ACDC

Transmisión de energía a larga distancia

Años atrás, me llamó la atención el magnífico objeto sobre el que reposaba el café de un compañero de trabajo. Se trataba de un posavasos elaborado a partir de la sección transversal de un cable eléctrico. A través de su recubrimiento de resina transparente se podía apreciar que su estructura tenía mucho más intríngulis de lo que la mayoría pudiéramos atribuir a un simple cable. El posavasos estaba firmado por ABB y cuando le confesé a mi colega que me encantaría tener uno como ése, me respondió que no me lo iba a dar, y que, con esa sección, de la que el núcleo de cobre era sólo una pequeña parte, se podía transferir más de 1 GW de potencia empleando la tecnología HVDC (Corriente Continua de Alta Tensión).

Mi compañero era el principal ideólogo de un ambicioso proyecto que perseguía transmitir 600 MW desde una remota península en Australia del Sur hasta el núcleo urbano de Adelaida y los dos años siguientes los pasamos realizando estudios técnicos junto con ABB para optimizar el complejo proceso de conexión a red.

Esta tecnología, hacía económicamente viable un parque eólico de gran tamaño. Cuesta creer que este proyecto fuera solo una pequeña muestra de muchos otros cuyas principales métricas son extraordinarias.

Economías de escala

Todo lo que tiene que ver con HVDC es gigantesco y cerca del 70% del mercado global se reparte entre dos compañías: Hitachi (que recientemente ha adquirido ABB Power Grids) y Siemens. El resto es de General Electric y otras empresas de gran tamaño. Este oligopolio se debe a las infranqueables barreras de acceso de la tecnología HVDC, debidas a su elevada complejidad logística y tecnológica, y sólo se empieza a ver modificado por la creciente competencia de empresas chinas como State Grid Corporation of China (SGCC).

Un proyecto de HVDC ‘típico’ estaría definido por las siguientes magnitudes: 2 GW, 500 kV, 1000 km, 2 M€/km, pero uno no se percata de las magnitudes hasta que lo ve de cerca.

En Suecia, visité las instalaciones de ABB en la ciudad de Ludvika [2], que emplean directamente a cerca de 3000 personas (más de un 10% de la población). Ludvika es una ciudad rodeada de lagos y naturaleza, y su identidad es inseparable de la industria que habita en ella.

El acceso principal conduce a una enorme sala. Su perímetro, y el de los corredores que parten de ella, está decorado con diagramas, fotos de ingenieros en blanco y negro con frondosas barbas y vitrinas exhibiendo cachivaches incomprensibles. Una detallada cronología hace referencia a las principales disrupciones tecnológicas que llevan un siglo desarrollándose. Cada sala de reunión tiene el nombre de un inventor.

Las zonas de fabricación tienen accesos directos a la red ferroviaria. Un tren penetra en las instalaciones para cargar transformadores del tamaño de edificios de varias plantas, listos para ser enviados a todas partes del mundo.

Esta inmersión en las instalaciones de Ludvika me permitió comprender por qué el desarrollo de la tecnología HVDC está limitado a tan pocos actores: requiere una combinación única de visión, experiencia, infraestructura especializada y un ecosistema industrial completo albergado en una ciudad idílica. El mercado actual, valorado entre 10.000 y 12.000 millones de dólares, con 250-300 GW de proyectos repartidos entre muy pocas empresas, refleja esta realidad. Para entender mejor el porqué de estas cifras y la complejidad que hay detrás, conviene examinar los fundamentos técnicos que hacen única a esta tecnología.

Aspectos técnicos

La tecnología HVDC permite la transmisión de potencia eléctrica en condiciones claramente ventajosas sobre la transmisión en alterna a partir de cierto umbral. Aquí se marca el empate técnico en el histórico partido de la Guerra de las Corrientes. Siemens fija este umbral en el entorno de los 600 km [3] para transmitir 1 GW de potencia (tan solo 50 km para transmisión submarina).

En general, un sistema HVDC interconecta dos sistemas AC separados por una gran distancia. En los terminales de la transmisión se emplazan los convertidores, que contienen electrónica de potencia, etapas de filtrado, transformadores y sistemas de control. Aunque estén dibujados en una cajita, estos equipos ocupan naves industriales enteras.

La primera parte del acrónimo (‘HV’) indica que se emplean voltajes muy elevados (de 100 kV a 1100 kV). La tensión y las pérdidas resistivas tienen una relación inversa y cuadrática, y por ello se emplean tensiones muy elevadas, tanto que las enormes distancias requeridas para aislar cientos de kilovoltios dotan a muchos de estos equipos de la estética de las películas de ciencia ficción de mediados del siglo pasado.

La elección del nivel de tensión se corresponde con una optimización económica: a mayor tensión, más complejos son los equipos que se sitúan a ambos lados del cable de continua. El rango de tensión superior queda reservado a enlaces de miles de kilómetros.

La segunda parte (‘DC’) indica que la transmisión es en continua, y esto conlleva importantes beneficios. El primero es que, al no haber corriente reactiva, se hace un mejor aprovechamiento de la capacidad del conductor y no es necesaria la compensación de reactiva o transformadores intermedios para conseguir un perfil de tensión uniforme a lo largo del enlace.

Además, el ‘efecto pelicular’ [4], por el que la densidad de corriente tiende a concentrarse cerca de la superficie del conductor, desaparece cuando la corriente es continua y la corriente se distribuye de manera uniforme en su sección, resultando en un aprovechamiento mejor del cable.  En continua también se reduce el ‘efecto corona’ [5] (causante del chisporroteo que podemos escuchar en los cables de alta tensión, debido a la ionización del aire) y con ello las pérdidas, caídas de tensión y fatiga para el aislamiento.

A nivel práctico, esto se traduce en un ahorro significativo en la complejidad del cableado y de las estructuras que lo sustentan, y en una importante reducción de las pérdidas. Por todos estos motivos [10], el coste de la transmisión en continua es aproximadamente un tercio menor que en alterna.

Además de estas ventajas, la electrónica de potencia permite interconectar sistemas AC de distintas frecuencias y una gestión independiente de la potencia reactiva en cada terminal. Los HVDC modernos pueden proporcionar casi cualquier tipo de servicio auxiliar imaginable a los sistemas de alterna que se interconectan.

Pero para beneficiarse de las bondades de la transmisión HVDC hay que resolver algunos de los problemas más complejos de ingeniería eléctrica, principalmente los derivados de la muy alta tensión.

Por ejemplo, los sistemas de protección deben de ser capaces de interrumpir una corriente que nunca pasa por cero. En la electrónica de potencia, la caída de tensión debe de ser repartida por igual y es necesario coordinar al nanosegundo los disparos de cientos de semiconductores en convertidores multinivel.

Los transformadores para HVDC [6] deben soportar tensiones extremadamente elevadas y operar en condiciones muy exigentes, lo que requiere un diseño y fabricación especializados.

Además, todo el sistema debe de operar coordinadamente en pocos milisegundos, aunque sus terminales estén a miles de kilómetros de distancia.

Por estos motivos, el coste de los terminales supone una inversión inicial muy elevada, que sólo se ve compensada al aumentar la longitud del enlace.

La relación con la energía renovable

La integración masiva de renovables sin capacidad Grid-Forming ni almacenamiento hibridado no hubiera sido factible en muchos lugares de Europa sin la incorporación de la tecnología HVDC. Esto explica por qué vemos tantas conexiones con países como Noruega, Suecia o Reino Unido, que ha pasado de generar un 40% de su energía mediante centrales térmicas a menos de un 2% en una década.

Existen lugares despoblados de inmenso recurso fotovoltaico. Los innumerables avances en todos y cada uno de los elementos afines a la tecnología HVDC justifican la concepción de proyectos de magnitudes inconcebibles como la conexión directa entre Reino Unido y Marruecos [8] y entre Australia y Singapur [9], con distancias de transmisión del orden de 4000 km.

Otro ámbito de aplicación reseñable son los parques eólicos off-shore, donde esta tecnología permite abaratar costes, evacuar la energía con pérdidas mínimas y ofrecer servicios de red de primera línea. Merece la pena revisar referencias como Dogger Bank, en Reino Unido [12].

Conclusiones

Comprender la magnitud y el potencial transformador de la tecnología HVDC requiere una visión que trasciende las cifras convencionales.

La tecnología HVDC representa uno de los pilares fundamentales para la transición energética global. Su capacidad para transmitir grandes cantidades de energía a largas distancias, junto con su eficiencia y flexibilidad, la convierten en una solución idónea para la integración de energías renovables a gran escala. Los megaproyectos actualmente en desarrollo, con distancias de transmisión superiores a 4000 km, son testimonio de su potencial transformador.

En mi visita a las instalaciones de ABB en Ludvika, donde todo comenzó con aquella fascinación por un posavasos que mostraba la sección de un cable HVDC, pude constatar la magnitud real de esta tecnología. Aunque nuestro proyecto de 600 MW en Australia del Sur no llegó a materializarse -una decisión que el apagón posterior demostró acertada-, la experiencia me permitió comprender que detrás de cada “simple cable” hay un siglo de innovación, miles de ingenieros y una tecnología que está redefiniendo los límites de la transmisión eléctrica.

He de decir que en Ludvika me regalaron un posavasos, pero era de plástico y no albergaba una sección real de cable… Me deshice de él por pura envidia.

REFERENCIAS

Foto de portada de Cobalto-Eritrita, por Ala.