Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) están buscando el desarrollo de un rango de media tensión para habilitar la red del futuro, llenando un vacío entre los voltajes altos y bajos para la electrónica de potencia que sustenta la red eléctrica de Estados Unidos. Para abordar esta necesidad eléctrica, ORNL guiará el Programa de tecnología de integración de recursos de medio voltaje (Merit, por sus siglas en inglés) del DOE, que reúne a cuatro laboratorios nacionales y cinco universidades para desarrollar dispositivos que funcionen de manera eficiente en ese rango medio.
La electrónica de potencia actual, que tarda fracciones de segundo en realizar tareas como convertir la dirección de la corriente o ajustar los voltajes, tiende a funcionar en los extremos. La carga de vehículos eléctricos o el almacenamiento de energía de un panel solar comercial requiere un bajo voltaje, mientras que el alto voltaje se utiliza para proyectos a gran escala como parques eólicos y solares o la interconexión de sistemas de distribución y transmisión de energía.
Pero existe una brecha de electrónica de potencia entre 1.500 y 50.000 V, el rango de media tensión, que es fundamental para proyectos de energía renovable a gran escala, equipos más grandes como turbinas eólicas, y transportes eléctricos más grandes como trenes y aviones de despegue vertical (VTOL, por sus siglas en inglés). Cerrar esa brecha ayudará a Estados Unidos a alcanzar los objetivos de energía limpia y expandir la capacidad en una red eléctrica sobrecargada, sin erigir miles de millas de nuevas líneas de transmisión.
El rango de media tensión, tecnología clave para la red eléctrica
La mayor parte de la red eléctrica de Estados Unidos utiliza corriente alterna (CA), pero la generación de energía renovable y los coches eléctricos requieren corriente continua (CC). La electrónica de potencia se utiliza para conmutar entre estos flujos y para enlazar sistemas separados. La expansión de estas capacidades a los voltajes medios abriría nuevas opciones para la confiabilidad eléctrica.
Además, según señalan los investigadores, la electrónica de potencia de media tensión también podría permitir el funcionamiento completo de corriente continua para proyectos como una microrred con su propia energía solar y baterías. Un sistema solo de corriente continua requiere menos equipos de conversión de energía y elimina las pérdidas de energía que se producen durante el proceso de conversión.
Este sistema podría hacer que la energía limpia sea más eficiente y económica, especialmente porque los grandes parques solares y eólicos se construyen cada vez más lejos de los centros de población, donde se concentra la demanda de electricidad.
Investigación en redes de media tensión
Los investigadores del ORNL han estado desarrollando un menú de módulos básicos de media tensión, como módulos convertidores, imanes especializados y mecanismos de protección que aíslan los problemas eléctricos.
Con el programa Merit, los investigadores desarrollarán módulos de distintos tipos para aumentar la confiabilidad eléctrica y luego se apilarán varios de ellos para alcanzar voltajes más altos. La capacidad de conectar una variedad de módulos en una arquitectura más grande facilitará la exploración de nuevas aplicaciones de energía, desde la recarga de camiones eléctricos de larga distancia hasta la producción de hidrógeno verde para la industria del acero.
La investigación se está llevando a cabo en el Centro de Integración y Desarrollo de Investigación de Redes (GRID-C, por sus siglas en inglés) de ORNL, donde los investigadores pueden simular diferentes arquitecturas, construir un convertidor y probarlo hasta 13.000 V. El GRID-C de ORNL está equipado para la construcción de componentes, bancos de pruebas y experiencia para desarrollar y probar completamente estos componentes electrónicos de potencia.
En el caso de Merit, ORNL ampliará las relaciones existentes con las empresas de servicios públicos para identificar las necesidades de media tensión. Otros socios de investigación de Merit son el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, los Laboratorios Nacionales Sandia, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, la Universidad de Arkansas, el Instituto Politécnico, la Universidad Estatal de Virginia y la Universidad Estatal de Florida. El proyecto Merit está financiado por la Iniciativa de Modernización de la Red del DOE a través del Consorcio del Laboratorio de Modernización de la Red.