De ce noile parcuri eoliene maritime folosesc linii cu curent continuu de înalt voltaj HVDC în loc de curent alternativ

Acum câteva zile, anunţam despre conectarea celui mai mare subacvatic din lume cu curent continuu, Viking Link, între Danemarca şi Marea Britanie, care trebuie să ajute cele două ţări să-şi echilibreze reciproc reţelele mult mai bine şi să poată distribui reciproc electricitatea produsă de noile parcuri eoliene mari, construite în ultimii ani şi cele aflate încă în construcţie. Odată cu acea ştire, atât în vizorul nostru, cât şi al cititorilor noştri, a ieşit cel mai important element al acestui cablu — faptul că acesta e unul cu curent continuu, nu alternativ — ceea ce pare să meargă exact împotriva invenţiei lui Nikola Tesla de transmisie a electricităţii prin curent alternativ, pe care se bazează majoritatea elementelor din sistemele energetice din toată lumea. Iar asta ne face să vrem să aducem mai multă claritate în acest subiect.

Mai mult ca atât, de curând şi Hitachi Energy, o companie cu experienţă enormă în producţia de utilaje de electrice, inclusiv foarte specializate, a anunţat că a mai fost contractată de olandezii de la TenneT, să realizeze proiectul Nederwiek 1, o conexiune de 2 GW a parcurilor eoliene olandeze cu ţărmul tot pe bază de cabluri de înaltă tensiune cu curent continuu (HVDC), iar cei de la Hitachi trebuie să construiască şi staţiile de transformare.

Foto: Traseul noului cablu HVDC Nederwiek 1

Hitachi nu e la prima experienţă de acest tip, ba chiar e unul din pionerii şi promotorii de decenii încoace a conexiunilor HVDC, şi adevărul e că mai multe din cablurile de conexiune subacvatică a parcurilor eoliene construite în ultimii ani, care au deja puteri mai mari, au început a se baza pe curent continuu. Nu toate, nu e un fenomen total încă, pentru că sunt încă puţine companii care pot construi staţii mari de convertire a curentului continuu de voltaj mare. Dar e un fenomen care se instaurează tot mai mult şi care vine cu explicaţii inginereşti.

Foto: Schema unei transmiteri obişnuite de electricitate de la un parc eolian maritim spre ţărm, prin curent altenativ AC, cu o staţie de transformare în mare şi alte pe ţărm, pentru a face trasnmisia la voltaj înalt

Dintotdeauna fizica ne învăţa că cea mai eficientă metodă de transmitere a electricităţii la distanţe mari, prin fire, e să avem linii de curent alternativ de voltaj înalt. Cu cât mai mare e voltajul, cu atât mai mică e pierderea prin rezistenţa din fire, tocmai de asta în lume există şi linii de 110, şi de 400 sau chiar 500 kV, adică şi 400.000 sau 500.000 volţi. Acest sistem de transmitere la distanţă lungă a fost promovat intens de Nikola Tesla la timpul său, care arăta că tocmai beneficiile curentului alternativ fac acest sistem de transmisie a electricităţii atât de viabil.

Dar, de fapt, cheia eficienţei nu e în faptul dacă această transmisie are loc prin curent alternativ sau continuu, ci în tensiune, adică voltaj mare. Curentul alternativ a fost aplicat pentru că odată cu invenţiile lui Tesla şi mai târziu, omenirea avea metode simple şi fiabile de a transforma voltajul mare al curentului alternativ din liniile magistrale în unul mai mic pentru următoarele nivele de distribuţie, aducându-l înapoi la tensiunea necesară consumatorului final. Pentru curent alternativ nu existau soluţii care să poată transforma atât de eficient şi atât de flexibil voltajul curentului. Iar încercările care se făcuseră de transmitere de curent continuu indicau că oricum transmisia prin curent alternativ pare mai eficientă în randament şi e cu siguranţă mult mai ieftină.

Ei bine, ce s-a schimbat între timp, de s-a ajuns la folosirea cablurilor imense cu curent continuu de înalt voltaj? Câteva lucruri esenţiale şi foarte curioase!

S-a schimbat mediul de transmitere a curentului şi distanţele. Transmisia de curent alternativ prin fire electrice are avantajul de a fi mai eficientă decât cea de curent continuu, la acelaşi voltaj, doar dacă linii sunt aeriene şi doar până la o anumită distanţă, combinaţia dintre cele două elemente dând diferite puncte unde ele se egalează şi unde transmisia de curent continuu poate deveni mai eficientă. Turbinele eoliene maritime produc curentul în mare, la sute de kilometri depărtare de ţărm, iar cablurile de acolo pot avea lungimi foarte mari, fără vreo staţie intermediară între ele. Cablul Viking Link, menţionat la început, are în tocmai 765 km, dintre care aproape 700 sunt sub apă. Liniile aeriene terestre nu prea jonglau cu distanţe atât de lungi până acum, fără a avea staţii intermediare, transformări, alte puncte de distribuţie, etc.

Foto: Traseul noului cablu Viking Link

În acelaşi timp, dacă punem o linie cu curent alternativ în pământ sau în apă, avantajul pierderilor mai mici se pierde la o distanţă şi mai scurtă. Spre exemplu, la liniile aeriene, transmisia de curent continuu de voltaj înalt devine mai eficientă decât cea alternativ abia după 600-800 km. La cablurile în pământ eficienţa poate fi depăşită deja la 50-95 km, iar la cele sub apă — şi la 25-50 km. În aceste cifre sunt luate în calcul inclusiv avantaje economice, când asemenea distanţe adeveresc deja investiţia mai mare într-un cablu cu curent continuu şi o staţie de transformare dedicată, în raport cu metoda clasică.

S-a mai schimbat încă un lucru extrem de important, care a transformat teoria în practică. Noile parcuri eoliene au impus companii precum Hitachi şi alte câteva să inventeze staţii de transformare tot mai eficiente, tocmai pentru că se urmăreau pierderile prea mare de transmisie prin apă cu curent alternativ. Şi aceste staţii s-au dezvoltat foarte mult, în special în ultimii câţiva ani. Astfel, acum ele pot transforma curentul continuu primit pe ţărm din mare în cel alternativ, trimiţându-l mai departe în sistemul energetic naţional al unei ţări prin căi standard, dar fac această transformare de mare voltaj cu pierderi minime, deja. Şi anume datorită evoluţiei acestor staţii imense, şi sporirii performanţei lor, aceste cabluri HVDC cu curent continuu au ajuns ca în final să genereze pierderi mai mici decât transmiterea similară prin apă cu curent alternativ! Da, e un fapt confirmat de toate proiectele menţionate, şi cel din Danemarca şi Marea Britanie, şi cel din Olanda de acum, că aceste conexiuni de mare voltaj cu curent continuu sunt simţitor mai eficiente, cu pierderi semnificativ mai mici decât dacă s-ar fi transmis electricitatea prin mare prin curent continuu.

Foto: Schema de transmitere electricităţii generate de turbine eoliene pe ţărm prin cabluri de curent continuu de înalt voltaj HVDC, în imagini linia punctată e partea cu curent continuu

Şi aici au apărut şi alte efecte adverse interesante. La un voltaj atât de mare, la curentul alternativ în ecuaţie există o mică doză putere reactivă, pentru că într-un circuit cu curent alternativ, care îşi schimbă direcţia de vreo 50 de ori de obicei, apare un efect de putere neutilizată în unele componente ale circuitului. La curentul continuu, tot curentul formează doar putere activă, acest efect dispărând. De asemenea, datorită alternării de curent, apare frecvenţa ce determină aşa-numita descărcare prin coroană, datorată ionizării aerului din jurul unui conductor. Curentul continuu nu are frecvenţă, prin urmare acest efect nu apare la transmisia prin curent continuu, iar ultimele datele comparative arată că per total pierderile la curent continuu de înaltă tensiune pot fi de până la 3 ori mai mici în raport cu curentul alternativ.

Toate aceste pierderi mai mici înseamnă rezistenţă mai mică, or, pentru a reduce efectul de pierderi prin ionizare, firele de curent alternativ trebuie să fi mai groase, şi neapărat împletite, evitând totodată şi supraîncălzirea.

Foto: Cablu tipic de transmisie cu curent alternativ, cu mai multe fire împletite

În lipsa acestui efect, firele de curent continuu pot fi mai subţiri la transmiterea aceleiaşi puteri şi aceluiaşi voltaj şi nu e neapărat să fie împletite. Iar asta reduce semnificativ cantitatea de cupru folosită per kilometru de cablu, de exemplu.

Foto: Un cablu de transmitere cu curent continuu cu mai multe comunicaţii integrate

Astfel, cablurile cu curent continuu pot transporta fie voltaj şi putere mai mare cu aceeaşi grosime, fie pot fi făcute mai subţiri transportând acelaşi voltaj necesar, economisindu-se în ambele cazuri mult la costul acestor fire. Da, staţiile de transformare sunt construcţii super complexe şi scumpe, dar prin economia la firele propriu-zise şi prin eliminarea a unei bune părţi din pierderi, se recuperează rapid investiţia în staţii de transformare mai scumpe. Pe uscat, prin aer, curentul alternativ rămân mai logic la distanţe până la 600 km, chiar şi cu noile staţii. Pe mare, însă, cum spuneam mai sus, deja de la 25-50 km investiţia într-un cablu HVDC începe a deveni mai raţională, cu tot cu staţia aferentă.

Foto: Aşa arată o staţie de transformare de curent continuu Hitachi Energy, în interior

Iar noi am căutat şi cifre mai exacte din experienţa acestor parcuri eoliene mari şi pierderile la curent alternativ faţă de cel continuu. Şi am aflat că în funcţie de distanţă, configuraţie şi tensiune, cam la toate parcurile eoliene maritime din jurul Europei se pierde între 5% la cele apropiate de ţărm şi 10% la cele mai îndepărtate prin transmisia cu curent alternativ. Cu curent continuu prin cabluri HVDC, pierderea de reduce la doar 2-3% Iar asta înseamnă că până la 7-8% din energia produsă de acest turbine eoliene nu mai este pur şi simpu pierdută în transmisie, datorită trecerii la curent alternativ.

Hitachi, de exemplu, anunţă că ceea ce va construi acum în Olanda, la conectarea turbinelor eoliene, e un cablu capabil să transporte 2 GW putere pe ţărm şi toată staţia de transformare îi va aparţine, iar acest proiect e parte dintr-unul mult mai mare şi ambiţios, prin care va fi nevoie de cabluri ce vor însuma 60 GW putere de transmitere a electricităţii de la parcurile eoliene din Marea Nordului spre continentul european. Acum să ne imaginăm ce înseamnă 7% pierderi excluse la o putere de transmisie de 60 GW din mare. Înseamnă 4,2 GW de pierderi excluse! Asta înseamnă 4,2 GWh de electricitate salvată de la irosire timp de o singură oră, când se transmite puterea maximă. Într-o zi, asta înseamnă 100,8 GWh de electricitate economisită. Iar într-un an, asta înseamnă 36,8 TWh de electricitate salvată, care s-ar fi irosit! Pentru comparaţie, România consumă anual 50-52 TWh, deci e aproape 3/4 din electricitatea necesară României, salvată de la irosire, doar într-un asemenea proiect mare din apele nordice Europene.

E vorba de un progres imens în randament şi eficienţă, deci, un progres care dă şi beneficii economice, şi ecologice până la urmă, pentru că face ca toate acestea parcuri eoliene imense maritime să nu mai aibă pierderi la fel de mari şi să poată fi dezvoltate altele noi cu randament şi mai mare de atât! Evoluţii foarte curioase pe această filieră, deci!