La Unión Europea ha introducido el Pacto Verde Europeo como estrategia global para combatir el cambio climático. El objetivo es descarbonizar la economía de la UE para 2050. En el marco de la Ley Europea del Clima, la UE se ha comprometido a reducir para 2030 sus emisiones de gases de efecto invernadero en al menos un 55% respecto a los niveles de 1990.

Por Carl B. Hagemeyer

Como en otros sectores industriales, esto aumenta la presión sobre la industria de maquinaria de construcción para que desarrolle máquinas más respetuosas con el medio ambiente.

Algunos Estados miembros de la UE están estimulando estos esfuerzos mediante programas de subvenciones para la adquisición y el uso de maquinaria de construcción eléctrica, entre otras cosas. Subvenciones, desgravaciones fiscales o préstamos favorables pretenden reducir los costes de inversión y facilitar el cambio a tecnologías más sostenibles.

Las administraciones de algunas áreas metropolitanas que se han adherido a la red “Ciudades C40” cuentan desde 2021 con normativas y prohibiciones para los proyectos de construcción urbana. Esto está impulsando el uso de maquinaria de construcción eléctrica. Entre estas ciudades se encuentran Barcelona, Helsinki, Estocolmo, Copenhague, Múnich y Oslo. Estocolmo y Oslo han anunciado que todas las obras de construcción estarán libres de emisiones o serán neutras para el clima en 2030. Esto hace prácticamente imposible el uso de maquinaria de construcción convencional que funcione con gasóleo.

- Esencialmente, las siguientes tecnologías de propulsión se aceptan actualmente como sustitutos libres de emisiones de CO₂ de los motores diésel:

- Accionamientos eléctricos que utilizan motores eléctricos, a menudo en combinación con un sistema de almacenamiento de baterías eléctricas.

- Unidades de pilas de combustible que utilizan hidrógeno como combustible para generar electricidad. Se produce agua como producto de emisión. Esta tecnología sigue siendo objeto de investigación en el sector de la maquinaria de construcción.

Motores de combustión interna de hidrógeno en los que se inyecta hidrógeno en la cámara de combustión y se mezcla con aire. La combustión produce agua y calor como subproductos. Sin embargo, la conversión de un motor de combustión a hidrógeno requiere modificaciones importantes. Está prevista la producción en serie de este tipo de motores para generadores de energía estacionarios, por ejemplo.

También hay que tener en cuenta los requisitos de la UE sobre reducción del ruido de las máquinas móviles (2000/14/ CE) y el endurecimiento previsto de la Directiva sobre calidad del aire (2008/50/CE). En este sentido, los accionamientos eléctricos pueden aportar una contribución significativa.

TEORÍA Y PRÁCTICA
El potencial de ahorro de CO₂ durante el funcionamiento puede medirse a grandes rasgos en el caso de un equipo de perforación. Con unas emisiones de aproximadamente 2,65 kilogramos de CO₂ por litro de combustible diésel, se puede calcular, sobre la base de 2.000 horas de trabajo al año y un consumo medio de 10,4 l/h, una liberación global anual de 55 t de dióxido de carbono. Para reducir completamente este volumen, es necesario cambiar radicalmente el sistema de propulsión basado en el gasóleo.

Los conceptos de propulsión de la movilidad eléctrica ya se han desarrollado en gran medida y son bien conocidos. Sin embargo, los principios funcionales de los vehículos eléctricos de batería (BEV) no pueden trasladarse sin más a la maquinaria de construcción móvil, y esto se aplica especialmente a una plataforma de perforación de anclajes.

Las principales diferencias radican en el número y las características de los numerosos consumidores principales y auxiliares, los motores de gran potencia, la conversión de energía de alto nivel y la disponibilidad constante en la obra.

La maquinaria de construcción móvil también difiere en cuanto a la proporción de necesidades de energía continuas o intermitentes y la posibilidad de recuperación. Los entornos operativos, a veces extremos, suponen un reto adicional.

Por este motivo, a la hora de diseñar un nuevo tipo de accionamiento hay que conocer con mucha precisión cómo se va a utilizar la máquina de construcción en cuestión.

También ha quedado claro que los conceptos de accionamiento eléctrico existentes no pueden transferirse sin más de un tipo de máquina de construcción a otro. Esto se aplica incluso dentro de una misma categoría de máquinas de construcción si, por ejemplo, difieren mucho en cuanto a la potencia del motor.

El suministro de energía eléctrica o regenerativa a una máquina móvil en la obra es otro reto, no sólo por las elevadas potencias eléctricas, sino también por el suministro de hidrógeno.

Las pruebas realizadas en las perforadoras de pilotes Kelly han demostrado, tal y como se preveía, que la eficiencia del tren de tracción eléctrico es significativamente mejor que la del tren de tracción diésel. Sin embargo, el tiempo de funcionamiento con baterías (sin conexión a la red) se ve limitado por varios factores. Hay que tener en cuenta los largos tiempos de recarga durante los cuales no se puede utilizar la perforadora.

CONCEPTO
La electrificación del equipo de perforación de anclajes Klemm KR 806-3E requería varios requisitos. Debía estar a la altura de su homólogo convencional, el Klemm KR 806-3GS, en cuanto a rendimiento de perforación y ámbito de aplicación. El manejo debía ser lo más sencillo posible para el operador de la perforadora, de modo que pudiera mantenerse todo el concepto de manejo (control remoto por radio). También debía ser posible utilizar una fuente de alimentación de obra con una conexión de máx. 125 A / 400 V CA, fácil de obtener en una obra. Para evitar riesgos de desarrollo, se decidió conservar la parte hidráulica conocida de la cadena cinemática en el paso inicial, incluidos los circuitos hidráulicos sensibles a la carga y los consumidores hidráulicos (cilindros, motores hidráulicos, etc.). Por eso se denomina cadena cinemática electrohidráulica. Ofrece al usuario la posibilidad de seguir utilizando los sistemas y componentes de perforación existentes, como los accionamientos giratorios, etc.

Para calcular el suministro de energía, primero se evaluaron los datos de funcionamiento de un mayor número de equipos de perforación con anclaje con la misma potencia. La telemetría (Klemm Datalink AIR) resultó muy útil para este fin. Se comprobó que la demanda de energía de las máquinas de perforación de anclajes en la gama de potencia de 160 a 175 kilovatios es como máximo del 35% de media. Esto se debe al típico modo de funcionamiento intermitente con interrupciones debidas a cambios de barras, instalación de anclajes, etc. Por lo tanto, durante un periodo de tiempo más largo, la potencia necesaria es de unos 56 kilovatios.

Una conexión de 400 V CA / 125 A puede suministrar una potencia eléctrica de aproximadamente 86 kilovatios. Por lo tanto, tenía sentido utilizar una batería para cubrir las necesidades de potencia restante de la máquina durante los picos de potencia. Esta batería se carga automáticamente cuando la demanda de potencia es inferior a 86 kilovatios.

Para dimensionar la capacidad de esta batería, se superpusieron en una simulación perfiles de potencia reales de distintas fases de funcionamiento con las capacidades de descarga y carga calculadas de distintos tamaños de batería y distintas conexiones de potencia (125 A, 63 A, 32 A).

Con una capacidad bruta de la batería de 140 kWh y una conexión de 125 A, el objetivo era que el uso continuo de la máquina fuera posible sin problemas en condiciones normales, además de un tiempo de uso sin conexión a la red de aproximadamente 2 a 3 horas. Como la capacidad de descarga de la batería es suficientemente alta, todas las funciones de perforación están disponibles a máxima potencia en modo sin conexión a la red, no sólo las operaciones de carga, conducción y maniobra, aunque durante un tiempo limitado.

La máquina también puede funcionar con una conexión de 63 A e incluso de 32 A en combinación con una batería con tiempos de carga correspondientemente más largos. La cadena cinemática también puede configurarse sin batería, pero en este caso se requiere una opción de conexión de 250 A nominales.

El sistema eléctrico de a bordo se diseñó como un sistema de 800 V CC para la máquina síncrona de excitación permanente. Cuando se utiliza la batería, un transformador de aislamiento, un monitor de aislamiento y el software correspondiente garantizan que se mantenga la configuración correcta de la red eléctrica (IT, TN-S), además del aislamiento galvánico. El equipo no tiene cargador a bordo, lo que impide un flujo de corriente elevado permanente a través de la batería, proporcionando más protección a la misma.

Se dispone de sistemas de refrigeración y calefacción para la batería, el motor eléctrico y la electrónica de potencia (inversor, filtro de línea, etc.) o pueden instalarse posteriormente si es necesario.

El desarrollo del software para la gestión de la batería y la energía fue otra tarea exhaustiva. El software fue un desarrollo completamente nuevo de Klemm, al igual que el propio sistema de control de la máquina.

PROTOTIPO
El primer paso fue asegurarse de que el personal implicado estuviera cualificado para trabajar en vehículos con sistemas de alta tensión. En Alemania, por ejemplo, esto está regulado por el DGUV 209-093 (Seguro Social Alemán de Accidentes).

La batería, el transformador de aislamiento y parte del sistema de gestión térmica se dispusieron en una “mochila” en la parte trasera de la máquina. De este modo, es muy fácil acceder a ellos.

El prototipo del KR 806-3E se expuso al público por primera vez en la feria Bauma 2022 y posteriormente se mostró a una audiencia internacional de expertos (véase la figura 3). A continuación, se realizaron más pruebas en la planta de Klemm; entre ellas, pruebas sobre las características del inversor y el filtro, el comportamiento de la refrigeración, las emisiones de ruido y la gestión de la batería. El tiempo necesario para estas pruebas y ajustes fue superior al inicialmente previsto.

UTILIZACIÓN EN OBRAS
Tras una exhaustiva formación del personal de operación, Bauer Funderingstechniek utilizó el equipo de perforación durante varias semanas a partir de finales de octubre de 2023 en una obra de construcción en los Países Bajos (véase la figura 4). Aquí se instalaron micropilotes (diámetro 152 mm, profundidad máxima 42 m) en una longitud de 1,6 km para la ampliación de la autopista A9 cerca de Rotterdam. Desde el principio se pudo utilizar sin problemas el equipo de perforación KR 806-3E. En la obra se utilizaron otros ocho equipos de perforación de anclaje Klemm con accionamiento diésel, algunos de ellos con el sistema de telemetría Datalink AIR. Esto significaba que las funciones de la máquina, la gestión de la energía, el estado de la batería, etc., podían seguirse virtualmente en línea y compararse con los valores precalculados.

Como solución temporal para el suministro eléctrico mientras se probaba la KR 806-3E, el contratista había optado por un generador de 200 kilovatios en lugar de una conexión eléctrica in situ. La evaluación de los flujos de energía mostró unas características perfectas al cargar y descargar la batería, exactamente como se había previsto, tanto en funcionamiento con cable como sin conexión a la red. El trabajo de perforación sin conexión a la red a plena potencia fue posible durante dos horas seguidas.

El consumo medio de energía eléctrica por hora de funcionamiento fue de 32 kilovatios-hora para la KR 806-3E. En la misma obra, el consumo de energía diésel de un KR 806-3GS fue de 93 kilovatios-hora. Con el mismo rendimiento de perforación, el consumo de energía, reducido en un factor de 2,9, fue incluso mejor de lo previsto, ya que la eficiencia de todos los componentes no se conocía con precisión cuando se hicieron las predicciones. El personal de la obra encontró muy agradable la notable reducción de las emisiones sonoras del equipo de perforación.

Desde junio de 2024, el equipo se utiliza de forma continuada en otra obra de La Haya, donde también se perforan micropilotes. Aquí, el equipo se alimenta a través de una conexión eléctrica in situ. El consumo medio de energía eléctrica por hora de funcionamiento es de 32,6 kilovatios-hora. La operación funciona sin problemas.

CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS

A raíz de los pedidos de los clientes de otros equipos de perforación de anclajes KR 806-3E, el concepto de accionamiento se encuentra actualmente en fase de revisión. En primer lugar, entretanto se han suprimido o mejorado algunos componentes eléctricos y, en segundo lugar, se ha podido incorporar nuestra propia experiencia. La próxima generación del KR 806-3E será menos compleja, pero más compacta y aún más potente.

El camino hacia la electrificación es largo y pedregoso. Klemm ha dado el primer paso. Era importante reconocer quién nos ayudaría a avanzar y dónde nos estábamos desviando. De momento, no podemos prever un funcionamiento inalámbrico completo en condiciones reales de obra. No obstante, nos hemos acercado un paso más a nuestro objetivo de cero emisiones, que para Klemm se traduce en reducir las emisiones de dióxido de carbono en 55 t por equipo de perforación al año.

Klemm es importado y distribuido en España por la empresa madrileña Kmmb Ibérica.

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