Los transformadores son una parte crucial pero casi invisible de nuestra red eléctrica. Estos dispositivos ayudan a transportar la energía de forma eficiente a largas distancias, pero son complejos y escasean. Y, dado que su diseño básico apenas ha cambiado en cerca de un siglo, no les vendría mal una modernización.
A medida que el mundo se apresura a satisfacer la creciente demanda de electricidad impulsada por los vehículos eléctricos, los centros de datos y otros sectores, investigadores y empresas buscan modernizar los transformadores. Las nuevas versiones de estado sólido podrían ayudar a aliviar parte de los problemas de suministro y garantizar que la red eléctrica pueda soportar esta creciente presión.
Los transformadores convencionales suelen depender de enormes cantidades de aleaciones de acero especializadas y kilómetros de cable de cobre para realizar su función de transferir electricidad entre circuitos. En comparación, los modelos de estado sólido combinan componentes magnéticos con semiconductores de alta potencia, lo que los hace más compactos y permite un mayor control sobre el flujo de electricidad.
Estos dispositivos aún están en fase de desarrollo y hoy en día no pueden sustituir a todos los transformadores tradicionales, sobre todo a los más grandes, que operan a las altas tensiones necesarias para la transmisión a larga distancia. Sin embargo, una nueva generación de tecnología de transformadores podría ser una pieza crucial de nuestra futura red eléctrica.
La columna vertebral de la red
Transportar electricidad a través de la red no es completamente eficiente: a medida que la electricidad fluye por las líneas eléctricas, una parte se pierde en forma de calor. La cantidad varía: cuanto mayor es la tensión, menor es la corriente y menos electricidad se pierde. Por eso, una función clave de la red consiste en elevar y reducir la tensión.
Piensa, por ejemplo, en la planta solar de tu zona. Para que esa electricidad viaje de forma eficiente hasta tu casa a cientos de kilómetros de distancia, necesita alcanzar un voltaje superior al que genera la propia planta. Aquí es donde entran los transformadores.
En su recorrido desde la central eléctrica hasta tus enchufes, la electricidad puede pasar por un transformador en el parque solar y por otro en una subestación cercana, elevando la tensión dos veces para alcanzar un nivel lo bastante alto como para circular por líneas de transmisión de alta tensión. Los paneles solares también producen electricidad en corriente continua (CC), que debe convertirse en corriente alterna (CA) mediante un inversor antes de llegar a un transformador. Más cerca de su destino, el voltaje se reducirá de nuevo, probablemente al menos dos veces: una en otra subestación y otra en un transformador más pequeño en tu barrio.
Si estás en Estados Unidos, la electricidad de una planta solar puede convertirse a CA mediante un inversor a unos 480 voltios, elevarse a 115.000 voltios para las líneas de transmisión y, por último, volver a reducirse a 120 y 240 voltios para tu hogar.
Los transformadores convencionales realizan este trabajo utilizando lo que esencialmente son espiras de cable. El núcleo de un transformador suele estar hecho de un tipo especial de acero llamado acero eléctrico de grano orientado. A ambos extremos de ese núcleo se sitúan bobinas de cable de cobre.
El número de espiras de cada bobina determina el voltaje en cada extremo del transformador: si hay más espiras en la bobina secundaria que en la primaria, el voltaje aumenta, y si hay menos, disminuye. Cuando la electricidad entrante atraviesa las espiras del extremo de entrada del transformador, se genera un campo magnético en el núcleo. Dicho campo induce un voltaje en las espiras del otro lado del dispositivo, lo que permite que la energía siga fluyendo con un nuevo voltaje. Este proceso se denomina inducción magnética.
Los transformadores constituyen la columna vertebral de la transmisión y distribución de electricidad, afirma Srdjan Lukic, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Además de encargarse de elevar y reducir la tensión, los transformadores también suelen proporcionar lo que se conoce como aislamiento galvánico, lo que significa que no hay una vía eléctrica directa que los atraviese. Esto puede ayudar a limitar la propagación de perturbaciones por la red, mejorando la seguridad.
El problema es que los transformadores actuales son grandes y voluminosos, y además son difíciles y caros de sustituir, señala Lukic.
Una opción sólida
En esencia, los transformadores de estado sólido añaden la denominada electrónica de potencia —semiconductores que convierten y controlan la electricidad— al diseño habitual de los transformadores actuales.
Mientras que un transformador convencional funciona a la frecuencia de la parte de la red a la que está conectado, un transformador de estado sólido en realidad controla la frecuencia de la corriente. Por lo general, un transformador de estado sólido convierte primero la corriente alterna (CA) entrante de la red en corriente continua (CC) y, después, en corriente alterna de mayor frecuencia mediante interruptores fabricados con un semiconductor como el carburo de silicio.
A partir de ahí, un componente magnético modifica la tensión. Dado que los semiconductores avanzados permiten a los transformadores ejercer tanto control sobre la frecuencia y la estabilidad de la corriente, el núcleo magnético puede ser mucho más pequeño que en un transformador convencional. Algunos tienen aproximadamente una décima parte del tamaño pero cuentan con la misma capacidad, afirma Lukic.
Por último, componentes adicionales de electrónica de potencia convierten la electricidad de corriente alterna de alta frecuencia a la forma requerida —por lo general, de nuevo a corriente continua y, finalmente, a corriente alterna de menor frecuencia—.
Hoy en día, elevar y reducir la tensión es la única tarea de muchos transformadores. Sin embargo, los transformadores de estado sólido pueden hacer mucho más. Asumen las funciones de dispositivos como rectificadores e inversores (que convierten la corriente alterna en continua y viceversa), lo que reduce el espacio total que ocupa el equipamiento eléctrico y disminuye potencialmente las pérdidas de energía en el sistema.
En agosto, la New York Power Authority y el Electric Power Research Institute (EPRI) probaron un transformador de estado sólido de un megavatio en condiciones reales de la red eléctrica en las instalaciones de ensayo del EPRI. El dispositivo se construyó en el laboratorio de Lukic y, según afirma, fue la primera prueba de este tipo para un transformador de esa capacidad.
El prototipo alcanzó una eficiencia aproximada del 98 % —lo que significa que solo perdía el 2 % de la energía suministrada—. En comparación, un transformador y un rectificador convencionales equivalentes tendrían una eficiencia conjunta de alrededor del 96 %, explica Lukic. Una diferencia del 2 % puede parecer pequeña, pero es significativa, ya que implica que el transformador de estado sólido podría reducir a la mitad las pérdidas de energía de los equipos convencionales, señala Lukic.
Uno de los principales objetivos del proyecto era ayudar a que las compañías eléctricas ganen confianza en estos nuevos componentes, apunta Lukic. Esto resulta crucial, ya que estos dispositivos podrían utilizarse en la red eléctrica en el futuro. A corto plazo, los transformadores de estado sólido podrían emplearse en los centros de datos para suministrar electricidad a los racks de servidores.
El prototipo sigue siendo un sistema de tensión relativamente baja, que opera a unos 15.000 voltios. Las instalaciones industriales, como los centros de datos más grandes, suelen requerir conexiones de mayor tensión, y las líneas de transporte eléctrico suelen operar a cientos de miles de voltios. Adaptar los transformadores de estado sólido a estas tensiones más elevadas requerirá un mayor desarrollo de ingeniería. Pero la prueba fue una demostración exitosa de que los transformadores de estado sólido pueden funcionar en condiciones reales, afirma Lukic.
Las empresas que desarrollan transformadores de estado sólido están centradas principalmente en los centros de datos en este momento, señala Lukic. Hay una importante inyección de capital para apoyar el desarrollo de la nueva tecnología, y los requisitos de tensión no son tan elevados como los que se necesitarán para los transformadores de mayor tamaño destinados a la transmisión a larga distancia.
En febrero, Heron Power captó 140 millones de dólares para comercializar su transformador de estado sólido, al que la empresa denomina Heron Link. La tecnología podría utilizarse en centros de datos, parques solares y baterías para la red eléctrica, afirma Drew Baglino, su fundador y director ejecutivo. Ahora, la compañía está empezando a probar su tecnología a mayor escala, añade Baglino. Baterías con una capacidad de diez megavatios-hora en la sede de Heron en Scotts Valley (California) se someterán pronto a pruebas con transformadores de la marca. La empresa también prevé llevar a cabo una prueba piloto con un parque solar cercano, asegura Baglino.
Uno de los retos de los transformadores de estado sólido es que su electrónica de potencia presenta más modos de fallo que la de los convencionales. En un dispositivo tradicional, un fallo suele significar que todo el equipo quede fuera de servicio, lo que genera cortes de energía. Pero Heron diseña teniendo esto en cuenta, explica Baglino: la compañía recurre a un diseño modular, con muchos pequeños dispositivos que funcionan conjuntamente. Si uno de ellos falla, el resto del sistema sigue operando hasta que se pueda sustituir la parte afectada, sin necesidad de apagar todo el conjunto.
Heron Power está construyendo actualmente una fábrica de 100 millones de dólares en California para producir transformadores avanzados. La instalación debería comenzar a producir en 2027 y alcanzar su ritmo máximo de producción de 40 gigavatios de transformadores al año en 2029.
El futuro de la red eléctrica
En los últimos años, las empresas que fabrican equipos para la red eléctrica han invertido 1.700 millones de dólares en la cadena de suministro estadounidense de transformadores de potencia, utilizados en la transmisión de alta tensión, señala Benjamin Boucher, analista de cadenas de suministro en Wood Mackenzie. Además, se han invertido otros 1.300 millones de dólares en transformadores de distribución, unos dispositivos más pequeños que ayudan a transformar la energía para hogares y empresas, añade.
Pero ni siquiera esta inversión sigue el ritmo del rápido crecimiento de la red eléctrica. Los tiempos de espera para los grandes transformadores convencionales —los necesarios para conectar nuevas centrales eléctricas, líneas de transmisión a larga distancia e instalaciones de gran demanda como los centros de datos— se están alargando hasta los cinco años.
«Los transformadores se han convertido en uno de los mayores cuellos de botella para las compañías eléctricas, los promotores de generación e incluso los centros de datos», afirma Boucher. El gran reto es que resulta complicado poner en marcha la fabricación de nuevos transformadores, ya que se trata de un proceso muy técnico que requiere mucha mano de obra especializada. Por eso, incluso las instalaciones anunciadas hace años aún tardarán años en abrir, señala Boucher.
Los transformadores de estado sólido podrían ayudar a aliviar parte de esa presión. Sin embargo, los dispositivos de alta tensión necesarios para las conexiones a centrales eléctricas y líneas de transporte son el santo grial de los transformadores de estado sólido, afirma Lukic. La tecnología de estado sólido actual aún no puede utilizarse en esas aplicaciones, por lo que la industria tendrá que desarrollar nuevos materiales y diseños que soporten altas tensiones y gestionen la electricidad de forma segura en un dispositivo compacto.
«Nos enfrentamos a un gran riesgo relacionado con la infraestructura de la red», afirma Boucher. «Sin los transformadores, en realidad no tienes una red eléctrica».