Quali sono le differenze tra HVAC e HVDC nella trasmissione di energia?
Differenza tra HVAC e HVDC
L'elettricità generata nelle centrali elettriche viene trasmessa a lunga distanza fino a sottostazioni elettriche, che la distribuiscono ai consumatori. La tensione utilizzata per la trasmissione a lunga distanza è estremamente elevata, e exploreremo in seguito i motivi di questa alta tensione. Inoltre, la potenza trasmessa può essere in corrente alternata (CA) o corrente continua (CC). Pertanto, la potenza può essere trasmessa utilizzando HVAC (High Voltage Alternating Current) o HVDC (High Voltage Direct Current).
Perché è necessaria una tensione elevata per la trasmissione?
La tensione svolge un ruolo cruciale nella riduzione delle perdite di linea, note anche come perdite di trasmissione. Ogni conduttore elettrico utilizzato per la trasmissione di potenza ha una certa quantità di resistenza ohmica (R). Quando la corrente (I) fluisce attraverso questi conduttori, generano energia termica, che è essenzialmente energia sprecata o potenza (P).
Secondo la legge di Ohm
Come è evidente, l'energia sprecata in un conduttore durante la trasmissione dipende dalla corrente piuttosto che dalla tensione. Tuttavia, possiamo regolare la magnitudo della corrente attraverso la conversione della tensione utilizzando attrezzature specializzate.
Durante la conversione della tensione, la potenza rimane conservata e invariata. La tensione e la corrente variano semplicemente in modo inverso per lo stesso fattore, seguendo il principio:
Ad esempio, 11KW di potenza a una tensione di 220V hanno 50 Ampere. In tale caso, le perdite di linea saranno
Aumentiamo la tensione di un fattore 10. Quindi, la stessa potenza di 11KW avrà una tensione di 2200V e 5 Ampere. Ora le perdite di linea saranno;
Come puoi vedere, aumentare la tensione riduce significativamente le perdite di potenza nelle linee di trasmissione. Quindi, per diminuire la corrente nei cavi di trasmissione mantenendo la stessa quantità di trasmissione di potenza, aumentiamo la tensione.
La guerra delle correnti (CA vs. CC)
Nella fine degli anni '80 dell'Ottocento, durante la cosiddetta "guerra delle correnti", la corrente continua (CC) fu la prima a essere utilizzata per la trasmissione di potenza. Tuttavia, venne considerata altamente inefficiente a causa della mancanza di attrezzature pratiche per la conversione della tensione, diversamente dalla corrente alternata (CA), che poteva essere facilmente alzata o abbassata utilizzando trasformatori. Le prime centrali elettriche a bassa tensione in CC potevano fornire elettricità solo entro un raggio di pochi chilometri; oltre quella distanza, la tensione calava drasticamente, richiedendo molteplici stazioni di generazione in aree piccole, un approccio costoso.
Sebbene la trasmissione in CC ad alta tensione presenti intrinsecamente perdite inferiori rispetto alla CA, i primi sistemi in CC si basavano su valvole ad arco di mercurio (rettificatori) per convertire la CA ad alta tensione in CC per la trasmissione a lunga distanza. Questi dispositivi terminali erano ingombranti, costosi e richiedevano manutenzione frequente. Al contrario, la trasmissione in CA si basava sui trasformatori, più efficienti, economici e affidabili, rendendo la CA la scelta dominante per la trasmissione di potenza a lunga distanza all'epoca.
Quando si sceglie tra la corrente alternata ad alta tensione (HVAC) e la corrente continua ad alta tensione (HVDC) per la trasmissione, devono essere considerati diversi fattori critici. Questo articolo esplora questi fattori in dettaglio.
HVAC & HVDC
HVAC (High Voltage Alternating Current) e HVDC (High Voltage Direct Current) si riferiscono alle fasce di tensione utilizzate per la trasmissione di potenza a lunga distanza. L'HVDC è tipicamente preferito per distanze ultra-lunghe (solitamente oltre 600 km), sebbene entrambi i sistemi siano ampiamente utilizzati in tutto il mondo oggi, ognuno con i propri vantaggi e svantaggi.
Costi di Trasmissione
La trasmissione di potenza a lunga distanza richiede tensioni elevate, con la potenza trasferita tra stazioni terminali che gestiscono la conversione della tensione. I costi totali di trasmissione dipendono quindi da due componenti: i costi delle stazioni terminali e i costi delle linee di trasmissione.
Distanza di Pareggio
La "distanza di pareggio" si riferisce alla lunghezza di trasmissione oltre la quale il costo totale di investimento dell'HVAC supera quello dell'HVDC. Questa distanza è approssimativamente di 400-500 miglia (600-800 km). Per distanze oltre questa soglia, l'HVDC è la scelta più conveniente; per distanze inferiori, l'HVAC è più economica. Questa relazione è illustrata visivamente nel grafico sopra riportato.
Flessibilità
L'HVDC è tipicamente utilizzato per la trasmissione a lunga distanza punto a punto, poiché prelevare potenza a punti intermedi richiederebbe costosi convertitori per abbassare le alte tensioni in CC. In contrasto, l'HVAC offre maggiore flessibilità: diverse stazioni terminali possono utilizzare trasformatori a basso costo per abbassare le alte tensioni, consentendo l'estrazione di potenza in vari punti lungo la linea.
Perdite di Potenza
La trasmissione HVAC incide su diversi tipi di perdite, tra cui perdite di corona, perdite per effetto pelle, perdite per radiazione e perdite per induzione, che sono largamente assenti o minime nei sistemi HVDC:
L'Effetto Pelle
L'effetto pelle, direttamente proporzionale alla frequenza, costringe la maggior parte della corrente in CA a fluire vicino alla superficie del conduttore, lasciando il nucleo sotto-utilizzato. Questo riduce l'efficienza del conduttore: per trasportare correnti più elevate, i sistemi HVAC richiedono conduttori con area sezione maggiore, aumentando i costi di materiale. L'HVDC, non influenzato dall'effetto pelle, utilizza i conduttori in modo più efficiente.
Quindi, per trasportare la stessa corrente, l'HVAC richiede conduttori con diametro maggiore, mentre l'HVDC può farlo con conduttori di diametro minore.
Classificazioni di Corrente e Tensione dei Cavi
I cavi hanno classificazioni massime tollerabili di tensione e corrente. Per la CA, la tensione e la corrente di picco sono approssimativamente 1,4 volte superiori ai loro valori medi (che corrispondono alla potenza effettivamente consegnata o ai valori equivalenti in CC). In contrasto, i sistemi in CC hanno valori di picco e medi identici.
Tuttavia, i conduttori HVAC devono essere classificati per la corrente e la tensione di picco, sprecando approssimativamente il 30% della loro capacità di trasporto. In contrasto, l'HVDC utilizza la piena capacità dei conduttori, il che significa che un conduttore della stessa dimensione può trasmettere più potenza nei sistemi HVDC.
Diritto di Passaggio
Il "diritto di passaggio" si riferisce al corridoio terrestre richiesto per l'infrastruttura di trasmissione. I sistemi HVDC hanno un diritto di passaggio più stretto a causa di torri più piccole e di un minor numero di conduttori (due per la CC rispetto a tre per la CA trifase). Inoltre, gli isolatori AC sulle torri devono essere classificati per le tensioni di picco, aumentando ulteriormente la loro impronta.
Questo corridoio più stretto riduce i costi di materiali, costruzione e terra, rendendo l'HVDC superiore in termini di efficienza del diritto di passaggio.
Trasmissione Sottomarina di Potenza
I cavi sottomarini utilizzati per la trasmissione offshore hanno una capacità parassita tra i conduttori paralleli. La capacità reagisce ai cambiamenti di tensione - costante in CA (50-60 cicli al secondo) ma che si verifica solo durante il commutazione in CC.
I cavi in CA caricano e scaricano continuamente, causando perdite di potenza significative prima di consegnare l'energia all'estremità ricevente. I cavi HVDC, caricati solo una volta, eliminano tali perdite. Per ulteriori dettagli, fare riferimento al contenuto sulla costruzione, caratteristiche, posa e giunti dei cavi sottomarini.
Controllabilità del Flusso di Potenza
I sistemi HVAC mancano di un controllo preciso sul flusso di potenza, mentre i collegamenti HVDC utilizzano convertitori semiconduttori basati su IGBT. Questi convertitori complessi, commutabili molte volte per ciclo, ottimizzano la distribuzione della potenza nel sistema, migliorano le prestazioni armoniche e consentono una protezione rapida e un'eliminazione dei guasti, vantaggi senza pari rispetto agli HVAC.
Interconnessione di Sistemi Asincroni e Smart Grids
Una smart grid consente a più centrali elettriche di alimentare una rete unificata, sfruttando reti a scala ridotta per la generazione di alta potenza. Tuttavia, connettere più reti asincrone in CA (con frequenze o fasi diverse) è estremamente sfidante.
Interconnessione di Reti Asincrone
Le reti elettriche in tutto il mondo operano a diverse frequenze - alcune a 50 Hz, altre a 60 Hz. Anche le reti con la stessa frequenza possono essere fuori fase. Queste sono classificate come "sistemi asincroni" e non possono essere collegate tramite collegamenti AC standard.
Tuttavia, la CC non è influenzata dalla frequenza o dalla fase. I collegamenti HVDC risolvono questo problema convertendo la CA in CC indipendente da frequenza e fase, consentendo l'integrazione senza soluzione di continuità di reti asincrone. All'estremità ricevente, gli invertitori HVDC convertono la CC nuovamente in CA con la frequenza richiesta, facilitando la trasmissione unificata di potenza.
Disjutori
I disjutori sono fondamentali nella trasmissione ad alta tensione, responsabili di de-energizzare i circuiti durante i guasti o la manutenzione. Un requisito chiave è la capacità di spegnere l'arco per interrompere il flusso di potenza.
Generazione di Interferenze
La corrente alternata in CA produce un campo magnetico costantemente variabile, che può indurre interferenze nelle linee di comunicazione vicine. In contrasto, il campo magnetico costante della CC elimina tali interferenze, garantendo una minima interruzione ai sistemi di comunicazione adiacenti.
