4. SISTEMAS DE POTENCIA

Electricidad industrial

            La mayor parte de la electricidad fabricada por el hombre se crea mediante generadores eléctricos. Los generadores eléctricos o dinamos convierten energía mecánica en energía eléctrica. La energía mecánica que mueve los generadores (llamada energía motriz) puede proceder de diversas fuentes, como el petróleo, turbinas de vapor o caídas de agua.

            Todos los generadores funcionan por el principio de inducción electromagnética. Faraday descubrió que se inducía un voltaje en un conductor cuando éste se movía cerca de un imán (o el imán se movía cerca del conductor). Si el conductor forma parte de un circuito eléctrico, el voltaje inducido produce un flujo de corriente.

            Los generadores están compuestos de dos partes fundamentales: un inductor y un inducido. El inducido está formado por los conductores en los que se induce la electricidad, y el inductor es la estructura que genera el campo magnético donde se mueve el inducido. En la mayoría de los grandes generadores se suelen emplear los electroimanes para generar el campo magnético, pues son más potentes en un espacio más reducido que los imanes permanentes.

            Así, la electricidad puede generarse bien moviendo el inducido en el campo magnético, o bien moviendo el inductor manteniendo fijo el inducido. La mayoría de los grandes generadores se diseñan en formas cilíndricas, con el inductor rodeando al inducido. La parte que gira, por movimiento mecánico, se llama rotor, ya a la fija se le denomina estator. En la mayoría de los generadores, el inductor (el electroimán) es el rotor y el inducido el estator. La electricidad necesaria para alimentar los electroimanes del inductor se suministra por medio de un generador auxiliar más pequeño, denominado excitatriz.

            Hay dos tipos principales de generadores eléctricos:

1.      El generador de corriente AC (corriente alterna) es el más empleado para producir la electricidad de consumo. Cuando gira el inducido en el campo magnético, corta las líneas de fuerza magnética que emanan del electroimán. En un giro de 180º, la corriente generada en el inducido fluye en un sentido. Durante el giro de 180º, la corriente fluye en el sentido opuesto. Este mecanismo origina una corriente y una tensión alternas. A cada revolución completa del inducido se le llama ciclo. El número de revoluciones o ciclos por segundo se denomina frecuencia, y se mide en Hertz. La corriente alterna es la que se suele utilizar en casa y oficinas de todo el mundo. En España se emplean tensiones de 220 voltios y 50 Hertzs.

2.      En el generador DC (corriente continua) el voltaje y la corriente no son alternas. La corriente fluye siempre en el mismo sentido mediante.

La energía mecánica que hace girar la parte móvil del generador eléctrico procede de turbinas. Como sabemos, las turbinas pueden ser de vapor y agua. Las de agua son las propias de las centrales hidroeléctricas (el flujo del agua mueve la turbina). Las de vapor son las propias de centrales térmicas, así como nucleares (se transforma agua en vapor y se comprime haciendo girar las turbinas por presión).

Así se obtiene electricidad. La electricidad alterna generada fluye a través de conductores hasta un transformador de subida. Un transformador de subida es un dispositivo que permite aumentar el voltaje disminuyendo al mismo tiempo la corriente. Así se reducen las pérdidas de energía en las líneas de alta tensión cuando se envía electricidad a grandes distancias (cuanta más alta es la corriente que pasa por el conductor, más pérdidas debido a la resistencia).

Las líneas de alta tensión de distintas centrales se conectan formando una red eléctrica. Así, si una central sufre una avería, las otras aumentan su potencia, manteniendo el suministro constante. Cuando la electricidad llega a las estaciones locales cargadas de su distribución a cada consumidor, el voltaje se disminuye mediante un transformador de caída. Después se vuelve a disminuir el voltaje hasta alcanzar los 125 y 220 voltios más normales. Al fin llega a los consumidores individuales.

Generación de electricidad

            Ya existen algunos generadores eléctricos superconductores. El primer generador eléctrico superconductor fue diseñado y producido por el Instituto de tecnología de Massachussets (MIT).

            Experimentando con el primer generador eléctrico superconductor se observó que producía aproximadamente el doble de electricidad que un generador convencional del mismo tamaño.

            El rotor de este prototipo, de 4 metros de longitud, fue refrigerado a una temperatura próxima al Cero Absoluto. Gracias a los superconductores, el prototipo fue capaz de desarrollar un campo magnético mucho más potente que el de un generador convencional, por lo que se puede reducir su tamaño obteniendo la misma potencia. Además, la falta de resistencia del superconductor en el rotor es otra ventaja más. Esto podría ahorrar una gran cantidad de dinero.

            Los devanados (hilos con revestimiento aislador) de las máquinas actuales están hechos de una aleación de plata y cobre. El prototipo del que hablamos tiene un inductor hecho con un centenares de pistas de niobio-titanio en una matriz de cobre.

            La construcción de un generador superconductor exige que los devanados del rotor deben permanecer fijos frente a las intensas fuerzas mecánicas y eléctricas a que están sometidos. El rotor gira a una velocidad de 3.600 revoluciones por segundo. Una única desviación de sus componentes provocaría fricciones que generarían suficiente calor como para degradar el funcionamiento de los superconductores.

            El generador de General Electric (el prototipo comentado) utiliza un proceso especial de impregnación epoxy en vacío para agrupar los superconductores de niobio-titanio en módulos compactos. La rigidez del devanado necesaria se obtiene mediante una estructura de soporte hecha de aluminio. Hubo que desarrollar un sistema especial de flujo para suministrar helio líquido al rotor giratorio, para mantenerlo a la temperatura adecuada.            Durante los ensayos del generador experimental, la energía eléctrica producida alimentaba un motor eléctrico que se acoplaba mecánicamente al generador. La electricidad obtenida suministraba potencia al motor, que a su vez proporcionaba al generador la mayor parte de energía mecánica que necesitaba.

            Como se observa, este prototipo fue creado a partir de un superconductor antiguo o de baja temperatura. Los de alta temperatura, aún presentan alguno inconvenientes: son difíciles de fabricar en formas regulares y no pueden soportar la corriente necesaria para crear campos magnéticos suficientemente intensos.

            Sin embargo, existe otro método para producir electricidad con superconductores: la magnetohidrodinámica (MHD). La MHD se dedica al estudio del efecto de campos eléctricos y magnéticos en gases ionizados (gases eléctricamente cargados). Se basa en el principio físico que relaciona el voltaje generado en un medio conductor con su movimiento en el seno de un campo magnético. Se piensa en un sistema de generación de potencia por MHD combinado con la combustión de carbón.

            En el sistema MHD por combustión de carbón, el gas ionizado caliente que procede de la combustión del carbón se hace pasar por un campo magnético intenso, produciendo un voltaje entre dos terminales, que puede emplearse para suministrar energía a equipos eléctricos. Después de pasar por el generador MHD, el gas todavía conserva calor suficiente para alimentar una turbina convencional de vapor.

Almacenamiento de electricidad

            Normalmente, la potencia eléctrica se va consumiendo según se genera. No existe ninguna técnica práctica que permita almacenar grandes cantidades de energía. Así, las grandes compañías solo generan electricidad a pleno rendimiento cuando hay una gran de manda (“horas pico”).

            Sería mucho más eficiente y práctico poder generar siempre la misma cantidad de potencia, a un nivel intermedio entre el máximo y el mínimo. Cuando se necesitase menos, el excedente se almacenaría, y cuando se necesitase más, se recurriría a lo almacenado.

            Para estos casos, las baterías no son adecuadas debido a su coste, tamaño, volatilidad y gastos de mantenimiento.

            El sistema SMES (almacenamiento de energía magnética por su superconducción) podría llegar algún día a almacenar grandes cantidades de electricidad. Debemos recordar ahora una de los experimentos de Onnes. Onnes indujo corriente eléctrica en un superconductor con forma de anillo y lo refrigeró con helio líquido durante un año, y comprobó que la corriente aún fluía en él, sin haber disminuido.

            Esa es la idea base del SMES. Unos anillos superconductores gigantes, que se podrían situar bajo tierra, serían capaces de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica en prolongados períodos de tiempo. Un sistema SMES podría conectarse a un red eléctrica y cuando la demanda fuera baja, el excedente iría a para al SMES; en períodos de mayor consumo, se tomaría electricidad del SMES para alimentar la red.

            También podrían servir para construir pequeños SMES, haciendo una función de batería ordinaria. Sin embargo, aún queda para que los SMES llegan a constituir una realidad.

            Otra aplicación sería para iniciar las reacciones de fusión nuclear de deuterio-tritio o de deuterio-helio, si descargamos la electricidad en milisegundos. Sin embargo, el interruptor que permite la rápida descarga de energía aún presenta muchos problemas en su funcionamiento.

            Actualmente es posible construir con los superconductores convencionales electroimanes superconductores capaces de almacenar 10.000 millones de joules (2.800 KW/h).

Distribución de electricidad

            La distribución de la electricidad se realiza mediante una red de líneas eléctricas de distintos tipos, desde líneas de alta tensión hasta líneas cortas. Con los sistemas de distribución de potencia actuales se pierde de un 10 a un 20 % de la energía transportada a causa de la resistencia que ofrece la vasta red de conductores.

            Sustituyendo en la red los conductores por superconductores, la pérdidas de energía se reducirían radicalmente. Así, las líneas hechas con los antiguos superconductores de baja temperatura son económicamente viables si toda la energía consumida por una región se transporta por una única línea superconductora. Crear toda una red refrigerada sería muy costoso. Sin embargo, ninguna región se expondrá una sola fuente de electricidad (una sola línea de suministro).

            Los costes de una línea hecha con superconductores de nueva generación serían mucho menores, pero aún han de superarse problemas como la rigidez del material y sus limitaciones en la corriente.

            Como es lógico, un cable superconductor necesita de una cubierta refrigerante a su alrededor para mantenerlo a una temperatura inferior a la temperatura crítica del material que lo forma. Puede hacerse una distinción entre las características de los cables superconductores a partir de sus componentes: el aislamiento térmico y el sistema conductor eléctrico. Por otro lado, teniendo en cuenta la construcción mecánica, se tienen tres tipos de cables superconductores:

1.      Rígidos. El aislamiento y el conductor se fabrican con tubos rígidos. El problema es que se necesita un gran número de uniones, pues la longitud máxima de manufactura es de 20 metros.

2.      Semiflexibles. El conductor es flexible y puede consistir de un tubo corrugado, o de alambres doblados en forma helicoidal sobre un soporte cilíndrico hueco. Pueden fabricarse en longitudes de 200 a 500 metros.

3.      Completamente flexibles. El aislamiento térmico también es flexible. El conductor también puede consistir de un tubo corrugado, o de alambres doblados en forma helicoidal sobre un soporte cilíndrico hueco

En los tipos de cable rígido y semiflexible todos los conductores pueden acomodarse en una envoltura térmica rígida común, lo que tiene un efecto para evitar pérdidas térmicas.

Estos cables han sido utilizados hasta ahora, principalmente, para la construcción de electroimanes de gran intensidad de campo y en pocos casos para líneas de transmisión.

Es necesario mencionar que la tecnología de fabricación varía dependiendo de si el cable va a transportar corriente directa o corriente alterna. La diferencia se refiere a la disposición de los superconductores dentro del cable. Sin embargo, el esquema general permanece prácticamente sin cambio. Los materiales más utilizados hasta este momento siguen siendo Nb₃Sn y NbTi.

Consumo de electricidad