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Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están buscando un término medio para habilitar la red del futuro, llenando un vacío entre voltajes altos y bajos para la tecnología electrónica de potencia que sustenta la red eléctrica moderna de Estados Unidos.

La electrónica de potencia actual, que tarda fracciones de segundo en realizar tareas como convertir la dirección de la corriente o ajustar voltajes, tiende a operar en los extremos. Cargar vehículos personales o almacenar energía de un panel solar comercial requiere bajo voltaje, mientras que el alto voltaje se utiliza para proyectos a escala de servicios públicos como parques eólicos y solares o para interconectar sistemas de transmisión y distribución de energía.

Pero existe una brecha en la electrónica de potencia entre 1,500 y 50,000 voltios (el rango de “voltaje medio”) que es fundamental para proyectos de energía renovable a mayor escala, equipos más grandes como turbinas eólicas y vehículos eléctricos más grandes como trenes y aviones de despegue vertical.

Cerrar esa brecha ayudará a Estados Unidos a alcanzar objetivos de energía limpia y ampliar la capacidad en una red eléctrica sobrecargada, sin necesidad de construir miles de kilómetros de nuevas líneas de transmisión.

"Hay muchas aplicaciones que pueden encajar aquí, pero no se ha demostrado que la tecnología para ese espacio intermedio sea confiable o rentable", dijo Prasad Kandula, líder del grupo Grid Systems Hardware de ORNL.

Para ayudar a satisfacer la necesidad, ORNL guiará el nuevo programa de Tecnología de Integración de Recursos de Media Tensión del DOE, o MERIT, que reúne a cuatro laboratorios nacionales y cinco universidades para desarrollar dispositivos que funcionen eficientemente en ese rango medio.

Kandula señala que la electrónica de potencia de media tensión se ha vuelto más asequible y hacer el cambio podría reducir el tamaño, el peso y el volumen de un sistema. "Se espera que la conversión de energía utilizando electrónica de potencia de media tensión sea más eficiente, además de concentrar más energía en un espacio más pequeño", dijo.

Beneficios para la confiabilidad de la red y la energía limpia

Llenar esta brecha tecnológica también podría abordar una necesidad apremiante de ampliar la capacidad de la red eléctrica para satisfacer las demandas actuales y brindar las oportunidades de desarrollo económico del mañana.

La mayor parte de la red eléctrica de América del Norte utiliza corriente alterna o CA. Pero la generación de energía renovable y los automóviles eléctricos requieren corriente continua o CC. Para conmutar entre estos flujos y conectar sistemas separados se utiliza electrónica de potencia. Ampliar estas capacidades a voltajes medios abriría nuevas opciones para la confiabilidad eléctrica.

Por ejemplo, la electrónica de potencia de media tensión podría utilizarse para suministrar electricidad desde una región con suministro adicional a un sistema vecino que lucha por satisfacer la demanda. Esto podría evitar apagones continuos, aumentos de precios y activación de centrales eléctricas de respaldo contaminantes. En otro escenario, la electrónica de potencia de media tensión podría ayudar a convertir partes clave de la red de distribución de CA a CC, porque la CC es más eficiente para transportar energía a largas distancias. Básicamente, esto aumentaría la cantidad de capacidad de entrega utilizando las mismas líneas eléctricas.

Kandula dijo que la electrónica de potencia de media tensión también podría permitir el funcionamiento completo de CC para proyectos como una microrred con su propia energía solar y baterías. "Inicialmente, lo más probable es que se utilice un ecosistema de DC en sistemas aislados como un campus", dijo Kandula. "El siguiente nivel podría ser un alimentador de distribución de unos pocos kilómetros, como una granja solar en el borde de la red".

Un sistema de CC únicamente requiere menos equipo de conversión de energía y elimina las pérdidas de energía que ocurren durante el proceso de conversión. 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.

Liderazgo y capacidades en investigación de media tensión.

Los investigadores del ORNL han estado desarrollando un menú de componentes básicos de media tensión, como módulos convertidores, imanes especializados y mecanismos de protección que aíslan los problemas eléctricos.

"Con MERIT, desarrollaremos bloques de construcción de distintos tipos para aumentar la confiabilidad y luego apilaremos varios bloques para alcanzar voltajes más altos", dijo Kandula. 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.

Este esfuerzo se basa en la experiencia y las capacidades del Centro de Desarrollo e Integración de Investigación en Red de ORNL, o GRID-C, donde los investigadores pueden simular diferentes arquitecturas, construir un convertidor y probarlo hasta 13,000 voltios.

"Estamos desarrollando una matriz de tecnología a través de componentes que pueden utilizarse en muchas aplicaciones", dijo Madhu Chinthavali, jefe de la Sección de Controles e Integración de Sistemas de Energía de ORNL. "El GRID-C de ORNL está equipado de manera única con la competencia en la construcción de componentes, bancos de pruebas y experiencia para desarrollar y probar completamente estos componentes electrónicos de potencia".

Para MERIT, ORNL ampliará las relaciones existentes con las empresas de servicios públicos para identificar las necesidades de media tensión. Esto se basa en el Consorcio de Aceleradores de Electrónica de Potencia para la Electrificación, o LA PAZ, iniciativa que se creó en 2022 para aumentar la colaboración entre instituciones de investigación, compañías eléctricas y fabricantes. PACE, una iniciativa de la Oficina de Electricidad del DOE, está sumando socios para llevar rápidamente las innovaciones del laboratorio a la red eléctrica.

Los laboratorios individuales pueden unir fuerzas con la industria para lograr avances específicos en electrónica de potencia de media tensión. "El objetivo final para nosotros es elegir un caso de uso, trabajar con un socio, construir un sistema completo, instalarlo, mostrarlo operativo en el campo y mostrar las implicaciones financieras", dijo Kandula.

Otros socios de investigación de MERIT incluyen el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, los Laboratorios Nacionales Sandia, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, la Universidad de Arkansas, el Instituto Politécnico y 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.

UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.

Cortesía ORNL.

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• Fuente: https://cleantechnica.com/2024/02/03/grid-electronics-research-to-bridge-gap-to-cleaner-more-reliable-power/