Volante de inercia: sistemas y materiales aplicados en medios de transporte de
pasajeros.
FESS Technology: Systems and Materials Applied in Passenger Transport.
Remache A.
Instituto Superior Tecnológico Kachariy, Quito, Ecuador
e-mail: abel.remache@itk.edu.ec
Información del artículo
Recibido: febrero 2020
Aceptado: mayo 2020
RESUMEN
Se ha realizado un estudio del uso de la energía cinética a través de la tecnología de los volantes de inercia FESS. Se
detalla el principio de funcionamiento, su estructura interna, configuraciones y diversas consideraciones técnicas que
fueron necesarias para su implementación en varias aplicaciones en la actualidad. Se identifican los usos en medios de
transporte de sistemas KERS, el uso de tecnología de levitación a través de los HTS, aplicaciones hibridas y sistemas
Gimbal entre otros. Se define el uso de materiales ya que es primordial para su capacidad energética y costo final en el
desarrollo de esta tecnología. Para finalizar se analiza el potencial que tiene un volante de inercia y las limitaciones a
las que se enfrenta en el ámbito de construcción, costos, materiales y densidad energética. Se concluye que los volantes
se han integrado a aplicaciones sencillas y avanzadas, con ventajas tales como un costo ambiental bajo, larga vida útil,
bajo mantenimiento y poca fricción, reducción de emisiones, entre otras. Entre las desventajas están la baja densidad de
energía, costos, uso de materiales poco accesibles, peso, entre otros; por ende, la investigación actual trabaja en estos
campos.
Palabras clave: energía cinética, volantes de inercia, transporte, materiales
ABSTRACT
A study of the use of kinetic energy through the technology of FESS inertia wheels has been carried out. It details the
operation principle, its internal structure, configurations and various technical considerations that were necessary for its
implementation in several applications at present. It identifies the uses in means of transport of KERS systems, the use
of levitation technology through the HTS, hybrid applications and Gimbal systems among others. The use of materials
is defined as it is essential for their energy capacity and final cost in the development of this technology. Finally, the
potential of a flywheel and the limitations it faces in the field of construction, costs, materials and energy density are
analyzed. It is concluded that the flyers have been integrated into simple and advanced applications, with advantages
such as a low environmental cost, long service life, low maintenance and low friction, reduction of emissions, among
others. Among the disadvantages are the low energy density, costs, use of materials that are not very accessible, weight,
among others; therefore, current research works in these fields.
Keywords: kinetic energy, FESS technology, transportation, materials
1. Introducción
Según Schutlz (2014), las áreas de importancia en el
uso vigente del volante inercial está relacionado con:
Industria automotriz, Fuentes de alimentación
ininterrumpibles, Militar / Defensa,
Almacenamiento de energía de red,
Aerogeneradores [1].
Diversas aplicaciones en volantes de inercia han
generado buenos resultados como por ejemplo
volantes de inercia con una capacidad de energía
específica del rotor de 195 Wh / kg, comparable con
las baterías de iones de litio. [2]. Otras aplicaciones
van desde la gestión de energía conectada a la red
hasta el lanzamiento de aeronaves
electromagnéticas. Las configuraciones de rotor
predominantes están estructuradas mediante discos,
cilindros sólidos y cilindros de pared gruesa
fabricados en carbono y compuesto de vidrio o acero
de alta resistencia [3].
Este estudio se concentra en aplicaciones
relacionadas a los medios de transporte, en las que
los volantes son utilizados en el almacenamiento y
ahorro significativo de energía en sistemas
automotrices. Mencionando un ejemplo, vehículos
de transporte de pasajeros como automóviles y
trenes tienen este sistema y varios son capaces de
ahorrar hasta un 15% de combustible en conducción
por ciudad [4], siendo accionado en frenadas y
paradas, en varios casos dependiendo de su sistema
el motor de combustión se detiene y, así, se ahorra el
consumo innecesario del combustible que produce
gases contaminantes y cuyo costo es elevado en la
actualidad.
2. Desarrollo
2.1. Funcionamiento y generalidades
Un volante de Inercia es un dispositivo mecánico
giratorio utilizado para almacenar energía cinética
rotatoria. Los volantes tienen un momento
significativo de inercia y por ende resisten
variaciones en la velocidad de rotación. La cantidad
de energía almacenada en un volante es proporcional
al cuadrado de su velocidad de rotación (Ver
ecuación 1). La energía se transfiere a un volante a
través de la aplicación de par externo, incrementando
así su velocidad de rotación, y por lo tanto su energía
almacenada. Un volante libera su energía
almacenada aplicando un par a una carga mecánica,
de esta forma se reduce su rotación. [5]
En la actualidad y generalmente, el volante de inercia
está dentro de un contenedor al vacío para eliminar
la pérdida de fricción causada por el aire y
suspendido por cojinetes para una operación estable.
La energía cinética se transfiere dentro y fuera del
volante pudiendo funcionar como motor o como
generador dependiendo del ángulo de carga. Al
actuar como motor, la energía eléctrica suministrada
se convierte en par y se aplica al rotor; en el modo
generador, la energía cinética almacenada en el rotor
aplica un par, que se convierte en energía eléctrica.
Aparte del volante se requiere una electrónica de
potencia adicional para controlar la entrada y salida
de potencia, la velocidad, la frecuencia, entre otras
[6].
Figura 1. Estructura del volante de inercia
Fuente: [7]
Formulaciones básicas. - Como se ha mencionado, la
energía cinética almacenada en un volante es
proporcional a la masa y al cuadrado de su velocidad
de rotación acorde con la Ecuación (1).
(1)
Donde: E
k
= Energía cinética almacenada en el
volante (Kinetic energy), I = Momento de inercia, w
= Velocidad angular del volante,
Para los rotores de acero (volantes), la forma
dominante es un cilindro sólido, por lo que se da la
siguiente expresión para I:
(2)
Donde: r = radio, a = longitud del cilindro, m = masa
del cilindro, = densidad del material del cilindro,
Cuando la forma supone un cilindro circular hueco,
conduce a la ecuación 3
(3)
Donde: r
o
= radio externo, r
i
= radio interno
Así la manera más eficiente de aumentar la energía
almacenada es acelerar el volante. El límite de
velocidad se logra a través de cargas inerciales o
resistencia a la tracción. Los materiales más ligeros
desarrollan cargas de inercia más bajas a una
velocidad dada, por lo tanto los materiales
compuestos, con baja densidad y alta resistencia a la
tracción, son excelentes para almacenar energía
cinética [8]. De esta manera la energía cinética por
unidad de volumen y masa se define por [9]:
(4)
(5)
Donde: e
v
=
energía cinética por unidad de volumen,
e
m
= energía cinética por unidad de masa, K = es el
factor de forma, = tensión máxima en el volante.
Las tensiones en un volante de inercia influirán en
las tres dimensiones. Para un rotor construido con un
material no isotrópico, como compuestos con fibra,
la interacción de esfuerzos limitará las dimensiones
prácticas posibles. En diseños cortos (generalmente
volantes de inercia huecos), las tensiones de interés
primario son la tensión radial
(Ecuación 6) y la
tensión del aro
(Ecuación 7) [8]. Para un material
isotrópico, la tensión radial y de aro se expresan
mediante las ecuaciones:
(6)
Donde: = coeficiente de Poisson, r = cualquier
radio dentro del rotor.
(8)
Varios datos de materiales para volantes de inercia
son posibles encontrar en tablas como información
abierta, así como los factores de forma K
2.2 Transporte liviano
2.2.1 Sistema KERS
El sistema KERS (Kinetic Energy Recovery
System), implementado en vehículos de turismo, se
basa en los principios de funcionamiento del volante
de inercia, puede actuar como dinamo-alternador en
fases de frenada, y como motor eléctrico de corriente
continua en fases de aceleración. Pero a diferencia de
la versión mecánica, el KERS eléctrico puede tener
o no baterías químicas para almacenar energía
(Figura 2). Flybrid (empresa desarrolladora KERS)
junto a Magnetti Marelli desarrolló un dispositivo
híbrido entre el eléctrico y el mecánico de 27kg; esta
versión del KERS almacena en una cámara de vacío,
un volante de inercia que gira libre de rozamientos
gracias a la energía cinética recuperada en las
frenadas, que puede producir el giro de un rotor de
reluctancia variable sobre un estator, generando
corriente alterna que rectificada a continua (ac-dc),
alimenta a un motor eléctrico [10].
El KERS ha desarrollado un sistema de vacío,
generando un estado de giro en extremo duradero,
debido a la inercia generada, que solo se pierde en
fases de aceleración cuando la energía cinética se
aplica a la tracción del vehículo. El sistema KERS
mecánico no transforma la energía cinética en
eléctrica, solo utiliza su movimiento para ayuda de
tracción, y por tanto no necesita ningún tipo de motor
eléctrico o batería [10].
Figura 2. Volante de inercia KERS
Fuente: [10]
Los sistemas de recuperación de energía cinética no
obtuvieron los resultados esperados en la Fórmula 1,
pero varias compañías automotrices insertan e
investigan esta tecnología en automóviles de
turismo. Varias aplicaciones se han dado en los
últimos años combinando esta tecnología con la
transmisión CVT (Continuously Variable
Transmission), para mejorar los resultados en
automóviles de cambios automáticos.
Tipos de Sistemas KERS
KERS Mecánico: El KERS mecánico utiliza un
volante como el dispositivo de almacenamiento de
energía y una transmisión variable para controlar y
transferir la energía hacia y desde la línea de
transmisión.
KERS eléctrico: El sistema de recuperación de
energía cinética eléctrica convierte la energía
cinética en energía química para el almacenamiento
y se utiliza un sistema generador de motor eléctrico
como medio de transferencia y control de la energía.
KERS Hidráulico: Este sistema es particularmente
adecuado para la aplicación en la ciudad. El frenado
regenerativo en vehículos que utilizan una
bomba/motor hidráulico de desplazamiento variable
junto con un acumulador hidráulico neumático ha
atraído considerable interés durante los últimos años.
KERS Hidroeléctrico: Un sistema hidráulico de
sinergia eléctrica (HESS) es un acumulador
hidráulico y un sistema de energía híbrida de batería.
Este sistema sigue una estructura de energía híbrida
para integrar una batería de alta energía específica
con un acumulador hidráulico de alta potencia para
obtener la salida requerida. Por lo tanto, supera los
inconvenientes de una única fuente de
almacenamiento de energía tipo KERS [11] [12].
2.2.2 Bicicletas
Un volante de inercia almacena transitoriamente la
energía cinética cuando el ciclista frena o ralentiza el
movimiento de la bicicleta. Esta energía almacenada
en el volante se puede reutilizar o recuperar.
Considerando que esta energía habitualmente es
perdida durante el proceso de frenado la misma
puede ayudar a la reconexión de la velocidad y
accionamiento mecánico. De esta manera, se puede
aumentar la eficiencia energética, e incrementar la
velocidad rápidamente (Figura 3) [13].
Figura 3. Sistema KERS – Copenhaguen Wheel
Fuente: [13], [14]
La figura (3) muestra la estructura interna utilizada
en sistemas KERS para bicicletas. El proyecto
desarrollado por el MIT fue denominado
Copenhaguen Wheel, puesto que solo se adapta el
neumático posterior a cualquier bicicleta y
actualmente está siendo introducido en esa ciudad.
Varios sensores y módulos ayudan a controlar y
almacenar datos de recorrido que facilitan la
conexión a aplicaciones móviles.
2.3 Transporte pesado
2.3.1 Autobuses
Los primeros autobuses fueron los giro-buses
(Gyrobus), desarrollados durante la década de 1940.
Bajo el principio de un volante de inercia de acero.
El volante pesaba 1500 kg y tenía un diámetro de 1,6
m. Cada cinco kilómetros, el vehículo se detenía por
unos minutos, conectaba su toma a la red y recargaba
su impulsor, que accionaba un generador eléctrico.
Este impulsor generaba movimiento, con baja
resonancia a 3.000 rpm [15].
El alto consumo de energía, una gran necesidad de
mantenimiento y reparación y el uso de la carretera
debido a la pesadez de los autobuses derivó en la
salida de utilización de este tipo de auto buses.
Cuando un autobús está desempeñándose en áreas
urbanas, genera un gran número de arranques y
paradas, haciendo que el volante inercial sea una
opción adecuada para el sistema de control de
potencia. Los nuevos sistemas Flybrid (Empresa
dedicada al desarrollo de volantes para vehículos y
buses) reportan un ahorro de combustible del 45%
para un autobús de 17 toneladas métricas en el ciclo
de conducción del autobús de Londres [5]. La
optimización de los sistemas KERS hacen posible su
aplicación en autobuses (Figura 4), adaptado al
sistema de transmisión.
Figura 4. Flybrid para Autobuses
Fuente: [16]
Las características clave del prototipo Flybus, son un
volante Ricardo Kinergy como medio de
almacenamiento de energía y una transmisión
variable continua (CVT) Torotrak que transfiere
energía al volante. El volante de inercia Ricardo
Kinergy utiliza acoplamiento magnético de bajo
costo. El resultado es un sistema hibrido de bajo
consumo de combustible y bajas emisiones de
carbono.
2.3.2 Tren de transporte pesado
Cuando un tren eléctrico frena, la energía es a
menudo desperdiciada como calor debido a la falta
de un sistema de almacenamiento de energía. Con tal
sistema instalado, la energía del freno de un tren se
puede utilizar como energía de la aceleración para
otro tren.
La Universidad de Texas de Austin probó un volante
destinado a la recuperación de energía del freno de
tren, que fue diseñado para almacenar 130 kWh a
15.000 rpm, y probado hasta 13.600 rpm. El rotor
estaba hecho de compuestos de fibra de carbono, y
fue suspendido por cojinetes magnéticos activos
axial y radialmente con un rotor girado en vacío. Se
colocó una máquina eléctrica de 2 MW fuera del
vacío [2]. Ricardo (Fabricante de Volantes de
Inercia) y Artemis (Sistemas CVT) han diseñado un
sistema integrado para trenes eléctricos, que
proporciona un incremento del rendimiento en redes
ferroviarias eléctricas EMU (Electric Multiple Unit)
(Figura 5). Esta configuración puede usar la energía
acumulada del volante de inercia (Por medio de un
interruptor controlado) o a su vez puede utilizar la
red eléctrica para conectarlo al Motor-Generador
según convenga para su movimiento. Además, se
puede activar y cargar eléctricamente el volante de
inercia como muestra la figura.
Figura 5. Sistema EMU conectado al volante de
inercia
Fuente: [17]
2.3.3 Ferrocarril ligero
La aplicación de la tecnología de volante a la LRT
(Light Rail Train) almacena la energía generada
durante las paradas de pasajeros frecuentes del tren
(Similar a trenes de carga pesada). Los volantes de
inercia son capaces de recargar y descargar mucha
energía muy rápidamente, por lo que son idóneas
para este propósito, las baterías convencionales no
duran mucho bajo esas condiciones. Estos sistemas
generan ahorros potenciales atractivos para el
presupuesto de transporte público de una ciudad.
Para el sistema LRT de Edmonton, se ha calculado
un ahorro de energía del 31% y un ahorro de costos
del 11% [5].
Figura 6. Light Rail Train
Fuente: [18]
2.3.4 Locomotoras ALPS
El programa ALPS forma parte del Programa de Alta
Velocidad de Nueva Generación, patrocinado por la
Federal Railroad Administration. El objetivo del
programa ALPS es desarrollar un sistema de
propulsión de locomotora de combustibles fósiles
capaz de mantener velocidades de 150 mph en la
infraestructura existente. El peso de las locomotoras
diésel eléctricas convencionales puede crear fuerzas
dinámicas que dañan la pista. El motor principal del
sistema ALPS es una turbina de gas ligera de alta
velocidad que reduce el peso de las locomotoras y
las fuerzas dinámicas de la vía a velocidades más
altas.
La potencia de propulsión principal es
proporcionada por una turbina de gas de 4.000 hp
que acciona un alternador síncrono con una potencia
nominal de 2 MW con una potencia máxima de 3
MW. La salida del alternador se rectifica para
proporcionar energía a un bus de línea, que
distribuye la energía a través de la locomotora
(Figura 7).
Figura 7. Sistema EMU conectado al volante de
inercia
Fuente: [19]
Los motores de tracción AC de la locomotora son
accionados a través de variadores de frecuencia
conectados al bus DC. El motor/generador del
volante también está conectado al bus de salida a
través de un convertidor bidireccional de potencia de
frecuencia variable. El rotor es levitado en
rodamientos magnéticos para minimizar las pérdidas
por rotación y permitir el funcionamiento a largo
plazo en un ambiente de vacío. Tanto los cojinetes
magnéticos radiales como los axiales son de tipo
imán permanente con bobinas de control activas
montadas en el estator. Esta configuración
proporciona un control estable del rotor en un
entorno dinámico de locomotora. El volante
funciona en un vacío de 0,0131579 atmósferas para
minimizar las pérdidas de viento. El rotor del motor
está acoplado a un motor/generador de inducción que
funciona a presión atmosférica.
El motor/generador de inducción es una máquina de
inducción de barra de cobre con una potencia
nominal de 2 MW en la gama de velocidades de
7.500 a 15.000 rpm. Se conecta a través de un
inversor al bus de la locomotora y puede operar en
las regiones de motor o de generación, dependiendo
de si se ordena acelerar el volante o entregar energía
al autobús. El control funciona en un modo V/Hz
constante (par constante) en el rango de velocidad de
7.500 a 12.000 rpm y en un modo de tensión
constante (potencia constante) de 12.000 a 15.000
rpm.
2.4 Autobús Metro Transit de Houston
El sistema de autobús de tránsito comparte una
filosofía común con la locomotora en que el volante
sirve como dispositivo de nivelación de carga. La
energía de frenado se utiliza para acelerar el volante
y la energía almacenada en el volante se utiliza para
complementar la central eléctrica principal para
lograr la aceleración o para mantener la velocidad.
El motor/generador es una máquina sincrónica con
imanes permanentes montados en el rotor. Los
devanados del estator, que están a presión
atmosférica, son refrigerados por líquido. El rotor
está en vacío, sin embargo, y el calor generado por
las corrientes parásitas en cualquier parte del rotor
debe ser eliminado por radiación. Se ha dedicado un
importante esfuerzo de desarrollo a reducir las
pérdidas del rotor, de modo que las pérdidas se
puedan disipar sin elevación de temperatura excesiva
en el rotor. En la Figura 8 se muestra una imagen de
la unidad instalada en el bus [19].
Figura 8. Sistema EMU conectado al volante de
inercia
Fuente: [19]
2.4.1 Sistema DDPM
Esta tecnología emplea un volante inercial de bobina
con un diseño capaz de generar alta velocidad junto
con altas cargas de choque (masa de hilado de 21Kg,
> 45.000 rpm). El par se transfiere al volante en una
cámara de vacío mediante una forma de
acoplamiento magnético a través de la pared de la
cámara, sin comprometer la integridad del vacío. La
adaptación de velocidad se logra mediante una
bomba/motor hidráulico (Pump-Motor) de
desplazamiento digital (Digital Displacement) de
alta eficiencia (DDPM), en la que los cilindros
individuales están controlados por válvulas de
solenoide intervenidas digitalmente.
Figura 9. Sistema EMU conectado al volante de
inercia
Fuente: [17]
Una aplicación se puede dar conectando a una línea
de transmisión DMU (Diesel Multiple Unit). El uso
de una conexión hidráulica al módulo de volante
permite que este elemento sea montado
elásticamente al cuerpo y evite así los altos niveles
de vibración asociados con los ejes. Además, la
instalación se facilita mediante mangueras flexibles
en lugar de ejes o accesorios, lo que permite a los
diseñadores utilizar el espacio existente con una
interrupción minimizada del equipo existente. Este
sistema es válido y adaptable a sistemas EMU [20].
Los dispositivos DDPM se han aplicado con
acumuladores hidráulicos como medio de
almacenamiento de energía en vehículos híbridos
paralelos para autobuses urbanos, para los que se han
previsto ahorros superiores al 30%. La baja densidad
de energía de los acumuladores hidráulicos, en
comparación con las baterías químicas o cinéticas,
las hace inadecuadas para la aplicación en trenes
(EMU), por lo tanto, se considera la integración de
los volantes de inercia.
2.5 Tranvías de volante
Existen dos tipos de tranvías de volante: híbrido y
cero-emisiones. Los tranvías del volante híbrido se
basan en la energía cinética almacenada en sus
volantes para accionar los trenes durante la
aceleración y luego recargar los volantes cuando
frenan. Los tranvías de volante de emisiones de cero
emisiones dependen únicamente de la energía
cinética almacenada en sus volantes que se recarga
en estaciones y puntos de parada. Estos puntos de
parada deben ser relativamente pequeños (inferiores
a 0,5 millas en algunos casos) para que esta
tecnología sea viable como un sistema autónomo.
Los sistemas de volante externo también se pueden
utilizar en los ferrocarriles electrificados para ayudar
a regular el voltaje de la línea a través de la reducción
de las demandas de potencia durante la aceleración
[21].
Figura 10. Tranvía de volante
Fuente: [21]
2.5.1 Tecnología de Levitación
En 2005, se inició una investigación a gran escala
sobre la aplicación de la tecnología ferroviaria de
levitación aplicada a ferrocarriles convencionales.
Los imanes superconductores se pueden utilizar para
levitar, propulsar y guiar objetos pesados (tales como
vehículos ferroviarios), permitiéndoles así viajar sin
contacto y a alta velocidad. El uso de estos principios
condujo a la idea de que el rotor de inercia sea un
sistema de almacenamiento de energía de volante,
una solución eficaz para la regeneración energética,
utilizando bobinas superconductoras en el cojinete
del sistema. El sistema Maglev utiliza bobinas
superconductoras de alta temperatura REBCO, que
generan campos magnéticos de gran alcance, en vez
de los imanes permanentes. Con este diseño, la
densidad de la fuerza electromagnética aumenta con
el cuadrado de la densidad de flujo magnético, lo que
permite asegurar suficiente densidad de fuerza
electromagnética con menos piezas de material
superconductor.
Figura 11. Sistema de Levitación Maglev
Fuente: [22]
Principios utilizados en este sistema: Intensa fuerza
magnética generada por las bobinas
superconductoras levita objetos pesados
(vagones/rotores) y los hace viajar y transportarse a
alta velocidad [22].
En el tema del volante de inercia, tanto el estator
como el rotor del cojinete magnético superconductor
deben enfriarse ya que ambos están hechos de
material superconductor, por lo que se han hecho
esfuerzos investigativos y tecnológicos para mejorar
esta tecnología por parte de RTRI. Los mejores
resultados se han dado cuando las bobinas
superconductoras del estator son refrigeradas por
conducción con un refrigerador mientras que las
piezas de material a granel superconductoras
levitadas son enfriadas por medio de conducción de
gas molecular a través de las bobinas (Figura 12). En
las últimas investigaciones se utilizaron bobinas
superconductoras de alta temperatura de bismuto en
lugar de bobinas superconductoras de alta
temperatura REBCO. La investigación demostró que
es eficaz el enfriamiento con gas de helio delgado,
así como levitar con éxito y girar el rotor sin
contacto. La prueba de carga y velocidad a escala
completa de un cojinete magnético superconductor,
utilizando bobinas de alambre superconductoras de
bismuto a alta temperatura, confirmó una serie de
asuntos que se estaban estudiando, incluyendo el
tema de si el cojinete era capaz de soportar una carga
máxima de 60 kN [22].
Figura 12. Configuración para Sistema Maglev
Fuente: [22]
Respecto a la tecnología utilizada en varios países
(Japón y Alemania), la tecnología Maglev puede
tener un mecanismo físico muy diferente,
incluyendo la suspensión electromagnética (EMS) y
la suspensión electrodinámica (EDS). Mientras que
la técnica de EMS (Transrapid alemán) se rige por
fuerzas atractivas entre los electroimanes y el carril
de acero EDS (Yamanashi japonés Maglev)
dependen de fuerzas repulsivas.
En general, la tecnología de volante del maglev se ha
utilizado en autos de turismo, trenes, y aviación. En
vehículos eléctricos, las baterías de almacenaje del
volante del maglev son capaces de acelerar el
vehículo en una sola impulsión como una sola
energía, y utilizar las baterías del coche eléctrico
como energía auxiliar. Cuando se adapta la energía
auxiliar, el volante del Maglev estabiliza la salida de
energía de las baterías eléctricas y mejora su ciclo de
vida. Además, el Maglev mejora la eficiencia de
recuperación de energía de frenado regenerativo.
Cuando el vehículo eléctrico esta cuesta abajo,
deslice o frene, la batería del volante del maglev
puede almacenar muy rápidamente la energía
mecánica y mejorar la energía de frenado
regenerativa [23].
2.6 Sistema Gimbal para bus
El objetivo de este sistema es incrementar el
potencial de almacenamiento de energía del sistema
de volante, reducir los efectos inerciales de los
distintos y maximizar el uso de tecnologías de bajo
costo. La reducción inercial de los volantes
disminuye la carga que experimentan los
rodamientos debido a los efectos giroscópicos
generados por el desplazamiento del autobús.
Normalmente se utilizan cardan para ayudar a
manejar estas cargas, pero los cardán aumentan el
volumen y el peso del sistema [24].
El diseño del cardán para esta aplicación del volante
utiliza dos pares de puntos de pivote para aislar el
cardán de los movimientos del bus y mantener el eje
de rotación vertical (Figura 13). El cardán permite un
giro de 15 ° del volante en cualquier dirección para
acomodar los movimientos del vehículo. El centro de
gravedad del volante está desplazado por debajo de
los ejes cardan para inducir una fuerza natural del
muelle del péndulo que actúa para mantener el
volante vertical.
Figura 13. Diseño de sistema Gimbal
Fuente: [24]
El amortiguamiento para el cardán es proporcionado
por un conjunto de amortiguadores giratorios en
cada eje. El rotor se basa principalmente en el acero
para la estructura del volante y se hace hincapié en
la reducción de tamaño para las ventajas de envasado
del vehículo. Si se compara con los ultracapacitores,
estos son capaces de proporcionar algunas de las
mismas ventajas que un sistema de almacenamiento
de energía del volante. Los ultracapacitores y
volantes de inercia en comparación con las baterías
químicas, estos tienen mayor densidad de potencia.
Con respecto a la capacidad de almacenamiento de
energía y las densidades de potencia, los
ultracapacitores y los volantes son comparables. El
único beneficio de los volantes es que no hay
degradación del rendimiento a lo largo de la vida útil
del volante.
Luego de diez años de vida operativa, los
ultracondensadores pueden perder una capacidad del
20% al 30% operando a temperatura ambiente. Los
límites de tiempo de vida en el sistema de volante se
deben principalmente a los cojinetes del elemento
rodante para una vida útil de 10 años.
Después de 10 años de servicio los cojinetes pueden
ser reemplazados para extender la vida de los
volantes. Los auxiliares del sistema incluyen
inversores y controladores para los generadores de
motores, circuito de refrigeración de líquidos y una
bomba de vacío. Cada volante con cardán y
contención tiene una masa de 390 kg. La masa total
del sistema sería de 860 kg con un volumen de 1 m3
[24].
Tabla 1. Resumen de sistemas
Sistema
Tipo
Condición
Rpm
Kw
h
Sistema
KERS
Automóvil
es
Sistemas:
Mecánico,
eléctrico,
hidráulico,
hidroeléctrico
Se combina con
sistemas
híbridos, CVT, o
Supercondensad
ores
60000
0.12
Sistema
KERS
Bicicletas
Sistema
mecánico
Sensores
inteligentes de
torque
-
-
Sistema
KERS
Autobuses
Sistema KERS
optimizado
Hibrido con
Transmisión
CVT
60000
0.11
Tren de
transporte
pesado
Sistema de
Línea
Eléctrica
Transmisión
CVT
Doble Motor
generador
eléctrico
15000
130
Ferrocarri
l Ligero
Sistemas: de
Línea
eléctrica;
Sistema
mecánico
Con volante de
inercia
Incorporado
6500
1.2
Locomotor
as ALPS
Propulsión:
combustible
fósil
Incluye: Turbina
de gas, Motor
generador, Freno
dinámico
15000
133
Autobús
Metro
Transit de
Houston
Sistema
Motor/genera
dor Inducción
El Frenado
acelera el volante
40000
2
Sistema
DDPM
Sistema
Hidráulico
digital
Uso de
acumuladores
hidráulicos para
generar
movimiento
>4500
0
-
Tranvías
de Volante
Sistemas:
hibrido;
Sistemas Cero
emisiones (no
híbrido)
Volante de
inercia
incorporado en el
tranvía
2600
-
Sistema
Levitativo
Maglev
Uso de
superconducto
res HTS
Sistema de
refrigeración
avanzado.
(Criogénico)
11000
5
Sistema
Gimbal
para bus
Reductor de
efectos
inerciales
Giro de cardan
para incrementar
la vida de los
cojinetes.
18000
1.87
3. Materiales
En la actualidad existen materiales comunes para
volantes de inercia, y dependerá de su aplicación y
diseño para ser utilizado. Los materiales isotrópicos
(Por lo general metales) no requieren de mucha
atención en la orientación del material. Los
materiales compuestos en cambio requieren de
buena orientación particularmente los materiales
fibrosos. Cuando las fibras unidireccionales están
orientadas circularmente se consigue una gran
resistencia a las tensiones tangenciales. A esta
orientación, en dirección tangencial, se la denomina
fibras a 0 grados y se toma como referencia porque
es la dirección natural. Como caso especial, el rotor
puede formarse por fibras en la dirección axial y se
denominan fibras a 90 grados. [9]
Figura 14. Orientación de las fibras: 0 grados
tangencial y 90 grados axial
Fuente: [9]
Si las fibras están orientadas a 0 grados pueden
soportar la fuerza centrífuga del rotor a través de la
componente tangencial de la tensión. Las fibras a 90
grados no resisten tensiones tangenciales, ni radiales,
porque ambas direcciones son normales a esta
dirección, sólo resisten tensiones axiales, que
aparecen en algunos rotores de gran longitud.
Los rotores compuestos reforzados con fibras
orientadas circunferencialmente, probablemente
generen grietas circunferenciales, pero son menos
propensas a originar fragmentos de proyectiles de
vuelo libre en caso de un fallo catastrófico. En
general, la geometría y la velocidad del volante
determinan la capacidad de almacenamiento de
energía [8]. La máxima densidad energética
generalmente va de la mano de una excelente
resistencia a la tracción junto con una baja densidad
de masa. A continuación, en la tabla 2 se puede
apreciar esta relación, además que el material que
mejor densidad de energía genera tiende a ser el más
costoso.
Tabla 2. Datos de diferentes materiales para
volantes
Material
Densidad
(kg.m
-3
)
Resistencia
a la
Tracción
(MPa)
Densidad
de
energía
máxima
(Para 1
kg)
Costo
€/Kg
Material
monolítico
Acero 4340
7700
1520
0.19
MJ/kg =
0.05
kWh/kg
1
Compuestos
E-Glass
2000
100
0.05
MJ/kg =
0.014
kWh/kg
11.0
S2-Glass
1920
1470
0.76
MJ/kg =
0.21
kWh/kg
24.6
Carbono
T1000
1520
1950
1.28
MJ/kg =
0.35
kWh/kg
101.8
Carbono
AS4C
1510
1650
1.1 MJ/kg
= 0.30
kWh/kg
31.3
Fuente: [8]
Para la densidad de energía de alta masa, se utilizan
materiales de alta resistencia y ligeros, mientras que,
para la densidad de energía de alto volumen, se
considera la alta resistencia del material. La Tabla 3
muestra las propiedades mecánicas de algunos
materiales seleccionados y su capacidad ideal de
almacenamiento de energía para un volante en forma
de disco.
Tabla 3. Propiedades mecánicas para diferentes
materiales utilizados en volantes
Material
σ
(MPa)
ρ
(Kg/m3)
e
m
(kJ/kg)
e
v
(kJ/m
3
)
Acero (AISI
4340)
1800
7800
140
1092000
Aleación
(AlMnMg)
600
2700
135
364500
Titanio
(TiAl62r5)
1200
4500
162
729000
Fibra de
vidrio (60%)
1600
2000
485
970000
Fibra de
carbono
(60%)
2400
1500
970
1455000
Fuente: [5]
De esta manera y tomando en cuenta la tabla
anterior, la mejor opción para diseñar un volante con
alta energía y ligero será utilizando fibra de carbono.
En cambio, un volante con alta energía y pequeño
(en tamaño) tendrá que diseñarse en acero, aunque
su peso será elevado. La fibra de carbono tiene un
comportamiento muy anisotrópico, con malas
propiedades en la dirección radial, por lo que debe
tomarse en cuenta estos detalles al considerar los
materiales. “Los rotores de acero tienen una energía
específica de hasta 5 Wh / kg, mientras que los
rotores compuestos de alta velocidad han alcanzado
una energía específica de hasta 100 Wh/g” [25] [5].
Otro ejemplo se da en la tabla 4 en donde se presenta
las características mecánicas y económicas de los
materiales típicos de acero y compuestos. Aquí, los
materiales compuestos como Kevlar, R-Glass o E-
Glass epoxy son los más indicados para volantes de
alta potencia específica y poca masa. El maraging de
acero en cambio tiene una buena relación de
potencia y volumen por lo que se adapta a espacios
limitados [26] [27].
Tabla 4. Propiedades mecánicas y económicas de
materiales utilizados en volantes
Material
Densidad
(kg.m
-3
)
Resistencia a
la Tracción
(MPa)
Costo
€/Kg
36NiCrMo16
7800
880
6
Maraging 300
7800
1850
32.6
E-Glass
Epóxido
1900
1350
23.5
R-Glass
Epóxico
1550
1380
58.0
Kevlar Epóxico
1370
1400
72.0
Fuente: [26], [27]
La construcción de un sistema también se puede
analizar desde la perspectiva de costo por kWh
generado por lo que la fibra de carbono supone una
solución de menor costo para almacenar cantidades
relativamente grandes de energía. Algunos costos
tienden a bajar acorde a los avances y el movimiento
del mercado (Figura 15) [28].
Figura 15. Costo Material de Rotor Vs Energía
Específica
Fuente: [29]
Existen nuevos materiales que se encuentran en
etapas iniciales de uso e investigación, el potencial
futuro del almacenamiento de energía del volante se
evalúa comparando materiales contemporáneos con
algunos nuevos (Tabla 5). Los nanotubos de carbono
son poco conocidos pero han recibido interés tanto
de la NASA como del Departamento de Defensa de
Estados Unidos [2].
Tabla 5. Potencial teórico de volantes con materiales
contemporáneos y futuros
Material
Tracción
Final
(MPa)
Densidad
(kg.m
-3
)
Densidad
de Energía
de Rotor
(Wh/kg)
Aluminio 7075
572
2810
28
Acero inoxidable 17-7
PH
1650
7800
29
Titanio Ti-15V-3Cr-
3Al-3Sn ST 790 ºC
1380
4760
40
E-glass (Fibra de
vidrio) Advantex
1400
2146
90
Compuesto T1000G
Toray
3040
1800
234
Compuesto T1000G
Fibra
6370
1800
491
Nanofibras de
Carbono cultivadas a
vapor
2920
2000
202
Nanotubo de carbono
de pared simple (Baja
gama)
50000
1300
5341
Nanotubo de carbono
de pared simple (Alta
gama)
500000
1300
53418
Nanotubos de carbono
multi pared (Baja
gama)
10000
1750
793
Nanotubos de carbono
multi pared (Alta
gama)
60000
1750
4761
Fuente: [2]
Para el núcleo ferromagnético y el devanado, los
materiales de uso común son respectivamente la
aleación Fe-Si y el cobre. Los ejemplos de los
valores de costo para estas materias primas se dan en
la tabla 6. Estos valores se obtienen de los datos del
fabricante.
Tabla 6. Materiales comúnmente utilizados en
núcleo y devanado
Símbolo
Descripción
Parte del
sistema
Valor
C
iron
Aleación Fe-Si
PMSM
núcleo
3.0 €/Kg
C
CO
Cobre
PMSM
devanado
6.0 €/Kg
C
mag
Nd-Fe-B
PMSM imán
140.0
€/Kg
Fuente: [26]
Nota: PMSM (Permanent Magnet Synchronous
Machine)
El rotor de un sistema generalmente no supera el
20% del costo total. En consecuencia, no es válido
escalar el coste del sistema del volante a razón de
dólares por kilovatio-hora, sin tener en cuenta la
composición del coste del sistema del volante.
Sin embargo, el coste incremental por unidad de
energía almacenada es calculable para materiales de
rotor. La siguiente tabla ofrece una aproximación del
costo incremental del material del rotor para
aplicaciones de volante de alta velocidad.
Tabla 7. Aproximación del costo incremental acorde
al material del rotor
Material
$(Kw-h)
-1
Masa (Kw-h)
-1
Compuesto de
Carbono
1200
1
Acero 1800 MPa
(260000 psi)
1800
7x
Acero 1100 MPa
(160000 psi)
2000
12x
Acero 600 MPa
(90000 psi)
4000
24x
Fuente: [3]
El motor/generador integrado suele ser de un campo
giratorio integrado por electroimanes o imanes
permanentes de tierras raras. Las propiedades de los
imanes permanentes de alto campo producen
densidades de flujo lo suficientemente altas como
para permitir que las máquinas con devanados de
armadura sin ranura (devanados de entrehierro), no
tengan un núcleo de estator magnético. La ausencia
de un material ferromagnético en el estator tiene dos
impactos importantes en el rendimiento de un
motor/generador: En primer lugar, la baja
permeabilidad reducirá rápidamente la intensidad
del campo magnético cuando se aleja del imán, la
tensión inducida se reduce, disminuyendo así la
potencia generada. En segundo lugar, no habrá
pérdida de calor en el núcleo del estator debido a
efectos de histéresis.
La baja resistencia a la tracción de los imanes en
comparación con la del compuesto del volante limita
su colocación en la proximidad del cubo, así como
su número de polos. La Tabla 8 muestra la
resistencia a la tracción de materiales magnéticos
comunes. Las ferritas debido a su baja conductividad
no producen, corrientes parásitas inducidas en la
superficie. Sin embargo, algunos de los materiales de
tierras raras sinterizados tienen una gran
conductividad y por lo tanto sufren de tales
problemas [8].
Tabla 8. Propiedades de Materiales magnéticos
utilizados en volantes
Material
Densidad
(kg/m
3
)
Resistencia a
la Tracción
(MPa)
Remanencia
(T)
Neodimio-Hierro-
Boro Sinterizado (Nd-
Fe-B)
7400-7600
80
1.08-1.36
Samario- Cobalto
Sinterizado
8000-8500
60
0.75-1.2
Ferrita Sinterizada
4800-5000
9
0.2-0.43
Inyección de material
compuesto (Nd-Fe-B)
4200-5630
35-59
0.40-0.67
Compuesto Moldeado
por Compresión (Nd-
Fe-B)
6000
40
0.63-0.69
Inyección de material
compuesto – Ferrita
2420-3840
39-78
0.07-0.30
Fuente: [8]
Comparativa
Los sistemas de volante de inercia han desarrollado
una tecnología fuerte y pueden competir
directamente con sistemas de baterías o pilas de
combustible. Los materiales utilizados en volantes
de inercia son amigables con el ambiente y tienen
larga vida útil. Las aplicaciones son muy variadas y
pueden manejar altas velocidades de descarga sin
degradación. Las futuras innovaciones dan ventaja a
los volantes de inercia respecto a la densidad de
energía sobre otras tecnologías recientes (Figura 16).
Figura 16. Nuevas aplicaciones de materiales en
volantes de inercia
Fuente: [29]
El costo es uno de los factores decisivos en la
selección de una tecnología de almacenamiento de
energía sobre otra, además del cumplimiento del
requerimiento específico de la aplicación. Los
volantes deben competir con las baterías y los
ultracapacitores sobre la base del costo, aunque el
costo se debe evaluar durante la vida útil de un
sistema.
La competencia relativa de los costos de los
ultracapacitores, baterías y volantes puede
presentarse en términos de potencia y tiempo de
descarga. La figura 28 muestra las regiones en las
que los volantes, los condensadores y las baterías son
más rentables. Así como las valoraciones de los
fabricantes de sistemas de volante. La región
sombreada indica el espacio en donde los volantes
presentan ventajas.
Figura 17. Comparativa entre Ultracapacitores,
baterías y volantes
Fuente: [3]
Los volantes son convenientes para aplicaciones que requieren
energía durante más de varios segundos y hasta varias o
decenas de minutos, con un ciclo de vida útil alta. Para
aplicaciones que requieren menos de 100 kW, los
costos del sistema conducen a que los volantes sean
más costosos y menos competitivos. Comparando
con diversas fuentes de energía, se puede considerar
que los sistemas FESS (Flywheel Energy Storage
System) tienen una vida útil prolongada, una alta
densidad de energía y un rendimiento de potencia
máximo. La eficiencia energética fácilmente puede
superar un 90% (Tabla 9). La baja densidad de
energía viene a ser un limitante, aunque las últimas
investigaciones han demostrado que puede llegar a
superarse esos inconvenientes con nuevos materiales
tales como nanotubo de carbono y sílice fundida.
Tabla 9. Propiedades de los sistemas de energía
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Tipo
Eficienci
a
Energétic
a
(%)
Densida
d de
Energía
(Wh/Kg
)
Densida
d de
Potenci
a
(W/Kg)
Ciclo
de
vida
(Ciclos
)
Auto
Descarga
Pb-Ácido
70-80
20-35
25
200-
2000
Baja
Ni-Cd
60-90
40-60
140-180
500-
2000
Baja
Ni-MH
50-80
60-80
220
<3000
Alta
Li-Ion
70-85
100-200
360
500-
2000
Media
Li-
Polymer
70
200
250-
1000
>1200
Media
NaS
70
120
120
2000
-
VRB
80
25
80-150
>1600
0
Despreciab
le
EDLC
95
<50
4000
>5000
0
Muy Alta
Pumped
hydro
65-80
0.3
-
>20
años
Despreciab
le
CAES
40-50
10-30
-
>20
años
-
Volante
(Acero)
95
5-30
1000
>2000
0
Muy Alta
Volante
(Compuest
o)
95
>50
5000
>2000
0
Muy Alta
Fuente: [30]
Nota: VRB= Vanadium Redox Battery CAES=
Compressed air energy storage EDLC= Electric
double-layer capacitors
4. Conclusiones
El sistema de volante de inercia no es una tecnología
nueva y su funcionamiento es relativamente simple,
y principalmente en los últimos años se han logrado
adaptar diseños para múltiples aplicaciones sencillas
y avanzadas.
En los sistemas de transportación liviana
(automóviles), existen limitantes de densidad de
energía por lo que se han considerado aplicaciones
en sistemas híbridos aprovechando la energía
cinética desperdiciada a través de frenos
regenerativos. Los sistemas actuales apuestan por
elementos como baterías, volante de inercia y
transmisiones CVT.
En transportación pesada (Buses, camiones, trenes,
entre otros), existen avances significativos que han
dado lugar a la creación de nuevas tecnologías
aplicaciónes tales como el uso de los HTS con alta
capacidad de velocidad, amortiguación y descarga;
sistemas DDPM hidráulicos que son adaptables a
sistemas que ocupan energías fósiles; sistemas
Gimbal cuyo propósito es reducir los costos de salida
de volantes de inercia, entre otros.
Los nuevos sistemas utilizados en vehículos tienen
excelentes ventajas como pérdidas de fricción muy
baja, larga vida útil, poco mantenimiento, costo
ambiental reducido, reducción de emisiones
contaminantes, entre otros; y son adaptables a
cualquier tecnología de transporte.
Los sistemas de alta velocidad y descarga son más
costosos, y algunos sistemas necesitan de
refrigeración criogénica (HTS). La elevación de los
costos viene dada por el tipo de materiales que ocupa
el volante de inercia. La velocidad máxima se limita
por las propiedades del material. El desarrollo de
nuevos materiales y la reducción de costos es un
objetivo en el cual trabajan actualmente varias
empresas dedicadas a la fabricación de volantes.
Actualmente la tecnología de fibra y cojinetes
superconductores ha permitido el desarrollo de
sistemas de almacenamiento de energía de alta
eficiencia y alta densidad de energía.
Nuevos estudios revelan que la tecnología de FESS
puede competir con los ultracondensadores tanto
desde el punto de vista del costo como de potencia.
[29] Se ha considerado investigar nuevos materiales
para volantes como el nanotubo de carbono y
combinar con tecnologías HTS, dando como
resultado sistemas con alta densidad energética y alta
potencia, tiempos de carga y descarga rápidos
comparables con las mejores pilas de combustible
actuales, ciclos de vida superiores a 25 años y con un
punto importante que es el bajo costo y
mantenimiento. Algunos de estos sistemas alcanzan
velocidades superiores a 500.000 RPM.
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