Se pudéssemos iniciar nossa rede elétrica do zero com a tecnologia atual, qual seria a escolha mais eficiente? CA ou CC?

Ultimamente, tenho lido sobre as muitas vantagens dos sistemas de transmissão HVDC para transmissão de longa distância, links submarinos e outros. A razão histórica pela qual a CA foi escolhida sobre a CC deveu-se principalmente à invenção do transformador, que permitiu a manipulação fácil da tensão CA, permitindo a transmissão de alta tensão através de longas distâncias.

No entanto, após a invenção de válvulas de mercúrio, tiristores, IGBTs e todos esses componentes que viabilizaram a transmissão DC, estive pensando que, se tivéssemos uma rede puramente DC, poderíamos nos livrar de todos os retificadores AC / DC encontrados em nossos aparelhos eletrônicos. Isso poderia melhorar bastante a eficiência energética e economizar muito dinheiro em recursos.

Se tivéssemos a chance de recomeçar, um sistema de transmissão baseado em corrente contínua poderia ser a melhor opção ¹ ou a CA ainda estaria no topo?

^{1: com melhor , quero dizer mais energia eficiente .}

Um pouco de história

As sugestões por trás deste tópico vão contra o que muitos engenheiros elétricos aprenderam desde o primeiro curso de circuitos - que a CA é melhor para a transmissão de energia. Afinal, na "guerra de correntes" no final de 1800, foi Tesla quem ajudou Westinghouse a lutar pelo CA, finalmente derrotando os sonhos de Edison de um império de DC.

A principal vantagem do uso de AC sobre DC nesse momento era a eficiência. Tornou-se cada vez mais fácil transformar uma tensão CA em outra, especialmente quando comparado ao custo, dificuldade e ineficiência de converter uma tensão CC em outra naquele momento. De acordo com a Primeira Lei de Joule , a quantidade de energia desperdiçada como calor nas linhas de transmissão é proporcional à corrente ao quadrado. Considerando que as linhas de transmissão possuem uma resistência conhecida (fixa) fixa, então para uma transmissão da mesma quantidade de energia, muito mais é desperdiçado em uma transmissão de baixa tensão e alta corrente do que em uma transmissão de alta tensão e baixa corrente. Como declarado, era muito impraticável converter tensões CC em um nível alto o suficiente para superar a perda de linha quando comparado à relativa facilidade de transformar tensões CA.

Como observação lateral, muitos lugares nunca mudaram completamente dos sistemas de transmissão DC originais para CA até meados do século XX.

Você pode ler tudo sobre a história aqui .

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Isso não quer dizer que a AC não tenha seus próprios problemas. O efeito de pele é um exemplo de CA sendo menos eficiente que CD, mas ainda não compensa as perdas de linha mencionadas acima. Outra questão é a descarga de coroa ocorrendo em altos níveis de tensão de transmissão. Em longas distâncias, a alimentação CA também apresenta problemas de estabilidade. Este artigo do IEEE localiza algumas distâncias diferentes, observando que a reatância da linha pode ser compensada em distâncias de até 600 - 700 milhas.

Com implementações modernas de válvulas de arco de mercúrio, tiristores e IGBTs, e meios eficientes de conversão de tensão CC, a transmissão HVDC não é apenas possível, mas supera muitos dos problemas enfrentados na transmissão HVAC. A distância total de transmissão é muito maior e os efeitos AC mencionados são superados. Além disso, o custo associado ao HVDC é menor que o HVAC, depois que um limite de distância é ultrapassado. Esse diferencial de custo é discutido em detalhes neste documento, que também inclui uma análise dos custos das subestações de energia. O custo também é discutido no link fornecido por Jake em sua resposta .

O fato é que a infraestrutura elétrica atual é baseada na transmissão de energia CA. A grande maioria da tecnologia moderna requer esse tipo de energia para uma operação adequada, e se o AC nunca tivesse sido usado, duvido que tenhamos muitos dos "avanços" tecnológicos que conhecemos e amamos. Teoricamente, usar o HVDC sozinho pode ser mais eficiente, mas para compensar a diferença de custo, um sistema HVAC / HVDC híbrido é a melhor solução, pelo menos neste momento no desenvolvimento humano.

Com o aumento do custo de cobre e outros metais úteis e os problemas ambientais com os óleos isolantes usados ​​neles, os transformadores de alta potência estão se tornando muito caros, em comparação com seus equivalentes no estado sólido. Não é apenas o custo dos enrolamentos, mas as grandes caixas de metal e os custos de transporte e instalação associados a esses grandes transformadores.

Uma mudança para a transmissão CC de alta tensão provavelmente seria uma lavagem em termos de eficiência, no entanto, poderia ser um custo menor se ainda não tivéssemos nossa infraestrutura atual em vigor. Ainda seriam necessários transformadores, mas, em vez de transformadores de potência de baixa frequência, acoplamos conversores DC-DC semicondutores com transformadores de potência de alta frequência, que podem ser muito menores (portanto mais baratos) para a mesma quantidade de capacidade de conversão de energia.