La superconductividad y sus aplicaciones en el sector eléctrico

Conferencia impartida por el doctor Julian Cave de VTPI Hidro-Québec, Canadá, durante el coloquio Nuevas tecnologías para el sector eléctrico del siglo XXI, celebrado con motivo de los 20 años del IIE.


Doctor Julian Cave.

Introducción

Hidro-Québec, que en 1995 celebró su 50 aniversario, es una empresa eléctrica canadiense en la que trabajan cerca de 25 000 personas. Hasta ahora, Hidro-Québec ha instalado 300 000 kilómetros de líneas de transmisión y 101 000 kilómetros de líneas de distribución en Canadá. En el área de la superconductividad, nos hemos preocupado por la producción de limitadores de corriente de falla, el almacenamiento de energía utilizando celdas de combustible y en el desarrollo de cable superconductor.

Historia resumida de la superconductividad

El fenómeno de la superconductividad, descubierto a principios de siglo, es atractivo por sus muchas aplicaciones. Su desarrollo ha valido para que cinco científicos obtengan el premio Nobel.

Entre 1908 y 1911, Kamerlingh Onnes experimentó por primera vez con el helio líquido y descubrió la superconductividad mientras estudiaba la resistividad de metales a bajas temperaturas. Ese fue el origen de un exitoso desarrollo que alcanzó enorme notoriedad hacia finales de la década pasada, cuando J. Georg Bednorz y Alexander Muller abrieron la puerta a la superconductividad a alta temperatura.
Aún se recuerda el llamado ``Woodstock científico´´ en marzo de 1987, cuando cerca de dos mil especialistas de todo el mundo se reunieron durante varias horas para discutir el hallazgo y las implicaciones del descubrimiento. Este adelanto ha sido considerado por los especialistas tan importante como la invención del transistor.
Los superconductores tienen muchas propiedades electromagnéticas inusuales. Por ejemplo, una vez que una corriente se produce en un anillo superconductor, manteniéndose a temperatura suficientemente baja, la corriente persistirá sin pérdidas cuantificables.

Como mencioné en un principio, para alcanzar la superconductividad los investigadores buscaron reducir la temperatura con helio líquido. En los sesenta se descubrieron las aleaciones con temperaturas críticas superiores, pero aún necesitaban de helio y nitrógeno líquidos. En 1986 se elevó aún más la temperatura y hoy en día se buscan nuevas aplicaciones para la superconductividad. Recientemente, un grupo de investigadores rusos afirmó haber descubierto la superconductividad a la temperatura de ebullición del agua, pero sus resultados no han sido confirmados.

Refrigeración

Actualmente, quienes investigan la refrigeración dudan entre la utilización de helio líquido y el nitrógeno líquido. El nitrógeno es bastante más atractivo que el helio, aun cuando el helio todavía es una opción para grandes aplicaciones. Una comparación entre el nitrógeno y el helio en cuanto a costo, calor latente, disponibilidad y eficiencia de refrigeración ha demostrado las bondades del nitrógeno.

La refrigeración es un área en la que hay mucho por investigar, puesto que es posible reducir costos y lograrse avances tecnológicos significativos.

Limitadores de corriente de falla

Los superconductores cuentan con varias ventajas de aplicación sobre otras tecnologías. Claro ejemplo son los limitadores de corriente y los transformadores. Encontramos que estos limitadores tienen menos pérdidas que los convencionales, además, reducen el costo de equipamiento de líneas nuevas, incrementan la capacidad de las existentes, reducen la necesidad de rehabilitación del sistema y en cuanto a la calidad de la energía, permiten aislar los circuitos que fallan.

Las bobinas superconductoras a altas temperaturas utilizadas en transformadores con capacidad de potencia de 10 MVA usando nitrógeno líquido como refrigerante y dielétrico ofrecen mayor eficiencia, son más compactas y seguras al eliminar el uso de combustibles.
En Hidro-Québec trabajamos en coordinación con Siemens en una nueva tecnología para desarrollar un limitador de corriente de falla. Esto se puede aplicar en diferentes diseños resistivos e inductivos. Cuando entendamos esta transición, desarrollaremos un prototipo conjunto. Por el momento apenas contamos con los materiales.

También hemos trabajado con cables superconductores. Con la tecnología actual en largas distancias (más de 500 kilómetros) las pérdidas de energía eléctrica se estiman cercanas al cinco por ciento. Con nuevo cableado superconductor se gana corriente y disminuyen los problemas de voltaje. Las pérdidas disminuyen hasta el dos por ciento, se cuenta con líneas más compactas y se alcanzan precios competitivos. Por otra parte, en colaboración con universidades canadienses se han logrado progresos importantes en el estudio de la flexibilidad y en la variación de la temperatura crítica del cable. Pese a esto, es necesario continuar con la investigación y el desarrollo.

Almacenamiento de energía

En colaboración con Cegelec hemos desarrollado almacenamiento de energía utilizando celdas de combustible. Mediante un cable de superconducción en una bobina se aplican mil amperes, los cuales seguirán circulando sin resistencia. Este desarrollo es conocido como SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). Existen SMES de varias escalas:

Micro SMES. Cuenta con capacidad y potencia desde uno hasta cinco MJ (~1 MW). Resuelve problemas comerciales de calidad de energía. Se utiliza para cargas de procesos grandes y críticos. Su costo fluctúa entre un millón y dos millones de dólares. Los ha comercializado Superconductivity Inc. (~ 3 MJ, 1.4 MVA) e IGC (~ 3 MJ, 750 kVA).

SMES de mediana escala. Ofrece regulación y estabilidad de red. En Anchorage Municipal Light and Power se tiene considerada la producción de 30 MW mediante una inversión de 25 millones de dólares hasta 1998.

SMES de gran escala. Capacidad desde 10 MWh hasta 10 000 MWh. Para nivelación de carga y estabilidad de red. Su electrónica está diseñada para cuatro cuadrantes, permitiendo rápido intercambio de potencia activa y reactiva con la red de la empresa eléctrica. Existe un importante proyecto de desarrollo en Japón (20 MWh).

Las investigaciones de Hidro-Québec se han concentrado en los micro SMES, los cuales no necesitan demasiado financiamiento y se han convertido en una tecnología atractiva, aunque aún no muy eficiente; sin embargo, su mercado potencial tiene enormes expectativas, ya que los posibles clientes utilizan cada vez más, equipos complejos, muy sensibles, y sus parques industriales tienen enorme necesidad de energía de calidad. Por otra parte, cuentan con larga vida útil, no causan perturbaciones ambientales y tienen una muy rápida respuesta (~ ms). Entre las desventajas potenciales de los micro SMES, cabe mencionar que su costo puede incrementarse en caso de que sea necesario cambiar a campos magnéticos de alta energía. Además, los sistemas de helio requieren refrigeración, apoyo de sistemas de licuefacción y mantenimiento asociado.


Las aplicaciones de la superconductividad en el servicio eléctrico
son un campo de investigación de intensa actividad.

Actualmente, las investigaciones en torno a los SMES buscan utilizar hilos conductores hechos de nuevos materiales cerámicos superconductores que puedan operar entre los 77 K y la temperatura del helio líquido, reduciendo las pérdidas térmicas asociadas con los hilos conductores convencionales por un factor de 10.

Un vistazo al futuro

Los desarrollos logrados constituyen una irrefutable muestra del progreso obtenido en este campo durante los últimos diez años.

El panorama es prometedor: se ha comprobado la capacidad superconductora de materiales en temperaturas transitivas tan altas como 135 K y, por otra parte, ya son cerca de cien las aleaciones que se consideran superconductoras.

Sólo queda esperar el resultado del trabajo de cientos de científicos que investigan diferentes materiales cerámicos que alcancen la superconducción a la temperatura ambiente (alrededor de 300 K), un esperado descubrimiento que revolucionaría a la sociedad moderna. Tal es el futuro en este campo.

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