Si pudiéramos comenzar nuestra red eléctrica desde cero con la tecnología actual, ¿cuál sería la opción más eficiente? AC o DC?

Últimamente, he estado leyendo sobre las muchas ventajas de los sistemas de transmisión HVDC para la transmisión a larga distancia, enlaces submarinos y otros. La razón histórica de por qué se eligió CA sobre CC se debió principalmente a la invención del transformador, que permitió una fácil manipulación del voltaje de CA permitiendo la transmisión de alto voltaje a través de largas distancias.

Sin embargo, después de la invención de válvulas de mercurio, tiristores, IGBT y todos estos componentes que han hecho posible la transmisión de CC, he estado pensando que si tuviéramos una red puramente de CC podríamos deshacernos de todos los rectificadores de CA / CC que encontramos en Nuestros electrodomésticos. Esto podría mejorar enormemente la eficiencia energética y ahorrar toneladas de dinero en recursos.

Si tuviéramos la oportunidad de empezar de nuevo, es posible que un sistema de transmisión basada en DC ser el mejor ¹ elección, o sería AC todavía vienen en la parte superior?

^{1: con mejor , me refiero a una mayor eficiencia energética .}

Un poco de historia

Las sugerencias detrás de este tema van en contra de lo que muchos ingenieros eléctricos han aprendido desde su primer curso de circuitos: que la CA es mejor para la transmisión de energía. Después de todo, en la "guerra de las corrientes" a fines de 1800, fue Tesla quien ayudó a Westinghouse a luchar por AC, y finalmente derrotó los sueños de Edison de un imperio DC.

La principal ventaja de usar AC sobre DC en este momento era la eficiencia. Se hizo cada vez más fácil transformar un voltaje de CA en otro, especialmente cuando se compara con el costo, la dificultad y la ineficiencia de convertir un voltaje de CC a otro en ese momento. Según la Primera Ley de Joule , la cantidad de energía desperdiciada como calor en las líneas de transmisión es proporcional al cuadrado actual. Teniendo en cuenta que las líneas de transmisión tienen una resistencia fija (básicamente) conocida, entonces, para una transmisión de la misma cantidad de potencia, se desperdicia mucho más en una transmisión de baja tensión y alta corriente que en una transmisión de alta tensión y baja corriente. Como se indicó, no era práctico convertir los voltajes de CC a un nivel lo suficientemente alto como para superar la pérdida de línea en comparación con la relativa facilidad de transformar los voltajes de CA.

Como nota al margen, muchos lugares nunca cambiaron completamente de los sistemas de transmisión de CC originales a CA hasta mediados del siglo XX.

Puedes leer todo sobre la historia aquí .

Ingrese al diseño eléctrico moderno

Esto no quiere decir que AC no tiene sus propios problemas. El efecto de la piel es un ejemplo de que AC es menos eficiente que DC, pero todavía no compensa las pérdidas de línea mencionadas anteriormente. Otro problema es el de la descarga en corona que ocurre a altos niveles de voltaje de transmisión. A largas distancias, la alimentación de CA también tiene problemas de estabilidad. Este artículo del IEEE incluye algunas distancias diferentes, y señala que la reactancia de la línea se puede compensar en distancias de hasta 600 a 700 millas.

Con implementaciones modernas de válvulas de arco de mercurio, tiristores e IGBT, y medios eficientes de conversión de voltaje de CC, la transmisión de HVDC no solo es posible, sino que supera muchos de los problemas que enfrenta la transmisión de HVAC. La distancia de transmisión general es mucho mayor y se superan los efectos de CA mencionados. Además, el costo asociado con HVDC es menor que HVAC, una vez que se ha cruzado un umbral de distancia. Este diferencial de costos se analiza en detalle en este documento, que incluye un desglose del costo de la subestación eléctrica también. El costo también se discute en el enlace proporcionado por Jake en su respuesta .

El hecho es que la infraestructura eléctrica actual se basa en la transmisión de energía de CA. La gran mayoría de la tecnología moderna requiere este tipo de energía para un funcionamiento adecuado, y si nunca se hubiera utilizado CA, dudo que tengamos muchos de los "avances" tecnológicos que conocemos y amamos. Teóricamente, el uso de HVDC solo podría resultar más eficiente, pero para compensar la diferencia de costo, un sistema HVAC / HVDC híbrido es la mejor solución, al menos en este momento en el desarrollo humano.

Con el aumento del costo del cobre y otros metales útiles, y los problemas ambientales con los aceites aislantes utilizados en ellos, los transformadores de CA de alta potencia se están volviendo muy caros, en comparación con sus equivalentes de estado sólido. No es solo el costo de los devanados, sino también las grandes cajas de metal y los costos de transporte e instalación asociados con transformadores tan grandes.

Un cambio a la transmisión de CC de alto voltaje probablemente sería un lavado en términos de eficiencia, sin embargo, podría ser un costo menor si no tuviéramos nuestra infraestructura actual. Todavía se necesitarían transformadores, pero en lugar de transformadores de potencia de baja frecuencia, acoplaríamos los convertidores de CC-CC semiconductores con transformadores de potencia de alta frecuencia que pueden ser mucho más pequeños (por lo tanto, más baratos) para la misma cantidad de capacidad de conversión de potencia.