Enlaces superconductores de alta potencia

Neste artigo, a nosa autora de hoxe cóntanos como empregaron superconductores de dibórido de magnesio para un proxecto de demostración tecnolóxica dunha liña de transporte de electricidade superconductora en corrente continua. O dibórido de magnesio é un condutor que pode operar a temperaturas altas (-250º Celsius) en comparación con outros superconductores e cuxa fabricación é barata, polo que se lle estima un gran potencial para este tipo de aplicacións, xa nolo introduciu Amalia Ballarino do CERN neste post . Nesta ocasión, Adela Marian, Senior Research Associate no IASS Postdam, fálanos dun proxecto no que chegaron a operar en condicións de campo unha ligazón en corrente continua e alta tensión, alcanzando 320kV e 10kA, equivalente a uns 3XigaWatios de potencia. Os superconductores presentan perdas ao ser operados en corrente alterna, o que obriga á súa operación en continua, motivo polo cal a súa futura integración nas redes eléctricas será a través de conexións de tipo HVDC (high voltage direct current).

Best Paths foi o proxecto de investigación máis grande no campo da enerxía financiado polo 7º Programa Marco de Investigación, Desenvolvemento Tecnolóxico e Innovación da Unión Europea. O proxecto durou catro anos, dende outubro do 2014 a setembro de 2018 e centrouse no desenvolvemento de tecnoloxías de rede novas para aumentar a capacidade de transmisión e a flexibilidade do sistema da rede eléctrica europea. O proxecto coordinouno Rede Eléctrica de España e englobaba a 38 organizacións punteiras, tanto científicas como industriais, de 11 países europeos. Os expertos agrupábanse en 5 grandes proxectos de demostración que versaban sobre a conexión de parques eólicos mariños, o desenvolvemento de solucións estandarizadas para estacións conversoras, a mellora de ligazóns HVDC multiterminal e a repotenciación de liñas de corrente alterna existentes. O quinto proxecto de demostración (Demo 5) centrábase en validar as conexións superconductoras tipo HVDC que son capaces de transportar varios xigavatios de electricidade.

Por que será necesario usar ligazóns de capacidade tan alta na futura rede eléctrica europea? Recentes estudos de rede, como o proxecto e-HighWay2050, demostraron que a transmisión de grandes cantidades de electricidade a través de centos de kilómetros é necesaria para transportar a electricidade producida en centrais enerxéticas renovables remotas ata os puntos de consumo. Neste contexto, ultimamente, os sistemas de cables superconductores espertaron moito interese grazas a que transmiten electricidade case sen perdas, ao seu tamaño compacto e ao seu reducido impacto ambiental.

Demo 5 mostraba un sistema a escala real de cableado superconductor tipo HVDC de 3 GW que operaba a 320 kV e 10 kA. O sistema baseábase no superconductor dibórido de magnesio (MgB2) e estaba formado polos seguintes elementos principais (ver imaxe máis abaixo):

• O cable condutor formado por 18 cables de MgB₂ enrolados sobre un núcleo de cobre.
• A envoltura criogénica.
• O fluído refrixerante, que se mantiña estable á temperatura criogénica adecuada grazas ao sistema refrixerante.
• Illamento de alta tensión.
• Terminais para a conexión coa rede eléctrica.

Estes compoñentes principais do sistema de cableado deseñaron, desenvolveron e optimizáronse a escala industrial durante o proxecto, o que congregou a 12 socios de 5 países. Os socios de Demo 5 incluían tanto a operadores de rede como a industrias e centros de investigación de diversos campos como ciencia dos materiais, crioxenia, sistemas enerxéticos e enxeñería 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, e Universidade Politécnica de Madrid. Ao longo do proxecto, tivéronse en conta as necesidades reais dos operadores de rede, sen esquecerse dos custos globais, a fiabilidade e o impacto ambiental do sistema de cableado. Así, a información achegada polo operador de rede francés RTE foi básica para realizar un deseño adecuado do cable condutor, xa que especificaba o rendemento e comportamento esperado da rede eléctrica, en especial, en condicións transitorias. Doutra banda, debido á falta de referencias de probas de cables superconductores tipo HVDC, o programa de probas de alta tensión baseouse na combinación de dúas prácticas internacionais xa establecidas (o folleto técnico do CIGRÉ n. 496 e o estándar 62895 da IEC). Tamén neste caso, o protocolo resultante das probas de HVDC compartiuse e foi aceptado polos operadores de rede que eran socios do proxecto Best Paths.

Algúns dos principais logros de Demo 5 foron:

• Fabricación de cables de MgB₂ e do cable condutor por medio dun proceso industrial reproducible e robusto.
• Investigación do comportamento transitorio e nominal dun compoñente de MgB₂ embebido na rede.
• Fabricación do illante do cable eléctrico HVDC, que demostrou en posteriores probas ter elevado rendemento eléctrico e fiabilidade.
• Deseño e construción de terminais eléctricas de alta tensión usando un concepto modular innovador que pode ser facilmente adaptado a diferentes voltaxes e valores de correntes.
• Investigación do comportamento da rede cun cable superconductor en operación.
• Investigación dos enlaces superconductores de longa distancia, que poderán usarse para o transporte de grandes cantidades de electricidade no futuro.

As probas finais decisivas levaron a cabo ao final do proxecto nunha plataforma industrial nas instalacións de Nexans Germany en Hanover. As probas consistían nunha demostración dun prototipo de cable superconductor de 30 metros de longo conectado a dúas terminacións a tamaño real. O sistema de cableado someteuse a probas de corrente continua de alta voltaxe (HVDC), así como a sobretensións, a investimentos de polaridade e a varias secuencias de conmutación superposta e impulsos tipo raio. O programa de probas terminouse con éxito en mes e medio, e deu como resultado a primeira demostración dun sistema de cable superconductor operando a 320 kV en corrente continua. Estas probas pioneiras representan un paso importante para establecer uns estándares á hora de probar cables superconductores tipo HVDC antes de que se conecten á rede.

Texto orixinal en inglés: ver

Máis información

Ligazóns a dúas publicacións de interese dirixidas ao público xeral:

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.

Ligazóns a dúas notas de prensa publicadas polo IASS respecto ao proxecto Best Paths:

https://www.rifs-potsdam.de/en/news/superconducting-cables-recommendations-deployment-new-technology

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