Los superconductores representan uno de los fenómenos más notables en la física de materia condensada: materiales que, cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica específica, conducen la electricidad con una resistencia eléctrica exacta. Esta extraordinaria propiedad, combinada con la capacidad de expulsar campos magnéticos, abre una vía hacia sistemas de transmisión de energía fundamentalmente más eficientes. En una era de crecientes demandas energéticas y objetivos climáticos urgentes, el potencial para los superconductores para eliminar pérdidas resistivas en la distribución de energía eléctricas.

El descubrimiento y los fundamentos de la superconductividad

La historia de la superconductividad comienza en 1911, cuando el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, poco después de licuar con éxito helio, midió la resistencia eléctrica del mercurio sólido. Observó que a una temperatura de alrededor 4.2 millas#160;K (cl.#8722;269 partes#160; °C), la resistencia se redujo abruptamente a un cero inmesurable.

[LT 4] [FLT] [FLT] [FLT] [FLT]] [FLT]] [FLT]]] [Flujo de la resistencia eléctrica [FLT]] y el efecto meissner [[FLT] [FLT] [FLT] [FLT] [FLT]]

Propiedades eléctricas de los superconductores en Detalle

Resistencia eléctrica cero

En conductores ordinarios como cobre o aluminio, electrones dispersan impurezas, vibraciones de celo (fonones), y otras imperfecciones, disipando energía como calor. Esta disipación es la causa raíz de pérdidas de transmisión que pueden dar cuenta de 5-10 puntos de contacto#160;% de la electricidad generada. En un superconductor, los electrones se unen a la llamada [Campión de cierre]

Diamagnetismo perfecto y el efecto Meissner

Cuando un material transfiere al estado de superconducción, expulsa activamente cualquier campo magnético externo de su interior (siempre que la fuerza de campo está por debajo de Hc). Esto no es simplemente el resultado de la resistencia cero; es una transición de fase termodinámica.El efecto Meissner hace un superconductor un diamagnet perfecto: repele las líneas de campo y puede levitar

Tipo #160;I y Tipo C.#160;II Superconductores

Los superconductores de HLT2 pueden ser clasificados en dos tipos. Tipo#160;Los superconductores de HLT1 [FLT] (los metales elementales puros como mercurio, plomo y estaño) muestran una transición aguda a un estado normal en un solo campo crítico.

Densidad actual crítica

La capacidad de un superconductor para llevar la corriente se limita con su densidad actual crítica (Jc). Sobre este valor, la fuerza de Lorentz en los vórtices de flujo se vuelve lo suficientemente fuerte para deshacerlos, causando disipación.

Aplicaciones de Superconductores en Transmisión de Poder

La propiedad de cero resistencia se dirige directamente a una de las ineficiencias más persistentes de la red eléctrica: pérdidas de calefacción ohmica. Al reemplazar conductores de cobre o aluminio tradicionales con cables superconductores, los servicios pueden transmitir mucha más potencia por sección transversal, con pérdidas insignificantes, a largas distancias. Esta sección examina las principales aplicaciones de transmisión de energía actualmente en desarrollo o ya desplegadas.

Cables de alimentación superconductores

Los cables superconductores son la aplicación más directa para la transmisión. Estos cables suelen consistir en una herida antigua (a menudo de cobre o acero inoxidable) con cintas HTS, rodeada de capas de aislamiento eléctrico (papel tapado impregnado con nitrógeno líquido) y un criostato para mantener baja temperatura. Toda la asamblea se enfría por nitrógeno líquido circulante a 65–77#160;K (para HTS) o helium 4.2 para líquido

Entre los beneficios principales figuran:

  • Pérdidas ultra-bajo. Las únicas pérdidas provienen de juntas de terminación resistivas, estrés dieléctrico en el aislamiento y la potencia de criollo —normalmente una décima parte de los cables convencionales.
  • ]Densidad de alta potencia. Un cable de superconducción único puede llevar tres o cinco veces la corriente de un cable de cobre convencional del mismo diámetro, reduciendo la necesidad de espacio de túneles subterráneos o de derechos de entrada.
  • Regulación de tensión mejorada. La impedancia de línea inferior reduce la caída de tensión a lo largo del cable, mejorando la estabilidad de la red.

Varios proyectos piloto han demostrado esta tecnología. Por ejemplo, el proyecto de cable de Albany HTS en Nueva York operaba un cable de 350 metros, 34.5 kV HTS suministrando energía comercial durante varios años. E.U.S. Departamento de Energía ahora se centra en la adaptación de corredores subterráneos urbanos con cables HTS a cables nuevos.

Superconducting Fault Límites actuales

Cuando una falla (circuito corto) se produce en una línea de transmisión, las corrientes de falla pueden alcanzar 10-20 veces la calificación normal.Los interruptores convencionales deben ser sobresellados para manejar estas oleadas, y el estrés mecánico/termal puede dañar el equipo. A ] superconductor de la corriente de fallas (SFCL)] explota la pérdida rápida y reversible de los límites de superconductores

Superconductor de almacenamiento de energía magnética (SMES)

Los sistemas SM#P almacenan energía en el campo magnético creado por una bobina superconductora. Debido a que la bobina tiene una resistencia cero, la energía puede ser inyectada y extraída con una eficiencia de ida y vuelta muy alta (ambos 95 millas 160;%) y una respuesta extremadamente rápida (millisegundos).

Transformadores Superconductores

Los transformadores de potencia convencional son pesados, llenos de aceite y sufren de pérdidas de núcleo y de viento (típicamente 1–3 unidades#160;% de potencia nominal). Transformadores de superconducción, heridos con alambre HTS y refrigerados por nitrógeno líquido, pueden ser 40–60 unidades de rendimiento;% más ligeros y tienen la mitad de las pérdidas. Además, ofrecen comportamientos de limitación de fallas inherentes porque los cierres de equipos de energía

Máquinas de rotación superconductoras

Los bobinados superconductores también se pueden utilizar en motores y generadores, especialmente para aplicaciones a gran escala como turbinas eólicas o propulsión naval. Al reemplazar los bobinados de campo de cobre con bobinas HTS, la fuerza de campo magnético en la máquina puede duplicarse o triplicarse, produciendo una densidad de torque mucho mayor. Esto reduce el tamaño y el peso del generador para una determinada potencia: una ventaja crítica en las plataformas eólicas offshore [LT]

Desafíos para el despliegue de panes generales

A pesar de los claros beneficios técnicos, la superconducción de la transmisión de energía enfrenta varios obstáculos formidables que lo han mantenido un nicho de tecnología en lugar de un componente de red general.

Energía y coste de refrigeración

Todos los superconductores descubiertos hasta la fecha requieren enfriamiento de temperaturas criogénicas. Superconductores de baja temperatura (LTS) operan alrededor de 4.2 unidades#160;K, que requieren un helio líquido caro. Superconductores de alta temperatura (HTS) pueden operar a 65–77 segundos#160;K usando nitrógeno líquido, que es más barato y más fácil de manejar.

Fabricación y Costo de materiales

HTS materiales como YBCO (YBa2Cu3O7) y BSCCO (Bi2Sr2CaCu2O8) son cerámicas frágiles. Para producir alambre o cinta flexible, estos materiales deben ser depositados en películas finas en sustratos metálicos con capas de amortiguación complejas.El proceso de fabricación es lento, costoso y debe lograr una uniformidad extremadamente alta para asegurar un alto Jc[long de cobre

Pérdidas AC

Mientras que los superconductores llevan a DC con cero pérdida, experimentan disipación energética bajo corriente alterna (AC).El campo magnético cambiante causa pérdidas de histeresis en el superconductor y pérdidas eddy-currentes en el sustrato metálico. Estas pérdidas son una fracción de los que están en cobre, pero añaden a la carga de refrigeración. Avances en la torsión de filamentos y la arquitectura de cinta (por ejemplo, reducción de cables de cables de cables de cables de cables AC)

Conexiones y Terminales

Un cable superconductor debe pasar a las terminaciones resistivas convencionales en ambos extremos. Estas articulaciones deben manejar densidades de alta corriente, mantener baja resistencia al contacto, y enfriarse. Las terminaciones mal diseñadas pueden convertirse en la fuente dominante de la pérdida o incluso causar calor local que cascada en una quench. Además, los sistemas de protección deben detectar y gestionar rápidamente las quenches para prevenir daños permanentes al superconductor.

Futuros perspectivas e investigaciones

La investigación continúa en múltiples frentes para superar las barreras y acercar la transmisión de energía superconductora a la realidad comercial.

Superconductores de temperatura ambiente

El santo gril es un material que superconduce a temperatura ambiente y presión. En 2023, un papel polémico reclama superconductividad de la temperatura ambiente en un compuesto de hidrato de lutetium dopado de nitrógeno cerca de 20.000 atmósferas. Los intentos posteriores de replicación no han confirmado el resultado. Sin embargo, la búsqueda de superconductores basados en hidratos y otras fases exóticas (por ejemplo, cada transmisapersión electrónicas

VH de segunda generación

Los fabricantes están escalando la producción de alambres de segunda generación (2G) HTS usando la deposición láser de carrete y recubrimientos avanzados de amortiguadores. La SuperOx] empresa, por ejemplo, ha demostrado cintas de REBCO de largo kilómetro con corrientes críticas superiores a 500 puntos#160;A/cm-width.

Demostraciones de la escala de la red

Los gobiernos y las empresas de servicios públicos están financiando proyectos de demostración más grandes para desbloquear la tecnología. Los programas de Resiliencia Grid del Departamento de Energía de los Estados Unidos han asignado 48 millones de dólares para las demostraciones de los limitadores de cables y de fallas. En Europa, el proyecto Best Paths ha desplegado un cable HTS de 1 km en la ciudad alemana de Essen.

Sistemas híbridos y enlaces de superconducción

Una vía muy prometedora es el uso de enlaces de DC superconductores para interconectar parques eólicos offshore, parques solares y interacciones de larga distancia. Los cables DC HTS evitan pérdidas AC por completo, y el costo del criostato puede ser justificado por la muy alta potencia transferida (several gigawatts). Un cable HTS DC 320-kV valorado a 10 puntos de vista:

Conclusión

Las propiedades eléctricas de los superconductores —resistencia de cero DC, diamagnetismo perfecto y corrientes críticas— ofrecen un camino transformador para la transmisión de energía. Los cables superconductores, los limitadores de falla, el almacenamiento de energía magnética, los transformadores y las máquinas rotativas demuestran ganancias de eficiencia tangibles, una huella reducida y una mayor fiabilidad en comparación con la tecnología convencional.