Análisis del rendimiento térmico y la eficiencia económica del cable submarino de XLPE basado en simulación acoplada electro–térmico–hidráulica

Mantener seguras las líneas eléctricas submarinas

A medida que crecen los parques eólicos marinos, más electricidad debe llegar a la costa a través de gruesos cables enterrados en el lecho marino. Si estos cables submarinos se calientan demasiado, el aislamiento plástico que mantiene la electricidad contenida puede envejecer rápidamente, acortando la vida útil del cable y aumentando los costes. Este estudio plantea una pregunta aparentemente simple con grandes consecuencias prácticas: ¿cómo influyen las propiedades del lecho marino y la forma de enterrar un cable en su temperatura y, a su vez, en la economía de llevar energía limpia a tierra?

Por qué importa el lecho marino

Los cables submarinos para proyectos eólicos marinos suelen usar un plástico resistente llamado polietileno reticulado (XLPE) como aislamiento y se diseñan para que sus núcleos metálicos se mantengan por debajo de unos 90 grados Celsius. El calor que generan debe disiparse en el sedimento circundante y en el agua de mar. Pero los suelos marinos no son todos iguales. Algunos son arenosos y conducen bien el calor; otros son ricos en arcilla y más aislantes. Además, el agua atrapada en los poros entre los granos puede moverse cuando se calienta, transportando calor consigo. Estas condiciones locales deciden con qué facilidad un cable puede evacuar calor, lo que a su vez determina cuánta corriente puede transportar de forma segura y cuán rentable será el proyecto a lo largo de décadas de servicio.

Simulando un problema térmico complejo

Los autores se centraron en un tipo común de cable trifásico de 220 kilovoltios en corriente alterna y construyeron un modelo informático detallado de una sección del lecho marino donde se entierra dicho cable. En lugar de tratar el cable como un simple generador de calor, modelaron explícitamente los campos electromagnéticos que generan calor dentro de los conductores metálicos y otras capas. Ese calor se propaga luego al suelo circundante, donde puede moverse tanto por conducción simple como por el movimiento del agua de poro impulsado por la flotabilidad, como una corriente de convección natural muy lenta. Al acoplar el comportamiento eléctrico, térmico y del flujo de fluidos en un mismo marco, pudieron ver cómo cambios en la profundidad de enterramiento, la temperatura de fondo, la conductividad térmica del suelo y la permeabilidad del suelo interactúan para fijar la temperatura de funcionamiento en régimen y la corriente admisible del cable. También verificaron que el modelo concordaba bien con una norma de ingeniería establecida, encontrando sólo una pequeña diferencia en la capacidad de corriente predicha.

Qué controla la temperatura del cable

Las simulaciones muestran tendencias claras y a veces sorprendentes. Enterrar el cable más profundamente eleva de forma consistente la temperatura del conductor, y el efecto se hace más fuerte a medida que aumenta la profundidad, porque el calor tiene más distancia que recorrer antes de alcanzar la influencia refrigerante del agua de mar por encima. Temperaturas ambientales del lecho marino más cálidas desplazan simplemente todo el sistema hacia arriba: para la misma carga eléctrica, unos pocos grados adicionales de calor de fondo pueden llevar el cable por encima de su límite seguro. La conductividad térmica del suelo —con qué facilidad pasa el calor a través del sedimento— juega un papel poderoso. En suelos que conducen mal el calor, la temperatura cae bruscamente con la distancia y el cable se calienta más, limitando drásticamente la corriente que puede transportar. En suelos más conductores, el calor se dispersa rápidamente, permitiendo una corriente mayor sin exceder el límite de temperatura.

Ayuda oculta del movimiento del agua de poro

Otro factor clave es la permeabilidad, que describe con qué facilidad puede moverse el agua a través de los poros del suelo. En suelos muy compactos, típicos de las arcillas, el modelo muestra que cambiar la permeabilidad en varios órdenes de magnitud apenas afecta la temperatura del cable, porque el agua de poro apenas se mueve y domina la conducción. Una vez que la permeabilidad supera un umbral de aproximadamente 10⁻¹¹ metros cuadrados —más propio de limos gruesos o arenas—, el flujo impulsado por la flotabilidad se vuelve importante. El agua de poro más caliente y ligera asciende y el agua más fría desciende, creando trayectorias de flujo en bucle que mejoran la eliminación de calor. En este régimen, una mayor permeabilidad conduce a temperaturas del cable notablemente más bajas, con el calor difundiendo en patrones alargados que reflejan estas corrientes internas.

Qué implica para los costes del proyecto

Puesto que el coste del cable no se reduce solo a comprar e instalar el equipo, los autores vincularon sus resultados térmicos a un modelo económico sencillo. Combinaron los gastos de equipo e instalación con el valor de la energía perdida como calor durante una vida útil de 30 años, y el mantenimiento rutinario, para calcular un índice de inversión: el coste total dividido por la capacidad de transporte de corriente del cable. Un índice más bajo significa más vatios entregados por dólar invertido. El análisis muestra que un enterramiento menos profundo, una mayor conductividad térmica del suelo y una permeabilidad suficientemente alta reducen este índice, haciendo los proyectos más rentables. Sin embargo, un enterramiento muy superficial puede exponer los cables a anclas, aparejos de pesca y oleaje, por lo que los ingenieros deben equilibrar las ventajas térmicas y económicas frente al riesgo mecánico y los requisitos regulatorios.

Conclusión para la energía marina

Para los lectores interesados en el futuro de la eólica marina, el mensaje del estudio es sencillo: el lecho marino no es solo un telón de fondo pasivo. Su temperatura, tamaño de grano y vías de agua influyen fuertemente en cuánto podemos exigir con seguridad a los cables que conectan los aerogeneradores marinos a la red y en cuánto cuesta esa conexión a lo largo de su vida. Al usar un modelo acoplado de electricidad, calor y flujo, los autores muestran que elegir capas de sedimento más frías, más conductoras del calor y con permeabilidad suficiente —y evitar enterramientos innecesariamente profundos— puede permitir una transferencia de potencia mayor y mejores rentabilidades, siempre que se mantenga la protección contra daños físicos.

Cita: Ye, M., Zhang, Y., Wu, H. et al. Analysis on the thermal performance and economic efficiency of XLPE submarine cable based on electric–thermal–hydraulic coupling simulation. Sci Rep 16, 9467 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40092-7

Palabras clave: cables eléctricos submarinos, energía eólica marina, sedimentos del lecho marino, transferencia de calor, fiabilidad del cable