HVDC es más eficiente a esa distancia. Aquí están las razones:

No hay reactancia inductiva/capacitiva en el caso de CC , mientras que en el caso de CA existen ambas reactancias capacitiva/inductiva. Debido a la ausencia de inductancia, la caída de voltaje en HVDC es muy pequeña en comparación con la CA (siempre que todas las demás condiciones sean constantes). Por estas razones, el HVDC proporciona una ventaja sobre la regulación de voltaje del sistema de potencia.

HVDC está libre de pérdidas dieléctricas. Además, no hay efecto de piel del conductor y se utilizan conductores enteros para la transmisión de energía.

En términos de costo del sistema de energía, la CC es más eficiente y menos costosa. En primer lugar, solo necesitamos dos conductores en lugar de tres. Pero el único problema que sufrimos es una generación de energía a altos voltajes porque necesitamos HV para la transmisión. La CC no se puede aumentar directamente ni se puede generar a voltajes muy altos. Entonces, en la actualidad, la única solución es usar electrónica de estado sólido y convertir HVAC a HVDC para fines de transmisión, luego volver a convertirlo en CA y reducirlo para fines de transmisión.

1. Tesla ≠ Dios, Edison ≠ el Diablo

(Parafraseando un excelente título de artículo de Forbes ).

La Guerra de las Corrientes fue entre Thomas Edison y George Westinghouse . Tesla se involucró tanto en el hecho de que Westinghouse obtuvo la licencia de sus patentes sobre la transmisión de energía de CA. Vale la pena agregar que Tesla en realidad trabajó para Edison, y utilizó el desarrollo anterior de corriente alterna de Michael Faraday y modificó la propia tecnología de transmisión y generación de energía de CC de Edison para usar CA en su lugar.

Y lo hizo a petición de Edison.

Edison no tenía mucha fe en la energía de CC y le pidió a Tesla que intentara rediseñarla para convertirla en algo mejor. No es algo que use AC específicamente, solo algo. Algo que era mejor. Lo cual, obviamente, hizo Tesla. Sin embargo, Edison pensó que la idea de utilizar CA para la transmisión de energía era demasiado descabellada para ser práctica y optó por no seguirla. Esto fue... imprudente por parte de Edison, sin duda.

Esta sería la última vez que Tesla y Edison tuvieron una interacción o confrontación entre ellos sobre la transmisión de energía de CC frente a CA.

George Westinghouse, por otro lado, realmente creía en la alimentación de CA, y aunque Tesla refinó y patentó muchas tecnologías relacionadas con la CA, fue Westinghouse quien comercializó las tecnologías que Tesla inventó en algo que podría ser práctico para la transmisión de energía. Fue Westinghouse quien impulsó a AC, lo financió, lo construyó, pagó para tener esos programas que demostraban el peligro de DC, todo eso. Tesla continuó ayudando con el desarrollo de AC hasta un grado limitado, pero lo hizo porque Westinghouse le pagó, no estaba particularmente apasionado o preocupado por hacer de AC el estándar global. Recuerde: Tesla pensó que la transmisión de energía mediante conductores era en sí misma fundamentalmente defectuosa y se centró en gran medida en el desarrollo de la transmisión de energía inalámbrica. Desafortunadamente, esto finalmente resultó ser totalmente impráctico, pero estoy divagando.

Para resaltar esto, Tesla pasó los últimos años de su vida en The New Yorker Hotel, uno de los últimos bastiones del poder de DC. Operó una gran planta de energía de CC hasta la década de 1960, mucho después de la muerte de Tesla, y fue, durante los últimos años de Tesla, una de las ubicaciones más grandes (y las últimas que quedan) de generación de energía de CC en el mundo. Elegir este lugar como su hogar y lugar de trabajo hasta que finalmente muriera no son las acciones de alguien que estaba particularmente preocupado por la alimentación de CA frente a CC. Tesla solo quería demostrar que sus ideas podían funcionar.

Toda la idea de Edison vs. Tesla es principalmente ficción, una historia divertida surgida de Internet, pero lamentablemente, no una que refleje la historia o la realidad.

Vea aquí una versión de no ficción históricamente precisa de la Guerra de las Corrientes.

2. HVDC y HVAC

Ahora, para responder finalmente a su pregunta, HVDC es sustancialmente más eficiente que HVAC para la transmisión de energía.

Esta es la razón por la cual las nuevas carreras de transmisión son hoy exclusivamente HVDC. Simplemente ya no tiene sentido económico construir líneas de transmisión HVAC. HVAC todavía domina, por supuesto, pero porque este tipo de infraestructura tiene una vida útil muy larga. Todo lo nuevo que se construye es siempre HVDC.

Tenga en cuenta que la palabra clave aquí es carreras de nivel de transmisión . Estos son los recorridos regionales de larga distancia de voltaje extra alto. La CA sigue siendo la mejor opción para las cosas a nivel de distribución de energía, pero eso podría cambiar (o no).

Entonces, ¿cuánto más eficiente es HVDC que HVAC? Siéntese: HVDC es entre un 30 y un 40 % más eficiente en la transmisión de energía que HVAC. Así que no es solo un poco mejor, es mucho mejor.

Ahora, hablemos de por qué:

1. Pérdidas corona reducidas

   

   Dado que HVDC tiene polaridad estática, permite que los portadores de carga se organicen de manera que el campo eléctrico entre los conductores se minimice, lo que genera aproximadamente la mitad de las pérdidas debidas a las corrientes de corona en comparación con HVAC.

2. Sin efecto piel

   

   ¿Ves cómo esas líneas de alto voltaje en realidad están formadas por haces de 3 conductores? Eso es por el efecto piel. La corriente alterna tiende a concentrar los portadores de carga reales (electrones) de una corriente en las regiones más externas de un conductor. Este efecto depende de la frecuencia y del material conductor, pero efectivamente hace que un conductor dado se comporte como un conductor algo más pequeño cuando se le pasa CA. Para una sección transversal de cobre de 1000 mm cuadrados, la CA de 60 Hz hará que el cable sea aproximadamente un 23 % más resistivo en comparación con la corriente CC a través del mismo cable.

3. Sin potencia reactiva

   

   La potencia reactiva es el componente imaginario de la potencia compleja, una propiedad exclusiva de la corriente alterna. La potencia reactiva, a diferencia de la potencia activa, no representa la transmisión real o el consumo de energía a una tasa determinada, sino la tasa de almacenamiento de energía.. La potencia reactiva representa potencia que no hace nada, es solo potencia que alimenta mecanismos parásitos de almacenamiento de energía, específicamente capacitancia (que almacena energía en un campo eléctrico) e inductancia (que almacena energía en un campo magnético). Esta potencia reactiva tiene un promedio de cero, ya que la energía almacenada finalmente se libera (o tiene una magnitud negativa). El problema es que en realidad no hace nada, no es utilizable por una carga, en realidad no transmite energía a un consumidor distante. Pero, las corrientes reales involucradas son muy reales, por lo que con CA, hay un componente de la corriente que fluye y sufre pérdidas de resistencia y todo eso como lo haría cualquier otra corriente, pero lo está haciendo inútilmente. Solo se mueve sin hacer nada,

4. Sin pérdidas dieléctricas

   

   Los dieléctricos, también conocidos como aislantes, se componen de muchos dipolos eléctricos pequeños (de ahí, 'dieléctrico'). A medida que la polaridad de la CA cambia de un lado a otro, también lo hace el campo eléctrico. Esto hace que los dipolos en los dieléctricos quieran cambiar a una polaridad favorable para un campo eléctrico dado. Sin embargo, voltear estos pequeños dipolos no es gratis, requiere energía. Esto significa que los dieléctricos a granel tienen el efecto de disipar una pequeña cantidad de energía electromagnética cuando sufren polarización por un campo eléctrico externo.

   En CC, esto sucede una vez, cuando la corriente comienza a fluir por primera vez. Después de eso, la polaridad no cambia (a menos que algo haya salido terriblemente mal). Para CA, cambia a cualquier frecuencia. Para la transmisión de la red, suele ser de 50 o 60 Hz. Podría pensar, "pero las líneas eléctricas son de metal desnudo, ¡no hay ningún aislamiento!". En realidad, todos están envueltos en aislamiento, resulta que es aire. No es mi material de aislamiento favorito, ¡pero seguro que es barato! Este efecto, aunque es muy pequeño a 50 Hz o 60 Hz, cuando se multiplica a largas distancias, altas intensidades de campo eléctrico y solo escala de corte, todo se suma a otra fuente significativa de pérdida. Uno que HVDC no tiene.

5. ¿Fase? ¿Frecuencia? ¿Qué es eso?

   HVDC no es una onda sinusoidal, ni ninguna otra onda, y no tiene fase. Tampoco tiene frecuencia.

   El objetivo de una red eléctrica es servir como una interconexión no solo entre la central eléctrica y el consumidor de energía, sino también entre múltiples fuentes de generación de energía simultáneamente. Esto tiene innumerables ventajas, desde la redundancia hasta el reparto y el equilibrio de la carga.

   No puede simplemente conectar dos redes, envolver los cables con cinta aislante y llamarlo día. Las redes no deben ser solo AC, sino AC de la misma frecuencia y en fase . Peor aún, hay áreas del mundo donde las redes adyacentes que deben conectarse no tienen la misma frecuencia, sin embargo, están en fase. Todo esto se suma para hacer que la interconexión de grandes redes eléctricas regionales sea, en el mejor de los casos, inductora de migraña.

   Con HVDC, simplemente los conectó. ¡Trabajo hecho! De hecho, las líneas HVDC se usan mucho en distancias mucho más cortas donde normalmente no tendría sentido usar una línea HVDC, porque una línea HVDC le permite conectar dos redes HVAC sin preocuparse por su frecuencia o fase. HVDC rectifica CA a CC, y luego la invierte nuevamente a CA, por lo que solo se necesita sincronizar un extremo, y con la misma red a la que está conectado. Basta con mirar este mapa de líneas HVDC en Europa:

   

   (Rojo = actualmente activo, Verde = en construcción, Azul = propuesto).

La desventaja es que la conversión y las instalaciones activas de conmutación ascendente/descendente de estado sólido son costosas y, al menos por ahora, no son tan confiables como los transformadores pasivos que realizan la misma tarea para HVAC. Esta es la razón principal por la que HVDC, si bien es más eficiente incluso en distancias más cortas, no tiene suficiente ventaja para compensar los costos más altos de construir y mantener instalaciones HVDC de aumento y reducción. La tecnología aún está madurando, lo que también significa que la confiabilidad no será tan buena, y todo eso hace que HVAC sea el claro ganador para la distribución de energía, hasta su hogar o negocio, al menos en este momento. Lo bueno de recordar es que las compañías eléctricas no están demasiado interesadas en desperdiciar energía, por lo que a medida que surjan nuevas tecnologías, se adoptarán cuando y donde tenga sentido hacerlo.

Ingeniero de diseño de HVDC de oficio aquí.

Muchas respuestas largas y ordenadas con mucha información sobre los costos del cable, la corona y la inductancia, pero el OP preguntó cuál es el más eficiente (energéticamente).

La "pérdida" inductiva en una transmisión de CA no es una pérdida sobre el inductor en sí, sino más bien sus consecuencias que deben tenerse en cuenta. Si tiene un voltaje de sistema lo suficientemente alto para diseñar, este no es un gran problema en solo 500 millas. El problema es que no lo haces. El costo de todo aumenta considerablemente cuando aumenta el voltaje de su inversión. Los costos de funcionamiento no se ven demasiado afectados. Algunos países incluso tienen límites fijos o pasos en el voltaje del sistema que debe cumplir y es posible que se quede sin espacio libre aquí. Aparte de los costos y desde el punto de vista de la eficiencia energética, su transmisión de CA de 500 millas funcionará admirablemente bien.

Si opta por HVDC, sus pérdidas por cable/línea aérea serán un poco más bajas por la misma cantidad de dinero gastado en el dito de CA equivalente, pero las pérdidas de semiconductores que pueden representar solo 0.2-0.8 % por estación pueden no parecer tanto. pero en comparación con la solución de CA, esto es enorme. A esto se suman las pérdidas por bombeo de varios kW y el sistema de refrigeración alimentado por ventilador para la refrigeración por agua de dichos semiconductores. Además, sus estaciones HVDC inevitablemente necesitarán transformadores que puedan tomar el voltaje de CC completo a través de su aislamiento, lo que los hace mucho más complicados, costosos y con pérdidas que sus contrapartes de CA. Una vez más, aún en el rango de eficiencia de más del 99 %, pero es posible que su cable de CA no necesite transformadores en ningún extremo si tiene el mismo voltaje en ambos extremos para la alimentación. Incluso si no lo hiciste,

Entonces, ¿cuándo necesita HVDC? Incluso distancias más largas. Casi cualquier cable submarino/de tierra en el rango de millas/km de dos dígitos. Redes asíncronas.

Teóricamente, la CC es más eficiente que la CA, porque la corriente CA combate no solo la resistencia de CC del cable, sino también la reactancia de CA, el impacto de la capacitancia de cable a cable y la inductancia del cable.

Sin embargo, es muy difícil (y en el pasado era imposible) aumentar el voltaje de CC a cientos de kilovoltios, lo que es bastante fácil con CA usando un transformador. Transportar energía a un voltaje de 2 kV CC requeriría 100 veces más corriente que si fuera 200 kV CA para la misma potencia. Y esta es la clave, porque las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente.

Para un voltaje dado, la CC es más eficiente, pero la CA se puede transformar fácilmente a un voltaje mucho más alto, donde se encuentra su mejor ventaja.

DC no tiene efecto de piel, por lo tanto, menos pérdida, pero tiene efectos de PD más graves que pueden provocar una avalancha. Entonces, ¿por qué cree que no usan DC para la distribución? y sólo para transmisión de larga distancia.

La reactancia no tiene pérdidas, pero puede ser un PITA con reconexiones. ¿Por qué?

¿Cuál es más caro? ¿Cuándo es más barato?

El artículo no debe haber mencionado el problema con el voltaje pico de CA versus Vrms, la corona y la formación de arcos en la línea, y el costo más alto de las líneas por encima de un megavoltio.

Si una línea está diseñada para tolerar 1MV a 100 amperios, entonces, como línea de CC, transmite 100MW. Pero para CA, el voltaje máximo de CA debe permanecer en un megavoltio (ya que un voltaje operativo de CA de 1MVrms tendría un pico de 1,41MV y la línea de transmisión de 1MV se rompería, o al menos mostraría una pérdida de corona masiva). Entonces, nuestra línea de CA solo puede tolerar picos de 100MV, para 70,7MV rms a 100amperios, dando solo 70,7 megavatios frente a los 100MW de CC.

Escuché que debido a la expansión de la población y las demandas de energía, muchas líneas troncales principales han alcanzado sus límites y ahora deben operar a su máxima capacidad. Si es más barato convertir un troncal existente a CC, en lugar de tender filas de torres completamente nuevas junto a las existentes, entonces HVDC será extremadamente popular entre las compañías eléctricas.

Entonces, no es una cuestión de eficiencia. Se trata de pérdidas de corona que imponen un límite de tensión en las líneas existentes y del hecho de que HVDC carece de todos esos picos de tensión de 120 Hz que superan los límites de corona en un ~40 %.

PD

La palabra clave para subir y bajar HVDC es: sala de válvulas . "Válvula", como en el nombre británico de tubo de vacío. Me han dicho que la conexión DC original usaba tiratrones de mercurio de varios metros de largo. Hoy en día utilizan tiristores tipo disco de hockey, en formaciones cúbicas suspendidas del techo.