De la central a la toma

Las centrales eléctricas suelen estar lejos de las personas que usan su electricidad. Las presas hidroeléctricas están en las montañas, los parques eólicos en lugares ventosos y las grandes centrales cerca del agua para refrigeración. Algo tiene que transportar la potencia a lo largo de decenas o cientos de kilómetros, y los cables desperdician un poco de ella en forma de calor.

Las fórmulas clave. La potencia eléctrica es P = V × I, voltaje por corriente. Un cable tiene una pequeña resistencia R, y una corriente I a través de él desperdicia potencia en forma de calor:

P_loss = I² × R

Ahora el truco. Para entregar una potencia fija P, puedes usar un alto voltaje y una pequeña corriente, o un bajo voltaje y una gran corriente. Como la pérdida depende de I al cuadrado, la pequeña corriente gana por mucho. Si aumentas el voltaje 10 veces, para la misma potencia, la corriente cae a una décima parte, por lo que la pérdida cae a una centésima parte.

Ejemplo resuelto (línea supuesta). Envía 100 MW a lo largo de una línea con una resistencia total de 10 Ω. Este es un modelo simplificado de un solo circuito, un número didáctico; las líneas trifásicas reales son más complicadas.

• A 11 kV: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9,091 A. Pérdida = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. Eso es más que los 100 MW que querías enviar: no puede funcionar.
• A 110 kV: I ≈ 909 A. Pérdida ≈ 909² × 10 ≈ 8.3 MW, aproximadamente 8 por ciento.
• A 400 kV: I = 250 A. Pérdida = 250² × 10 = 0.625 MW, aproximadamente 0.6 por ciento.

Por eso las líneas largas funcionan a cientos de kilovoltios.

¿Cómo se cambia el voltaje? Con un transformador: dos bobinas de alambre en un núcleo de hierro compartido. Una corriente alterna en la primera bobina crea un flujo magnético variable, que induce una fuerza electromotriz en la segunda bobina. La relación de voltajes es igual a la relación de espiras: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. Un transformador solo funciona con flujo variable, por eso la red utiliza corriente alterna (CA). (Para algunas líneas muy largas o submarinas, se utiliza en su lugar HVDC con convertidores electrónicos). Field Lab tiene un banco de transformadores si quieres enrollar tus propias bobinas.

La escalera habitual (los voltajes varían según el país):

• Generador: alrededor de 11 a 25 kV.
• Subida a transmisión a unos 110 a 400 kV o más.
• Bajada a distribución, a menudo 11 a 33 kV.
• Bajada otra vez a la toma: 230 V en gran parte del mundo, 120 V en Norteamérica.

¿Qué se pierde? En todo el recorrido, desde la cerca de la central hasta tu enchufe, las pérdidas suelen ser de aproximadamente 5 a 10 por ciento de la electricidad en muchos países, y más altas en algunos. Gran parte se pierde en los cables locales de bajo voltaje, no en las líneas de alta tensión.