Настъпва възраждането на постоянния ток – втора част

В първата част разгледахме основните положения и проблеми при използването на променливия и постоянния ток. Спряхме се съвсем накратко върху високоволтовите линии с променлив ток (HVAC, High-voltage alternating current) и на високоволтовите линии с постоянен ток (HVDC, High-voltage direct current). Нека продължим и да разберем защо в съвременния свят постоянният ток вече е по-предпочитан.

Миналия път стигнахме до преобразуването на променливия ток в постоянен и след това на постоянния в променлив. Да продължим.

В края на 19-ти век швейцарският инженер Рене Тури (René Thury) използва за връзка на мрежи с различен тип на тока своята сравнително несложна система, съставена от електродвигател и генератор. В единият край на тази схема постоянен ток завърта електромотор, към който е прикачен генератор за променлив ток. Идеята е гениално проста, но нейният коефициент на полезно действие е твърде нисък, понеже двойното преобразуване чрез електромотори и генератори буквално унищожава немалка част от мощността. Но по това време други решения освен системата на Тури няма и от 1883 година започва изграждането на магистрални мрежи с постоянен ток, в които се използват именно машини на Тури, с помощта на които се осъществява свързването на големите електроцентрали и градове в Европа.

През 1902 година американският електроинженер Питър Купър Хюит изобретява изправителя с живачна дъга, който е едно съвсем несложно устройство за преобразуване на променливия ток в постоянен. Оригиналът изглежда като стъклена колба със сложна форма, дъното на която е запълнено с живак, а от нея излизат електроди. По време на своята работа този изправител изглежда много ефектно. Малко по-късно крехкото стъкло е заменено с метал.

Живачните токоизправители дадоха сериозен тласък в развитието на високоволтовите мрежи с постоянен ток. Вместо тромавите и ненадеждни машини със системата на Тури, става достатъчно да се използват тези изправители, като по това време за техен единствен недостатък се счита потенциалната токсичност при разхерметизиране и необходимостта от много добро охлаждане. Въпреки това топлинните загуби не са големи и КПД на това устройство достига 98-99%.

По-късно, през 1940-те години живачните токоизправители са заменени с газотрони и тиратрони. След това, през 1959 година започва използването на полевите транзистори с изолиран гейт (MOSFET), а малко по-късно и на биполярните транзистори с изолиран гейт (IGBT), съчетаващи  много високия входен импеданс на полевия транзистор с изключително големите токове, които може да превключва биполярния транзистор. IGBT транзисторите се използват във всички съвременни електромобили. След 1962 година и до днес вече се използват по-съвършените GTO-тиристори които могат да се отпушват и да се запушват чрез управляващия електрод, и при които не се налага подаване на обратно напрежение с цел да се възстановят управляващите им свойства.

Всеки един процент е изключително важен

Въпреки значителния прогрес в областта на изправянето на променливия ток, оборудването за преобразуването на променливия ток в постоянен и обратно, и до днес е доста скъпо. Дотолкова скъпо, че дори като се вземат предвид по-големите разходи за материали за проводниците, използването на променлив ток в редица случаи излиза по-евтино. Независимо от дължината на линиите на далекопроводите, стартовата цена на една високоволтова магистрала с постоянен ток задължително включва цената на двата преобразователя в началото и в края на линията. Това са съвременни скъпи устройства, които се произвеждат от само няколко компании от целия свят, включително и от Toshiba. Понякога цената на това оборудване възлиза на половината от цената на целия далекопровод заедно с линиите и проводниците.

Но с увеличаване дължината на електрическата магистрала цената на AC електропровода заедно с кабелите расте много по-бързо, отколкото една магистрала, в която се използва постоянен ток. Причината за това е самата концепция и принцип на сложност на HVAC електрическата магистрала. За прехвърлянето на една и съща аналогична мощност на HVDC са достатъчни двойно по-малко проводници с по-малък диаметър, а това означава над двойно по-малко стълбове и електропроводи, цената на които съвсем не е малка, като техният монтаж е изключително скъп, а и тяхната поддръжка също не е евтина. Към днешен ден при дължина на електрическата магистрала от около 600 км, цената на HVDC и HVAC е една и съща, но на големи разстояния – от около 1000 и 2000 км, използването на HVDC излиза несравнимо по-евтино. Разликата достига немалките 40%, а това стотици милиони долари икономии.

Графиките на цената на HVDC и HVAC се пресичат при дължина на електрическата магистрала 600 км. След това използването на HVDC с постоянен ток излиза много по-евтино.

На всеки 1000 километра загубите в HVDC (постоянен ток) са в рамките на 2-3%, а с използването на най-съвременно оборудване тези загуби слизат под един процент. От друга страна загубите в HVAC (променлив ток) нерядко превишават 6%. Дори и при най-ефективните далекопроводи с променлив ток и използването на най-съвременното оборудване, техните загуби са от 30 до 40% по-големи, в сравнение с електрическите магистрали с постоянен ток. Някой би си помислил, че няколко процента от цялата мощност могат да бъдат пренебрегнати. Това съвсем не е така, понеже когато се прехвърля мощност от няколко гигавата всеки един процент се превръща в десетки напразно изгубени мегавати, които биха могли да се използват за снабдяването с електроенергия на един немалък град. Да не говорим за пропуснатата печалба.

Миналото, настоящето и бъдещето на HVDC

HVDC е оптималното решение за свързването на електрическите мрежи на различни държави, които са разделени с морета. Така например, връзката между италианския град Чепагати и община Котор в Черна гора, която получава електрическа енергия от Италия, преминава по дъното на Адриатическо море. Ако в тази магистрала се използваше променлив ток, то капацитетът на подводния кабел би станал причина за възникването на твърде големи загуби, а това би довело до твърде голямо оскъпяване на подаваната електрическа енергия.

Да се спрем за кратко и на Япония, където ситуацията е съвсем особена. Там исторически е възникнала странната ситуация, при която западната част на страната използва електрически ток с честота 60 Hz, а източната – с 50 Hz. Тази колизия вече няма как да бъде премахната и е възникнала в края на 19-ти век, когато Япония едновременно е закупила електрически генератори от Европа и САЩ с различна честота на генерираната електроенергия. В този случай идеалното решение е изграждането на постояннотокова HVDC магистрала за съединяване на енергийните системи на различните части на страната.

Последно време интересът към постояннотоковите HVDC мрежи рязко нарасна, като причината за това е зелената енергетика. За разлика от въглищните, газивете и атомните електроцентрали, възобновяемите източници на електрическа енергия имат съвсем ясна география – в някои области слънчевите дни са много повече, а в други – вятърът е стабилен и духа почти непрекъснато.

В Германия около 63 гигавата от електрическата мощност идват от вятърните електроцентрали, като 7,8 гигавата от тази мощност се дължи на офшорните станции, изградени в Северно море на десетки километри от брега. Електрическата енергия от тях се подава чрез подводни кабели и както вече казахме, в този случай най-добрият избор са електропреносните мрежи с постоянния ток.

Колкото повече се увеличава броят на големите мащабни проекти, свързани с възобновяеми източници на електрическа енергия, толкова по-необходими стават високоволтовите линии с постоянен ток. Разбира се, няма как да се сбъднат мечтите на Едисън и в контактите на нашите домове да потече постоянен ток – това едва ли ще се случи някога. Но към днешен ден променливият и постоянния ток вече са органично свързани и си помагат един на друг в електроснабдяването на цялата планета. Вече сме свидетели на един необичаен ренесанс на постоянния ток.