¿Combustión interna o eléctrica?
Si bien el motor diésel sigue siendo la fuente de energía más adecuada para maquinaria de mayor tamaño, los fabricantes de equipos originales (OEM) recurren cada vez más a sistemas de propulsión híbridos y eléctricos para seguir reduciendo las emisiones y el consumo de combustible, además de optimizar el rendimiento. En su barómetro industrial Bauma , Messe München indicó que el 32 % de los encuestados consideró que la investigación sobre maquinaria y vehículos con sistemas de propulsión eléctrica era fundamental para el futuro de su negocio.
El costo del combustible es uno de los principales factores que afectan el Costo Total de Propiedad (CTP), por lo que el uso de un motor eléctrico como fuente de energía única o secundaria para impulsar una máquina o asistirla en su función principal puede tener un gran impacto en su costo operativo. Una forma eficiente en que los fabricantes de equipos originales (OEM) implementan la electrificación es mediante la hibridación en serie, donde el motor de la máquina opera de forma independiente, generando energía eléctrica de manera eficiente para las baterías de la máquina o directamente para las transmisiones. Las fluctuaciones de carga de estas transmisiones no afectan al motor.
Esto permite un uso altamente eficiente del motor diésel que impulsa la máquina, logrando un ahorro de hasta un 50 % en el consumo de combustible sin impactos negativos en el rendimiento de la máquina.
No solo una nueva transmisión, sino un nuevo diseño
Sin embargo, la integración de sistemas y transmisiones totalmente eléctricas o híbridas supone un cambio radical con respecto al desarrollo evolutivo seguido hasta ahora en el sector y podría requerir un rediseño fundamental de la máquina. Es necesario diseñar nuevas topologías de transmisión, dimensionar e integrar baterías, motores eléctricos y electrónica de potencia, e implementar cambios significativos en el software y los sistemas de control para el funcionamiento de la máquina. En un proceso de I+D tradicional, la magnitud de estos cambios implicaría la creación de varias rondas de prototipos físicos para comprender y probar las características y la funcionalidad del sistema en su conjunto. Aun así, coordinar los componentes mecánicos, electrónicos y de software para que funcionen correctamente sería un proceso iterativo que conlleva un riesgo considerable de retrasos en el proyecto.
Diseño de máquinas eléctricas e híbridas con gemelos digitales
Aquí es donde el Gemelo Digital basado en la física marca la diferencia. Mediante la aplicación de prototipos virtuales realistas, se puede utilizar un modelo de simulación virtual multicuerpo de la máquina, el entorno y el proceso de trabajo para dimensionar y probar diversos conceptos de hibridación en tiempo real e iterar el sistema de transmisión a un estado mucho más avanzado antes de que se necesiten prototipos físicos.
Dado que el prototipo virtual de la máquina reproduce con precisión el comportamiento de su homóloga real, puede interactuar con una amplia variedad de sistemas y partes interesadas durante las etapas de diseño del producto.
El proceso de I+D centrado en el Gemelo Digital genera un modelo de alta precisión de la nueva máquina, el proceso de trabajo y su entorno. Esto permite al equipo de diseño probar diferentes subsistemas y su interacción con la máquina virtual en tiempo real. Dado que el Gemelo Digital está conectado al sistema de control real, los cambios en el software y los mecanismos de control pueden implementarse y probarse en paralelo, lo que aumenta la precisión, reduce los errores y ahorra un tiempo valioso. Por ejemplo, los cambios en los parámetros pueden experimentarse, probarse y, si es necesario, corregirse instantáneamente.
En la siguiente figura se muestra un ejemplo real de una comparación del consumo de combustible, basada en un gemelo digital, entre una cargadora subterránea totalmente diésel y una híbrida. Tras seis ciclos de transporte de rocas en el mismo entorno minero simulado, la cargadora híbrida consume aproximadamente la mitad de diésel que la totalmente diésel, manteniendo el mismo tiempo, ruta y tonelaje transportado. Se han obtenido resultados similares con la hibridación en serie de equipos de construcción reales , lo que verifica la precisión de la simulación basada en la física del gemelo digital.
Conclusión
La electrificación o hibridación de la maquinaria de construcción exige un cambio radical en los procesos de desarrollo de productos de los fabricantes de equipos originales (OEM ). Gracias a su capacidad de simulación en tiempo real de la máquina, su entorno y su proceso de trabajo, el gemelo digital basado en la física actúa como una representación precisa de su contraparte real, conectando a la perfección el mundo virtual y el físico. Integrar el gemelo digital basado en la física en el núcleo del proceso de I+D es una forma comprobada de reducir los plazos de desarrollo, aumentar la calidad del software y acelerar el ritmo de innovación necesario para desarrollar la próxima generación de maquinaria electrificada.