de la generación diésel es de 0,25-0,50 $ por kWh. El ahorro por kWh solar es de 0,15-0,44 $. Para un sistema que genera 1500 MWh de electricidad solar al año, el ahorro anual es de 225 000-660 000 $, lo que permite recuperar una inversión de 1,5 millones de dólares en un plazo de 2,3-6,7 años.
MONTE INTELLIGENCE ofrece diseño de sistemas híbridos solares-diésel para aplicaciones de fusión por inducción, incluyendo evaluación de recursos solares, dimensionamiento del sistema e integración con nuestros paquetes de hornos de inducción.
Para un estudio de viabilidad de un sistema híbrido solar-diésel para su fundición, póngase en contacto con helenxu@cnlymonte.com.
