Πώς η μετάδοση hvdc μπορεί να είναι το μέλλον της παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Η ανάγκη για ένα αποτελεσματικό και ευέλικτο σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας έγινε αισθητή στις σημερινές βιομηχανικές οικονομίες. Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες επιλογές για τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και τις εμπορικές οντότητες, με τα συστήματα μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (HVDC) να αναδύονται ως εφικτός μηχανισμός διαχείρισης ενέργειας.

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας HVDC προειδοποιεί μια θαλάσσια αλλαγή στον τρόπο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, καθώς προσφέρει πολλαπλά οφέλη σε σχέση με τα συστήματα μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Τα συστήματα μετάδοσης HVDC προσφέρουν πλεονεκτήματα όσον αφορά τις χαμηλότερες εκπομπές και την εξοικονόμηση κόστους, όταν αναπτύσσονται υπερυψωμένα για μεγάλες αποστάσεις και υπόγεια ή υποβρύχια για μικρές αποστάσεις.

Προσφέροντας μέγιστη παροδική απόδοση και χαμηλότερες απώλειες ισχύος, ανεξάρτητα από την απόσταση που διανύει ο ηλεκτρισμός, τα συστήματα μετάδοσης HVDC δημιουργούν σημαντικό δυναμικό για μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις, όπως νησιά, ακόμη και ηπείρους. Οι εξελίξεις στις τεχνολογίες HVDC ανοίγουν το δρόμο για τα ανανεώσιμα ηλεκτρικά συστήματα, σηματοδοτώντας θετικές μελλοντικές προοπτικές της αγοράς συστημάτων μεταφοράς HVDC, η οποία εκτιμήθηκε σε περίπου 7,4 δισεκατομμύρια δολάρια το 2018.

Μετάδοση HVDC: Ένας αυτοκινητόδρομος ηλεκτρικής ενέργειας προς τη νέα εποχή των ανανεώσιμων πηγών

Τα συστήματα μετάδοσης HVDC εμφανίζονται ως το θεμέλιο πάνω στο οποίο αναπτύσσεται και εφαρμόζεται το νέο ενεργειακό σύστημα που βασίζεται σε ανανεώσιμες πηγές. Τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως τα έργα ηλιακής και αιολικής ενέργειας, είναι συχνά εξαιρετικά πτητικά και βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές. Η συνεχώς εξελισσόμενη τεχνολογία HVDC κερδίζει έδαφος στη νέα ενεργειακή οικονομία με γραμμές μεταφοράς HVDC μεγάλων αποστάσεων που μπορούν να μεταφέρουν ισχύ με μέγιστη απόδοση και ελάχιστες απώλειες ισχύος.

Οι γραμμές HVDC γίνονται οι «υπεραγορές ηλεκτρικής ενέργειας», οι οποίες επιταχύνουν το μέλλον των συστημάτων παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με τρεις τρόπους: διασύνδεση υφιστάμενων σταθμών παραγωγής ενέργειας, ανάπτυξη νέων σταθμών ηλιακής ενέργειας και ολοκλήρωση έργων υπεράκτιας αιολικής ενέργειας. Οι ημιαγωγοί ισχύος, τα καλώδια υψηλής τάσης και οι μετατροπείς συγκαταλέγονται στα βασικά στοιχεία της τεχνολογίας HVDC, τα οποία φέρνουν ξεχωριστά χαρακτηριστικά στο σύγχρονο σύστημα μετάδοσης συνεχούς ρεύματος (DC).

Οι ανάγκες για κατασκευή νέων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής μπορούν να αναβληθούν με την ανάπτυξη συστημάτων μετάδοσης HVDC, καθώς διασυνδέει διαφορετικά συστήματα ισχύος για να λειτουργεί πιο αποτελεσματικά. Το νέο σύστημα ισχύος μπορεί να επιτύχει μεγαλύτερα οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη που προέρχονται από μεγάλους υδροηλεκτρικούς πόρους, τα οποία αντικαθιστούν συστήματα παραγωγής θερμότητας σε παραδοσιακά συστήματα ισχύος μέσω γραμμών μεταφοράς HVDC.

Η μετάδοση HVDC έχει μετατραπεί σε αυτοκινητόδρομο ισχύος για μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για να προσφέρει διασυνδεδεμένα δίκτυα, τα οποία είναι αρκετά αξιόπιστα και ευέλικτα για να αντιμετωπίσουν τις προκλήσεις της νέας οικονομίας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα δίκτυα μετάδοσης HVDC επιτρέπουν την εξισορρόπηση φορτίου μεταξύ υπεραγορών ισχύος HVDC και την κοινή χρήση γραμμών και σταθμών μετατροπής σε ηλιακά έργα και υπεράκτιους σταθμούς αιολικής ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο, η ανάπτυξη συστημάτων μετάδοσης HVDC θεωρείται ως ένας οικονομικά βιώσιμος τρόπος παροχής πλεονασμού και αξιοπιστίας σε τέτοια δίκτυα ισχύος.

Επιπλέον, τα συστήματα μετάδοσης HVDC προσφέρουν επίσης εφικτές λύσεις στις υπάρχουσες πραγματικές προκλήσεις. Ένα σύστημα μετάδοσης HVDC που αναπτύσσεται από πάνω μπορεί να αποδειχθεί πιο αξιόπιστο από μια γραμμή μετάδοσης AC διπλού κυκλώματος. Μια υποδομή HVDC μπορεί να βελτιώσει την παροδική απόδοση ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας μονωμένα καλώδια HVDC σε υπόγειες και υποθαλάσσιες εφαρμογές, τα οποία μπορούν να επιταχύνουν τις διαδικασίες αδειοδότησης δεξιά. Επιπλέον, τα συστήματα μετάδοσης HVDC μπορούν επίσης να εγκατασταθούν δίπλα ή στις υπάρχουσες γραμμές εναλλασσόμενου ρεύματος, μειώνοντας τις ανάγκες για σωστή χρήση γης.

Τεχνολογία μετατροπέων παροχής τάσης (VSC) σε συστήματα μετάδοσης HVDC

Τα συστήματα μετάδοσης HVDC χρησιμοποιούν μετατροπείς τρέχουσας πηγής, γραμμής μετακίνησης (LCC), οι οποίοι απαιτούν άεργη ισχύ από πυκνωτές σειράς, τράπεζες διακλάδωσης ή φίλτρα. Ωστόσο, ένα συμβατικό σύστημα μετάδοσης HVDC αποτυγχάνει να προσφέρει υποστήριξη δυναμικής τάσης στο δίκτυο AC και να ελέγξει την τάση του συστήματος σε αποδεκτό εύρος, εντός της επιθυμητής ανοχής. Κατά συνέπεια, οι μετατροπείς παροχής τάσης χρησιμοποιούνται σε συμβατικά συστήματα μετάδοσης HVDC, όχι μόνο για την παροχή δυναμικής ρύθμισης τάσης στο δίκτυο AC αλλά και για τον έλεγχο της ροής ισχύος στο σύστημα.

Τα συστήματα μετάδοσης HVDC που βασίζονται στην τεχνολογία VSC μπορούν να προσφέρουν ανεξάρτητο έλεγχο τόσο της ενεργού όσο και της άεργης ισχύος χωρίς αστοχίες μετακίνησης. Η εναλλαγή των βαλβίδων IGBT σε μετάδοση HVDC που βασίζεται σε VSC ακολουθεί μια διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM), η οποία επιτρέπει στο σύστημα να ρυθμίσει τη γωνία φάσης και το πλάτος της τάσης εξόδου AC μετατροπέα με σταθερή τάση DC.

Επιπλέον, τα συστήματα μετάδοσης HVDC που βασίζονται σε VSC αποτελούνται από δύο ανεξάρτητα συστήματα ελέγχου και προστασίας, τα οποία αποτελούνται από επεξεργαστές ψηφιακού σήματος και μικροελεγκτές, και προσφέρουν πλεονασμό για την εξασφάλιση υψηλής αξιοπιστίας. Τέτοια χαρακτηριστικά αποδίδονται στην κλίση των τελικών χρηστών προς την τεχνολογία VSC έναντι της τεχνολογίας LCC στα συστήματα μετάδοσης HVDC.

Τα συστήματα HVDC που βασίζονται σε VSC αυξάνονται σε δημοτικότητα στην αγορά συστημάτων μεταφοράς HVDC, με πάνω από το 55% του μεριδίου εσόδων της αγοράς. Η τεχνολογία μετάδοσης με βάση το VSC έχει ενηλικιωθεί για συμβατικά συστήματα μετάδοσης HVDC, παρά το γεγονός ότι είναι μια σχετικά δαπανηρή επιλογή για εφαρμογές μετάδοσης με υψηλότερη βαθμολογία.

Οι κορυφαίες εταιρείες στην αγορά συστημάτων μεταφοράς HVDC ενισχύουν την υιοθέτηση της τεχνολογίας VSC για την ενίσχυση της αξιοπιστίας της μετάδοσης HVDC σε έργα ανανεώσιμης ενέργειας που υλοποιούνται παγκοσμίως. Για παράδειγμα, η Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation - ένας κορυφαίος ιαπωνικός κατασκευαστής συστημάτων παραγωγής ενέργειας - ανακοίνωσε την εγκατάσταση ενός συνδέσμου μετάδοσης HVDC με βάση την VSC που συνδέει την ηπειρωτική Ιαπωνία (Honshu) με το βόρειο νησί του Hokkaido, τον Μάρτιο του 2019. Η εταιρεία ανακοίνωσε ότι πρόκειται για το πρώτο σύστημα HVDC με βάση το VSC της Ιαπωνίας που εξασφαλίζει 600 MW χωρητικότητας διασύνδεσης ανά πάσα στιγμή.

Τον Απρίλιο του 2019, ο όμιλος ABB - μια ελβετική-σουηδική πολυεθνική εταιρεία που δραστηριοποιείται σε τμήματα ηλεκτρικής ενέργειας, βαρέος ηλεκτρικού εξοπλισμού και τεχνολογίας αυτοματισμού - ανακοίνωσε ότι έχει ιδρύσει μια κοινοπραξία με την Hitachi, Ltd. - Σύστημα μετάδοσης HVSC με βάση τον υποσταθμό Higashi-Shimizu στην Ιαπωνία. Η εταιρεία ανακοίνωσε ότι τα συστήματα μετάδοσης HVDC με βάση το VSC θα περιλαμβάνουν δύο μετατροπείς VSC (300.000 kW το καθένα) και η Hitachi θα κατασκευάσει το σύστημα, το οποίο θα αποτελείται από μετασχηματιστές μετατροπέα Hitachi και έναν μετατροπέα ABB HVDC με σύστημα ελέγχου και προστασίας.

Προόδους στην Υποδομή Ultra HVDC (UHVDC) Σημαντική για Μεταφορά Ανανεώσιμης Ενέργειας

Η ανάπτυξη ενός συστήματος μετάδοσης UHVDC είναι μία από τις τελευταίες εξελίξεις στην τεχνολογία μετάδοσης HVDC, η οποία επιτρέπει τη μετάδοση τάσης DC τουλάχιστον 800 kV. ένα συμβατικό σύστημα μετάδοσης HVDC χρησιμοποιεί γενικά τάσεις μεταξύ 100 kV έως 600 kV. Καθώς η νέα παγκόσμια ενεργειακή οικονομία κινείται σταδιακά προς τα δίκτυα ισχύος ηπειρωτικής κλίμακας, τα συστήματα μετάδοσης UHVDC είναι πιθανό να αποκτήσουν τεράστια σημασία σε ολόκληρο τον κόσμο.

Οι ανεπτυγμένες περιοχές είναι από τις πιο ευνοϊκές αγορές για συστήματα μεταφοράς UHVDC, καθώς οι ανεπτυγμένες χώρες παράγουν μεγάλες ποσότητες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η Βόρεια Αμερική και η Ευρώπη συγκαταλέγονται μεταξύ των μεγαλύτερων αγορών συστημάτων μεταφοράς HVDC, καθώς οι διοικητικοί φορείς σε αυτές τις περιοχές επενδύουν σε μεγάλο βαθμό για την ανάπτυξη υποδομών HVDC προκειμένου να επιτύχουν τους κλιματικούς τους στόχους.

Το Ηνωμένο Βασίλειο είναι από τις κορυφαίες ευρωπαϊκές χώρες που έχουν εφαρμόσει συστήματα μετάδοσης HVDC. Το Ηνωμένο Βασίλειο μοιράζεται συνδέσμους HVDC με πολλές γειτονικές χώρες, όπως η Νορβηγία, η Ιρλανδία, η Γαλλία και η Ολλανδία. Επιπλέον, οι Ηνωμένες Πολιτείες ενισχύουν τις επενδύσεις στην παραγωγή καθαρής ενέργειας και η υιοθέτηση της μετάδοσης HVDC αυξάνεται με ταχύ ρυθμό στη χώρα. Το συνεχώς διευρυνόμενο διακρατικό δίκτυο συστημάτων υπεραγορών ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ καθιστά τη Βόρεια Αμερική τη μεγαλύτερη αγορά συστήματος μεταφοράς HVDC, με σχεδόν το ένα τέταρτο μερίδιο εσόδων της παγκόσμιας αγοράς.

Ωστόσο, ένας αυξανόμενος αριθμός αναδυόμενων οικονομιών δείχνει πολλά υποσχόμενη ανάπτυξη στην παραγωγή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με την ανάπτυξη σταθμών υδροηλεκτρικής ενέργειας και αιολικής ενέργειας. Τα αναπτυσσόμενα έθνη φιλοξενούν έργα μεγάλης κλίμακας ηλιακής και αιολικής ενέργειας και υιοθετούνται συστήματα μετάδοσης UHVDC για την κάλυψη της συνεχώς αυξανόμενης ζήτησης ενέργειας σε αυτές τις χώρες.

Η Κίνα έγινε μια από τις κορυφαίες χώρες στον κόσμο που υιοθέτησε πρώτα ένα σύστημα μετάδοσης UHVDC. Το 2010, η πρώτη γραμμή μετάδοσης UHVDC στον κόσμο κατασκευάστηκε από τον Όμιλο ABB μεταξύ Σαγκάης και Xiangjiaba στην Κίνα με βαθμολογία ισχύος 6,4 GW και συνολικό μήκος περίπου 1.907 χλμ. Μέχρι το 2017, η χώρα επένδυσε πάνω από 400 δισεκατομμύρια γιουάν (57 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ) για την ανάπτυξη τουλάχιστον 21 νέων γραμμών μεταφοράς UHVDC στη χώρα.

Η General Electric Company (GE) - ένας αμερικανικός πολυεθνικός όμιλος εταιρειών - παρουσίασε την πρώτη φάση 1.500 MW του διφασικού συστήματος μεταφοράς ισχύος HVDC στο Chhattisgarh της Ινδίας, το 2017. The Power Grid Corporation of India Limited - μια ινδική κρατική ηλεκτρική υπηρεσία εταιρεία - επένδυσε πάνω από 6.300 εκατομμύρια INR στο έργο. Το Υπουργείο Ηλεκτρικής Ενέργειας ανακοίνωσε ότι η χωρητικότητα του έργου αναβαθμίστηκε περαιτέρω σε 6.000 MW με επένδυση άνω των 5.200 εκατομμυρίων INR, τον Δεκέμβριο του 2018. Η GE ανακοίνωσε ότι ήταν το πρώτο έργο της εταιρείας UHVDC στην Ινδία και στον κόσμο, το οποίο είναι 1.287 km superhighway ενέργειας με ισχύ μετάδοσης έως 3.000 MW.

Με την αυξανόμενη υιοθέτηση συστημάτων μετάδοσης UHVDC σε αναδυόμενες οικονομίες, όπως η Κίνα και η Ινδία, η περιοχή της Ασίας-Ειρηνικού (εξαιρουμένης της Ιαπωνίας) αναδύεται ως αγορά υψηλής ανάπτυξης για συστήματα μεταφοράς HVDC. Οι μελλοντικές τάσεις στον τομέα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (T&D) επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από το συνδυασμό ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Η αύξηση των επενδύσεων στον τομέα των Τ & Α θα ενισχύσει την παραγωγή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα επόμενα χρόνια. Αυτό, συνεπώς, θα πυροδοτήσει την παγκόσμια υιοθέτηση συστημάτων μεταφοράς HVDC ως ευέλικτης και οικονομικής λύσης για τη διαχείριση νέων προκλήσεων παραγωγής ενέργειας και την ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών τα επόμενα χρόνια.