Un nuevo El transformador inteligente de media tensión desarrollado en ETH Zurich cuenta con tecnología de semiconductores de vanguardia, haciéndolo extremadamente compacto y energéticamente eficiente. 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 la 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 donde el espacio es limitado o el peso debe mantenerse al mínimo. como es el caso, por ejemplo, de las locomotoras de ferrocarril.

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

Para solucionar este problema de tamaño, Los transformadores inteligentes tienen un truco bajo la manga:primero, un convertidor frontal aumenta en gran medida 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 ellos mismos muchos de los componentes para su transformador, ya que hay pocos componentes disponibles listos para usar para el voltaje medio de 10, 000 voltios con los que trabajan. Los componentes hechos de carburo de silicio que permiten una conmutación extremadamente rápida (prototipos fabricados por una empresa estadounidense) fueron especialmente importantes. Usando estos, los estudiantes de doctorado de ETH pudieron convertir el voltaje medio 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 potencias similares. Y aunque los sistemas anteriores lograron una eficiencia energética de alrededor del 96 por ciento, Rothmund y Guillod lograron el 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.

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 la investigación de las tecnologías necesarias para implementar la Estrategia Energética 2050 del país.

Rectificación de corriente alterna

Las locomotoras ferroviarias son solo una de las muchas aplicaciones de estos nuevos transformadores. "A diferencia de los transformadores convencionales, se pueden controlar transformadores inteligentes, ", Explica Rothmund. Se pueden utilizar en futuras redes eléctricas, conocidas como redes inteligentes, 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 corriente alterna (AC) en corriente continua (DC). Una aplicación podría ser futuras estaciones de carga rápida a gran escala, que puede cargar varios vehículos eléctricos simultáneamente. Estos puntos de carga podrían conectarse directamente a la red de CA de media tensión existente, con los transformadores compactos eficientes y luego reduciendo el voltaje medio al voltaje deseado. "Las baterías se cargan con un voltaje de CC comparativamente bajo, "Rothmund explica, añadiendo:"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 media tensión ".

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 requerida para enfriar.

Irónicamente, la nueva tecnología bien podría hacer más que facilitar el cambio hacia una nueva economía energética descarbonizada y electrificada; también podría facilitar la explotación de reservas de combustibles fósiles de difícil acceso. La industria del petróleo y el gas está trabajando actualmente en formas de acceder a los depósitos en alta mar ubicados en los océanos profundos utilizando fábricas submarinas en lugar de plataformas de perforación. Estos incluirían bombas, compresores y robots ubicados en el fondo del océano y que extraen electricidad de un "cordón umbilical" que se extiende varios kilómetros hasta la tierra. La nueva tecnología significa que los cables pueden llevar 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.