¿Por qué los sistemas de transmisión / distribución de energía son AC y no DC?

¿Hay una buena razón por la cual no estamos en el proceso de convertir completamente nuestro sistema de transmisión eléctrica a CC? La razón principal para usar AC en la red (sin ofender a Tesla, te amo, hombre) fue permitir la transformación a voltajes más altos para reducir las pérdidas de línea ( ) y si el tamaño del conductor sigue siendo el mismo , cuando se incrementa en la ecuación entonces debe disminuir necesariamente, en pérdidas de giro decreciente como el cuadrado de$P=IE=I^2R$E = I R I $E$$E=IR$$I$$I$) Pero ahora tenemos la capacidad de transformar AC (en todos los generadores térmicos, hidráulicos y eólicos) y DC (en generadores solares) a cualquier nivel de DC que deseemos y transmitamos, generalmente a cargas residenciales o comerciales que tienden a usar DC de todos modos. Si es necesario, se puede convertir de nuevo a CA en cargas industriales (motores generalmente).

De esta manera, muchos transformadores, condensadores, problemas de espacio, etc. pueden eliminarse de la red eléctrica, aumentando drásticamente la eficiencia y, a su vez, disminuyendo las emisiones y los costos.

¿Me estoy perdiendo de algo?

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 corriente alterna se impulsa mucho más fácilmente a alto voltaje (no se necesitan componentes electrónicos). Impulsar cargas industriales utilizando electrónica de silicio no es práctico.

Otra es la facilidad de cambio bajo carga. Si apaga una carga conectada a CC, el arco eléctrico en el interruptor debido a la inductancia del cable y la inductancia de 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 generar y aumentar la CC y luego convertirla en CA en el punto de carga como usted propone.

Se utiliza HVDC: Lista de proyecto 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 has gastado mucho dinero construyendo una red? Simplemente espere hasta que el sistema existente ya no sea viable, y luego actualice.

Los datos parecen justificar esto: China está construyendo una gran cantidad de líneas de transmisión HVDC porque tienen dinero y realmente no tienen ninguna red existente para interactuar / competir. Del mismo modo, hay proyectos en Europa y América, pero estos parecen estar más limitados a las 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 / desea transmisión multipunto. Esto hace que el enrutamiento de un sistema HVDC sea más difícil que un sistema de CA.

Mkeith ha respondido la pregunta como se le preguntó, es decir, cuáles son las principales desventajas de la distribución de HVDC. Una "respuesta contraria" a eso por helloworld922 (la siguiente respuesta más votada aquí actualmente) apunta en la dirección de un montón de casos en los que se utilizó / se utilizó HVDC. Todos estos ingenieros no podrían haber estado locos, así que creo que es importante explicar aquí cuando HVDC tiene sentido. (Por cierto, esa habría sido una pregunta mejor que la que hizo el OP).

Para comenzar, hay algunos casos en los que AC sería casi inviable. Esto incluye la conexión de redes de alimentación de CA que funcionan de forma asíncrona entre sí, como la conexión de sistemas de 50 y 60 Hz; sucede en Japón, por ejemplo: Japón oriental usa 50Hz y Japón occidental usa 60Hz. En realidad, hay algunas aplicaciones de nicho más en las que 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), el Sistema de Energía Eléctrica de Delea y Casazza tiene una lista más larga.

Dejando a un lado tales casos de nicho, creo que es importante enfatizar que existe una optimización de costos totaleseso puede (y de hecho debería) realizarse al decidir si AC o DC debería ser el método de transmisión para una línea de alimentación. Los dos factores principales son el costo de la línea en sí (cables, torres si corresponde, por ejemplo, no submarino) y el costo de los terminales. En general, 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 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 la torre) debe resistir el valor pico de CA, mientras que solo se está beneficiando de la transmisión de "potencia RMS" (más correctamente, la 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 de costo total en realidad le brinda la aplicación principal de HVDC hoy en día: transmitir grandes cantidades de energía a largas distancias (y, por ese motivo, sin tocar / interrumpir). Los valores típicos en los que HVDC es más económico que AC transmiten 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 sorprendernos 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 sintética (es decir, a nivel de libro de texto en lugar del mundo real) para un nivel de potencia predeterminado, por lo que solo se representa 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 costo concreta, aquí hay algunos valores (de acuerdo con Larruskain et al .) Para lo que está cerca de la potencia más baja para la que se fabrican los componentes del terminal HVDC:

• Convertidor de tiristores, 50 MW, 100kV. El valor aproximado por unidad es: 500 EUR / kW
• Par convertidor 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 precio 20x-60x entre un rectificador y un transformador a 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, aumentando drásticamente la eficiencia y, a su vez, disminuyendo 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 todavía estaba conectado a la red de CC eran elevadores muy antiguos en edificios antiguos. En Melbourne, después de una falla en la línea de transmisión, era más barato darle a cada cliente de CC restante un rectificador y conectar el equipo viejo 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 continúa utilizándose para interconectar redes HV: para mantener la estabilidad de la red en conexiones largas y, particularmente en cables subterráneos / submarinos, para reducir la pérdida dieléctrica y el efecto de la piel.

Sí, te estás olvidando de algo. Con los transistores modernos y otros componentes electrónicos, podemos impulsar la CC a un 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 1880. 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 deberán rehacerse por completo. La electrónica de potencia HVDC para manejar todo esto deberá ser probada y certificada. Y quizás lo más importante, todo esto cuesta dinero. Montones y montones de dinero. No espere que el cambio de CA a CC ocurra pronto o rápidamente, si es que lo hace.

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

El HVDC ya se usa ocasionalmente para enlaces punto a punto, pero cuanto más cuadriculado y multirruta sea el sistema de distribución eléctrica, menos conveniente será. 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 fuentes renovables y bancos de baterías antes de ver una conversión total de la red de CA a CC.

Esto es lo que se está perdiendo: está pensando como un ingeniero, no como una persona de negocios. Sigue el dinero. Cuando tenga sentido económico realizar la conversión a DC, 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:

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

La seguridad. Es muy difícil construir disyuntores para redes de CC de alto voltaje / alta corriente. Los fusibles tienen que 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 red y al comportamiento de arco totalmente diferente.

En el sistema de distribución de CA, todos los alternadores deben sincronizarse no solo por frecuencia, sino también por ángulo. Cada vez que aumenta una carga, intenta ralentizar 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 más indulgente. La razón por la que usamos ac es porque era el mejor método hasta hace poco. Como lo mencionaron otros, cambiar a HVDC es costoso.

Todas las respuestas anteriores cubren las preguntas del OP, pero pensé que agregaría algo a lo dicho anteriormente con respecto a las redes DC localizadas de corto plazo. La próxima 'revolución' en la distribución de energía será la respuesta a la demanda ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response sistemas de ) que proporcionan energía localizada a través de redes comunitarias alimentadas por baterías, energía solar y otras energías renovables.

Tesla (la compañía no es el hombre) nos está mostrando a dónde va esto con su paquete de baterías domésticas: imagine los ahorros en las facturas domésticas inherentes al poder cambiar a la batería durante los tiempos de mayor costo de energía y cargar las baterías a través de PV y otros durante la temporada baja .

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). Quizás este tipo de subcuadrícula podría ser HVDC si todos en la comunidad son participantes.

Hay varias razones por las cuales el DC de alto voltaje aún no es práctico, sin embargo, se está arrastrando lentamente hacia atrás 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 muy más baratos que el DC / AC - Transformador de alta frecuencia - Contraparte de AC / DC, y por supuesto son mucho más confiables
• Los interruptores automáticos 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 tienen que pasar inherentemente cero, es mucho más fácil romper las corrientes de CA, los interruptores de CA están muy por delante de DC contrapartes en el precio, rompiendo la capacidad actual, la vida y ...
• incluso si llegamos al punto de que ambas tecnologías están a la par entre sí, lo que aún lleva muchos años hasta ese punto, debe comprender que los operadores de distribución de CA son muy reacios y cautelosos al aplicar nuevas tecnologías

El uso fuera de la red en el hogar para iluminación y computación es seguramente más eficiente con DC. La iluminación LED utiliza una fracción del poder 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 sea ineficiente y propenso a fallas. De hecho, la mayoría de las fallas de las luces LED se deben a los circuitos de conversión y muy rara vez a la fuente de luz LED.

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

Los filamentos de calefacción para calentadores eléctricos no me importan si usa CC o CA, ya que es una carga puramente resistiva. Sin embargo, el ventilador de los calentadores tendría que ser de CC.

Se necesitaría CA para cualquier electrodoméstico o equipo que utilice motores y / o compresores de CA, es decir, refrigeradores, HVAC, ventiladores, bombas, electrodomésticos enchufables, etc. Aunque cada vez más herramientas eléctricas utilizan paquetes de baterías de CC recargables en lugar de enchufar , 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 que se vuelva a convertir en CC para usos antes citada.

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

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

AC se beneficia de una masa crítica de larga experiencia, confianza en 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 50A / 240V 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 polo y otro transformador. Barato, confiable y listo para usar. No tendrá que preocuparse por la falla del transformador, nunca. Y si necesitaba servicio, la cantidad de electricistas en mi condado rural que sabrán lo que están viendo y pueden apoyarlo definitivamente no es cero.

HVDC no puede reclamar nada de eso.

Hay un viejo adagio del mundo de los mainframes de la década de 1960 cuando equipos como Burroughs y Sperry intentaban romper el casi monopolio de IBM: "Nadie fue despedido por comprar IBM".

¿Qué gerente de la instalación va a sacar el máximo provecho de HVDC? Yo no hoy, creo. Quizas mañana. No boom mañana.