Tehnologia HVDC de linii electrice cu curent continuu împlineşte 70 de ani, dar abia acum şi-a luat cu adevărat avânt, odată cu energia regenerabilă

În ultimul an, am publicat mai multe articole despre linii electrice de înaltă tensiune cu curent continuu HVDC, menţionând că această tehnologie e tot mai solicitată pentru noile proiecte de energie regenerabilă, devenind chiar soluţia principală de transportare a electricităţii produse de parcuri eoliene maritime sau terestre mai îndepărtate sau de parcuri fotovoltaice. E o tehnologie ce pare nouă, însă ea împlineşte de fapt 70 de ani acum, în octombrie 2024! Problema acestei tehnologii e că a fost ineficientă mult timp, apoi a fost puţin aplicabilă în proiecte reale din cauza modului în care se producea electricitatea şi abia acum, odată cu avântul energiei regenerabile şi schimbarea modului în care producem electricitate în lume, ea a devenit mai necesară ca oricând şi cunoaşte acum adevăratul avânt.

Publicasem la începutul anului un articol în care explicam de ce liniile cu curent continuu sunt preferate celor cu curent alternativ în parcurile eoliene şi spuneam că o inovaţie realizată de Hitachi Energy în ultimul deceniu a făcut ca pierderile unităţilor de transformare din curent continuu în alternativ să devină şi mai mici, reducând substanţial pierderile totale. Iar în toată lumea sunt în toi o multitudine de proiecte de trasare a cablurilor maritime HVDC, nu doar de la parcuri eoliene maritime, ci între insule şi continente sau chiar între două continente. Apropo, singurele două cele mai performante nave din lume care trasează aceste cabluri HVDC au fost construite în România, numite Leonardo Da Vinci şi Mona Lisa. Dar să aducem mai multă claritate în marea întrebare — de ce a fost nevoie de 70 de ani pentru ca această tehnologie să devină relevantă şi utilă?

Foto: Nava Leonardo Da Vinci a celor de la Prysmian, care a fost construită în România, la şantierul naval Vard din Tulcea

Ei bine, probabil ştim cu toţii că majoritatea liniilor electrice aeriene de uscat funcţionează pe curent alternativ, pentru că se consideră cea mai eficientă metodă de transmisie raportată la pierderile suferite. Dar aceste pierderi nu sunt zero. Liniile electrice aeriene de 110-150 kV pot avea pierderi între 1,5% şi 5% per 100 km, iar cele de 400 kV — de până la 3-4% per 100 km, aceste pierderi fiind formate atât de rezistenţă, cât şi un efect numit descărcare prin coroană, datorat ionizării aerului din jurul unui conductor. Acest efect se accentuează în funcţiile de condiţiile meteo şi e propriu doar liniilor de curent alternativ. Iar aceste caracteristici au determinat inginerii de peste 100 ani încoace să se întrebe dacă nu cumva curentul continuu ar putea genera mai puţine pierderi.

Prima linie de transmitere cu curent continuu a fost demonstrată în 1882 în Munchen, însă ea avea o putere de doar 1,5 kW. Inginerul elveţian Rene Thury a fost cel care a creat prima formă incipiente de linie HVDC în 1889 în Italia, el conştientizând că tensiunea înaltă e cheia pierderilor mai mici. A folosit un set de motoare şi generatoare pentru a mări tensiunea. I-a reuşit să creeze linii cu până la 5 kV pe set, iar sistemul său avea 14 kV şi 630 kW putere, efectuând transmiterea electricităţii la o distanţă de 120 km. Erau parametri admirabili pentru acele timpuri, iar mai târziu acelaşi inginer a construit sistemul Moutiers—Lyon, care transmitea deja 8,6 MW de putere de la o centrală hidroelectrică la 200 km distanţă, inclusiv 10 km sub pământ. Până în anii 30, sistemele Turin au depăşit numărul de 15 construite în Europa, ajungând până la 150 kV. Transmisia HVDC funcţiona deja pe atunci, doar că nu exista o metodă mai simplă de a mări tensiunea, iar folosirea acelor setul de motoare şi generatoare dădea pierderi mari în acel punct.

Între timp, mai erau încercate şi alte soluţii, iar în 1932 cei de la General Electric au început a folosi redresoare cu arc de mercur, care îndeplinea şi rolul de convertire în curent continuu şi creştea tensiunea. Acesta genera pierderi mai mici şi conţinea mai puţine componente, fiind astfel mai simplu în esenţă, neavând nevoie de setul de motoare. Mercurul lichid servea drept catod, ia electronii de carbon din interior serveau drept anod, arcul electric format între cele două părţi ionizând aerul interior, creând o cale conductoare. Vaporii ionizaţi de mercur permiteau trecerea electronilor doar într-o singură direcţie, blocându-i pe cei în direcţie inversă, iar astfel curentul era transformat din alternativ în continuu. Mercurul lichid era restabilit din vaporii condensaţi şi nu-şi pierdea eficacitatea în timp. Această invenţie a fost cea care a determinat epoca modernă de linii HVDC, dar ea încă nu-şi găsise o aplicare largă în anii 30. Câteva linii experimentale au fost construite între Zurich şi Wettingen în Elveţia, şi între Charlottenburg şi Berlin.

Foto: Redresor cu arc de mercur

Abia în anul 1941, guvernul german comandase celor de la Siemens proiectarea unei asemenea linii de 115 km, cu 200 kV, la 60 MW putere, între Berlin şi centrala Vockerode. Constucţia acestei linii cu redresoare cu arc de mercur a început a fi construită în 1943. Însă, în 1945, atunci când Germania a fost învinsă în cel de-al doilea război mondial, sovieticii au dezasamblat această linie electrică, cu tot cu instalaţiile de convertire şi cei 115 km de fire, şi au dus-o în URSS. Acolo, în URSS, ea s-a transformat în linia electrică Moscova-Kashira, de exact 115 km lungime, care pretindea astfel de a fi prima linie HVDC din lume. Linia a fost inaugurată în 1951, sovieticii având nevoie de 6 ani ca să înţeleagă şi să studieze acele redresoare, pentru a proiecta altele similare pentru următoarele lor linii.

Foto: Redresoare cu arc de mercur la linia HVDC Moscova-Kashira

Momentul marcant de start al istoriei s-a produs acum 70 de ani, în 1954, când a fost construită prima linie HVDC între Suedia continentală şi insula Gotland. A fost o linie subacvatică de 98 km, care transmitea 20 MW putere la 100 kV, folosind aceleaşi redresoare cu arc de mercur. Deci, de aici vine marcare acelor 70 de ani, pentru că de aici încolo a început munca inginerilor de a spori eficienţa. Motivul era clar la trasarea prin apă, pierderile liniilor cu curent alternativ cresc considerabil, iar linia din Gotland demonstra că tehnologia HVDC îşi păstrează neschimbată pierderea mică la transmisie, rămânând a fi soluţionată doar convertirea din curent alternativ în continuu şi invers la cele două puncte ale liniilor.

A mai fost nevoie de mulţi ani, însă. În cazul linii aeriene distanţele în lume erau de obicei mai mici. Iar atât timp cât distanţele de la sursa electricităţii la consumatori sunt de doar câteva sute de kilometri se considera că efortul şi costurile necesare pentru liniile HVDC sunt nejustificate.

Tot cei de la General Electric au fost cei care au inventat valvele cu tiristor în anii 70, care au adus o pierdere mai mică, dar şi o funcţionare mai stabilă, fără efectul arcurilor inverse care apăreau la redresoarele cu arc de mercur. Mai mult ca atât, la valvele cu tiristor se putea ajusta uşor tensiunea dorită prin unirea în serie a mai multor tiristoare. Această tehnologie a marcat un nou impuls în dezvoltarea liniilor HVDC, şi în anii 70 şi 80 au apărut primele linii de peste 1.000 km.

Între timp s-au mai făcut multiple inovaţii care au mai sporit eficienţa HVDC, iar până de curând, cu tehnologii moderne se considera că liniile cu curent continuu de voltaj înalt cu cele mai eficiente componente vor avea oricum pierderi de 6,5-10% la 1.000 km, în timp ce liniile HVDC au pierderi de 3,5% la 1.000 km. În apă diferenţa e mult mai mare.

Iar acum, odată cu dezvoltarea energiei regenerabile, sursa de producţie a electricităţii e adeseori în locul mult mai îndepărtate de consumul — fie că e vorba de câteva sute de kilometri în adâncul mării sau câteva sute de kilometri în deşert sau în zone muntoase. Diverse proiecte precum cel de 2.375 km din Brazilia de acum 10 ani, au tot confirmat viabilitatea tehnologiei, iar acum HVDC a devenit practic unica soluţie raţională pentru conectarea cu ţărmul a insulelor sau a parcurilor eoliene şi solare îndepărtate, pe distanţe de sute de kilometri. Chiar şi parcuri eoliene de uscat, precum SunZia în SUA, situate în zone deşertice, apelează oricum la HVDC pentru a transmite electricitatea. Astăzi cei de la Hitachi Energy sunt lideri în acest domeniu pentru că sunt moştenitorii diviziei responsabile de această tehnologie a companiei elveţiano-suedeze ABB, iar acea companie a moştenit tehnologia de la compania ACEA din Suedia, cea care a construit linia Gotland acum 70 de ani. De cealaltă parte, un alt jucător important e GE Vernova, care e moştenitorul celor de la General Electric, menţionaţi mai sus cu invenţiile lor.

Deci liderii de azi sunt moştenitorii entităţilor care au inventat şi conturat tehnologia de-a lungul timpului, iar pierderile de azi sunt şi mai mic de 3,5% la 1.000 km graţie ultimelor inovaţii, uneori coborând şi sub 2%. Iar asta face ca o cotă mult mai mare din acea energie regenerabilă să ajungă la destinaţie. Iar în felul în care încep să arate reţelele electrice din ţările care aplică energie regenerabilă şi-şi modernizează reţelele, liniile cu curent continuu devin chiar mai importante şi mai strategice, ca un soi de schelet de bază, pe lângă cele cu curent continuu folosite deja mai mult pentru distribuţia locală în interiorul ţărilor.

Aşadar, a fost nevoie de 70 de ani şi de schimbarea felului în care generăm electricitatea, ca această tehnologie să devină mai utilă ca oricând şi să aibă acum de adevăratul avânt în inovaţii.