Nieuwe ontwikkelingen electriciteitstransport

Artikel geplaatst op: 25 april 2013

Gelijkspanning (DC) en wisselspanning hebben altijd naast elkaar bestaan. Historisch gezien is gelijkspanning als eerste ontwikkeld (rond 1880).

De gelijkspanning werd opgewekt door generatoren en direct aangesloten op de klanten.Een belangrijk aspect in het gebruik van DC was de spanning. Er was geen mogelijkheid om de spanning om te zetten naar een hogere of lagere waarde. 

Dit betekende:

• De producent en afnemer moesten voor dezelfde spanning zijn ontworpen
• De verliezen waren hoog omdat het transport meestal bij een te lage spanning plaats moest vinden

Het bovenstaande is in feite de aanleiding geweest tot de ontwikkeling van wisselspanning. Wisselspanning kan namelijk eenvoudig omgezet worden naar hogere en lagere spanningen en gelijkspanning niet. Met name de ontwikkeling van de transformator heeft hierbij een rol gespeeld. Deze transformator is voor wisselspanning een relatief simpele constructie. De ontwikkeling ervan was de grote doorbraak. Het werd mogelijk om over langere afstanden energie te transporteren door de spanning te verhogen. Dit heeft er uiteindelijk toe geleid dat nagenoeg alle transportnetten in de wereld tegenwoordig gebruik maken van wisselspanning.

Een negatief aspect van wisselspanning is het blindvermogen dat nodig is. Als je kijkt naar een kabel dan moet deze bij een frequentie van 50 Hz (de normale frequentie in Europa) dan moet de kabel 100 keer per seconde opgeladen worden en weer ontladen. Bij het opladen moet de nodige lading geleverd worden in de vorm van stroom en deze komt bij het ontladen weer terug. Er is dus stroom nodig voor de kabel zelf. Deze stroom vloeit de kabel in samen met de stroom die nodig is voor het nuttig gebruik. Het vermogen dat hier voor nodig is wordt blindvermogen genoemd.
Je kan dit vergelijken met een tuinslang. Voordat water uit de slang komt moet die eerst worden gevuld met water. Dit water in de slang komt er weer uit als de slang losgekoppeld wordt.

Dit is de grootste beperking voor het gebruik van kabels bij hoge wisselspanningen. De kabel heeft zelf zoveel stroom nodig dat er geen nuttige stroom meer kan worden getransporteerd. Dit betekent dat grootschalig energie transport ondergronds niet mogelijk is tenzij er op regelmatige afstanden in de kabel gezorgd wordt voor compensatie van het blindvermogen. Als voorbeeld:

Stel een kabel van 100 km lengte. Een fasespanning van 220 kV en een frequentie van 50 Hz. Dan is de stroom die nodig is voor de kabel 1650 A. Dit alleen geeft al zoveel verliezen (en dus warmte) dat het vrijwel onmogelijk is om nog “nuttige” stroom te transporteren. Een moderne kabel voor de genoemde spanning kan bijvoorbeeld per fase maar een stroom van 2000 A in totaal voeren.

Er is echter altijd aandacht gebleven voor gelijkspanning. Het probleem van het blindvermogen treedt namelijk niet op. De kabel hoeft maar één keer te worden opgeladen waarna de transport capaciteit volledig benut kan worden voor “nuttige” stroom.

Dit laatste is nu weer actueel geworden omdat er wereldwijd behoefte is aan grootschalige energietransport over lange afstanden. Bijvoorbeeld NorNed is alleen mogelijk met gelijkspanning.

Het totale systeem is dan als volgt:
De elektrische energie wordt opgewekt met wisselspanning en aangesloten op het transportnet. Met transformatoren wordt de wisselspanning op de juiste spanning gebracht. In de Converter van het HVDC systeem wordt de spanning gelijkgericht (omgezet naar gelijkspanning). Vervolgens wordt de gelijkspanning en gelijkstroom getransporteerd door de kabel of lijn. Aan de ontvangende zijde wordt de spanning in een converter weer omgezet naar wisselspanning en aangesloten op het transportnet. Hieronder staat een eenvoudige tekening.

De verbinding tussen de converters wijkt nauwelijks af van verbindingen voor wisselspanning. Er zijn zowel hoogspanningslijnen als kabels beschikbaar. Lijnen worden gebruikt tot een spanning van 800.000 Volt en kabels zijn beschikbaar tot 500.000 Volt. Dit betekent overigens dat de verliezen in de verbinding voor AC en DC vergelijkbaar zijn.

Er zijn bij DC echter converters (omzetters) nodig. Op het vlak van de converter zijn de laatste jaren grote ontwikkelingen geweest. Opnieuw historisch gezien kan dit vergeleken worden met de ontwikkelingen bij radio’s.

1. De eerste converters werden gemaakt met elektronica buizen. De eerste converters voor hoge spanning en vermogen kwamen beschikbaar rond 1950. De laatste converters met buizen werd gebouwd in 1975
2. De tweede generatie converters maakte gebruik van thyristoren. Dit zijn schakelende elementen die alleen “AAN” gezet kunnen worden. UIT schakelen kan alleen door de stroom naar 0 te laten gaan (wordt natuurlijke commutatie genoemd). Dit type converters bestaat sinds begin jaren 70 en worden nog steeds nieuw gebouwd.
3. De laatste generatie maakt gebruik van IGBT’s. Dit zijn een soort transistors die ook uitgeschakeld kunnen worden (geforceerde commutatie). Dit type converter is commercieel verkrijgbaar sinds 2000 maar is nog steeds beperkt in het vermogen dat kan worden omgezet.

Het laatste type converter is veelbelovend. Op dit moment (2013) worden converters gebouwd met een transportcapaciteit van +/- 800 MW. In 2014 gaat een systeem met een vermogen van 1000 MW in bedrijf (tussen Noorwegen en Denemarken). Een compleet overzicht van DC projecten in de wereld staat op het internet.

AC versus DC
Het transportvermogen is nu nog de “bottleneck”. De grootste transportcapaciteit van een AC hoogspanningslijn in Nederland is 2600 MW waarbij twee verbindingen op één mast worden gerealiseerd (dus in totaal 5200 MW). Dat is met de nieuwste generatie converters nog niet mogelijk. Type 2 converters kunnen het wel maar deze nemen een enorme ruimte in beslag. Zie bijgevoegde foto van een 6400 MW converter in China.

Het ruimtelijk oppervlak nodig voor de converters speelt dus een grote rol. Voor een converter type 3 met een vermogen van 1400 MW (in ontwikkeling) is een ruimte van +/- 7 ha. nodig aan beide zijden van de verbinding. Dit is niet nodig voor een AC verbinding.

Dan de verliezen. Zoals eerder gezegd zijn de verliezen in de verbinding zelf voor AC en DC vergelijkbaar. DC heeft echter nog verliezen in de converters. De modernste systemen hebben verliezen in de orde van 1% per converter. Dus voor een verbinding van 1400 MW levert dit aan beide zijden van de verbinding een extra verlies van 14 MW. Dit is voldoende voor bijna 3000 huishoudens aan iedere zijde.

Tot slot de kosten. De verbinding op zich is vergelijkbaar in kosten. Voor gelijkspanning komen er echter de kosten voor de converters bij. Deze zijn in de orde van een paar honderd miljoen per zijde.

Wat is de verwachting?
Tegenwoordig worden de grootste omzetters van type 2 gebouwd in China. Per verbinding wordt 7000 MW transportcapaciteit gehaald. Dit gebeurt bij een spanning van + en – 800 kV. Deze converters zijn ontwikkeld in internationaal verband. Hogere spanningen zijn niet op korte termijn te verwachten. Omzetters van type 3 gaan op korte termijn naar 1400 MW capaciteit per systeem. Het ligt in de verwachting dat hier nog ontwikkelingen zullen plaats vinden waardoor 2000 MW mogelijk moet worden. De verliezen zullen nog iets afnemen maar 1% per zijde is al goed te noemen.