Si pudiéramos comenzar nuestra red eléctrica desde cero con la tecnología actual, ¿cuál sería la opción más eficiente? ¿CA o CC?

Un poco de historia

Las sugerencias detrás de este tema van en contra de lo que se les ha enseñado a muchos ingenieros eléctricos desde su primer curso de circuitos: que la CA es mejor para la transmisión de energía. Después de todo, en la "guerra de las corrientes" a finales de 1800, fue Tesla quien ayudó a Westinghouse a luchar por AC, finalmente derrotando los sueños de Edison de un imperio de DC.

La principal ventaja de usar CA sobre CC en este momento era la eficiencia. Se volvió cada vez más fácil transformar un voltaje de CA a otro, especialmente cuando se compara con el costo, la dificultad y la ineficiencia de convertir un voltaje de CC a otro en ese momento. De acuerdo con la Primera Ley de Joule , la cantidad de energía desperdiciada como calor en las líneas de transmisión es proporcional a la corriente al cuadrado. Teniendo en cuenta que las líneas de transmisión tienen una resistencia fija (básicamente) conocida, entonces, para una transmisión de la misma cantidad de energía, se desperdicia mucho más en una transmisión de baja tensión y alta corriente que en una transmisión de alta tensión y baja corriente. Como se indicó, era muy poco práctico convertir los voltajes de CC a un nivel lo suficientemente alto como para superar la pérdida de línea en comparación con la relativa facilidad de transformar los voltajes de CA.

Como nota al margen, muchos lugares nunca cambiaron por completo de los sistemas de transmisión de CC originales a CA hasta mediados del siglo XX.

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Esto no quiere decir que AC no tenga sus propios problemas. El efecto de piel es un ejemplo de que la CA es menos eficiente que la CC, pero aún así no compensa las pérdidas de línea mencionadas anteriormente. Otro problema es el de la descarga de corona que se produce a altos niveles de voltaje de transmisión. En largas distancias, la alimentación de CA también tiene problemas de estabilidad. Este artículo de IEEE ubica algunas distancias diferentes y señala que la reactancia de línea se puede compensar en distancias de hasta 600 a 700 millas.

Con implementaciones modernas de válvulas de arco de mercurio, tiristores e IGBT, y medios eficientes de conversión de voltaje de CC, la transmisión HVDC no solo es posible, sino que supera muchos de los problemas que enfrenta la transmisión HVAC. La distancia de transmisión total es mucho mayor y se superan los efectos de CA mencionados. Además, el costo asociado con HVDC es menor que HVAC, una vez que se ha cruzado un umbral de distancia. Este diferencial de costo se analiza en detalle en este documento, que también incluye un desglose del costo de la subestación de energía. El costo también se analiza en el enlace proporcionado por Jake en su respuesta .

El hecho es que la infraestructura eléctrica actual se basa en la transmisión de energía de CA. La gran mayoría de la tecnología moderna requiere este tipo de energía para un funcionamiento adecuado, y si nunca se hubiera usado CA, dudo que tuviéramos muchos de los "avances" tecnológicos que conocemos y amamos. Teóricamente, el uso exclusivo de HVDC podría resultar más eficiente, pero para compensar la diferencia de costos, un sistema HVAC/HVDC híbrido es la mejor solución, al menos en este momento del desarrollo humano.

Creo que un buen candidato a considerar sería CA trifásica en cada tomacorriente.

• Se pueden usar transformadores resistentes y eficientes para el aislamiento y el cambio de voltaje
• No se requieren condensadores de depósito de frecuencia de red para fuentes de alimentación de CC o unidades de motor VFD
• Los motores trifásicos eficientes se pueden usar directamente donde es posible una sola velocidad
• Se requiere menos cobre para la misma transmisión de energía y pérdidas.

El costo es conductores adicionales y pines de conector.

Con el aumento del costo del cobre y otros metales útiles, y los problemas ambientales con los aceites aislantes utilizados en ellos, los transformadores de CA de alta potencia se están volviendo muy caros, en comparación con sus equivalentes de estado sólido. No es solo el costo de los devanados, sino también las grandes cajas de metal y los costos de transporte e instalación asociados con transformadores tan grandes.

Un cambio a la transmisión de CC de alto voltaje probablemente sería un lavado de cara en términos de eficiencia, sin embargo, podría tener un costo menor si no tuviéramos ya nuestra infraestructura actual. Todavía se necesitarían transformadores, pero en lugar de transformadores de potencia de baja frecuencia, acoplaríamos convertidores CC-CC de semiconductores con transformadores de potencia de alta frecuencia que pueden ser mucho más pequeños (por lo tanto, más baratos) para la misma cantidad de capacidad de conversión de energía.

La pregunta es significativa, pero implica que es posible una respuesta simplista. Realmente no lo es. La solución óptima puede deducirse de las estrategias de transmisión y distribución que se están implementando en todo el mundo. Mire el artículo de Wikipedia o muchos otros artículos que se pueden encontrar. En nuestros primeros años, Tesla trabajó para Edison. Edison era un hijo de puta en general y fue tan desagradable con Tesla específicamente, Tesla renunció y básicamente le dio todas sus patentes a George Westinghouse. Tesla SABÍA que la transmisión de CC a larga distancia no era factible EN ESE MOMENTO debido a la incapacidad de aumentar o disminuir el voltaje. Westinghouse (usando la tecnología de Tesla) apoyó la construcción de la central hidroeléctrica Adams AC cerca de las Cataratas del Niágra. Suministró energía a Niagra y también a lugares tan lejanos como Buffalo. Inaugurado en 1985. Fue la primera planta de energía importante ~ 2MW para distribuir a largas distancias en el mundo. La gerencia de GE fue tomada por sorpresa y básicamente pusieron a Edison en una caja. Esto proviene de documentos internos de GE. Ahora se dieron cuenta de que la transmisión de CA era tan importante que contrataron al "Mago de Schenectady", Charles Steinmetz, ya que necesitaban a alguien que entendiera la energía de CA. ¿Qué pasaría hoy en los EE.UU.? Nuestras instalaciones de generación/transmisión/consumo de energía se construirían con criterio de ingeniería, utilizando principalmente CA, y se construirían líneas de transmisión más largas para la transmisión de CC. Probablemente tendríamos más líneas de CC de las que tenemos ahora, simplemente porque no tendríamos muchas líneas de CA que actualmente ocupan el derecho de paso. Los convertidores AC/DC todavía son extensos, por lo que probablemente no habría No se consumirá mucha energía de CC localmente EN ESTE MOMENTO. Los motores de inducción de CA son mucho más simples que cualquier motor de CC que conozco; feliz de saber si esto no es cierto. Además, hay una razón por la que se eligieron 50 o 60 hercios para las frecuencias de transmisión. Requiere más hierro en el motor, pero permite que el motor genere energía a una velocidad de rotación más baja. El sistema eléctrico de los aviones es de 400 Hz CA y tiene generadores y motores más pequeños y MÁS LIGERO. Sin embargo, no tienen el poder. La gran potencia requiere devanados internos pesados ​​tanto para los generadores como para los motores. 50-60 Hertz no fue una decisión caprichosa. Los grandes generadores de energía giran a frecuencias MUCHO más bajas, ya que sus bobinados internos pesan TONELADAS. Los generadores grandes suelen tener veinte polos o más (giran a 3 HZ, a veces menos). Por lo tanto, la distribución a los consumidores industriales probablemente se mantendría en 60 HZ AC. ¿Qué tal en tu casa? Los voltajes de distribución local tienen que estar alrededor de 2000-4000 voltios, como lo son ahora. Eso es lo que entra en el transformador de tu poste. DC tendría que ser lo mismo, solo por economía de transmisión. Eso significaría que la electricidad de CC tendría que invertirse de (p. ej.) +- 400 KV a (p. ej. 115 KV) CA, transformarse a (p. ej. 34,5 KV) CA, rectificarse a (p. ej. +-1 KV) CC y entregarse a El polo. Esta estrategia de reducción de voltaje, ya que tiene que ver con qué voltajes se pueden transmitir económicamente a qué distancias. Incluso si todo fuera CC, lo cual no es económicamente factible, el +- 1KV en el polo podría invertirse a 125 V CA (también necesitaría invertir a 250 V CA para obtener el voltaje más alto para su estufa que obtiene automáticamente de la técnica de "distribución de tres hilos Edison" de CA que Se usa en todas partes en los EE. UU. Si rediseñáramos TODO para usar 250V AC (como en otros países) esto último se obviaría. Sin embargo, comprenda que incluso los motores de CC pequeños (domésticos) son caros y más complejos que los motores de CA. Podríamos usar motores de CC en electrodomésticos, pero el costo aumentaría y la confiabilidad disminuiría. Entonces, aunque la respuesta no es simple, hay una respuesta. Tendríamos que hacer mucha ingeniería...