Dr. Friedhelm Herzog y Thomas Kutz, Messer Group
◤ INVESTIGACIÓN
Refrigeración eficiente para largos cables superconductores
El mundo necesita más y más electricidad y cables que la conduzcan. Sin embargo, cada vez hay menos espacio para nuevos tendidos. Los nuevos superconductores pueden resolver este problema.
Cuando la corriente circula por un cable convencional, debe superar la resistencia eléctrica del mismo. Eso consume una parte de la energía, y como subproductos no deseados se generan calor y campos eléctricos. Todo ello se evita con un superconductor: a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 grados Celsius), los superconductores metálicos descubiertos en 1911 no poseen ninguna resistencia, y la corriente puede circular sin pérdidas. No obstante, la refrigeración a esas temperaturas tan bajas requiere mucha energía.
La superconducción ahorra espacio y transformadores
Los superconductores de materiales cerámicos especiales ofrecen estas propiedades a una temperatura más elevada. Esta se encuentra próxima al punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 grados Celsius). En este caso se habla de superconductores de «alta temperatura». Sus descubridores recibieron el Premio Nobel de Física en 1987. Los cables de estos materiales pueden resolver un gran número de problemas en la conducción de electricidad.
Por ejemplo, las notables pérdidas de transformación que se suman a las pérdidas de transmisión: las líneas eléctricas aéreas convencionales requieren un alto voltaje a fin de transmitir la energía con la mínima intensidad de corriente posible; así que, la electricidad procedente de los parques eólicos y solares se transforma primero a alta tensión para el transporte y luego a baja tensión para el consumo. Si se quiere utilizar electricidad procedente de fuentes solares para la obtención de hidrógeno verde, en la transformación se pierde una parte de la energía original (puedes leer más al respecto en nuestra noticia de portada). Sin embargo, en una conexión superconductora la intensidad de la corriente es irrelevante: la corriente circula sin transformación y sin pérdidas desde el parque solar hasta el electrolizador, no importa si a baja o alta tensión.
En otros ámbitos, la superconducción puede ser clave para posibilitar nuevos tendidos eléctricos. Los cables de alta tensión convencionales requieren mucho espacio sobre y bajo tierra. En regiones con alta densidad de población, la planificación se topa rápidamente con las normas de distancia vigentes. Las nuevas conducciones no pueden tenderse bajo tierra en todas partes debido al calor irradiado y los inevitables campos eléctricos generados. En cambio, gracias a la nueva tecnología, los proveedores de energía eléctrica podrían proyectar determinados tramos críticos con superconductores para obtener la autorización necesaria. El aspecto clave en los superconductores es la refrigeración. No puede consumir más energía que la que se ahorra al evitar las pérdidas en la transmisión. La conductividad de los superconductores de alta temperatura aumenta a medida que baja la temperatura. Por ello, Messer ha desarrollado un sistema de refrigeración que suministra nitrógeno líquido con una temperatura por debajo de su punto de ebullición normal (-196 grados Celsius). La temperatura puede bajarse hasta casi el punto de congelación del nitrógeno (-210 grados Celsius). El primer sistema comercial de este tipo está en funcionamiento desde 2014 y opera desde entonces de forma fiable y sin problemas.
Superenfriamiento consolidado
En él, los cables superconductores se encuentran en el interior de tubos aislados al vacío (criostatos) por los que circula el gas líquido a baja temperatura. El aislamiento al vacío conserva el frío con mucha eficacia, pero no aísla completamente del entorno a mayor temperatura. Por tanto, se precisa una refrigeración adicional continua. Una bomba de circulación suministra para ello el nitrógeno líquido «subenfriado» –su temperatura de -206 grados Celsius se encuentra muy por debajo del punto de ebullición– a los criostatos de los cables. En el otro extremo del recorrido del cable, el nitrógeno líquido (ahora algo más caliente) se desvía y regresa por una tubería de retorno hasta la bomba. El nitrógeno circula entonces a través de un intercambiador de calor instalado en el subenfriador en el que se extrae nuevamente el calor ganado.
En el subenfriador se utiliza nitrógeno líquido del tanque para la generación de frío. Para ello, se deja que se evapore a baja presión. De este modo se consigue una temperatura de servicio de -209 grados Celsius, 13 grados por debajo del punto de ebullición del nitrógeno a presión normal. El sistema de refrigeración debe disponerse de tal manera que pueda compensar el calor del criostato del cable y la tubería de retorno, así como el calor generado por el proceso de bombeo. En recorridos de cables más largos, se requieren adicionalmente estaciones de refrigeración intermedias. Pero estas no necesitan ningún depósito de almacenamiento, ya que pueden operar con el nitrógeno líquido de la circulación. No obstante, el coste de su instalación es considerable.
Pérdidas minimizadas con el nuevo sistema
El nuevo sistema de refrigeración desarrollado por Messer permite reducir las pérdidas de energía conjuntas hasta un 50%. No precisa de tubería de retorno ni de bomba de circulación, ni tampoco de estaciones intermedias. de esta forma, los costes de inversión disminuyen notablemente. La clave del concepto es una pantalla de refrigeración enfriada activamente alrededor de los criostatos de los cables. El nitrógeno líquido se extrae del depósito de almacenamiento a través de una válvula de descarga, se evapora en el subenfriador en condiciones de vacío y alcanza una temperatura de hasta -209 grados Celsius. Al mismo tiempo, se hace circular nitrógeno líquido del tanque a través del intercambiador de calor ubicado en el subenfriador. Este se enfría aproximadamente a -206 grados Celsius. No se necesita ninguna bomba; la presión necesaria para la circulación se produce en el mismo tanque. El nitrógeno líquido subenfriado en el subenfriador circula por el tubo interior de los criostatos de los cables y mantiene fríos los superconductores.
En comparación con un criostato sencillo, la pantalla de refrigeración adicional consigue que la incidencia de calor en el superconductor se reduzca a la décima parte. El flujo másico de nitrógeno líquido necesario para la circulación también es diez veces menor. La pérdida de presión del flujo se reduce incluso en un factor cien. En el otro extremo del criostato, la corriente de nitrógeno se dirige desde el superconductor hasta la pantalla de refrigeración. En ella, el gas líquido se evapora y genera frío, compensando la incidencia de calor del criostato. Unos separadores de fases (desgasificadores) descargan el nitrógeno evaporado en la pantalla de refrigeración a la atmósfera y disminuyen así la pérdida de presión de circulación en la pantalla. Con esta tecnología pueden proyectarse tendidos de cables de hasta cien kilómetros de longitud de manera eficiente, económica y con una fiabilidad muy elevada.