Transmisión eficiente y de alta capacidad a gran distancia

Por Amalia Ballarino

En esta entrada del blog, una de las mayores expertas mundiales en superconductividad nos da su visión sobre los desarrollos en los que trabaja y cómo éstos son aplicables en el futuro de la transmisión de electricidad sin pérdidas. Algunos de estos desarrollos podrían permitir por ejemplo conducir la electricidad a grandísimas distancias. Concretamente nos habla de algunos de los desarrollos realizados para el que es actualmente el mayor acelerador de partículas del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC), un acelerador circular con un perímetro de 27km emplazado en el subsuelo entre Francia y Suiza. Los aceleradores requieren superconductores para conducir las elevadas corrientes de los imanes que crean campos magnéticos de gran intensidad con objeto de curvar la trayectoria de las partículas que viajan por su interior a velocidades cercanas a la de la luz. Por ello, nadie mejor que la Responsable de Superconductores y de Dispositivos de Superconducción en el CERN para explicarnos los últimos avances y su posible aplicación al campo de la transmisión de electricidad.

En el marco del proyecto del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (High Luminosity-LHC), el CERN ha desarrollado un nuevo sistema de transmisión eléctrica superconductora. Tras el éxito de la prueba inicial con un demostrador de 2×20.000 Amperios, se está construyendo un prototipo de 60 metros de longitud de 110.000 Amperios. Durante la prueba del modelo, se consiguió un récord mundial al hacer pasar una corriente de 20.000 Amperios a una temperatura de 24 Kelvin (-249º Celsius) a través de dos cables de 20 metros de longitud fabricados de múltiples filamentos superconductores de dibórido de magnesio (MgB2) [ver Ref. 1]. Este superconductor es potencialmente muy barato, fue descubierto en 2001, y presenta una temperatura crítica de 39 K, lo que lo convierte en una solución atractiva para la transmisión eléctrica a larga distancia.

En un principio, el conductor de polvo en tubo se fabricó en forma de cinta ya que los filamentos de alto rendimiento con buenas propiedades mecánicas, que son los más adecuados para unir cables de alta corriente, no estaban disponibles cuando comenzó el proyecto del CERN. Fue necesario desarrollar cables de calidad, que tuviesen una elevada densidad de corriente, propiedades superconductoras uniformes en longitudes largas y buenas propiedades mecánicas adaptadas al proyecto. Esto se logró gracias a una colaboración estrecha entre el CERN y la empresa ASG Superconductors, que fabricaron las sucesivas generaciones de cables con diferentes arquitecturas y mejoras de rendimiento. En paralelo, en una segunda fase con el cable ya industrializado, el CERN desarrolló los cables de alta corriente y el sistema de líneas de transmisión, así como las conexiones de baja resistencia hacia los superconductores de baja temperatura (Low Temperature Superconductors o LTS) de Nb-Ti y los de alta temperatura (High Temperature Superconductors o HTS) de ReBCO, necesarias para su implementación. El dibórido de magnesio se adapta perfectamente a aplicaciones de transmisión eléctrica, ya que en ellas los campos magnéticos son relativamente bajos (raramente superando 1 Tesla, equivalente a unas 10.000 veces el campo magnético terrestre) en comparación con los de aplicaciones como los aceleradores de partículas, donde trabajan en ocasiones cerca de los 10 Teslas.

Pruebas en el CERN

Con respecto al empleo de cables de dibórido de magnesio en el LHC, su utilidad reside en alejar las fuentes de alimentación de electrónica de potencia que inyectan la corriente en los imanes superconductores que constituyen los sistemas de enfoque del haz de partículas. Un estudio realizado en 2009 confirmó que las líneas de transmisión eléctricas basadas en el uso de MgB2 serían una tecnología viable y económica, lo que proporcionaría varias ventajas respecto a los cables convencionales LTS de Nb-Ti usados hoy en día. Las ventajas vienen dadas al poder operar a 20-25 Kelvin (en vez de a 4,5 Kelvin) e incluyen el aumento de la estabilidad del superconductor, la reducción del consumo eléctrico del sistema de frío criogénico y la simplificación del criostato. En el proyecto del CERN, los conductores de dibórido de magnesio se enfrían con Helio gas, ya que está disponible en el LHC, pero la temperatura de operación de este superconductor hace que también el uso de hidrógeno líquido sea factible.

Las pruebas de demostración supusieron grandes pasos en el desarrollo de sistemas de transmisión eléctrica basados en el uso de dibórido de magnesio (MgB2). Más allá de la iniciativa del CERN, la tecnología superconductora usando MgB2 también fue propuesta por el Profesor Carlo Rubbia, director científico del Institute for Advance Sustainability Studies (IASS) en Postdam (Alemania), para su uso en una innovadora red de transmisión superconductora que llevara “energía verde” a largas distancias. En él se propone el uso de cables superconductores de MgB2 enfriados con hidrógeno líquido en líneas de transmisión de electricidad subterráneas con estaciones de enfriamiento criogénicas repartidas periódicamente. En marzo de 2012, se firmó un acuerdo de colaboración entre el CERN y el IASS con el objetivo de demostrar la viabilidad de la tecnología. La finalidad era probar una línea de Corriente Continua de 2×20.000 Amperios operada a 20 Kelvin (-253º Celsius), cuyos requisitos eléctricos estaban cerca de los que el CERN tenía para las líneas de alimentación de sus imanes. El resultado de las pruebas realizadas es la demostración de que este tipo de cables de alta corriente pueden ser operados a una temperatura superior a los 20 Kelvin, quedando la viabilidad de la tecnología probada [ver Ref. 2].

Texto original en inglés: ver 

Amalia Ballarino

aballarinoAmalia Ballarino es Responsable de Superconductores y de Dispositivos de Superconducción en el CERN e iniciadora del proyecto.