La reingeniería del cable de energía eléctrica

Científicos de los materiales de los EE.UU. Departamento de Energía del Laboratorio Ames están investigando maneras de perfeccionar un cable de próxima generación hecha de un compuesto de aluminio y calcio. Los cables de este compuesto serán más ligeros y fuertes, y su conductividad sería de al menos un 10 por ciento mejor que los materiales existentes para la alimentación en HVDC (corriente continua en alta tensión), un segmento creciente de la transmisión de energía global. Su conductividad es aproximadamente la misma que la de los conductores existentes para la alimentación de corriente alterna.

Los cables que se utilizan hoy en día, están hechos de aluminio con un centro de acero y han sido el estándar de la industria durante casi medio siglo. Este nuevo conductor está siendo fabricado con calcio, el cual transporta muy bien la corriente continua a través de toda su sección transversal desde su parte externa hasta el centro, con todo lo cual se logra una alternativa mucho mejor a los cables de energía tradicionales.

El calcio se añade al aluminio en forma de pequeñas partículas, el compuesto resultante es resistente, ligero y puede reducir los costos generales para construir nuevas líneas con mayor poder comparados con el cable tradicional de de núcleo de acero. Además, un cable más ligero requiere de menos torres de apoyo, que constituyen aproximadamente la mitad del costo total de la construcción de nuevas líneas eléctricas.

ARTÍCULO ORIGINAL DEL EQUIPO DE INVESTIGACIÓN 

(Traducción al español en revisión)

Los científicos de materiales en el Laboratorio Ames de la Energía de EE.UU. están investigando maneras de perfeccionar un cable de alimentación próxima generación hecha de una aleación de aluminio y compuestos de calcio. Los cables de este compuesto será más ligero y más fuerte, y su conductividad al menos un 10 por ciento mejor que los materiales existentes para la alimentación de CC, un segmento creciente de la transmisión de energía global. Su conductividad es aproximadamente la misma que la de los conductores existentes para la alimentación de CA.

Los cables utilizados en la actualidad, hecho de aluminio con alma de acero, han sido el estándar de la industria durante casi medio siglo. Ellos representan las mejores ideas de diseño de la década de 1960, dijo Ames Laboratorio científico de materiales Alan Russell, pero son un ejemplo clásico de la ingeniería «trade-offs».

«El Cable de alimentación de aluminio puro sería la respuesta perfecta. El aluminio es ligero y altamente conductivo, fácil de trabajar y de bajo costo. Su gran defecto es que es demasiado débil. Si tiendes los cables de aluminio puro, el aluminio cede y la flecha de la catenaria es grande», dijo.

El núcleo de acero es necesario para mantenerlos en alto, pero añade peso y una serie de dificultades en la fabricación, la cola de impresión, montaje y mantenimiento de cable tradicional.

«La cantidad que el aluminio y el acero se deforman bajo carga elástica es diferente por lo que empiezan a tener problemas con el hecho de que tienes dos metales disímiles sujetan con abrazaderas. A continuación, se agrega hielo, más viento, más el huracán ocasional o tornado «, dijo Russell,» y un cable de un material uniforme, se empieza a ver enormemente atractivo. «

Conductores de hoy en día la potencia de transmisión de corriente alterna AC así porque la corriente fluye a lo largo del exterior de aluminio «piel» del cable, la sección central lleva casi ningún actual. Para la conducción de CC, toda el conductor lleva la corriente, y el núcleo de acero contribuye poco, por lo que es «peso muerto». El nuevo conductor en desarrollo en Ames Lab llevará actual bien a través de toda su sección transversal de la piel hasta el centro.

El objetivo final es una mucho mejor alternativa a los cables de alimentación tradicionales.

Russell y su equipo de investigación creen que el calcio es la respuesta. Añadido al aluminio en forma de partículas pequeñas, el compuesto resultante es más fuerte, más ligero y puede reducir los costos generales para construir nuevas líneas eléctricas sobrecarga en comparación al cable tradicional de aluminio de núcleo de acero. Cable ligero requiere menos torres de soporte, que constituyen aproximadamente la mitad del costo total de la construcción de nuevas líneas eléctricas.

«El calcio es una muy buena opción para una serie de razones», dijo Russell. «Es aún más ligero que el aluminio, y entre todos los conductores disponibles, es el quinto mejor (después del oro, plata, cobre y aluminio). Es abundante, dúctil, y de bajo costo «.

Pero mientras que el calcio es la opción más atractiva como un ingrediente ligero y de bajo costo para un compuesto conductor, también está demostrando ser el mayor obstáculo. Polvo de metal de calcio no es fácilmente disponible, y por una buena razón. El calcio es reactiva con agua, y un polvo fino puede reaccionar con la humedad en la atmósfera.

«Se crea la posibilidad de una explosión similar a uno en un elevador de grano. Puede ser peligroso para la fabricación, y porque no había demanda, no había nadie por lo que es «, dijo Russell.

Y el tamaño de partícula es la clave de la fuerza del material compuesto.

«Necesitamos partículas tan pequeñas como de 100 micrones o menos», dijo Russell, «Si graficamos lo que sucede con el tamaño de las partículas contra la fuerza, como el tamaño de las partículas disminuye la resistencia aumenta.»

Materiales científico Iver Anderson ha estado investigando métodos para producir de forma segura el calcio en la forma necesaria. En el primer intento del laboratorio para formar el material compuesto en el alambre, hecho por un proceso de extrusión en caliente, que utilizan una forma de gránulos de calcio que eran más fácilmente disponible, y alrededor de 1,5 mm de tamaño.

«Eso es muy gruesa,» dijo Anderson. «En el proceso de extrusión, se puede imaginar una esfera de 1,5 mm de tener que estirarse hasta un par de cientos de nanómetros. No es ideal, y esa es nuestra pared de ladrillo. Entonces la pregunta es, ‘¿cómo conseguimos más fino calcio?’ «

El equipo de investigación está explorando una posibilidad muy escalable, como parte del esfuerzo de investigación.

Este método de producción de polvo de calcio es atomización centrífuga, donde un disco de hilado intercepta una corriente de calcio fundido y arroja fuera de una pulverización de gotitas finas.

«Sabemos que es comercialmente escalables y estamos trabajando con una empresa que utiliza el método de disco giratorio para la producción de otros polvos metálicos. Bastaría algunas modificaciones menores en su proceso para producir polvo de calcio de envase «, dijo Anderson

«No hay nadie haciendo nada de esto ahora mismo a una escala comercial, pero eso no significa que no pudiera», dijo Anderson. «Las disposiciones de pasivación son muy factible y no deben añadir mucho costo.»

Russell dijo que el equipo de investigación estará recolectando datos que demostrarán la fuerza y la conductividad del material por parte del próximo año. Él confía en que verán resultados alentadores. Anderson confía demasiado, y hay interés por parte de empresas de la industria y la utilidad de las posibilidades de un cable enrollado de este alambre compuesto. El Centro de Investigación de Energía Eléctrica, un grupo de la industria de servicios públicos, está proporcionando una parte de la financiación para el proyecto, y la Fundación de Investigación de la Universidad del Estado de Iowa también ha prestado apoyo a la labor de atomización calcio. El Laboratorio Ames proporcionado financiación inicial.

El Laboratorio Ames es un Departamento de Energía de EE.UU. Oficina de Ciencia laboratorio nacional operado por la Universidad del Estado de Iowa. El Laboratorio Ames crea materiales innovadores, tecnologías y soluciones de energía. Utilizamos nuestra experiencia, las capacidades únicas y la colaboración interdisciplinaria para resolver los problemas mundiales.

Fuente: Ameslab