Caterpillar propõe 'geração distribuída' para energia garantida

Entrada do Centro de Demonstração e Aprendizagem da Caterpillar Málaga (Foto: Todas as fotos fornecidas pela Caterpillar)

Em 1971, quando a Caterpillar inaugurou seu Centro de Demonstração e Aprendizagem de Málaga (MDLC) nas colinas com vista para a Costa del Sol, na Espanha, não havia nada por perto. Desde então, o local foi gradualmente cercado por uma série de centros comerciais e parques industriais.

Isso não impediu a fabricante global de máquinas e energia de expandir suas instalações. Em 2024, o local de 104 hectares sediou mais de 330 eventos, com a presença de cerca de 7.000 visitantes, incluindo funcionários da Cat, revendedores, clientes e, às vezes, jornalistas.

Área de demonstração de equipamentos no MDLC da Caterpillar

Além das salas de reunião, há cerca de 60 máquinas disponíveis no MDLC a qualquer momento. Há também um compartimento de motor de grande porte e o laboratório de óleo SOS, que realiza testes de análise de óleo, líquido de arrefecimento e combustível com prazo de entrega de 24 horas.

Instabilidade da rede

O segmento de negócios de Energia Elétrica faz parte da divisão de Energia e Transporte da Caterpillar. Com produtos comercializados pela Cat, FG Wilson e MWM, a Electric Power fornece soluções utilizadas em diversos setores, incluindo mineração e construção, agricultura, saúde e data centers, além de apoiar esforços de socorro em desastres em todo o mundo.

Descrevendo o trabalho que está sendo feito pelo segmento de Energia Elétrica, Rich Osborne, vice-presidente e gerente geral da Large Electric Power, observou: “Estamos vendendo soluções, não apenas grupos geradores”.

Dito isso, essas soluções passaram por mudanças consideráveis devido à evolução do cenário energético nos últimos anos. Com o investimento insuficiente em redes nacionais em todo o mundo, complicado pela adição de ainda mais pontos de carga, houve um aumento generalizado da instabilidade da rede; um exemplo disso foi o apagão ocorrido em abril deste ano em toda a Península Ibérica, que deixou Espanha e Portugal no escuro por mais de 24 horas.

Foi relatado que cerca de 56% da energia fornecida pela rede na Espanha vem de energia renovável gerada por instalações eólicas e solares; o país tem como meta que 81% de toda a eletricidade fornecida venha de fontes renováveis até 2030.

Mas, embora tenha havido uma proliferação de parques eólicos e solares em todo o país, a capacidade de armazenamento não acompanhou o ritmo. E sem armazenamento suficiente para ajudar a equilibrar a rede elétrica, ainda existe o potencial de a demanda superar a oferta. Isso é uma dor de cabeça constante para as indústrias que precisam de uma fonte de energia constante e confiável.

Novos conjuntos de geração

Com essa instabilidade em mente, a Caterpillar viu o que Brian George, vice-presidente de Engenharia e Gestão de Produtos da Large Electric Power, chamou de "oportunidade de suporte à rede elétrica". Essencialmente, isso se traduz em geração de energia em larga escala por meio da localização de equipamentos de geração próximos ao centro de carga – também conhecida como geração distribuída.

A Caterpillar está bem posicionada para dar suporte a esse modelo, já que a empresa tem uma "oferta integrada" que abrange desde o projeto do sistema até a geração de energia, armazenamento, controle e elementos de comutação para criar microrredes únicas, múltiplas e de local completo.

Este cenário se concentra nos novos grupos geradores a gás natural/biogás da Série G3500K, com configurações de 50 e 60 Hz. Projetados para aplicações entre 1,5 e 2,5 eMW, os grupos geradores podem atingir a carga máxima em 40% menos tempo do que seus antecessores. O modelo a combustível gasoso reduz as emissões e os custos; a Caterpillar estima que € 350.000 em economia de combustível poderiam ser alcançados em 10 anos.

Grupo gerador a gás natural Cat G3520K de 20 cilindros

A Série G3500K oferece uma série de melhorias em relação ao G3500H anterior. Para começar, o bloco do motor totalmente novo ajuda a melhorar o desempenho e a economia. Há também um novo turbo com válvula de descarga incorporada para ajudar a otimizar a pressão interna, enquanto um novo intercooler maior pode regular melhor a temperatura do ar do motor para alcançar maior eficiência e potência.

Com um sistema de pós-tratamento de emissões aprimorado e o sistema opcional de cogeração de calor e energia (CH&P), que captura e reutiliza a energia perdida na forma de calor, o gerador pode maximizar a produção de cada metro cúbico de combustível. De acordo com a Caterpillar, o novo modelo pode atingir uma eficiência elétrica geral de até 46,5% (os modelos CH&P podem atingir 89,6% de eficiência geral).

“Até agora, muitas soluções têm sido usadas como energia de reserva para data centers”, disse George. “Mas pode levar vários anos para que um novo data center seja conectado à rede, então agora estamos buscando soluções que sejam uma ponte para a rede.”

Poder com controle

A geração distribuída se traduz essencialmente na energia gerada localmente para uma aplicação local específica, seja um data center, hospital ou outra infraestrutura crítica, até a construção, mineração ou agricultura. A energia gerada pode substituir o fornecimento da rede, apoiá-lo conforme necessário ou, como mencionado, atuar como uma "ponte" onde a energia é fornecida até que a conexão à rede seja concluída.

Há também outros benefícios. Por exemplo, a geração distribuída pode substituir a energia da rede quando os preços aumentam devido à alta demanda, um processo conhecido como redução de pico. Isso pode ajudar a determinar o preço por quilowatt-hora para o cliente, que geralmente é calculado com base no preço de pico. Evitar picos mais altos usando energia distribuída no local pode ajudar a reduzir as contas de luz.

Enquanto os grupos geradores são geralmente projetados para fornecer energia primária ou de reserva, a geração distribuída pode assumir qualquer uma dessas formas. Enquanto um gerador de reserva só entraria em operação em caso de falta de energia emergencial, como o apagão na Espanha e em Portugal, e possivelmente só seria acionado para validação/teste, a Caterpillar propõe que uma rede distribuída provavelmente se situaria em algum ponto intermediário, possivelmente atingindo 3.000 eventos de partida/parada por ano e cerca de 1.000 horas de operação.

Claramente, tal rede precisará de um sistema de controle avançado para gerenciar o tempo de atividade com base no consumo e em vários outros fatores. Para isso, a Cat revelou recentemente sua linha de controladores ECS para analisar e gerenciar como a energia de uma instalação de geração distribuída escalável é produzida e entregue.

Cat ECS 200

A série começa com o ECS 100, um sistema de reserva projetado para instalações menores, de um a três grupos geradores. Para sistemas de cogeração, balanceamento de energia e alinhamento com os códigos da rede, existe o ECS 200, um controlador de ativo único que permite o paralelismo de até 32 grupos geradores. Para aplicações mais complexas, incluindo o controle de disjuntores de serviços públicos, a Cat lançou o ECS 300. E para supervisão completa de microrredes, abrangendo mais de cinco ativos, existe o ECS 400.

Para fornecer mais informações sobre o funcionamento dos controladores, Vic Williams, gerente comercial da Caterpillar, descreveu como o sistema atualmente instalado no Campo de Provas de Tucson, nos Estados Unidos, foi atualizado para reduzir os custos de combustível e as emissões. Com painéis fotovoltaicos adicionais e um sistema de armazenamento de energia, todos gerenciados por um ECS 400, o sistema alcançou uma redução de 33% no consumo de combustível e reduziu os custos de manutenção em 25% (números de 2023).

É importante ressaltar que não é absolutamente necessário instalar um sistema Caterpillar completo do zero, sendo a modernização e a adaptação uma parte fundamental do relacionamento com o cliente. Como Williams afirmou quando questionado sobre a compatibilidade com hardware e sistemas existentes: "Há um processo de investigação para determinar se [os sistemas Caterpillar] podem funcionar com um sistema existente de outra empresa."

Armazenamento de energia

Como observado anteriormente, a Espanha falhou em grande parte em conciliar o investimento em geração de energia renovável com a capacidade de armazenamento correspondente. Embora seja improvável que tenha sido a principal causa do apagão regional em abril, a falta de armazenamento pode resultar na incapacidade de manter os níveis de tensão necessários em toda a rede.

Solução de energia híbrida Cat para infraestrutura de telecomunicações

Embora em uma escala muito menor, o armazenamento de energia é igualmente importante para uma microrrede. Um sistema de armazenamento de energia em bateria (BESS) pode atender a uma variedade de propósitos, incluindo o armazenamento de energia de fontes renováveis para quando necessário ou o fornecimento de energia para a microrrede em horários de pico. Além disso, as unidades podem operar quase silenciosamente, enquanto também recarregam máquinas elétricas a bateria.

A Cat oferece uma série de opções de BESS, que vão desde modelos compactos como o ETS (para aplicações de telecomunicações, incluindo torres de celular) e unidades móveis XES, até os modelos de médio porte ECE (Expansão de Capacidade de Energia) e ETS (Deslocamento de Tempo de Energia), e as unidades de contêiner PGS (Estabilização da Rede Elétrica).

Cada um deles protege contra uma série de potenciais problemas de energia, como falhas no sistema, picos/quedas de tensão e condições de sub/sobrefrequência. Quando usadas em uma configuração híbrida com um ou mais geradores, as unidades BESS podem reduzir o consumo de combustível ou fornecer a capacidade de reserva de energia necessária para diminuir as quedas transitórias de tensão e frequência associadas a grandes cargas elétricas. Isso pode contribuir para a redução das contas de energia e do OPEX sem comprometer a resiliência do sistema.

Essas unidades BESS desempenham um papel fundamental no fornecimento de soluções de ponte, seja para necessidades temporárias de energia ou como instalação semipermanente. Ao explicar mais sobre as soluções BESS oferecidas pela Cat, Michele Trebbi, Engenheira de Sistemas de Energia Elétrica, afirmou: "Não vemos a rede como inimiga, mas como parceira. Oferecemos soluções de ponte para que a rede possa continuar fornecendo energia aos clientes existentes."

Sistema compacto de armazenamento de energia Cat XES60

As unidades BESS, das quais múltiplas unidades podem ser conectadas para fornecer maior capacidade de energia, oferecem um benefício operacional adicional. A energia elétrica armazenada, quando não for necessária à microrrede, pode ser usada para processar biogás em biometano ou eletrolisar água em hidrogênio. Esses combustíveis podem então ser usados no grupo gerador correspondente para ajudar a reduzir ainda mais as emissões totais – para ajudar a reduzir a pegada de carbono geral, o novo grupo gerador a gás da Série G3500K pode ser abastecido com biogás ou gás natural combinado com até 25% de hidrogênio.