Inginerii chinezi şi europeni construiesc o magistrală electrică de curent continuu HVDC de 2.370 km în China, pentru care nu existau transformatoare suficient de puternice

China îşi dezvoltă sistemul său energetic cu o viteză galopantă în unii ani, înglobând tot mai multe surse de energie regenerabilă în acesta. China construieşte şi multiple reactoare nucleare, energia cărora nu e calificată drept regenerabilă, ci doar ca una lipsită de emisii locale, şi multiple hidrocentrale, dar în ultimii ani a construit cu o viteză enormă parcuri fotovoltaice uriaşe în zona deşertului Gobi din nord vestul ţării şi parcuri eoliene amplasate la mare altitudine în munţi din zonele apropiate de acel deşert. Cele mai populate oraşe din China, însă, sunt concentrate în zona de est, iar asta înseamnă că e nevoie de tot mai multe linii electrice de mare putere care să transporte toată electricitatea produsă în acele zone pustiite ale Chinei spre regiunile industrializate şi populate. Acum China construieşte o nouă magistrală electrică de curent continuu HVDC, cu o lungime enormă de 2.370 km, care e atât de puternică, încât pentru ea nu existau transformatoare şi convertoare suficient de puternice în lume. Aşa că inginerii elveţieni şi suedezi au fost chemaţi să facă parte din acest proiect şi să conceapă aceste echipamente, producându-le pentru chinezi.

Noua linie electrică HVDC are numele de Gansu-Zhejiang şi va avea, aşa cum spuneam, o lungime de 2.370 km. Reţelele electrice, aşa cum le ştiam acum 30 de ani, nu prea aveau linii de transmisii atât de lungi, pentru că de obicei sursa de producţie a electricităţii era poziţionată mai aproape de conglomeraţiile de consum. Astfel, majoritatea absolută a liniilor electrice aeriene se bazau pe curent alternativ, pierderi la distanţe de doar câteva sute de kilometri fiind considerate oarecum acceptabile.

Doar unele hidrocentrale construite în zone îndepărtate şi slab populate erau situate mai departe de atât şi acolo s-a observat că transportul electricităţii prin linii aeriene de curent alternativ la distanţe mai mari de vreo 600-800 km devine împovărător prin pierderile pe care le generează, în timp ce la liniile electrice trec prin pământ sau apă efectul survine la distanţe mult mai mici. Şi asta pentru că, pe lângă rezistenţa dată de fire, curentul alternativ mai are şi o rezistenţă reactivă, cauzată de schimbarea direcţiei de 50 ori pe secundă. La curentul continuu, acest efect lipseşte. De asemenea, liniile cu curent alternativ mai au şi aşa-numita descărcare prin coroană, datorată ionizării aerului din jurul unui conductor, în timp ce acest efect lipseşte la liniile cu curent continuu. Toate aceste detalii despre funcţionarea curentului HVDC le descriam în detaliu în articolul în care enumeram cu a evoluat această tehnologie timp de 70 şi cum a ajuns ea mai relevantă acum, în epoca energie regenerabile.

Ei bine, noua linie HVDC Gansu-Zhejiang din China va fi atât de puternică, încât va transporta o putere electrică egală cu întreg consumul României la orele de vârf. Mai exact, noua linie e proiectată pentru o putere imensă de 8 GW, operând la tensiune de 800 kV.

Dar China nu e deloc străină de liniile HVDC, ea având deja mai multe linii construite şi funcţionale, atât la distanţe similare sau chiar mai mari, cât şi la tensiuni similare sau chiar mai mare, de 800 sau 1.100 kV. Aceste linii au 8 GW şi, respectiv, 12 GW putere. Prin urmare, întrebarea absolut logică e prin ce e atât de specială noua linie HVDC şi de ce pentru ea nu existau convertoare suficient de puternic, dacă două linii de parametri similari sau mai mari au fost deja construite în China?

Ei bine, aici încep lucrurile cele mai curioase în ingineria acestor linii. Atât liniile chinezeşti HVDC, cât şi toate liniile comparabile existente în lume, la puteri atât de mari, folosesc tehnologia LCC în punctele de transformare şi convertire. Această tehnologie foloseşte convertoare comutate de reţea, pe bază de tiristoare, adică semiconductori care pot fi comandaţi să intre în conducţie, dar nu pot fi opriţi decât când tensiunea reţelele trece prin zero în mod natural şi îşi schimbă polaritatea. Astfel reţeaua de curent continuu dictează efectiv comportamentul liniei HVDC.

Foto: Staţie de convertire HVDC cu tehnologie LCC

La capătul de intrare în linia HVDC, electricitatea poate veni după ce e produsă, spre exemplu, prin turbine eoliene şi ea ajunge sub formă de curent alternativ la staţia iniţială a linie HVDC. Staţia de la intrare acţionează ca un redresor, având un transformator de conversie, curentul ajungând apoi la o punte cu tiristoare, după care e nevoie de un reactor de nivelare DC. La capătul final al liniei, convertorul acţionează ca un invertor, transformând curentul continuu în alternativ, însă şi aici tiristoarele sunt modelate de parametrii liniei AC de după ele, ceea ce înseamnă că ele au nevoie de o reţea puternică şi stabilă în frecvenţă, pentru a funcţiona corect.

Tehnologia funcţionează ireproşabil, verificat în timp, atunci când reţelele de curent alternativ de dinainte şi de după linia HVDC sunt puternice şi stabile, spre exemplu când sursa de curent iniţial e o hidrocentrală, cu generatoare care asigură producţia constantă la frecvenţă corectă. Dar când sursele sunt exclusiv turbine eoliene sau panouri solare, din multiple surse adunate într-o conexiune, curentul alternativ rezultat poate avea oscilaţii foarte mari în parametrii săi de moment, care variază în continuu. Şi întrucât tiristoarele sunt modelate de însăşi frecvenţa reţelei de până la ele, asta perturbă întreaga linie HVDC de după ele. Soluţia de remediere e ca acea sursă de regenerabile de dinainte de linia HVDC să fie integrată într-o reţea mai mare, care să-i imprime stabilizarea necesară. Dar acum China vrea să transporte electricitate produsă în cantităţi uriaşe într-o zona nepopulată, unde nu există o reţea suficient de mare încât să mai aproape 8 GW de putere. Prin urmare era nevoie de tehnologia folosită la convertoarele din parcuri eoliene, cu convertoare pe bază de VSC.

Această tehnologie VSC nu mai foloseşte tiristoare clasice, ci IGBT-ui, semiconductori modern de pare putere după principiul celor folosiţi în invertoarele maşinilor electrice, spre exemplu, doar că adaptaţi la o cu totul altă scară. Aceste elemente pot fi pornite şi oprite la comandă, şi ele devin cele care formează parametrii curentului alternativ de după ele.

Pentru partea sursei de curent, aceste unităţi nu mai sunt afectate de variaţiile parametrilor din reţeaua ce intră în punctul de convertire, întrucât comportamentul lor e dictat modularea proprie, nu de reţea. Structura de facto a acestor echipamente presupune mii de submodule, care-şi distribuie sarcinile între ele şi funcţionează sincronizat pentru un rezultat final cât mai echilibrat. Asta permite acestei tehnologii să asigure funcţionarea corectă a staţiilor de convertire a parcurilor eoliene, spre exemplu, unde aceste staţii au rol de punct iniţial al liniei HVDC, care pleacă mai departe sub mare spre ţărm, iar singurele surse de curent alternativ şi reţeaua propriu-zisă de dinainte de acest punct sunt turbinele eoliene din jur, fără vreo altă reţea care să le stabilizeze.

Doar că această tehnologie VSC a fost aplicată până acum preponderent la parcuri eoliene, care pot avea până la 2 GW putere, iar uneori parcurile mai mari au mai multe asemenea staţii de convertire. Nu exista niciun precedent în istorie de a folosi tehnologia VSC la o staţie de convertire de 8 GW. Cele mai mari exemple anterioare, folosite în tandem cu LCC, erau de maxim 5 GW, dar acolo nu totul depinde de ele, deci nu e un exemplu direct comparabil. Prin urmare, problema era enormă — nimeni în lume nu are convertoare şi transformatoare pe bază de VSC la 8 GW putere. Aici a venit rolul inginerilor elveţieni şi suedezi de la Hitachi Energy, care au fost implicaţi pentru a concepe efectiv asemenea staţii de convertire, cu tot echipamentul necesar, pentru a le produce şi a le livra.

Doar că un singur asemenea transformator ar trebui să fie gigantic şi să depăşească 10.000 tone în greutate, motiv din care inginerii elveţieni şi suedezi au divizat sarcinile în mai multe transformatoare VSC identice, câte 750 mVA şi 800 kV. Nici un asemenea transformator n-a existat până acum, aşa că a trebuit proiectat, dar dimensiunea şi greutatea sa sunt mai acceptabile.

Inginerii de la Hitachi Energy sunt responsabili de toate celelalte echipamente din staţiile de convertire a noii linii HVDC din China, iar toate aceste echipamente sunt în prezent în proces de fabricare în Elveţia şi Suedia, cu o foarte mică parte din echipamentul mai simplu, existent anterior, produs în China.

În rezultat, noua linie HVDC din China va deveni deja până la sfârşitul acestui an prima din lume de 8 GW, care preia electricitatea preponderent din surse regenerabile şi o transportă la o asemenea putere, pe o asemenea distanţă. Chinezii spun că ea va transporta anual 36 TWh de electricitate. Pentru comparaţie, România consumă anual 50-52 TWh de electricitate. Deci, 36 TWh, pentru o singură linie, înseamnă parametri titanici.

E o realizare inginerească fără precedent, deci, una din acele construcţii când situaţia dictează parametri imenşi, pe care nu i-a atins nimeni anterior şi când inginerii sunt întrebaţi dacă se poate face una ca asta, după care pleacă la calcule şi proiectări şi revin cu magicul „se poate”. Şi în această tehnologie de scară imensă, inginerii europeni sunt deocamdată cei mai avansaţi din lume.