El mundo necesita cada vez más electricidad y líneas eléctricas. Sin embargo, cada vez hay menos espacio para nuevas líneas. Los nuevos tipos de superconductores pueden salvar los obstáculos.

Cuando la electricidad fluye a través de un cable normal, tiene que superar la resistencia eléctrica del cable. Esto consume parte de la energía. También se generan calor residual y campos eléctricos como subproductos indeseables. Todo esto se puede evitar con la superconductividad. A temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 grados Celsius), los superconductores metálicos descubiertos en 1911 ya no tienen resistencia y la corriente puede fluir sin pérdidas. Sin embargo, enfriar a temperaturas tan bajas requiere mucha energía.

La superconductividad ahorra espacio y transformadores

Los superconductores fabricados con materiales cerámicos especiales ofrecen esta propiedad incluso a temperaturas más altas. Esto se aproxima al punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 grados Celsius). Se les conoce como superconductores de «alta temperatura». En 1987 se les concedió el Premio Nobel de Física por su descubrimiento. Los cables fabricados con estos materiales pueden utilizarse para resolver toda una serie de problemas relacionados con la conducción de la electricidad.
Por ejemplo, las considerables pérdidas por transformación que se suman a las pérdidas por transmisión: las líneas aéreas convencionales requieren alta tensión para transmitir la energía con el menor flujo de corriente posible. Por lo tanto, la electricidad procedente de parques eólicos y solares se transforma primero al alza cuando se inyecta en la red y luego se transforma de nuevo a la baja para el consumidor.
Si se quiere utilizar la energía solar para la producción electrolítica de hidrógeno verde, por ejemplo, se pierde parte de la energía original durante la transformación. Con una conexión superconductora, en cambio, el flujo de corriente es irrelevante; la corriente fluye sin transformación y sin pérdidas desde el parque solar hasta el electrolizador, independientemente de si el voltaje es alto o bajo.

Planificación sin normas de distancia

En otros lugares, la superconductividad puede hacer posibles nuevas líneas eléctricas. Las líneas de alta tensión convencionales requieren mucho espacio, tanto por encima como por debajo del suelo. En regiones densamente pobladas, la planificación se enfrenta rápidamente a las normas de distancia aplicables. No se pueden tender nuevas líneas en todas partes, ni siquiera bajo tierra, debido al calor residual y a los inevitables campos eléctricos. Gracias a la nueva tecnología, los proveedores de electricidad pueden planificar tramos con superconductores en puntos críticos para obtener un permiso.
 La clave de los superconductores es la refrigeración. No debe consumir más energía de la que se ahorra con la transmisión sin pérdidas. La capacidad de conducción de corriente de los superconductores de alta temperatura aumenta a medida que desciende la temperatura. Por ello, Messer ha desarrollado un sistema de refrigeración que proporciona nitrógeno líquido refrigerante a una temperatura inferior a su punto de ebullición normal (-196 grados Celsius). Se puede bajar hasta cerca del punto de congelación del nitrógeno (-210 grados Celsius). El primer sistema de este tipo se puso en funcionamiento en 2014.

El principio de la hipotermia

En este sistema existente, los cables superconductores se encuentran en tubos aislados al vacío (criostatos) por los que fluye el gas líquido criogénico. El aislamiento al vacío puede proteger el frío del entorno más cálido de forma muy eficaz, pero no completamente. Por lo tanto, es necesario un post-enfriamiento continuo. Para ello, una bomba de circulación introduce nitrógeno líquido en el criostato. El gas se denomina «sobreenfriado» porque su temperatura de -206 grados Celsius está muy por debajo del punto de ebullición.

En el otro extremo de la sección del cable, el nitrógeno líquido, ligeramente más cálido, se desvía y vuelve a la bomba a través de una línea de retorno. A continuación, el nitrógeno fluye a través de un intercambiador de calor integrado en el subenfriador, donde se disipa el calor absorbido.

En el subenfriador, el nitrógeno líquido del tanque se utiliza para generar frío. Se deja evaporar a presión negativa. Esto produce una temperatura de funcionamiento de -209 grados Celsius, 13 grados por debajo del punto de ebullición del nitrógeno a presión normal. El sistema de refrigeración debe estar diseñado de tal manera que pueda compensar el calor generado por el criostato del cable y la línea de retorno, así como el calor generado por el proceso de bombeo. También se requieren estaciones de enfriamiento intermedias para secciones de cable más largas. Estas no requieren tanques de almacenamiento, ya que pueden funcionar con nitrógeno líquido del sistema de circulación. No obstante, el costo de su instalación es considerable.

El nuevo sistema minimiza las pérdidas

Con el nuevo sistema de refrigeración desarrollado por Messer, las pérdidas energéticas combinadas pueden reducirse hasta en un 50 %. Funciona sin línea de retorno ni bomba de circulación, y no se necesitan estaciones de refrigeración intermedias. Esto también reduce significativamente los costes de inversión. El núcleo del concepto de refrigeración es un escudo refrigerado activamente alrededor del criostato del cable.

El nitrógeno líquido se extrae del tanque de almacenamiento a través de una válvula de expansión, que se evapora en el subenfriador en condiciones de vacío, alcanzando una temperatura de hasta -209 grados Celsius. Al mismo tiempo, el nitrógeno líquido se alimenta desde el tanque a través del intercambiador de calor en el subenfriador. Esto se enfría a alrededor de -206 grados Celsius. No se requiere una bomba; la presión necesaria para el flujo se genera en el tanque.

Superconductores de hasta 100 kilómetros de longitud

El nitrógeno líquido sobreenfriado que sale del subenfriador fluye ahora a través del tubo interior del criostato del cable, manteniendo frío el conductor de corriente superconductora. El escudo de refrigeración adicional garantiza que la entrada de calor en la dirección del superconductor se reduzca a una décima parte de la de un criostato simple. Por lo tanto, el flujo másico de nitrógeno líquido necesario para el flujo también se reduce en un factor de 10. La pérdida de presión del flujo se reduce incluso en un factor de 100.

En el otro extremo del criostato, el flujo de nitrógeno del superconductor se introduce en el escudo de refrigeración. Allí, el gas líquido se vaporiza y genera el frío que compensa la entrada de calor del criostato. Los separadores de fase (desgasificadores) descargan el nitrógeno vaporizado en el escudo de refrigeración al entorno, reduciendo así la pérdida de presión de flujo en el escudo. Con esta tecnología, se pueden implementar secciones de cable de hasta 100 kilómetros de longitud de forma eficiente desde el punto de vista energético, rentable y con un nivel muy alto de fiabilidad operativa.

Durante más de 125 años, Messer, la mayor empresa privada del mundo dedicada a los gases industriales, gases médicos, gases especiales y gases para electrónica, se ha comprometido con sus principios rectores de seguridad, atención al cliente y a los empleados, responsabilidad social, sostenibilidad, confianza y respeto. Los gases para la vida y las aplicaciones de gases patentadas de Messer son esenciales para la protección del medio ambiente, la protección del clima, la descarbonización y la innovación.