¿Por qué los sistemas de transmisión/distribución de energía son CA y no CC?

Hay varias razones. Uno: la pérdida de potencia en un cable es I^2 * R. Por lo tanto, es mejor transmitir potencia a muy alto voltaje y baja corriente. La CA se aumenta mucho más fácilmente a alto voltaje (no se necesitan componentes electrónicos). Impulsar cargas industriales usando electrónica de silicio no es práctico.

Otra es la facilidad de conmutación bajo carga. Si apaga una carga conectada a CC, el arco en el interruptor debido a la inductancia del cable y la inductancia de la carga se vuelve problemático. Esto obliga a los interruptores de CC a ser más robustos.

El ruido de 60 Hz creado por los transformadores es mucho menor que el ruido de conmutación que crearían todos los componentes electrónicos necesarios para aumentar y aumentar la CC y luego convertirla en CA en el punto de carga, como usted propone.

Se utiliza HVDC: Lista de proyectos HVDC . Las dos tecnologías dominantes utilizadas para HVDC (tiristores e IGBT) no se inventaron hasta 1950 y 1968, respectivamente. Mientras tanto, los países estaban construyendo equipos de transmisión de CA. ¿Por qué reemplazar algo que funciona cuando ya ha gastado mucho dinero en construir una red? Simplemente espere hasta que el sistema existente ya no funcione y actualice entonces.

Los datos parecen justificar esto: China está construyendo una gran cantidad de líneas de transmisión HVDC porque tiene dinero y realmente no tiene ninguna red existente contra la cual interactuar/competir. De manera similar, hay proyectos en Europa y las Américas, pero estos parecen estar más limitados a áreas donde HVDC realmente brilla (sistemas submarinos) porque hay redes existentes, por lo que el costo de la actualización aún no está justificado.

Además, HVDC no siempre tiene sentido, especialmente cuando necesita/quiere una transmisión multipunto. Esto hace que enrutar un sistema HVDC sea más difícil que un sistema AC.

Mkeith respondió a la pregunta tal como se le preguntó, es decir, cuáles son las principales desventajas de la distribución HVDC. Una "contrarrespuesta" a la de helloworld922 (la siguiente respuesta más votada aquí actualmente) apunta en la dirección de un montón de casos en los que se usó/se usó HVDC. Todos estos ingenieros no podían estar locos, así que creo que es importante explicar aquí cuándo tiene sentido HVDC. (Por cierto, esa habría sido una mejor pregunta que la que hizo el OP).

Para empezar, hay algunos casos en los que la CA sería casi inviable. Esto incluye la conexión de redes eléctricas de CA que funcionan de forma asíncrona entre sí, como la conexión de sistemas de 50 y 60 Hz; sucede en Japón, por ejemplo: el este de Japón usa 50 Hz y el oeste de Japón usa 60 Hz. En realidad, hay algunas aplicaciones de nicho más donde HVDC es la única opción razonable, pero no son fáciles de explicar a los neófitos en pocas palabras. Si desea una lista más detallada (con ejemplos del mundo real), Delea and Casazza's Understanding Electrical Power System tiene una lista más larga.

Dejando de lado estos casos de nicho, creo que es importante enfatizar que hay una optimización de costos totaleseso puede (y de hecho debe) realizarse al decidir si AC o DC debe ser el método de transmisión para una línea eléctrica. Los dos factores principales son el costo de la línea en sí (cables, torres si corresponde, por ejemplo, no submarinos) y el costo de las terminales. Generalmente, los cables de transmisión de CC cuestan menos que los de potencia equivalente para CA trifásica. Esto sucede por una razón que es fácil de explicar: necesita menos cables para CC que para CA trifásica, pero el aislamiento de los cables de CA (y esto puede ser solo el espacio de aire, pero eso se traduce en costos de torre) debe resistir el valor máximo de CA, mientras que solo se beneficia de la transmisión de "potencia RMS" (más correctamente, potencia promedio correspondiente al voltaje RMS) en CA. Por otro lado, la electrónica de potencia de terminación cuesta más para HVDC que los transformadores de CA,

Esta optimización del costo total en realidad le brinda la aplicación principal de HVDC en la actualidad: transmitir grandes cantidades de energía a largas distancias (y, por lo tanto, sin tapping/interrupción). Los valores típicos en los que HVDC es más económico que AC es la transmisión de más de 500 MW en más de 500 km (según Delea y Casazza). Muchos (si no la mayoría) de los ejemplos de la lista de Wikipedia (vinculados en la respuesta de helloworld922) son de este tipo. No debería sorprender que tales ejemplos sean de China, Canadá o Australia. En Europa, la mayoría de las líneas de transmisión HVDC medianas/grandes son cables submarinos.

A continuación se muestra cómo se ve un ejemplo de optimización sintético (es decir, a nivel de libro de texto en lugar de del mundo real) para un nivel de potencia predeterminado, por lo que solo se traza el costo frente a la distancia de transmisión; se extrae de Kim et al. Transmisión HVDC , cuyo primer capítulo está disponible gratuitamente .

Para una perspectiva de costos concreta, aquí hay algunos valores (según Larruskain et al. .) para lo que está cerca de la potencia más baja para la que se fabrican los componentes de terminales HVDC:

• Convertidor de tiristores, 50 MW, 100kV. El valor aproximado por unidad es: 500 EUR/kW
• Par de convertidores IGBT, 50 MW, +/-84kV. El valor aproximado por unidad es: 150 EUR/kW
• Transformador, 50 MVA, 69kV/138kV. El valor aproximado por unidad es: 7,5 EUR/kVA

Dada la relación de precios de 20x-60x entre un rectificador y un transformador de 50 MW, es obvio por qué HVDC no se reduce a potencias más bajas.

Mediante el uso de transformadores de CA (de esta manera), los inversores, rectificadores, transformadores rotativos, etc. pueden eliminarse de la red eléctrica, lo que aumenta drásticamente la eficiencia y, a su vez, reduce las emisiones y los costos.

En Chicago y Nueva York, la red eléctrica de CC se apagó en la década de 1990. En Melbourne, Australia, la red eléctrica de CC se apagó alrededor de 2005. Al final, lo principal o lo único que seguía conectado a la red de CC eran los ascensores muy antiguos en edificios antiguos. En Melbourne, después de una falla en la línea de transmisión, era más económico darle a cada cliente de CC restante un rectificador y conectar el equipo antiguo a la red de CA, en lugar de reparar y reemplazar la red de transmisión de CC.

Aunque la transmisión de energía de CA tiene muchas ventajas, la transmisión de energía de CC se sigue utilizando para interconectar redes de alta tensión: para mantener la estabilidad de la red en conexiones largas y, en particular en cables subterráneos/submarinos, para reducir la pérdida dieléctrica y el efecto pelicular.

Sí, te estás olvidando de algo. Con los transistores modernos y otros componentes electrónicos, podemos aumentar la CC hasta cierto punto, pero no de manera fácil, económica o con una eficiencia razonable a niveles de potencia de MW a los voltajes requeridos en las principales líneas de transmisión.

Los transformadores son la única forma práctica de obtener cientos de kV a niveles de potencia de MW, y los transformadores requieren CA.

Simplemente porque Tesla vs Edison 1880s. Como resultado, el 99.9% de nuestra infraestructura de generación y transmisión es AC. Cambiar a DC no es algo que se pueda hacer durante el fin de semana. ¿Qué pasa con todos los electrodomésticos y fábricas con motores de inducción? DC no funcionará allí. Necesitarán algún tipo de alternativa desarrollada. Las subestaciones tendrán que ser completamente renovadas. La electrónica de potencia HVDC para manejar todo esto deberá probarse y certificarse. Y quizás lo más importante, todo esto cuesta dinero. Montones y montones de dinero. No espere que el cambio de CA a CC suceda pronto o rápidamente, si es que sucede.

Está justo ahí en su gráfico, elemento 6: "Terminal múltiple/tapping: Difícil".

HVDC ya se usa ocasionalmente para enlaces punto a punto, pero cuanto más parecido a una red y de múltiples caminos es el sistema de distribución eléctrica, menos conveniente es. En los países europeos compactos, la longitud media no perturbada de un segmento de la red es corta, por debajo del punto de equilibrio económico de ~100 km.

Personalmente, creo que es más probable que veamos el despliegue de microrredes de CC de bajo voltaje alimentadas por energías renovables y bancos de baterías antes de que veamos una conversión total de la red de CA a CC.

Esto es lo que te estás perdiendo: estás pensando como un ingeniero, no como una persona de negocios. Sigue el dinero. Cuando tenga sentido económico convertir a CD, incluidos todos los costos de reemplazar la infraestructura existente, etc., sucederá. En los casos en que DC tiene sentido, ha sucedido y está sucediendo.

Te doy otra buena razón contra las redes DC además de:

• semiconductores y condensadores caros y propensos a fallas
• molestia abrumadora de EMC en todos esos circuitos de chopper y PFC
• aumento de la corrosión cuando se producen fugas

Seguridad. Es muy difícil construir disyuntores para redes de CC de alta tensión/alta corriente. Los fusibles deben ser cinco veces más grandes para apagar el arco de forma segura. Los interruptores necesitan cámaras de explosión mucho más grandes y elaboradas debido a la capacitancia de la rejilla y el comportamiento de arco totalmente diferente.

En el sistema de distribución de CA, todos los alternadores deben estar sincronizados no solo por frecuencia, sino también por ángulo. Cada vez que aumenta una carga, trata de reducir la velocidad de los alternadores. Eso no está permitido, y el poder tiene que aumentar. Si una carga es demasiado alta, debe desconectarse y esto ejerce una presión adicional sobre otros alternadores. En teoría, HVDC es más estable y tolerante. La razón por la que usamos CA es porque hasta hace poco era el mejor método. Como mencionaron otros, cambiar a HVDC es costoso.

Todas las respuestas anteriores cubren las preguntas del OP, pero pensé que simplemente agregaría algo que se dijo anteriormente con respecto a las redes de CC de corta duración localizadas. La próxima 'revolución' en la distribución de energía serán los sistemas de respuesta a la demanda ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) que proporcionan energía localizada a través de redes comunitarias alimentadas por baterías, energía solar y otras energías renovables.

Tesla (la empresa, no el hombre) nos está mostrando adónde va esto con su paquete de baterías domésticas: imagine los ahorros en las facturas domésticas inherentes al poder cambiar a la batería durante las horas pico de costo de energía y cargar las baterías a través de PV y otros durante las horas de menor actividad. .

Reúna algunas casas para compartir esa capacidad en una comunidad y luego también podría tener suficientes recursos para vender su exceso a otros miembros/comunidades (ya puede volver a venderlo a la red en el Reino Unido). Tal vez este tipo de red secundaria podría ser HVDC si todos los miembros de la comunidad son participantes.

Hay varias razones por las que la CC de alto voltaje aún no es práctica, sin embargo, está retrocediendo lentamente en algunas aplicaciones de nicho.

• Los transformadores de CA son una tecnología muy robusta y probada con muchos años de investigación, mejora y optimización a sus espaldas y son mucho más baratos que el transformador de CC/CA--Transformador de alta frecuencia--contraparte de CA/CC y, por supuesto, son mucho más confiables.
• Los disyuntores que se utilizan para romper circuitos bajo carga o cortocircuito son un problema grave en los sistemas de CC, ya que en un sistema de CA las corrientes inherentemente tienen que pasar por cero, es mucho más fácil interrumpir las corrientes de CA, los disyuntores de CA están muy por delante de los Contrapartes de CC en precio, rompiendo la capacidad actual, vida y ...
• incluso si llegamos al punto en que ambas tecnologías están a la par entre sí, lo que todavía lleva muchos años hasta ese punto, debe comprender que los operadores de distribución de CA son muy reacios y cautelosos a la hora de aplicar nuevas tecnologías.

El uso sin conexión a la red en el hogar para iluminación y computación es sin duda más eficiente con CC. La iluminación LED utiliza una fracción de la potencia de la iluminación incandescente y fluorescente. El LED debe usar CC y, por esta razón, cada luz LED debe tener un convertidor de CA a CC que es ineficiente y propenso a fallar. De hecho, la mayoría de las fallas de las luces LED se deben al circuito de conversión y muy rara vez a la fuente de luz LED en sí.

Todas las computadoras y la electrónica usan CC. Funcionan con una batería o, si están conectados a la red de CA, deben convertir la CA de la red en la CC requerida por la electrónica a través de circuitos que consisten en puentes rectificadores, transformadores reductores, capacitores, tiristores, etc.

A los filamentos de calentamiento para calentadores eléctricos no les importa si usa CC o CA, ya que es una carga puramente resistiva. Sin embargo, el ventilador para los calentadores tendría que ser ventiladores de CC.

Se necesitaría CA para cualquier electrodoméstico o equipo que use motores y/o compresores de CA, es decir, refrigeradores, HVAC, ventiladores, bombas, electrodomésticos enchufables, etc. Aunque cada vez más herramientas eléctricas usan paquetes de baterías de CC recargables en lugar de enchufables. , y los cargadores son DC.

Dado que la generación de energía en el sitio es CC para energía solar y puede ser CC para alternadores mecánicos para energía eólica y biomasa, no es eficiente tener que usar inversores para convertir la energía generada en CA solo para convertirla nuevamente en CC para usos antes citada.

Este es el sistema ahora, pero a medida que las empresas de servicios públicos siguen aumentando las tarifas y la infraestructura de transmisión se vuelve menos confiable, cada vez más hogares buscarán utilizar energía de CC generada localmente fuera de la red. Todavía usarán la energía de CA de la red pública o los inversores de la pila de baterías del hogar para los equipos y electrodomésticos que deben usar CA.

Si bien la CA sigue siendo la opción más económica para la transmisión de energía por tierra a menos de 500 km, la tendencia es hacia la generación y el almacenamiento de electricidad local en el sitio, independientemente de la red. Las empresas de servicios públicos ya son conscientes de esta tendencia y se asocian con municipios y proveedores en el sitio para la recompra, integración y otros de la red.

AC se beneficia de una masa crítica de larga experiencia, confianza de la industria, una amplia variedad de productos a precios razonables y servicio y soporte fácilmente disponibles.

Los transformadores de CA son a prueba de balas. Digamos que alguien quiere un receptáculo de RV de 50 A/240 V en el lado más alejado de nuestra propiedad a 2000 pies de distancia. Puedo usar transformadores comunes para impulsar nuestro servicio de 240 V hasta 2400 V, ejecutar una línea de poste y otro transformador. Barato, fiable y listo para usar. No tendrás que preocuparte de que el transformador falle, nunca. Y si necesitara servicio, la cantidad de electricistas en mi condado rural que sabrán lo que están buscando y pueden respaldarlo definitivamente no es cero.

HVDC no puede reclamar nada de eso.

Hay un viejo adagio del mundo de las computadoras centrales de la década de 1960 cuando empresas como Burroughs y Sperry intentaban acabar con el casi monopolio de IBM: "Nadie fue despedido nunca por comprar IBM".

¿Qué administrador de instalaciones se va a jugar el cuello con HVDC? Yo no hoy, creo. Quizas mañana. No hay boom mañana.