Ingineria celei mai lungi linii aeriene de transmisie a electricităţii prin curent continuu HVDC din lume, de acum 10 ani

Acum mai multe decenii, sursele de producţie a electricităţii puteau fi la câteva zeci de kilometri sau maxim câteva sute de kilometri depărtare de marile locuri de consum, iar liniile de transmisie a electricităţii operau aproape exclusiv cu curent alternativ, pentru că se considera că opţiunea cu curent continuu ar genera pierderi mai mari mai ales la transformarea unor valori mari de putere în curent alternativ. Totuşi, proiecte de linii cu curent continuu au existat ocazional şi pe atunci. Însă ulterior, mai aproape de timpurile noastre, au început să apară tot mai multe proiecte de energie regenerabilă, care au schimbat tot mai mult felul în care se construiesc liniile de transmisie până în prezent, când toate proiectele de linii puternice, de distanţă mai mare, sunt tot mai mult dominate de tehnologia HVDC a curentului continuu de tensiune mare, sau de voltaj dacă ar fi să descifrăm abrevierea. Azi vorbim despre un asemenea proiect grandios care a fost construit acum exact 10 ani şi care a arătat lumii întregi mai mult ca oricare altul viabilitatea tehnologiei, impulsionând-o să se dezvolte şi mai mult. E vorba de linia de transmisie aeriană electrică Rio Madeira din Brazilia, care are o lungime uriaşă de 2.375 km.

Din start vom spune că azi ea nu mai e cea mai lungă linie HVDC din lume, însă acum 10 ani ea avea acel titlu, şi şi l-a păstrat până în 2019. Şi tot ea a fost linia care a făcut un salt uriaş de distanţă realizând lucruri care păreau imposibile până atunci, şi anume să transporte electricitatea de o putere uriaşă, pe o distanţă de 2.375 km, cu pierderi minime de transmisie.

Iniţial în lumea noastră parcurile fotovoltaice şi eoliene nu erau nici ele foarte departe de locurile de consum. Chiar şi parcurile eoliene maritime erau construite aproape de ţărm, tocmai pentru a putea fi uşor conectate la reţea, pe lângă uşurinţa de a fixa turbine eoliene de fundaţie la fundul mării. Ulterior, însă, tehnologia turbinelor eoliene a avansat mult şi ele pot fi instalate mult mai departe în mări şi oceane, la sute de kilometri de ţărm, făcând uz de vânturi mult mai prolifice şi dând un factor de capacitate mai mare. Iar asta face ca şi liniile de transmisie să fie mult mai mari, mai având de înfruntat şi pierderile mai mari generate de trasarea lor pe fundul mării. Liniile HVDC au fost cele care au adus soluţia pierderilor minime pentru pacurile eoliene maritime, mai ales că între timp s-au inventat şi staţii de transformare din curent continuu în alternativ, montate pe ţărm, care reduc al minim pierderile. Iar aceste evoluţii au fost impulsionate mai ales de linia Rio Madeira, despre care vorbim azi.

Aşadar, ce e Rio Madeira şi prin ce e fascinantă ingineria ei? E o linie de transmisie aeriană a electricităţii, care poate transmite 7,1 GW de putere, sau 7.1 MW, pe o distanţă de 2.375 km. Iar puterea de 7,1 GW e egală cu întreg consumul României la orele de zi! Şi toată această putere trece prin doar câteva fire!

Linia cu curent continuu Rio Madeira a apărut din necesitatea de transmite electricitatea generată de la două hidrocentrale alăturate de pe râul Madeira din nord-vestul Braziliei, în zona pădurilor amazoniene, spre sud-estul său, unde sunt concentrate marile oraşe. Cele două hidrocentrale, Sant Antonio şi Jirau, sunt situate la circa 100 km depărtare, şi produc 3.150 MW şi, respectiv, 3.750 MW putere, însumând 6,9 GW de putere totală, astfel încât linia aeriană a fost proiectată pentru 7,1 GW putere, pentru a avea o rezervă de putere.

Desigur, a existat la acel moment o dilemă dacă varianta cu curent continuu era cea corectă, dar răspunsul a devenit evident foarte repede, or Brazilia avea deja în operare linii mai scurte HVDC care indicau pierderi cu 30-50% mai mici decât liniile cu curent alternativ pe atunci. Prin urmare, inginerii deja ajunseseră la ideea că liniile mai lungi de 600-800 km ar trebui construite doar cu curent continuu, chiar dacă sunt mai scumpe în staţiile de transformare. Diferenţa între curentul pierdut e uriaşă şi face ca acele investiţii să fie recuperate rapid.

Foto: Traseul aproximativ al liniei HVDC Rio Madeira

Inginerii au proiectat linia Rio Madeira într-un mod curios. Electricitatea e transmisă iniţial de la hidrocentrale prin curent alternativ până la capătul unde începe linia HVDC, în Puerto Velho. Acolo există două staţii de transformare în curent continuu, iar mai departe pleacă două linii HVDC de 2.375 km lungime, fiecare de 3.150 MW putere, la 600 kV, care ajung până aproape de regiunea Sao Paolo, la Araraquara, unde există încă două staţii de transformare din curent continuu în curent alternativ, iar acel curent alternativ e distribuit deja oraşului Sao Paolo şi întregii regiuni prin obişnuitele linii. Această configurare de linii HVDC poată denumirea de staţii bipolare.

Staţiile de transformare folosesc convertoare de 12 pulsuri, această formulă permiţând configurarea unor lungimi de undă corecţi, excluzându-se deviaţiile posibile la un număr mai mic de pulsuri. Mai simplu spus, am putea compara echilibru unui motor V12, care se autobalansează natural din două blocuri de 6 cilindri. În cazul acestor transformatoare, la final se obţine un curnt electric mult mai precis, echilibrat şi consecvent în parametrii doriţi.

Putem observa că 2 x 3.150 MW fac 6.300 MW, în timp ce puterea totală a sistemului, menţionată mai sus, e de 7.100 MW, iar hidrocentralele produc 6.900 MW. Adevărul e că lângă Puerto Velho există încă două staţii HVDC back-to-back, care transmit 800 MW putere local, în regiunea din nord-vestul Braziliei.

Atunci Brazilia a decis să divizeze contractul de construcţie a acestei linii aeriene de lungime record între două companii lider în lume, şi tot ele printre puţinele specializate în linii HVDC pe atunci, care să poată asigura pierderi minime de transmisie. Compania americană General Electric, prin divizia sa Grid Solutions, care azi a devenit parte a companiei GE Vernova, a construit staţiile de transformare HVDC pentru una din cele două linii de 3.150 MW ce formează proiectul. Tot ei au livrat lavele cu tiristori pentru transformatoare, dar şi alt echipament adiţional.

Iar compania suedezo-elveţiană ABB a primit contractul pentru staţiile de transformare a celei de-a doua linii şi pentru cele două staţii back-to-back ce însumau 800 MW. ABB este, de fapt, prima companie din lume car a construit linii HVDC şi tot ea construise mai devreme linii în Brazilia, deci avea deja o reputaţie impecabilă. Apropo, ulterior ABB a format o companie nouă împreună cu Hitachi, focusată spre transformatoare de mare putere şi utilaje aferente, companie care a devenit apoi Hitachi Energy şi a fost cumpărată de Hitachi integral de la ABB, iar odată cu asta Hitachi Energy a devenit entitatea care a moştenit toată experienţa şi tehnologiile, şi a inovat şi mai departe în sporirea eficienţei.

Pe atunci, pierderile admise de noua linie HVDC pe o distanţă de 2.375 km la maxim 7%, ceea ce era excepţional de bine. Pentru comparaţie, o linie de putere şi voltaj similar, dar realizată în sistem de curent continuu, la o asemenea distanţă ar genera pierderi de circa 17%, până spre 19%! Deci, e o diferenţă de minim 10% de pierderi evitate datorită faptului că transmisia e una cu curent continuu, iar la 6.300 MW de putere transmisă prin acele linii, chiar dacă estimăm un flux real de 6.000 MW, asta înseamnă 600 MWh de electricitate savate de la pierderile de transmisie pe oră! Pe zi, asta înseamnă circa 14 GWh, iar pe an avem cam 5 TWh care nu sunt irosiţi! Chiar şi la un preţ minim de 5 cenţi per kWh, asta înseamnă evitarea unor pierderi de 250 milioane dolari anual în acest caz. Raportat la costul total al acestei linii, de puţin peste 1 miliard de dolari, diferenţa de a alege HVDC în loc de AC e recuperată rapid, mai ales că liniile HVDC necesită şi mai puţin oţel, datorită cablurilor mai subţiri, şi deci au un impact mai mic. Iar la durata de viaţă de decenii la rând a hidrocentralelor şi acestor linii de transmisie, optarea pentru HVDC se răscumpără de multe ori în decursul operării, mai ales la o asemenea linie de 2.375 km.

Şi toate aceste caracteristici şi diferenţe au şi dus la popularizarea tot mai mare a proiectelor HVDC şi în energia solară şi eoliană, întrucât diferenţele în pierdere sunt şi mai accentuate la cablurile subacvatice. Această linie HVDC din Brazilia, însă, care a marcat recordul mondial de lungime la timpul său, a fost cea care a demonstrat absolut clar parametrii acestei tehnologii şi avantajele sale şi a impulsionat toată dezvoltarea galopantă de mai departe.