Um novo, transformador de média tensão inteligente desenvolvido na ETH Zurique apresenta tecnologia de semicondutor de ponta, tornando-o extremamente compacto e energeticamente eficiente. As aplicações futuras vão de locomotivas a estações de carregamento rápido para veículos elétricos e de fontes de alimentação para data centers para uso em futuras redes de energia.

Os engenheiros elétricos da ETH Zurich desenvolveram um transformador eletrônico inteligente que funciona de forma extremamente eficiente para transformar a média tensão em baixa tensão. Os transformadores inteligentes desse tipo também são muito menores do que os transformadores padrão. Isso os torna particularmente adequados para uso onde o espaço é limitado ou o peso deve ser reduzido ao mínimo, como é o caso, por exemplo, das locomotivas ferroviárias.

A maioria das redes de energia para aplicações ferroviárias fornece corrente alternada em nível de média tensão. As locomotivas então reduzem a tensão para um valor mais baixo. "Por razões técnicas, quanto menor a frequência da corrente alternada, quanto maior o transformador necessário para reduzir a tensão. E a 16,7 Hertz, a frequência usada no transporte ferroviário na Suíça e em vários outros países europeus é relativamente baixa, "explica Daniel Rothmund, um dos dois alunos de doutorado do grupo do professor Johann Kolar da ETH que construiu o novo transformador.

Para contornar este problema de tamanho, transformadores inteligentes têm um truque na manga:primeiro, um conversor front-end aumenta muito a frequência da corrente alternada, o que significa que o próprio transformador pode ser muito menor. Em seguida, um conversor subsequente produz corrente alternada na frequência desejada.

Alternando em frequências extremamente altas

Rothmund e seu colega Thomas Guillod tiveram que desenvolver muitos dos componentes de seu transformador, como existem poucos componentes disponíveis na prateleira para a média tensão de 10, 000 volts com os quais trabalham. Componentes feitos de carboneto de silício que permitem uma troca extremamente rápida - protótipos fabricados por uma empresa norte-americana - foram especialmente importantes. Usando estes, os alunos de doutorado da ETH foram capazes de converter a média tensão em uma frequência muito alta de 75, 000 hertz; como resultado, o sistema de transformador que eles construíram tem apenas um terço do tamanho dos transformadores inteligentes anteriores com classificações de energia semelhantes. E embora os sistemas anteriores alcançassem uma eficiência energética de cerca de 96 por cento, Rothmund e Guillod conseguiram 98 por cento - em outras palavras, eles conseguiram reduzir as perdas de energia de 4% para apenas 2%.

Seu trabalho de pesquisa foi conduzido como parte do Programa Nacional de Pesquisa da Suíça "Reviravolta de Energia" (NRP 70), que se concentra na pesquisa das tecnologias necessárias para implementar a Estratégia de Energia do país para 2050.

Corrente alternada retificadora

As locomotivas ferroviárias são apenas uma das muitas aplicações para esses novos transformadores. "Ao contrário dos transformadores convencionais, transformadores inteligentes podem ser controlados, "Rothmund explica. Eles podem ser usados ​​em futuras redes de energia, conhecidas como redes inteligentes, para gerenciar ativamente a distribuição de energia e equilibrar as flutuações na geração e demanda de eletricidade.

O novo sistema é capaz não só de alterar a frequência da corrente alternada na rede, mas também de conversão de corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC). Uma aplicação pode ser futuras estações de carregamento rápido em grande escala, que pode carregar vários veículos elétricos simultaneamente. Esses pontos de carregamento podem então ser conectados diretamente à rede CA de média tensão existente, com os transformadores compactos eficientes, reduzindo a média tensão para a tensão desejada. "As baterias são carregadas usando uma tensão DC comparativamente baixa, "Rothmund explica, acrescentando:"Em comparação com a tecnologia convencional, transformadores inteligentes têm a vantagem quando se trata de produzir CC a partir de uma rede CA de média tensão. "

Outra classe de consumidores de grande escala que se beneficiará com esse desenvolvimento são os data centers. Fornecer a eles sistemas de fornecimento de energia mais eficientes reduziria não apenas suas contas de eletricidade, mas também a quantidade de calor residual produzido, portanto, minimizando a energia necessária para o resfriamento.

Ironicamente, a nova tecnologia pode muito bem fazer mais do que facilitar a recuperação para uma nova economia de energia que é descarbonizada e eletrificada; também poderia facilitar a exploração de reservas de combustíveis fósseis de difícil acesso. A indústria de petróleo e gás está trabalhando atualmente em maneiras de acessar depósitos offshore localizados em oceanos profundos usando fábricas submarinas em vez de plataformas de perfuração. Estes teriam bombas, compressores e robôs localizados no fundo do oceano e puxando eletricidade de um "cordão umbilical" que se estende por vários quilômetros até a terra. A nova tecnologia significa que os cabos podem transportar DC, que pode ser transmitido de forma mais eficiente do que AC em longas distâncias, enquanto um conversor relativamente pequeno no fundo do oceano poderia converter o DC em AC que as máquinas exigem.