Lograr cero emisiones significa electrificar sitios de trabajo enteros

Imagen cortesía de Moog Construction

Hay un problema con la forma en que el mundo está avanzando en la electrificación, específicamente en la construcción.

Si los objetivos de la electrificación incluyen reducir agresivamente las emisiones, disminuir la cantidad de energía requerida para la fabricación y limitar el consumo de materias primas, entonces comprar máquinas de construcción eléctricas una a la vez y colocarlas en un sitio de trabajo no es ni productivo ni eficiente.

La industria de la construcción está invirtiendo dinero y esfuerzo en el diseño y desarrollo de soluciones eléctricas, pero su adopción aún está rezagada.

En cambio, según los analistas de Off-Highway Research, solo en América del Norte se compraron 41.320 excavadoras con motor diésel durante 2022. Si la compra de vehículos eléctricos todoterreno aumentó de la noche a la mañana, ¿cuál es la solución sostenible para utilizar decenas de miles de vehículos con motor diésel que podrían durar décadas?

Según un informe de la consultora Roland Berger, el impulso para electrificar vehículos todoterreno se debe, en parte, a las regulaciones gubernamentales para reducir las emisiones y el ruido, así como al deseo de lograr eficiencia de combustible.

“Las normas de emisiones en Estados Unidos, Europa, China e India son cada vez más estrictas. Aunque los vehículos pesados aún no están obligados a cumplir objetivos específicos de CO2, eso podría cambiar ya en 2025…”, señala la investigación de Roland Berger. “Los principales fabricantes industriales, como Komatsu, CAT, Hitachi, John Deere y Volvo, esperan un ahorro de entre el 20 y el 50 % en los costes de combustible de los vehículos todoterreno electrificados”.

Roland Berger continúa prediciendo que los vehículos compactos y mineros liderarán el camino hacia la electrificación. Ya existe innovación con máquinas como las minicargadoras totalmente eléctricas de Bobcat y los camiones mineros fabricados por Epiroc, junto con tecnología de carga para respaldar este equipo. Algunos fabricantes de equipos mineros han creado servicios para intercambiar baterías en sus enormes vehículos eléctricos para aumentar el tiempo de funcionamiento e imitar la forma en que los propietarios de herramientas manuales inalámbricas intercambian baterías para seguir trabajando. Actualmente, hay cargadoras de 18 toneladas de carga útil que funcionan en sitios mineros con hasta 450 kWh de capacidad de batería utilizable y baterías intercambiables. La idea de las baterías intercambiables es excelente, pero las baterías de un vehículo minero de un fabricante de equipos originales no se pueden intercambiar con la máquina de otro fabricante.

Independientemente del entorno, los profesionales de la construcción se preguntan dos cosas: ¿Cuál es la cantidad de trabajo que puedo realizar en un día y cuál es el costo de ese trabajo?

Lugares de trabajo electrizantes

En lugar de centrarse en electrificar marcas y modelos de vehículos específicos como proyectos independientes, el mundo de la construcción debería electrificar lugares de trabajo y flotas de vehículos enteras.

Esto significa separar la máquina de la batería. Consideremos el concepto de modularidad, en forma de un módulo de batería de alto voltaje, que impulsaría la adopción de la electrificación. Al analizar lo que debe suceder en un sitio de trabajo con cero emisiones para completar una jornada de trabajo, los gerentes de proyectos podrían decidir cuánta capacidad de batería necesitan sus máquinas. Por ejemplo, cuando los trabajadores usan un taladro, eligen la batería del tamaño correcto para el trabajo planificado o se aseguran de tener suficientes baterías de repuesto a mano.

Una excavadora ZQuip excavando en el sitio de pruebas de Moog Construction en West Seneca, Nueva York, EE. UU.

Para las máquinas de construcción, es fundamental garantizar un tiempo de funcionamiento suficiente. Para ello, los fabricantes de equipos originales y los clientes sienten que deben equipar sus máquinas con la batería más grande posible (por ejemplo, 800 kWh) para hacer las cosas y tener energía de sobra. Maximizar el tamaño de la batería solo maximiza el precio de la máquina.

El desafío no es la maximización sino la optimización. Pero ni siquiera la batería de gran tamaño de una excavadora eléctrica más cara garantiza superar un gran obstáculo para su adopción: eliminar la ansiedad por la autonomía y hacer el trabajo independientemente de las condiciones.

Para electrificar los lugares de trabajo y lograr cero emisiones, la industria de la construcción debería comenzar a convertir los vehículos de construcción diésel-eléctricos existentes a energía de baterías modulares . Estas máquinas convertidas pueden funcionar con módulos de batería intercambiables de carga rápida que se adaptan a cualquier marca y modelo de máquina. Además, cuando los módulos no están en una máquina, pueden servir como grupos electrógenos: luces de marcha, calefacción o refrigeración de remolques, y más.

La modularidad en la práctica

Imagine convertir una excavadora Caterpillar con motor diésel en un modelo eléctrico y hacer lo mismo con una cargadora de ruedas Komatsu y una cargadora de cadenas Bobcat, y luego poder usar el mismo tamaño de módulo de batería en las tres máquinas que funcionan en un sitio de trabajo.

La excavadora podría requerir tres o cuatro módulos de batería de alto voltaje, la minicargadora de orugas, un módulo y la cargadora de ruedas, dos. La combinación de módulos de batería en cada máquina se descargaría secuencialmente, aunque podrían programarse a través de software para proporcionar energía en paralelo.

Este enfoque ofrece a los clientes máquinas de cero emisiones con la capacidad de batería exacta para el trabajo que se debe realizar. Supongamos que la excavadora se queda sin energía. La cargadora de ruedas puede acercarse y conectar uno de sus módulos de batería para "recargar" el módulo de la excavadora o incluso prestar uno de sus módulos de batería con la ayuda de un manipulador telescópico. Con un modelo como este, los operadores de la máquina podrían intercambiar baterías entre máquinas, realizar la carga de máquina a máquina con un cable de alto voltaje o cargar rápidamente una máquina desde un módulo independiente o un sistema de carga rápida.

Moog colaboró con Bobcat en su cargadora compacta de orugas totalmente eléctrica T7X, que se presentó en el CES de 2022. (Foto: Bobcat)

Consideremos una obra en construcción con seis máquinas que utilizan módulos de batería intercambiables; dos necesitan una capacidad de batería de 800 kWh, mientras que cuatro requieren 400 kWh cada una. La energía total para el día equivale a 3,2 mWh, o veintitrés módulos de batería de 140 kWh. En cambio, los vehículos totalmente eléctricos tradicionales que fabrican algunos fabricantes de equipos originales vienen equipados, por ejemplo, con una batería de 800 kWh en cada una de las seis máquinas mencionadas anteriormente. En este escenario, el propietario pagaría un 50% más por la capacidad de batería que no se utiliza. El valor de la modularidad es doble. En primer lugar, todas las máquinas tienen una fuente de alimentación de carga rápida que es intercambiable. En segundo lugar, la capacidad energética se ajusta al trabajo requerido. En otras palabras, la obra siempre tiene la cantidad adecuada de energía cuando se la necesita. Los propietarios y arrendatarios de equipos no deberían pagar por energía que no necesitan.

Parte de la promesa de la electrificación es incorporar software que controle y monitoree funcionalidades que no son posibles con las tradicionales máquinas diésel-hidráulicas.

El concepto de un módulo de batería intercambiable en todo tipo de máquinas incluiría una capa de software que permite que un motor eléctrico, un controlador inteligente y un kit térmico regulen la temperatura del módulo de batería para funcionar de manera eficiente en todos los climas.

Además, enviaría información a los propietarios de equipos, a las empresas de alquiler y a los distribuidores, para que sepan qué tipo de trabajo están realizando sus máquinas y cuánta energía están consumiendo. Saber con suficiente antelación que un módulo de batería se está agotando permite a un operador cambiar un módulo en menos tiempo del que se tarda en cargar combustible diésel.

Si una empresa de alquiler es propietaria de la máquina, el software del módulo de batería avisa a la empresa para que entregue uno o más módulos en el lugar de trabajo. La máquina recibe su módulo de batería nuevo cuando al operador le resulta conveniente hacer una pausa y cambiar las baterías. Esto elimina la ansiedad por la autonomía y garantiza que el propietario del equipo solo pague por la energía de la batería que necesita para el trabajo en ese lugar de trabajo, para ese día.

Cómo hacer que la conversión diésel-eléctrica funcione

La conversión de máquinas diésel a eléctricas a batería mediante un enfoque modular aborda los problemas que frenan la adopción. Así es como puede funcionar: el proceso de conversión requiere quitar el motor diésel, el tanque de combustible, el contrapeso y las mangueras. El resto del sistema hidráulico permanece igual. De hecho, con un arnés de módulo de batería instalado en el espacio del motor, la conversión eléctrica simplemente se convierte en una forma limpia de hacer girar la bomba hidráulica de la máquina. Uno o más módulos de batería sirven como contrapeso. Y con el motor quitado, a los mecánicos les resultará mucho más fácil acceder al sistema hidráulico para reparaciones y mantenimiento.

Con cada máquina convertida, el valor para los propietarios, operadores, empresas de alquiler y distribuidores aumenta porque un módulo de batería estándar alimenta cualquier máquina, en cualquier parte del mundo. Si la industria puede pasar de centrarse en la venta de máquinas eléctricas a electrificar lugares de trabajo y flotas enteras, logrará una huella de carbono baja de la manera más productiva y económica.

Chris LaFleur es director general de ZQuip.