Enlaces superconductores de alta potencia

En este artículo, nuestra autora de hoy nos cuenta cómo han empleado superconductores de dibórido de magnesio para un proyecto de demostración tecnológica de una línea de transporte de electricidad superconductora en corriente continua. El dibórido de magnesio es un conductor que puede operar a temperaturas altas (-250º Celsius) en comparación con otros superconductores y cuya fabricación es barata, por lo que se le estima un gran potencial para este tipo de aplicaciones, ya nos lo introdujo Amalia Ballarino del CERN en este post. En esta ocasión, Adela Marian, Senior Research Associate en el IASS Postdam, nos habla de un proyecto en el que han llegado a operar en condiciones de campo un enlace en corriente continua y alta tensión, alcanzando 320kV y 10kA, equivalente a unos 3GigaWatios de potencia. Los superconductores presentan pérdidas al ser operados en corriente alterna, lo que obliga a su operación en continua, motivo por el cual su futura integración en las redes eléctricas será a través de conexiones de tipo HVDC (high voltage direct current).

Best Paths fue el proyecto de investigación más grande en el campo de la energía financiado por el 7º Programa Marco de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación de la Unión Europea. El proyecto duró cuatro años, desde octubre de 2014 a septiembre de 2018 y se centró en el desarrollo de tecnologías de red novedosas para aumentar la capacidad de transmisión y la flexibilidad del sistema de la red eléctrica europea. El proyecto lo coordinó Red Eléctrica de España y englobaba a 38 organizaciones punteras, tanto científicas como industriales, de 11 países europeos. Los expertos se agrupaban en 5 grandes proyectos de demostración que versaban sobre la conexión de parques eólicos marinos, el desarrollo de soluciones estandarizadas para estaciones conversoras, la mejora de enlaces HVDC multiterminal y la repotenciación de líneas de corriente alterna existentes. El quinto proyecto de demostración (Demo 5) se centraba en validar las conexiones superconductoras tipo HVDC que son capaces de transportar varios gigavatios de electricidad.

¿Por qué será necesario usar enlaces de capacidad tan alta en la futura red eléctrica europea? Recientes estudios de red, como el proyecto e-HighWay2050, han demostrado que la transmisión de grandes cantidades de electricidad a través de cientos de kilómetros es necesaria para transportar la electricidad producida en centrales energéticas renovables remotas hasta los puntos de consumo. En este contexto, últimamente, los sistemas de cables superconductores han despertado mucho interés gracias a que transmiten electricidad casi sin pérdidas, a su tamaño compacto y a su reducido impacto medioambiental.

Demo 5 mostraba un sistema a escala real de cableado superconductor tipo HVDC de 3 GW que operaba a 320 kV y 10 kA. El sistema se basaba en el superconductor dibórido de magnesio (MgB₂) y estaba formado por los siguientes elementos principales (ver imagen más abajo):

• El cable conductor formado por 18 cables de MgB₂ enrollados sobre un núcleo de cobre.
• La envoltura criogénica.
• El fluido refrigerante, que se mantenía estable a la temperatura criogénica adecuada gracias al sistema refrigerante.
• Aislamiento de alta tensión.
• Terminales para la conexión con la red eléctrica.

Estos componentes principales del sistema de cableado se diseñaron, desarrollaron y optimizaron a escala industrial durante el proyecto, lo que congregó a 12 socios de 5 países. Los socios de Demo 5 incluían tanto a operadores de red como a industrias y centros de investigación de diversos campos como ciencia de los materiales, criogenia, sistemas energéticos e ingeniería eléctrica: CERN, Columbus Superconductors, ESPCI Paris, IASS Potsdam, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Nexans France, Nexans Germany, Nexans Switzerland, Ricerca sul Sistema Energetico (RSE), Réseau de Transport d’Électricité (RTE), Technische Universität Dresden, and Universidad Politécnica de Madrid. A lo largo del proyecto, se tuvieron en cuenta las necesidades reales de los operadores de red, sin olvidarse de los costes globales, la fiabilidad y el impacto medioambiental del sistema de cableado. Así, la información aportada por el operador de red francés RTE fue básica para realizar un diseño adecuado del cable conductor, ya que especificaba el rendimiento y comportamiento esperado de la red eléctrica, en especial, en condiciones transitorias. Por otro lado, debido a la falta de referencias de pruebas de cables superconductores tipo HVDC, el programa de pruebas de alta tensión se se basó en la combinación de dos prácticas internacionales ya establecidas (el folleto técnico del CIGRÉ n. 496 y el estándar 62895 de la IEC). También en este caso, el protocolo resultante de las pruebas de HVDC se compartió y fue aceptado por los operadores de red que eran socios del proyecto Best Paths.

Algunos de los principales logros de Demo 5 fueron:

• Fabricación de cables de MgB₂ y del cable conductor por medio de un proceso industrial reproducible y robusto.
• Investigación del comportamiento transitorio y nominal de un componente de MgB₂ embebido en la red.
• Fabricación del aislante del cable eléctrico HVDC, que demostró en posteriores pruebas tener elevado rendimiento eléctrico y fiabilidad.
• Diseño y construcción de terminales eléctricas de alta tensión usando un concepto modular innovador que puede ser fácilmente adaptado a diferentes voltajes y valores de corrientes.
• Investigación del comportamiento de la red con un cable superconductor en operación.
• Investigación de los enlaces superconductores de larga distancia, que podrán usarse para el transporte de grandes cantidades de electricidad en el futuro.

Las pruebas finales decisivas se llevaron a cabo al final del proyecto en una plataforma industrial en las instalaciones de Nexans Germany en Hanover. Las pruebas consistían en una demostración de un prototipo de cable superconductor de 30 metros de largo conectado a dos terminaciones a tamaño real. El sistema de cableado se sometió a pruebas de corriente continua de alto voltaje (HVDC), así como a sobretensiones, a inversiones de polaridad y a varias secuencias de conmutación superpuesta e impulsos tipo rayo. El programa de pruebas se terminó con éxito en mes y medio, y dio como resultado la primera demostración de un sistema de cable superconductor operando a 320 kV en corriente continua. Estas pruebas pioneras representan un paso importante para establecer unos estándares a la hora de probar cables superconductores tipo HVDC antes de que se conecten a la red.

Texto original en inglés: ver

Más información

Enlaces a dos publicaciones de interés dirigidas al público general:

A. Marian and C. E. Bruzek: “Advancing superconducting links for very high power transmission”, IASS Brochure, September 2018.

A. Chervyakov, M. Ferrari, A. Marian, S. Stückrad, H. Thomas: “Superconducting Electric Lines”, IASS Fact Sheet, November 2015.

Enlaces a dos notas de prensa publicadas por el IASS respecto al proyecto Best Paths:

http://www.iass-potsdam.de/en/news/superconducting-cables-recommendations-deployment-new-technology

http://www.iass-potsdam.de/en/news/superconducting-cable-sets-new-records-power-transmission