Ventajas e inconvenientes de las tecnologías HVAC y HVDC

Las fuentes de energía eléctrica raramente están cerca de los centros de consumo. La alta tensión en corriente continua (HVDC) ha demostrado ser una tecnología excelente para transportar grandes cantidades de electricidad a cientos, o incluso miles de kilómetros, donde más se necesita, con pérdidas muy inferiores a las de las líneas equivalentes de corriente alterna (HVCA).

Los imperativos térmicos limitan generalmente las capacidades de transmisión de las líneas HVAC a 400 MW para 230 kV, 1.100 MW para 345 kV, 2.300 MW para 500 kV y unos 7.000 MW para 765 kV. Sin embargo, además de estas restricciones térmicas, la capacidad de los sistemas de transmisión de CA también depende de las limitaciones de tensión, de estabilidad y de operación del sistema. En consecuencia, la capacidad de entrega de energía eléctrica de largas líneas de transmisión HVAC suele ser muy inferior a estos valores.

En cuanto a la transmisión HVDC es más eficiente para la transferencia masiva de energía a largas distancias (por ejemplo, más de 600–1.000 km) con líneas aéreas. Los sistemas HVDC tienen una capacidad de transporte entre 2 y 5 veces la de una línea de CA de tensión similar.

El impacto medioambiental de las líneas HVDC es menos grave que el de las líneas de corriente alterna, ya que se necesita menos terreno para derechos de paso. A menudo, HVDC se ha utilizado para interconectar sistemas de CA cuando no es posible establecer enlaces de AC por falta de estabilidad del sistema o por diferencias de frecuencia nominal de los dos sistemas. Además, la transmisión HVDC se utiliza también para cables submarinos de más de 50 km de longitud, ya que la transmisión HVAC es poco práctica por las altas capacitancias del cable (de lo contrario, se requerirían estaciones de compensación intermedias).

Seguidamente se exponen los detalles que determinan las ventajas e inconvenientes de ambas tecnologías, HVAC y HVDC.

• El transporte y la distribución de energía eléctrica en corriente alterna de alta tensión (HVCA) a grandes distancias presenta inconvenientes, el más importante es el consumo de energía reactiva. La energía reactiva es el flujo de energía que continuamente carga y descarga los campos eléctrico y magnético de la línea para acomodarse a la oscilación periódica de la tensión y la intensidad. Aunque no se desperdicie directamente (la energía se recupera al descargarse los campos), la intensidad y la tensión adicionales en la línea restan su capacidad económica útil. Al aumentar la capacitancia y la inductancia con la longitud de la línea, la energía reactiva aumenta igualmente hasta que se alcanza una distancia crítica* en que el transporte comercial deja de ser viable (ver figura 1). Este inconveniente no existe en las líneas de HVDC ya que no transportan energía reactiva, por lo que, tienen mayor capacidad de transmisión de potencia por conductor, mejoran el control de la potencia activa de forma más sencilla y rápida y aumentan la estabilidad de la red, evitando así las desconexiones en cascada que pueden derivar en grandes apagones (tabla 1).

Norteamérica 14/08/2003

Londres 28/08/2003

Dinamarca/Suecia 23/09/2003

Italia 28/09/2003

Grecia 12/07/2004

Australia 14/03/2005

Moscú 25/05/2005

Apagón europeo 04/11/2006

Victoria, Australia 17/01/2007

África del Sur 18/01/2007

Colombia 26/04/2007

Chenzhou, China 01/02/2008

Brasil, Paraguay 10/11/2009

Chile 24/09/2011

India 30/07/2012 

Tabla 1: Apagones importantes en el mundo de los últimos años

Figura 1: Capacidad de transporte de una línea. Relación entre potencia

transmitida/longitud en líneas HVDC y HVAC.

(*) Se define como distancia crítica aquella a partir de la cual el cable no puede transportar energía útil porque la corriente capacitiva llega a alcanzar el valor de la intensidad máxima admisible por el cable. Estas distancias críticas están en función de la tensión y se indican en la figura 1 para líneas de transmisión aérea. En cables subterráneos o submarinos estas distancias críticas son mucho más reducidas que en líneas aéreas, siendo aproximadamente de unos 40 a 60 km para una tensión de 400 kV, de 80 a 110 km para 220 kV. Por este motivo, si se quiere que el cable transporte algo más que su corriente capacitiva, deben instalarse elementos de compensación reactiva (reactancias) a lo largo de su recorrido, dispositivos FACTS o bien, transportar la energía en corriente continua (HVDC). 

Los dispositivos FACTS (Flexible Alternaring Current Transmission Systems). Son un conjunto de dispositivos basados en la Electrónica de Potencia que tienen la capacidad de modificar los parámetros que regulan la potencia eléctrica, limitando los efectos de la generación y el consumo de la energía reactiva lo que contribuye al aumento de la capacidad de transferencia de potencia de la línea entre el 20 y el 40 %.

Figura 2: El equipo FACTS aumenta la capacidad y estabilidad de las líneas de CA.

Sin embargo, el transporte de CC, como se ha indicado, elimina el problema totalmente ya que los campos eléctrico y magnético de la línea son constantes y por lo tanto solamente precisan cargarse cuando se energiza la línea.

Figura 3: Diferentes tecnologías de líneas aéreas para 

una misma potencia de transmisión

• La principal ventaja de la corriente alterna es la flexibilidad con que se pueden conectar cargas y estaciones de generación a lo largo del recorrido. Esto es especialmente importante si el trayecto de transmisión pasa por un área muy poblada y si hay instalaciones de generación emplazadas en muchos puntos a lo largo de la ruta.
• Cuando aumenta la longitud de las líneas de CA, aumenta también su impedancia, lo que reduce su capacidad de transmisión. La ecuación siguiente describe la transferencia de potencia activa:

                                                       

Donde P es la potencia activa, U1 y U2 la tensión en cada extremo de la línea, δ el ángulo de fase entre los dos extremos y X la impedancia de la línea (figura 4).

Figura 4

Para mantener la transferencia de potencia se ha de aumentar el ángulo δ. Esto es posible hasta un ángulo de unos 30 grados; para ángulos superiores pueden surgir problemas con la estabilidad dinámica del sistema. Para solucionar este problema se debe reducir la impedancia mediante compensación en serie, lo que puede hacerse sin gran dificultad hasta una compensación del orden del 70 %.

Desde el punto de vista de la fiabilidad, es necesario construir una transmisión de CA dividida en secciones con compensación tanto en serie como en paralelo, además de una interconexión entre las secciones para garantizar la transmisión de la máxima potencia en todo momento.

• Una interconexión entre sistemas con distintas frecuencias sólo es posible con HVDC. La transmisión de corriente continua se basa en convertir la corriente alterna en continua en una estación rectificadora, transmitir la energía en una línea bipolar de CC y convertirla de nuevo en corriente alterna en una estación inversora Desde el punto de vista del sistema, la tecnología de corriente continua simplifica la transmisión a largas distancias. Las estaciones rectificadora e inversora pueden controlar rápidamente la corriente y la tensión y, por tanto, son adecuadas para controlar el flujo de potencia. La diferencia de ángulo de fase entre los extremos transmisor y receptor no tiene importancia si la única conexión es de CC. En realidad, las redes conectadas pueden ser incluso asíncronas, ya que la corriente continua no tiene ángulos de fase y no depende de la frecuencia además este sistema presenta una ventaja en cuanto a que no se transfieren las perturbaciones de uno a otro sistema.

Figura 5: Esquema unifilar simplificado de un sistema asíncrono 

con enlace en HVDC 

Aun siendo las frecuencias de las dos redes a interconectar la misma, hay casos donde un enlace en HVAC no satisface los requerimientos impuestos a la interconexión ó es más cara que un enlace en HVDC.

• Un enlace HVDC es capaz de mantener el flujo de potencia especificado con independencia de las oscilaciones electromecánicas presentes en la red.
• Las redes malladas en corriente alterna pueden presentar problemas de elevadas corrientes de cortocircuito en ocasiones próximas a la capacidad de la aparamenta instalada. Esta circunstancia se resuelve con el uso de enlaces HVDC dado que el enlace al no transferir potencia reactiva no contribuye al aumento de la potencia de cortocircuito en el nudo de conexión.
• Las pérdidas en un sistema HVDC incluyen las que tienen lugar en la línea y en los convertidores de CA a CC. Las pérdidas en los terminales de convertidores están en torno al 1,0 – 1,5 % de la potencia transmitida, un valor bajo en comparación con las pérdidas en la línea, que dependen de la corriente y de la resistencia de los conductores. Puesto que en las líneas de CC no se transmite potencia reactiva, las pérdidas en la línea son menores para CC que para CA. En casi todos los casos, el total de pérdidas por transmisión HVDC son menores que las pérdidas de CA para la misma transferencia de energía Una línea HVDC de 2.000 km a 800 kV tiene unas pérdidas alrededor del 5 % que se disipan en calor, mientras que la línea equivalente en CA perdería el doble, un 10 % (figura 6).

Figura 6: Pérdidas en las líneas aéreas HVAC y HVDC en función de la distancia.

• Las estaciones HVDC, convierten la electricidad de forma que puede fluir en ambos sentidos, con lo que las redes adyacentes pueden ajustar eficazmente la oferta a la demanda.
• El transporte de electricidad en corriente continua (CC) a larga distancia también ocupa menos espacio: un enlace de CC de 2.000 km con una potencia de 6.000 megavatios (MW), necesita una sola línea, mientras que para el transporte equivalente en CA se requerirían tres líneas.

Por lo tanto, para un nivel de potencia especificado una línea de continua será mucho más barata. En la figura 7 se comparan las necesidades para transportar 3000 MW a 500 kV. En corriente alterna se precisa una traza mucho más ancha, más conductores, apoyos, herrajes, aisladores, etc. en definitiva una inversión muy superior al de la línea de corriente continua.

Figura 7

• Lo anteriormente indicado pone de manifiesto que el pasillo necesario para una línea de corriente alterna siempre va a ser mayor que para corriente continua, incluso en el caso de que la potencia de corriente alterna sea menor. Esto va a representar un doble problema en el caso de las líneas de corriente alterna, el cual es, que estas aumentan su coste en cuanto a la compra de terreno necesario y los privilegios de paso de la línea además de tener que utilizar estructuras mucho más grandes para menor potencia y por tanto más caras.

            Figura 8: Franja de servidumbre para transportar 3000 MW a 500 kV 

en HVAC (izquierda) y en HVDC (derecha)

Con un sistema HVDC de 800 kV es posible transferir una potencia de hasta 18000 MW en un único derecho de paso.

• Las subestaciones de conversión HVDC generan armónicos de corriente y de tensión, mientras que el proceso de conversión es acompañado por el consumo de potencia reactiva. Como resultado, es necesario instalar caras unidades de filtro-compensación y de compensación de potencia reactiva.
• No es posible transformar el nivel de tensión en HVDC y se requiere un nivel de aislamiento mayor para una misma tensión, ambas consecuencias se derivan del funcionamiento en corriente continua.
• La operación de las redes de corriente continua es más compleja, más aún en el caso de instalaciones multiterminal.
• Un sistema de transporte HVDC necesita básicamente un convertidor CA-CC, una línea de transporte y otro convertidor CC-CA, y es precisamente en éstos elementos donde se puede comparar la HVDC con la HVAC. Puesto que la energía eléctrica se produce generalmente en corriente alterna (máquina síncrona) es necesaria la conversión a corriente continua en las estaciones de conversión, con un coste elevado, y el inconveniente de la generación de armónicos y la pérdida de potencia, aun así, los costes del transporte en CC respecto al de CA, se hace patente cuando se trata de grandes distancias, a partir de 600 km en líneas aéreas y de 50 km en líneas sumergidas o subterráneas.

Figura 9: Coste de inversión de una instalación de transporte de energía eléctrica 

frente a la longitud de la línea.

En la figura 9 se observa que el coste de la estación conversora para HVDC es muy superior al de la subestación de alterna pero el precio por km de línea es muy inferior en las líneas de corriente continua lo cual compensa e incluso reduce los costes de inversión a partir de una determinada distancia. 

• Desde el punto de vista del mantenimiento, los costes de mantenimiento en HVDC serán más reducidos en las líneas por tener menos elementos pero superiores en las subestaciones por las estaciones conversoras.

Consideraciones medioambientales

• Además del problema económico anteriormente considerado para las líneas HVAC, existe un problema medioambiental añadido ya que si empleamos HVDC estamos reduciendo mucho la superficie empleada para el transporte y por tanto el impacto visual sobre el terreno es mucho menor favoreciendo así la sostenibilidad de la línea eléctrica con el medioambiente.

• Los efectos medioambientales de la transmisión HVDC se caracterizan principalmente por los efectos corona e iónico, que puede producir interferencias radiofónicas, ruido y generación de ozono, aunque a niveles bajos. En el campo eléctrico aparece tanto la carga eléctrica de los conductores como, en el caso de las líneas aéreas, de las cargas del aire ionizado en los alrededores del conductor, lo que da lugar a campos eléctricos continuos y estáticos a orillas del corredor o bajo las líneas, aunque no se tiene constancia de efectos nocivos y es de magnitud semejante al campo eléctrico bajo nubes de tormenta. 

• La HVDC produce un campo magnético continuo y estático en las cercanías del corredor de la línea, que tiene un valor semejante al del campo magnético terrestre, siendo inocuo para la salud humana, aunque puede originar interferencias en el funcionamiento de brújulas o aparamenta sensible cercana a la línea. De todos modos el campo magnético se puede eliminar cuando se opera la línea en modo bipolar y en conexiones con retorno por tierra, utilizando un retorno metálico en su lugar

• El efecto corona, las interferencias de radio, así como los efectos magnéticos de la línea, enunciados en los párrafos anteriores, son mucho menores en la transmisión HVDC que en la HVAC.

CONCLUSIÓN

Se puede concluir indicando que la tecnología HVDC, corriente continua de alta tensión, se utiliza para transmitir electricidad en largas distancias a través de líneas de transmisión aéreas o cables submarinos. También se utiliza para interconectar los sistemas de energía separados, donde las conexiones tradicionales de CA no se pueden utilizar. La transmisión HVDC ofrece, por ejemplo, capacidad de control y un coste de inversión total bajo en comparación con las soluciones de CA para la transmisión de larga distancia En este sentido, HVDC ofrece una alternativa rentable a la transmisión de CA. Mediante la interconexión de enlaces, las centrales eléctricas existentes en las redes se utilizan con más eficacia, de modo que puede aplazarse la construcción de nuevas centrales eléctricas. Este es un factor económico importante, que al mismo tiempo minimiza el impacto medioambiental

BIBLIOGRAFÍA:

Revista ABB (2/2007): Redes eficientes energéticamente

Revista ABB (2/2007): Transmisión de Ultra Alta tensión

Revista ABB (2/2014): 60 años de HVDC

Revista ABB (4/2008): De pionero a líder mundial

REE (RED ELECTRICA DE ESPAÑA): Operación de sistemas HVDC. Particularidades

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