Quali sono i vantaggi del HVDC rispetto all'HVAC nella trasmissione di energia elettrica
Quali sono i vantaggi dell'HVDC rispetto all'HVAC?
L'elettricità percorre lunghe distanze prima di raggiungere i consumatori. Le centrali elettriche, spesso situate in zone remote, forniscono elettricità attraverso centinaia di chilometri e molteplici sottostazioni. La trasmissione ad alta tensione riduce le perdite sulla linea, con l'uso sia di corrente alternata (CA) che di corrente continua (CC). Sebbene la CA sia familiare grazie ai pali della luce e alle prese domestiche, l'HVDC offre vantaggi unici nella trasmissione di potenza.
L'obiettivo della trasmissione di potenza è minimizzare le perdite e i costi. Anche se entrambi affrontano fattori influenti, l'HVDC presenta più vantaggi. Questo articolo esplora i vantaggi dell'HVDC rispetto all'HVAC:
Costi di Trasmissione Inferiori
I costi di trasmissione dipendono dall'equipaggiamento di conversione della tensione terminale, dalla quantità/dimensione dei conduttori, dalle dimensioni delle torri e dalle perdite. L'HVAC utilizza trasformatori per la conversione, più semplici ed economici rispetto ai convertitori basati su tiristori dell'HVDC, il suo unico vantaggio in termini di costi.
L'HVAC richiede almeno 3 conduttori per la trasmissione trifase. L'HVDC, utilizzando la terra come via di ritorno, usa 1 conduttore (monopolare) o 2 (bipolare), riducendo i costi. Anche i conduttori trifase possono trasportare il doppio della potenza tramite collegamenti bipolari doppi HVDC.
L'HVAC richiede maggiore spazio tra fase e terra e tra fasi, necessitando torri più alte e larghe. Le torri HVDC riducono i costi di installazione. L'HVDC ha anche perdite di trasmissione significativamente inferiori, rendendola più efficiente.
I costi totali di trasmissione possono essere divisi in due categorie principali: i costi delle stazioni terminali e i costi delle linee di trasmissione. I primi sono una spesa fissa, indipendente dalla distanza di trasmissione, mentre i secondi variano con la lunghezza della linea. I costi delle stazioni terminali AC sono relativamente bassi, mentre quelli delle stazioni terminali HVDC sono significativamente più alti. Tuttavia, il costo per 100 km delle linee di trasmissione HVAC è molto superiore a quello delle linee HVDC. Pertanto, le curve dei costi totali per HVAC e HVDC si intersecano in un punto noto come distanza di pareggio.
La distanza di pareggio è la lunghezza di trasmissione oltre la quale il costo totale di investimento dell'HVAC supera quello dell'HVDC. Questa distanza varia a seconda del tipo di trasmissione: circa 400-500 miglia (600-800 km) per linee aeree, 20-50 km per linee sottomarine e 50-100 km per linee sotterranee. Oltre questa soglia, l'HVDC diventa una scelta più efficiente ed economicamente conveniente per la trasmissione di potenza.
La trasmissione HVDC comporta perdite significativamente inferiori rispetto all'HVAC, con miglioramenti chiave nelle seguenti aree:
Assenza di Perdite di Potenza Reattiva
La trasmissione HVAC soffre di perdite di potenza reattiva, direttamente proporzionali alla lunghezza della linea, alla frequenza e agli oneri induttivi in ricezione. Queste perdite riducono il trasferimento efficace di potenza e sprecano energia, limitando la massima lunghezza delle linee HVAC efficienti. Per mitigare questo, i sistemi HVAC si affidano a compensazioni in serie e parallelo per ridurre i VAR (volt-ampere reattivi) e mantenere la stabilità.
In contrasto, l'HVDC opera senza frequenza o corrente di carica, eliminando completamente le perdite di potenza reattiva. Ciò rimuove la necessità di tali misure di compensazione.
Perdite di Corona Ridotte
Quando la tensione di trasmissione supera una soglia critica (la tensione di inizio corona), le molecole d'aria intorno ai conduttori ionizzano, creando scintille (discharge di corona) che sprecano energia. Le perdite di corona dipendono dal livello di tensione e dalla frequenza. Poiché la CC ha una frequenza zero, le perdite di corona dell'HVDC sono circa un terzo di quelle nei sistemi HVAC.
Assenza dell'Effetto Pelle
La corrente alternata presenta l'effetto pelle, dove la corrente si concentra vicino alla superficie del conduttore, lasciando il nucleo sotto-utilizzato. Questa distribuzione ineguale della corrente riduce l'area sezione efficace del conduttore, aumentando la resistenza (poiché la resistenza è inversamente proporzionale all'area) e causando perdite I²R superiori nelle linee HVAC. L'HVDC, con la sua corrente continua stabile, evita questo effetto, assicurando una distribuzione uniforme della corrente attraverso il conduttore e minimizzando le perdite resistive.
Nessuna Perdita per Radiazione o Induzione
Le linee di trasmissione HVAC subiscono perdite per radiazione e induzione a causa dei loro campi magnetici in costante variazione. Le perdite per radiazione avvengono perché le linee AC lunghe agiscono come antenne, irradiando energia che non può essere recuperata. Le perdite per induzione derivano dalle correnti indotte in conduttori vicini dal campo alternato. Nei sistemi HVDC, il campo magnetico è costante, eliminando completamente sia le perdite per radiazione che quelle per induzione.
Perdite di Corrente di Carica Ridotte
I cavi sotterranei e sottomarini hanno una capacità parassita intrinseca, che richiede carica prima di poter trasmettere potenza. La capacità aumenta con la lunghezza del cavo, e quindi la corrente di carica aumenta proporzionalmente.
Nei sistemi AC, i cavi si caricano e scaricano più volte al secondo, attingendo corrente aggiuntiva dalla fonte per mantenere questo ciclo. Questa corrente extra aumenta le perdite I²R nel cavo. I cavi HVDC, invece, richiedono carica solo durante l'energizzazione iniziale o lo switching. Ciò elimina le perdite associate alle correnti di carica continue.
Nessuna Perdita per Riscaldamento Dielettrico
Il campo elettrico alternato nei sistemi AC influenza i materiali isolanti nelle linee di trasmissione, causando l'assorbimento di energia e la sua conversione in calore, un fenomeno noto come perdita dielettrica. Questo non solo spreca energia ma riduce anche la durata degli isolanti. I sistemi HVDC generano un campo elettrico costante, evitando le perdite dielettriche e i problemi associati al riscaldamento degli isolanti.
3) Conduttori Più Sottili
L'effetto pelle in CA causa la concentrazione della corrente vicino alla superficie del conduttore, richiedendo conduttori più spessi per aumentare l'area superficiale e ospitare correnti maggiori. L'HVDC, libero dall'effetto pelle, permette la distribuzione uniforme della corrente attraverso la sezione del conduttore. Questo consente l'uso di conduttori più sottili mantenendo la stessa capacità di portata di corrente, riducendo i costi e il peso dei materiali.
4) Limitazioni della Lunghezza della Linea
Le linee HVAC subiscono perdite di potenza reattiva che aumentano direttamente con la lunghezza della linea. Questo impone un limite critico alla distanza di trasmissione HVAC: oltre circa 500 km per linee aeree, le perdite di potenza reattiva diventano eccessivamente elevate, destabilizzando il sistema. In contrasto, la trasmissione HVDC non ha tali limitazioni di lunghezza, rendendola adatta per la consegna di potenza a lunga distanza.
5) Requisiti di Qualificazione del Cavo Ridotti
I cavi sono qualificati per la tensione e la corrente massime tollerabili. Nei sistemi AC, la tensione e la corrente di picco sono circa 1,4 volte superiori ai loro valori medi (che corrispondono alla potenza effettivamente consegnata). Tuttavia, i conduttori devono essere qualificati per questi valori di picco. Nei sistemi DC, i valori di picco e medi sono identici. Ciò significa che l'HVDC può trasmettere la stessa potenza utilizzando cavi con tensioni e correnti nominali inferiori rispetto all'HVAC. Infatti, i sistemi HVAC sprecano circa il 30% della capacità di un conduttore a causa dei requisiti di picco superiori.
6) Fascia di Passaggio Più Stretta
"Fascia di passaggio" si riferisce alla striscia di terra necessaria per l'infrastruttura di trasmissione. I sistemi HVDC richiedono una fascia di passaggio più stretta perché usano torri più piccole e meno conduttori. L'HVAC, al contrario, necessita torri più alte per supportare più conduttori e isolatori più grandi (qualificati per le tensioni di picco AC), che richiedono strutture di supporto più robuste. Questa impronta più ampia aumenta i costi di materiali, costruzione e terra, rendendo l'HVDC superiore in termini di efficienza della fascia di passaggio.
7) Trasmissione Superiore Basata su Cavi
I cavi sotterranei e sottomarini consistono in più conduttori separati da isolanti, creando una capacità parassita tra di essi. Questi cavi non possono trasmettere potenza fino a quando non sono completamente caricati, e la capacità (e quindi la corrente di carica) aumenta con la lunghezza. I sistemi AC caricano e scaricano ripetutamente i cavi (50-60 volte al secondo), amplificando le perdite I²R e limitando la lunghezza del cavo. I cavi HVDC, invece, si caricano una volta sola (durante l'energizzazione iniziale o lo switching), eliminando tali perdite e le limitazioni di lunghezza. Ciò rende l'HVDC la scelta preferita per la trasmissione via cavo offshore, sottomarina e sotterranea.
8) Trasmissione Bipolare
L'HVDC supporta modalità di trasmissione versatile, con la trasmissione bipolare che è un'opzione ampiamente utilizzata ed economica. Presenta due conduttori paralleli con polarità opposte, le cui tensioni sono bilanciate rispetto alla terra. Se una linea fallisce o si interrompe, il sistema passa automaticamente alla modalità monopolare: la linea rimanente continua a fornire corrente, utilizzando la terra come via di ritorno.
9) Flusso di Potenza Controllabile
I convertitori HVDC, basati su elettronica a stato solido, consentono un controllo preciso del flusso di potenza nelle reti AC. La loro capacità di commutazione rapida (operante più volte per ciclo) migliora le prestazioni armoniche, attenua gli oscillazioni di potenza e ottimizza la capacità di fornitura di potenza della rete.
10) Rapida Azzeratura dei Guasti
Le correnti di guasto, correnti anormali dovute a guasti elettrici, rappresentano rischi significativi. Nei sistemi HVAC, le correnti di guasto elevate possono danneggiare le linee di trasmissione, le stazioni, i generatori e i carichi. L'HVDC minimizza questi rischi: le correnti di guasto sono inferiori, limitando i danni a sezioni specifiche, e la sua operazione a commutazione rapida garantisce una risposta rapida ai guasti, migliorando la resilienza del sistema.
11) Interconnessione di Reti Asincrone
L'HVDC consente l'interconnessione di reti AC asincrone con parametri diversi (ad esempio, frequenza, fase). Regioni spesso utilizzano frequenze diverse (ad esempio, 50 Hz in Europa contro 60 Hz negli Stati Uniti), e le reti possono avere differenze di fase, rendendo impossibile l'interconnessione diretta AC. L'HVDC, operando senza vincoli di frequenza o fase, collega facilmente questi sistemi indipendenti.
12) Abilitazione delle Smart Grid
Le smart grid integrano generatori a piccola scala (solare, eolico, nucleare) in una rete unificata con controllo intelligente del flusso di potenza. Questo è fattibile con l'HVDC, che supporta l'interconnessione asincrona delle unità di generazione e fornisce un controllo completo sulla distribuzione di potenza, allineandosi con i requisiti delle smart grid.
13) Riduzione dell'Interferenza Acustica
L'HVDC causa un'interferenza acustica molto inferiore rispetto all'HVAC sulle linee di comunicazione vicine. L'HVAC genera un ronzio udibile, interferenza radio e TV, con intensità legata alla sua frequenza. L'HVDC, con frequenza zero, produce un minimo di rumore. Inoltre, il rumore HVAC aumenta con il maltempo, mentre quello HVDC diminuisce, garantendo un funzionamento più stabile.
