Після більш ніж століття в тіні, електроживлення постійного струму (DC) може бути готове до повернення, вважає Ханс Кварме (Hans Kvarme), менеджер Techno Platform HVDC XLPE, яка керує всіма науково-дослідчими заходами, пов’язаними з HVDC XLPE, для бізнес-групи підводних і наземних систем у Nexans. Цей департамент передбачає дослідження та розробку, а також кваліфікацію нових та чинних екструзійних ліній, матеріалів, процесів та аксесуарів.

Цією публікацією ми продовжуємо дискусію про "Десять нових технологій для електрифікації майбутнього".

Наприкінці дев’ятнадцятого століття точилася запекла боротьба за визначення найкращого методу постачання електроенергії споживачам, з одного боку постійного струму (за підтримки Томаса Едісона) та змінного струму з іншого (за підтримки Ніколи Тесла). DC програв, і відтоді світом домінує AC.

На цьому історія могла б закінчитися, якби не дві речі. По-перше, постійний струм надзвичайно ефективний для передачі потужності на великі відстані – справді, він використовувався для цієї ролі десятиліттями. По-друге, все більше і більше електричних пристроїв, які ми використовуємо, є джерелами постійного струму – від вашого мобільного телефону до світлодіодних ліхтарів і електромобілів.

Усе це призводить до переоцінки постійного струму для передачі, розподілу та навіть кінцевого споживання користувачами електроенергії. Отже, як це може працювати на практиці?

Передача постійного струму

Передача — це масова передача електричної енергії, як правило, на великі відстані. Це досягається за допомогою повітряних ліній електропередачі або підземних (або підводних) кабелів. Використання постійного струму високої напруги (HVDC) для передачі замість високовольтного змінного струму має ряд переваг.

По-перше, потрібно менше матеріалу. Адже для постійного струму потрібні лише два провідники (для змінного — три). По-друге, електричні втрати менші при постійному струмі, оскільки передається лише активна потужність (і навпаки, змінний струм передає як активну, так і реактивну потужність). По-третє, можлива довжина ліній передачі набагато більша при постійному струмі завдяки відсутності реактивної потужності.

HVDC — перевірена технологія, і вона постійно вдосконалюється. Останні розробки включають перетворювачі джерел напруги (VSC) і покращену пропускну здатність кабелів. Це досягається завдяки вищій напрузі, вищій робочій температурі, більшому поперечному перерізу провідника та впровадженню екструдованої технології. Усе це означає, що площа та вартість проєкту HVDC падають відносно переданої енергії. Словом, передача HVDC стає набагато більш конкурентоспроможною.

Світле майбутнє для HVDC

Дві важливі ринкові тенденції викликають підвищений інтерес до передачі HVDC. По-перше, це чимраз більший попит на міжсистемні з’єднання електроенергії. Вони охоплюють океани та з’єднують мережі націй і регіонів. Другим рушієм є підводні експортні кабелі для висхідної кількості офшорних вітрових електростанцій.

На сьогодні було встановлено близько 15 000 км підводних кабелів HVDC з використанням кабельної технології MI (mass impregnated, з масовим просоченням) і XLPE (екструдовані). Очікується, що до початку 2030 року буде розгорнуто додаткові 20 000 км з’єднувальних мереж HVDC, не враховуючи експортні кабелі морських вітрових електростанцій. Є сподівання, що встановлена база екструдованих кабелів збільшиться і зрівняється з довжиною кабелів з масовим просоченням до кінця цього десятиліття. Виробники підводних кабелів HVDC намагаються захопити ринок, інвестуючи у збільшення виробництва та монтажних потужностей.

Чи можна також використовувати DC для розповсюдження?

У розподільних мережах середньої та низької напруги, а також у розподілі електроенергії в будівлях протягом тривалого часу домінував змінний струм. Але поступовий перехід до постійного струму, досягнутий завдяки розробці мікромереж низької та середньої напруги, може принести енергоощадження, покращити взаємодію, легшу інтеграцію відновлюваної енергії та більшу стійкість.

Інтерес до мікромереж постійного струму викликаний фундаментальними змінами в способах виробництва, зберігання та споживання електроенергії.

По-перше, виробництво електроенергії стає все менш централізованим і наближається до джерел попиту. Прикладами є сонячні фотоелектричні установки на даху та малі вітряні турбіни. Сонячні фотоелектричні системи спочатку мають постійний струм, як і деякі мікровітрові турбіни.

По-друге, стає поширеним накопичення акумуляторів. Одним із прикладів є джерела безперебійного живлення (UPS). Вони використовуються підприємствами, наприклад центрами обробки даних, для забезпечення безпеки постачання. Також зростає кількість розгортань систем зберігання енергії від акумуляторів (BESS) для балансування мережі. Крім того, зараз стають доступними домашні системи зберігання енергії. І останнє, але не менш важливе: батареї електромобілів мають потенціал інтеграції в мережу. Ключовим моментом зберігання акумулятора є те, що більша його частина є розподіленою, а не централізованою, і все це є джерелом постійного струму.

По-третє, з боку споживання, пристрої постійного струму зараз широко поширені, і це поширення прискорюється. Як зазначалося раніше, багато пристроїв, які зазвичай використовуються, від телефонів до світлодіодного освітлення та електромобілів, є джерелом постійного струму. Сьогодні всі ці пристрої залежать від адаптерів для перетворення змінного струму на постійний.

Все це створює середовище, яке дозріло для мікромереж постійного струму з генерацією та споживанням в одній мережі, підкріпленою накопичувачами, включаючи акумулятори електромобілів. Однією з переваг моделі мікромережі постійного струму є те, що вона усуває потребу перетворювати змінний струм на постійний, усуваючи потребу в адаптерах – це вже сама по собі економія енергії.

Як Nexans підтримує DC?

Nexans є лідером на ринку підводних кабелів HVDC, і компанія продовжує інвестувати у збільшення своїх виробничих потужностей. У 2021 році компанія спустила на воду Nexans Aurora, найсучасніше судно для прокладання кабелів у світі. Nexans має хороші можливості для задоволення майбутніх потреб як операторів систем передачі, так і розробників вітрових електростанцій.

З розгортанням постійного струму, що зростає в секторі високовольтної передачі, наступним кроком можуть стати мікромережі постійного струму середньої та низької напруги. Для того, щоб вони були технічно життєздатними, їм потрібно буде використовувати оптимізовані кабелі, аксесуари та роз’єми. Вони також повинні бути надійними та відповідати вимогам енергоефективності, стійкості та безпеки.