Welche Vorteile bietet Gleichstromübertragung (HVDC) gegenüber Wechselstromübertragung (HVAC) in der Energieübertragung

Was sind die Vorteile von HVDC gegenüber HVAC?

Elektrizität legt weite Strecken zurück, bevor sie den Verbrauchern erreicht. Kraftwerke, oft abgelegen, liefern Strom über Hunderte von Meilen und mehrere Umspannwerke. Hochspannungstransmission reduziert Leitungsverluste, wobei sowohl Wechselstrom (AC) als auch Gleichstrom (DC) verwendet werden. Obwohl Wechselstrom durch Strommasten und Steckdosen im Haushalt vertraut ist, bietet HVDC einzigartige Vorteile bei der Energieübertragung.

Das Ziel der Energieübertragung ist es, Verluste und Kosten zu minimieren. Während beide Technologien unter beeinflussenden Faktoren stehen, hat HVDC mehr Vorteile. Dieser Artikel untersucht die Vorteile von HVDC gegenüber HVAC:

Niedrigere Transmissionskosten
Transmissionskosten hängen von der Endspannungsumwandlungsausrüstung, der Anzahl und Größe der Leiter, dem Turmquerschnitt und den Verlusten ab. HVAC verwendet für die Umwandlung Transformatoren, die einfacher und kostengünstiger sind als die thyristor-basierten Umrichter von HVDC, was sein einziger Kostenvorteil ist.

HVAC benötigt mindestens 3 Leiter für eine Drei-Phasen-Übertragung. HVDC, das die Erde als Rückführleitung nutzt, kann mit einem Leiter (monopol) oder zwei (bipolar) auskommen, was Kosten spart. Selbst Drei-Phasen-Leiter können doppelt so viel Leistung über HVDC-Doppel-Bipolarketten übertragen.

HVAC erfordert größere Phasen-zu-Erde- und Phasen-zu-Phasen-Abstände, was höhere und breitere Türme notwendig macht. HVDC-Türme reduzieren die Installationskosten. HVDC hat auch signifikant geringere Transmissionsverluste, was es effizienter macht.

Die Gesamttransmissionskosten können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Kosten für Endstationen und Kosten für Transmissionsleitungen. Die erstgenannten sind Fixkosten, unabhängig von der Transmissionsdistanz, während die letzteren mit der Leitungslänge variieren. Die Kosten für AC-Endstationen sind relativ niedrig, während die Kosten für HVDC-Endstationen signifikant höher sind. Allerdings sind die Kosten pro 100 km für HVAC-Transmissionsleitungen weit höher als die für HVDC-Leitungen. Daher schneiden sich die Gesamtkostenkurven für HVAC und HVDC an einem Punkt, der als Break-Even-Distanz bekannt ist.

Die Break-Even-Distanz ist die Transmissionslänge, ab der die gesamten Investitionskosten für HVAC höher sind als die für HVDC. Diese Distanz variiert je nach Transmissionsart: etwa 400–500 Meilen (600–800 km) für Freileitungen, 20–50 km für Unterwasserleitungen und 50–100 km für Erdleitungen. Jenseits dieser Schwelle wird HVDC zur effizienteren und wirtschaftlicheren Wahl für die Energieübertragung.

HVDC-Übertragung verursacht signifikant geringere Verluste im Vergleich zu HVAC, mit wesentlichen Verbesserungen in den folgenden Bereichen:

Fehlen von Blindleistungsverlusten

HVAC-Übertragung leidet unter Blindleistungsverlusten, die direkt proportional zur Leitungslänge, Frequenz und induktiven Lasten am Empfängerende sind. Diese Verluste reduzieren die effektive Leistungsovertragung und verschwenden Energie, was die maximale Länge effizienter HVAC-Leitungen begrenzt. Um dies zu mildern, setzen HVAC-Systeme auf Reihen- und Schuntkomponenten, um VARs (Volt-Ampere-Reaktiv) zu reduzieren und die Stabilität aufrechtzuerhalten.

Im Gegensatz dazu arbeitet HVDC ohne Frequenz oder Ladestrom, was Blindleistungsverluste vollständig eliminiert. Dies macht solche Kompensationsschritte überflüssig.

Reduzierte Korona-Verluste

Wenn die Transmissionsspannung einen kritischen Schwellwert (die Koronainzessionsspannung) überschreitet, ionisieren die Luftmoleküle um die Leiter herum, was Funken (Koronaentladung) erzeugt, die Energie verschwenden. Korona-Verluste hängen von Spannungsniveau und Frequenz ab. Da Gleichstrom keine Frequenz hat, betragen die Korona-Verluste von HVDC etwa ein Drittel derjenigen von HVAC-Systemen.

Fehlen des Hauteffekts

Wechselstrom zeigt den Hauteffekt, bei dem der Strom sich nahe der Leiteroberfläche konzentriert, wodurch der Kern unternutzt bleibt. Diese ungleichmäßige Stromverteilung reduziert die effektive Querschnittsfläche des Leiters, erhöht den Widerstand (da der Widerstand umgekehrt proportional zur Fläche ist) und führt zu höheren I²R-Verlusten in HVAC-Leitungen. HVDC, mit seinem stetigen Gleichstrom, vermeidet diesen Effekt, gewährleistet eine gleichmäßige Stromverteilung über den Leiter und minimiert Widerstandsverluste.

Keine Strahlungs- oder Induktionsverluste

HVAC-Transmissionsleitungen leiden unter Strahlungs- und Induktionsverlusten aufgrund ihrer ständig wechselnden magnetischen Felder. Strahlungsverluste treten auf, weil lange Wechselstromleitungen wie Antennen wirken, die Energie emittieren, die nicht wiederherstellbar ist. Induktionsverluste resultieren aus Strömen, die in benachbarten Leitern durch das wechselnde Feld induziert werden.In HVDC-Systemen ist das magnetische Feld konstant, was sowohl Strahlungs- als auch Induktionsverluste vollständig beseitigt.

Reduzierte Ladestromverluste

Unterirdische und unterwasserliegende Kabel haben inhärente parasitäre Kapazitäten, die vor der Energietransfer aufgeladen werden müssen. Die Kapazität steigt mit der Kabellänge, und daher steigt auch der Ladestrom proportional.

In AC-Systemen laden und entladen Kabel mehrmals pro Sekunde, ziehen dabei zusätzlichen Strom von der Quelle, um diesen Zyklus aufrechtzuerhalten. Dieser zusätzliche Strom erhöht die I²R-Verluste im Kabel.HVDC-Kabel hingegen müssen nur einmal geladen werden, nämlich beim ersten Einschalten oder Umschalten. Dies beseitigt die Verluste, die mit kontinuierlichen Ladeströmen verbunden sind.

Keine Dielektrischen Heizverluste

Das wechselnde elektrische Feld in AC-Systemen beeinflusst Isoliermaterialien in Transmissionsleitungen, sodass sie Energie absorbieren und in Wärme umwandeln – ein Phänomen, das als dielektrischer Verlust bekannt ist. Dies verschwendet nicht nur Energie, sondern verkürzt auch die Lebensdauer der Isolierung.HVDC-Systeme erzeugen ein konstantes elektrisches Feld, was dielektrische Verluste und damit verbundene Isolierungsheizprobleme vermeidet.

3) Dünnere Leiter

Der Hauteffekt in AC sorgt dafür, dass der Strom sich nahe der Leiteroberfläche konzentriert, wodurch dickere Leiter erforderlich sind, um die Oberfläche zu vergrößern und höhere Ströme aufzunehmen.HVDC, frei vom Hauteffekt, ermöglicht eine gleichmäßige Stromverteilung über den gesamten Leiterquerschnitt. Dies ermöglicht die Verwendung dünnerer Leiter, während die gleiche Stromtragfähigkeit beibehalten wird, was Materialkosten und Gewicht reduziert.

4) Begrenzungen der Leitungslänge

HVAC-Leitungen leiden unter Blindleistungsverlusten, die direkt mit der Leitungslänge zunehmen. Dies setzt eine kritische Grenze für die HVAC-Übertragungsdistanz: jenseits von etwa 500 km für Freileitungen werden die Blindleistungsverluste extrem hoch, was das System destabilisiert.HVDC-Übertragung hingegen hat keine solchen Längenbegrenzungen, was sie für ultra-lange Übertragungsstrecken geeignet macht.

5) Reduzierte Kabelbewertungsvoraussetzungen

Kabel werden für die maximal zulässige Spannung und Stromstärke bewertet. In AC-Systemen sind die Spitzenwerte für Spannung und Strom etwa 1,4-mal höher als ihre Durchschnittswerte (die der tatsächlichen übertragenen Leistung entsprechen). Allerdings müssen die Leiter für diese Spitzenwerte bewertet werden.In DC-Systemen sind Spitzen- und Durchschnittswerte identisch. Das bedeutet, dass HVDC die gleiche Leistung mit Kabeln übertragen kann, die niedrigere Spannungs- und Stromstärkenbewertungen haben als HVAC. Tatsächlich vergeuden HVAC-Systeme etwa 30 % der Kapazität eines Leiters aufgrund ihrer höheren Spitzenanforderungen.

6) Engerer Trassenbereich

"Trassenbereich" bezieht sich auf den Landkorridor, der für Transmissionsinfrastrukturen erforderlich ist. HVDC-Systeme benötigen einen engeren Trassenbereich, da sie kleinere Türme und weniger Leiter verwenden.HVAC hingegen benötigt höhere Türme, um mehr Leiter und größere Isolatoren (bewertet für AC-Spitzenwerte) zu unterstützen, was stärkeren strukturellen Halt erfordert. Dieser breitere Fußabdruck erhöht Material-, Bau- und Grundstückskosten, was HVDC in Bezug auf die Trassenbereichseffizienz überlegen macht.

7) Überlegene Kabelbasierte Übertragung

Unterirdische und unterwasserliegende Kabel bestehen aus mehreren Leitern, die durch Isolation getrennt sind, was parasitäre Kapazitäten zwischen ihnen erzeugt. Diese Kabel können keine Energie übertragen, bis sie vollständig aufgeladen sind, und die Kapazität (und damit der Ladestrom) steigt mit der Länge.AC-Systeme laden und entladen Kabel wiederholt (50–60 Mal pro Sekunde), was die I²R-Verluste verstärkt und die Kabellänge begrenzt. HVDC-Kabel hingegen müssen nur einmal geladen werden (beim ersten Einschalten oder Umschalten), was solche Verluste und Längenbegrenzungen beseitigt.Dies macht HVDC zur bevorzugten Wahl für Offshore-, Unterwasser- und Erdkabelübertragungen.

8) Bipolare Übertragung

HVDC unterstützt vielseitige Übertragungsmodi, wobei die bipolare Übertragung eine weit verbreitete und kostengünstige Option ist. Sie verfügt über zwei parallele Leiter mit entgegengesetzten Polen, deren Spannungen bezogen auf die Erde ausbalanciert sind.Fällt eine Leitung aus oder bricht, wechselt das System nahtlos in den monopolaren Modus: Der verbleibende Leiter liefert weiterhin Strom, wobei die Erde als Rückführleitung dient.

9) Kontrollierbare Leistungsovertragung

HVDC-Umrichter, basierend auf halbleiterbasierter Elektronik, ermöglichen präzise Kontrolle der Leistungsovertragung in AC-Netzen. Ihre schnelle Schaltfähigkeit (mehrfache Operationen pro Zyklus) verbessert die harmonische Leistung, dämpft Leistungsschwankungen und optimiert die Netzkapazität für die Energieversorgung.

10) Schnelle Fehlerbehebung

Fehlerströme – abnormale Ströme infolge elektrischer Fehler – stellen signifikante Risiken dar. In HVAC-Systemen können hohe Fehlerströme Transmissionsleitungen, Stationen, Generatoren und Lasten beschädigen.HVDC minimiert solche Risiken: Fehlerströme sind niedriger, was die Schäden auf bestimmte Abschnitte beschränkt, und die schnelle Schaltoperation sorgt für eine schnelle Fehlerreaktion, was die Systemresilienz erhöht.

11) Asynchrone Netzanbindung

HVDC ermöglicht die Verbindung asynchroner AC-Netze mit unterschiedlichen Parametern (z.B. Frequenz, Phase).Regionen verwenden oft unterschiedliche Frequenzen (z.B. 50 Hz in Europa vs. 60 Hz in den USA), und Netze können Phasendifferenzen aufweisen, was eine direkte AC-Verbindung unmöglich macht. HVDC, das ohne Frequenz- oder Phasenbeschränkungen arbeitet, verbindet diese unabhängigen Systeme leicht.

12) Unterstützung intelligenter Netze

Intelligente Netze integrieren kleine Generatoren (Solar, Wind, Kernenergie) in ein einheitliches Netz mit intelligenter Leistungsovertragungssteuerung.Dies ist mit HVDC möglich, das die asynchrone Verbindung von Generatoreinheiten unterstützt und volle Kontrolle über die Leistungsverteilung bietet, was den Anforderungen intelligenter Netze entspricht.

13) Reduzierte Störungen

HVDC verursacht deutlich weniger Störungen in benachbarten Kommunikationsleitungen im Vergleich zu HVAC.HVAC erzeugt hörbares Summen, Radiostörungen und TV-Störungen, deren Intensität mit seiner Frequenz zusammenhängt. HVDC, mit Nullfrequenz, produziert minimalen Lärm. Darüber hinaus nimmt der Lärm von HVAC bei schlechtem Wetter zu, während der Lärm von HVDC abnimmt, was eine stabilere Betriebsweise sicherstellt.