Transformador inteligente para el cambio de energía

Transformador inteligente para el cambio de energía

En craneal di vid cranial com cranial ponents of the new trans cranial form in a lab cranio r craneal tory set craneal ting Crédito: ETH Zurich / Pe cran ter Rmeiegg

Un nuevo transformador inteligente de media tensión desarrollado en ETH Zurich presenta tecnología de semiconductores de vanguardia, lo que lo hace extremadamente compacto y eficiente en energía. Las aplicaciones futuras van desde locomotoras hasta estaciones de carga rápida para vehículos eléctricos y desde fuentes de alimentación para centros de datos para su uso en futuras redes eléctricas.

Los ingenieros eléctricos de ETH Zurich han desarrollado un transformador electrónico inteligente que funciona de manera extremadamente eficiente para transformar media tensión en baja tensión. Los transformadores inteligentes de este tipo también son mucho más pequeños que los transformadores estándar. Esto los hace especialmente adecuados para su uso en lugares donde el espacio es limitado o el peso debe mantenerse al mínimo, como es el caso, por ejemplo, de las locomotoras sobre raíles.

La mayoría de las redes eléctricas para aplicaciones ferroviarias suministran corriente alterna a nivel de media tensión. Luego, las locomotoras reducen el voltaje a un valor más bajo. “Por razones técnicas, cuanto menor sea la frecuencia de la corriente alterna, mayor será el transformador necesario para reducir la tensión. Y a 16,7 Hertz, la frecuencia utilizada en el transporte ferroviario en Suiza y en varios otros países europeos es relativamente baja”, explica Daniel. Rothmund, uno de los dos estudiantes de doctorado en el grupo del profesor Johann Kolar de ETH que construyó el nuevo transformador.

Para sortear este problema de tamaño, los transformadores inteligentes tienen un truco bajo la manga: primero, un convertidor frontal aumenta considerablemente la frecuencia de la corriente alterna, lo que significa que el transformador en sí puede ser mucho más pequeño. Luego, un convertidor posterior produce corriente alterna a la frecuencia deseada.

Conmutación a frecuencias extremadamente altas

Rothmund y su colega Thomas Guillod tuvieron que desarrollar muchos de los componentes para su transformador ellos mismos, ya que hay pocos componentes disponibles para la media tensión de 10.000 voltios con la que trabajan. Los componentes hechos de carburo de silicio que permiten cambiar extremadamente rápido los prototipos fabricados por una empresa estadounidense fueron especialmente importantes. Con estos, los doctorandos de la ETH pudieron convertir la tensión media a una frecuencia muy alta de 75.000 hercios; como resultado, el sistema de transformadores que construyeron es solo un tercio del tamaño de los transformadores inteligentes anteriores con clasificaciones de potencia similares. Y mientras que los sistemas anteriores lograron una eficiencia energética de alrededor del 96 por ciento, Rothmund y Guillod lograron un 98 por ciento; en otras palabras, pudieron reducir a la mitad las pérdidas de energía del 4 por ciento a solo el 2 por ciento.

Transformador inteligente para el cambio de energía
Este convertidor de media tensión forma parte del nuevo transformador inteligente. Crédito: ETH Zurich / Daniel Rothömund

Su trabajo de investigación se llevó a cabo como parte del Programa Nacional de Investigación de Suiza “Energy Turnaround” (NRP 70), que se centra en investigar las tecnologías necesarias para implementar la Estrategia Energética 2050 del país.

Rectificación de corriente alterna

Las locomotoras sobre raíles son solo una de las muchas aplicaciones de estos nuevos transformadores. “A diferencia de los transformadores convencionales, los transformadores inteligentes se pueden controlar”, explica Rothmund. Se pueden utilizar en futuras redes eléctricas, conocidas como redes inteligentes, para gestionar activamente la distribución de energía y equilibrar las fluctuaciones en la generación y demanda de electricidad.

El nuevo sistema es capaz no solo de alterar la frecuencia de la corriente alterna en la red, sino también de convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Una aplicación podría ser futuras estaciones de carga rápida a gran escala, que pueden cargar varios vehículos eléctricos simultáneamente. Estos puntos de carga podrían luego conectarse directamente a la red de CA de voltaje medio existente, con los transformadores compactos eficientes luego reduciendo el voltaje medio al voltaje deseado. “Las baterías se cargan con un voltaje de CC comparativamente bajo”, explica Rothmund, y agrega: “En comparación con la tecnología convencional, los transformadores inteligentes tienen la ventaja cuando se trata de producir CC a partir de una red de CA de voltaje medio”.

Otra clase de consumidor a gran escala que se beneficiará de este desarrollo son los centros de datos. Proporcionarles sistemas de suministro de energía más eficientes reduciría no solo sus facturas de electricidad, sino también la cantidad de calor residual producido, minimizando así la energía necesaria para la refrigeración.

Irónicamente, la nueva tecnología bien podría hacer más que facilitar el cambio hacia una nueva economía energética que está descarbonizada y electrificada; también podría facilitar la explotación de reservas de combustibles fósiles difíciles de alcanzar. La industria del petróleo y el gas está trabajando actualmente en formas de acceder a depósitos en alta mar ubicados en las profundidades de los océanos utilizando fábricas submarinas en lugar de plataformas de perforación. Estos contarían con bombas, compresores y robots ubicados en el fondo del océano y extrayendo electricidad de un “cordón umbilical” que se extiende varios kilómetros hasta la tierra. La nueva tecnología significa que los cables podrían transportar CC, que se puede transmitir de manera más eficiente que la CA a largas distancias, mientras que un convertidor relativamente pequeño en el fondo del océano podría convertir la CC en la CA que requieren las máquinas.


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