Zalety vs wady przesyłu energii elektrycznej w systemie HVDC

Tesla czy Edison? Prąd przemienny czy stały? W XIX wieku rywalizację tę wygrał Tesla oraz jego metoda generowania i przesyłu energii. W świecie energetyki niepodzielnie zapanował prąd przemienny i króluje do dziś, jednak od pewnego czasu na atrakcyjności coraz bardziej zyskują linie wysokiego napięcia prądu stałego i technologia HVDC. Jakie plusy i minusy ma taki przesył energii elektrycznej?

HVDC w praktyce

HVDC, High Voltage Direct Current, to linia wysokiego napięcia prądu stałego. Żeby zrozumieć, czym jest system przesyłu HVDC, warto zacząć od podstaw, czyli określić co to jest prąd stały. Jest to taki ruch ładunków elektrycznych w danym obwodzie, który odbywa się zawsze w tym samym kierunku. Takie rozwiązanie znalazło zastosowanie w wielu obszarach życia codziennego. Najprostszym przykładem są samochody. W nich występuje prąd stały, którego napięcie najczęściej wynosi 12 V. Oczywiście w przypadku samochodu mamy po prostu do czynienia z prądem stałym, jednak nie jest to HVDC.

W przypadku systemu HVDC wartości napięcia, co zresztą sugeruje sama nazwa, są znacznie wyższe. Sama technologia nie jest nowością. Technologia przesyłu prądu stałego rozwijana i udoskonalana jest od pierwszej połowy XX wieku, ale teraz – szczególnie w obliczu transformacji energetycznej – zyskuje na znaczeniu. W wielu sytuacjach stanowi ona bowiem optymalne rozwiązanie odpowiadające współczesnym potrzebom przesyłania dużej ilości energii na znaczne odległości, integracji OZE czy łączenia systemów elektroenergetycznych o różnych parametrach.

Atuty HVDC, czyli kiedy warto postawić na prąd stały w sieci wysokiego napięcia

Systemy HVDC znajdują zastosowanie na obszarach, gdzie przesył energii elektrycznej odbywa się na bardzo duże odległości lub ma służyć do wyprowadzenia mocy z morskich farm wiatrowych (offshore). Główną zaletą HVDC jest rozwiązanie problemu poboru mocy biernej na potrzeby ładowania linii, co występuje szczególnie w przypadku linii kablowych HVAC (High Voltage Alternate Current, czyli linie wysokiego napięcia prądu przemiennego). Do głównych zalet systemu HVDC zalicza się:

• łączenie systemów energetycznych – to jeden z ważniejszych powodów stosowania HVDC. Systemy HVDC łączą obszary kontynentalne z obszarami wyspiarskimi (jak np. Wielka Brytania z Europą), jak również dają możliwość połączenia różnych systemów elektroenergetycznych i obszarów które przedzielone są znacznym obszarem wodnym. Znajdują również zastosowanie w łączeniu systemów energetycznych, gdzie występują różne częstotliwości lub problemy z jej utrzymaniem
  
• mniejsze straty mocy przy przesyle energii elektrycznej na duże odległości – w systemie HVDC w liniach przesyłowych nie występuje problem z mocą bierną, która to w technologii HVAC ogranicza przepustowość przesyłu mocy. Można w sposób opłacalny przesłać większą moc na większe odległości w porównaniu do linii wysokiego napięcia opartej o prąd przemienny
  
• budowa sieci energetycznych poprzez obszary morskie – obecnie jest to jedyny system stosowany do połączenia ze sobą krajów, które oddzielone są znacznym obszarem wodnym
  
• wyprowadzanie mocy z rejonów wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych – to duży atut HVDC, gdzie ta technologia znajduje zastosowanie w obszarach farm morskich offshore.

Ograniczenia HVDC, czyli dlaczego ciągle jest tak mało linii przesyłu prądu stałego

Niestety poza licznymi zaletami, technologia przesyłu prądu stałego ma też swoje ograniczenia. Analizując czym różni się prąd stały a zmienny, wiemy, że w przypadku prądu zmiennego wartość natężenia lub kierunek przepływu ładunków elektrycznych jest zmienny. Z kolei w sytuacji, gdy te zmiany zachodzą periodycznie w czasie, mamy prąd przemienny, czyli taki, z którym mamy do czynienia na co dzień, chociażby w gospodarstwach domowych. Jak wspomniano wcześniej XIX-wieczną rywalizację wygrał Tesla i prąd przemienny do dzisiaj jest rozpowszechniony w energetyce. Dlaczego prąd zmienny jest lepszy od stałego? Jak się okazuje, wynika to przede wszystkim z ograniczeń związanych z prądem stałym. Jakie ograniczenia dotyczą systemu HDVC?

• wysoki koszt – HVDC jest rozwiązaniem skomplikowanym, a co za tym idzie także drogim. Wydatki na budowę stacji HVDC są kilka razy wyższe niż wydatki na budowę stacji HVAC. Nie opłaca się więc wykorzystywać tej technologii do przesyłu energii na niewielkie odległości
  
• złożoność procesu przekształcania energii elektrycznej i obsługi stacji HVDC – jest to również ograniczenie systemu HVDC.

HVDC – projekty, realizacje, firmy

W Polsce doświadczenie związane z obiektami HVDC ma Eltel Networks. Nasi specjaliści, inżynierowie i technicy realizowali prace montażowe, kontrolno-pomiarowe, rozruchowe oraz nadzór inżynierski na projektach LitPol Link oraz NordLink, przez co dobrze znają strukturę organizacyjną obwodów pierwotnych, wtórnych oraz układów automatyki i urządzeń pomocniczych. Ich wieloletnie doświadczenie oraz wiedza zdobyta na projektach HVDC gwarantują profesjonalne wsparcie inżynierskie i techniczne inwestora przy realizacji inwestycji na każdym etapie jej trwania.

W Polsce, na obecnym etapie inwestycji w KSE, nie jest realizowany projekt oparty o technologię HVDC, ale trwają obecnie konsultacje w sprawie projektu Harmony Link 2. Celem tej inwestycji jest budowa podmorskiej linii w technologii High Voltage Direct Current, łączącej Polskę i Litwę. Inwestorami są krajowi operatorzy systemów przesyłowych – Polskie Sieci Elektroenergetyczne SA oraz Litgrid AB. To strategiczne przedsięwzięcie dla zachowania bezpieczeństwa energetycznego Europy Środkowo-Wschodniej i ułatwienie międzynarodowej wymiany energii elektrycznej.

Podsumowując – jest to dopiero początek, ale dynamiczny rozwój OZE i konieczność rozbudowania energetycznych połączeń transgranicznych dla wzmocnienia bezpieczeństwa energetycznego na świecie spowodują najpewniej, że prąd stały będzie zyskiwał na znaczeniu i za jakiś czas układy HVDC stworzą potężną sieć. To przyszłość wydajnych i inteligentnych sieci elektroenergetycznych.