Przyszłość to przesył energii elektrycznej za pomocą prądu stałego? Archipelag Świat i jego sieć
Linie HVDC (skrót od angielskiego terminu High Voltage Direct Current) mają lepszą zdolność przenoszenia dużych ilości energii niż HVAC (skrót od angielskiego terminu High Voltage Alternate Current), na duże odległości. Być może ważniejszym argumentem są niższe koszty takiego rozwiązania przy większych odległościach. Oznacza to, że jest ona bardzo przydatna do dostarczania energii elektrycznej na duże odległości z lokalizacji źródeł odnawialnych, łączących wyspy z lądem, a nawet potencjalnie nawet różne kontynenty wzajemnie ze sobą.
Linie HVAC wymagają stawiania wielkich wież i sieci trakcyjnych. Wywołuje to często protesty miejscowych mieszkańców. HVDC może zostać poprowadzona na dowolnie duże odległości pod ziemią, bez ryzyka dużych strat energetycznych, jak to ma miejsce z zakopywanymi sieciami prądu przemiennego. Jest to nieco droższe rozwiązania, ale stanowi sposób na uniknięcie wielu problemów, jakie mają sieci przesyłowe. Oczywiście do przesyłu za pomocą prądu stałego można przystosować istniejące już i społecznie zaakceptowane linie przesyłowe z wysokimi słupami. A oznacza to, że można przesłać więcej energii tymi samymi liniami.
Z przesyłaniem energii za pomocą prądu przemiennego wiąże się sporo problemów, które energetycy dobrze znają. Należy do nich m.in. generowanie pól elektromagnetycznych, co prowadzi w efekcie do tego, że linie są wysoko nad ziemią i oddalone od siebie. Występują też straty cieplne w środowiskach gruntowych i wodnych oraz wiele innych trudności, z którymi nauczono z biegiem czasu sobie radzić, ale są wciąż obciążeniem ekonomii energetyki. W sieciach prądu przemiennego potrzeba wielu kompromisów inżynierskich, ale wykorzystanie prądu przemiennego jest oczywiście ekonomicznie opłacalne do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości, zatem w większości sytuacji nie są to problemy nie do rozwiązania. Nie oznacza to jednak, że nie można skorzystać z lepszego rozwiązania.
Czy powstanie globalna sieć energetyczna?
W 1954 roku firma ABB zbudowała zatopioną w morzu 96-kilometrową linię przesyłową HVDC między stałym lądem Szwecji a wyspą (1). Sposób, w jaki trakcja jest skonstruowana, pozwala na uzyskanie dwukrotnie wyższego napięcia niż w przypadku prądu przemiennego. Linie podziemne i podwodne oparte na prądzie stałym nie tracą na efektywności przesyłu w porównaniu z liniami naziemnymi. Prąd stały nie wytwarza pola elektromagnetycznego, które oddziaływałoby na inne przewody, ziemię czy wodę. Przewody mogą mieć dowolną grubość, ponieważ prąd stały nie ma tendencji do płynięcia na powierzchni przewodnika. Prąd stały nie ma częstotliwości, więc łatwiej jest połączyć dwie sieci o różnych częstotliwościach i przekształcić z powrotem na prąd przemienny.
Jednak prąd stały wciąż ma dwa ograniczenia, które nie pozwoliły mu zawładnąć światem, przynajmniej do niedawna. Pierwszym z nich jest to, że przetworniki napięcia były o wiele droższe niż proste, fizyczne przetworniki napięcia przemiennego. Jednak koszt transformatorów DC (2) szybko spada. Na spadek kosztów ma wpływ również fakt, że rośnie liczba urządzeń wykorzystujących prąd stały po stronie odbiorników docelowych energii.
Drugi problem polega na tym, że wyłączniki (bezpieczniki) wysokiego napięcia prądu stałego były nieskuteczne. Wyłączniki są elementami, które chronią systemy elektryczne przed nadmiernym obciążeniem. Mechaniczne wyłączniki dla prądu stałego były zbyt wolne. Z drugiej strony, choć wyłączniki elektroniczne są wystarczająco szybkie, ale ich działanie wiązało się dotychczas z dużymi, sięgającymi 30 proc. utratami mocy. Było to trudne do przezwyciężenia, ale ostatnio udało się to osiągnąć dzięki nowej generacji wyłączników hybrydowych.
Jeśli wierzyć najnowszym doniesieniom, jesteśmy na drodze do przezwyciężenia problemów technicznych, które obciążały rozwiązania HVDC. A zatem czas przejść do niewątpliwych korzyści. Analizy wskazują, iż na pewnym dystansie, po przekroczeniu tak zwanego "progu opłacalności" (ok. 600-800 km), alternatywa w postaci HVDC, choć jej koszty początkowe są wyższe niż startowe nakłady na instalacje prądu przemiennego, zawsze prowadzi do obniżenia łącznych kosztów sieci przesyłowych. Odległość do progu rentowności jest znacznie mniejsza w przypadku kabli podmorskich (zwykle ok. 50 km) niż w przypadku linii napowietrznych (3).
Terminale DC zawsze będą droższe od terminali AC po prostu dlatego, że muszą posiadać komponenty do transformacji napięcia DC, jak również konwersji DC na AC. Ale konwersja napięcia DC i wyłączniki tanieją. Rachunek ten jest coraz bardziej opłacalny.
Obecnie w nowoczesnych sieciach straty przesyłu wynoszą od 7 proc. do 15 proc. przy przesyle naziemnym opartym na AC. W przypadku przesyłu prądem stałym są one o wiele niższe i pozostają na niskim poziomie nawet wtedy, gdy kable prowadzone są pod wodą lub pod ziemią.
HVDC ma więc sens w przypadku dłuższych odcinków nad lądem. Innym miejscem, w którym się sprawdzi, jest populacja rozsiana na wyspach. Dobrym przykładem jest Indonezja. Ma ona 261 milionów ludności żyjącej na ok. sześciu tysiącach wysp. Wiele z tych wysp jest obecnie uzależnionych od ropy naftowej i oleju napędowego. Podobne wyzwanie stoi przed Japonią, która składa się 6 852 wysp, z których 430 jest zaludnionych.
Japonia rozważa budowę dwóch dużych połączeń elektroenergetycznych HVDC z Azją kontynentalną, które pozwolą jej uwolnić się od konieczności wytwarzania i zarządzania całą energią elektryczną we własnym zakresie na ograniczonym obszarze geograficznym, na którym występują znaczne trudności terenowe. Podobnie ukształtowane są takie kraje jak Wielka Brytania, Dania i wiele innych.
Tradycyjnie Chiny myślą w skalach przekraczających skale innych krajów. Firma obsługująca państwowe sieci energetyczne tego kraju wysunęła pomysł budowy globalnej sieci HVDC w celu powiązania wszystkich elektrowni wiatrowych i słonecznych na świecie do 2050 roku. Takie rozwiązanie plus techniki smart grid, dynamicznie dystrybuujące i przydzielające moc, z miejsc gdzie akurat jest w dużej ilości generowana do miejsc, w których w danej chwili jest potrzebna, mogłoby pewnego dla pozwolić czytać "Młodego Technika" przy świetle lampki zasilanej energią wytworzona przez wiatraki rozmieszczone gdzieś na południowym Pacyfiku. W końcu cały świat jest w pewnym sensie archipelagiem.
Mirosław Usidus
