Přenos elektřiny na tisíce kilometrů | Publikace.

Rozvoj obnovitelných zdrojů energie vyvolává problém přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. Ve skutečnosti je lepší umístit solární panely blíže k rovníku a větrné turbíny na pobřeží. Kromě toho existují také geotermální, přílivové a některé další typy elektráren, které slibují velmi levnou elektřinu, ale mohou být umístěny striktně v určitých geografických lokalitách. Jedním z důvodů, proč se prognózy o úplném přechodu na alternativní energii nenaplňují, je omezení délky vedení pro přenos energie. Technologie zde zároveň nestojí a nabízí nová řešení.

Tradiční přístup k budování energetického systému spočívá ve výstavbě tepelné stanice v blízkosti hlavních odběratelů elektřiny (ve stejném nebo sousedním subjektu federace) s palivem dodávaným tam potrubím nebo po železnici. Stejný princip platí pro výběr lokality pro jaderné elektrárny. Vodní elektrárny se staví tam, kde jsou velké řeky. Typicky to znamená blízkost spotřebitelům energie, protože historicky to bylo v blízkosti splavných řek, kde vznikla hlavní centra hospodářské činnosti. Přesto i u tohoto typu výroby může někdy dojít k nerovnováze: nejvýkonnější vodní elektrárny se nacházejí na Sibiři, ale vyrábějí více energie, než mohou spotřebovat v nejbližších regionech.

Vedení pro přenos energie (PTL) jsou navržena tak, aby se v nich neztratilo více než 10 % energie. Délka elektrického vedení proto až na vzácné výjimky nepřesahuje 2500 km. Navíc je tato délka již typická pro unikátní projekty; většina hlavních tratí AC nepřesahuje 300 km. Podle autora článku je nejdelší elektrické vedení postavené v Rusku po rozpadu SSSR dlouhé 734 km a spojuje Omskou a Novosibirskou oblast. Byla postavena v roce 2008 místo tratě, která existovala od sovětských dob, spojující tyto dva regiony přes území Kazachstánu. Systém pracuje na střídavý proud, napětí 500 kV.

Zajištění rovnováhy v energetickém systému

Délka Ruské federace od západu na východ je asi 10 000 km. V naší zemi je 11 časových pásem. V souladu s tím má mít přenosové vedení energie určené pro výměnu elektřiny mezi územími nacházejícími se v sousedních časových pásmech délku asi 900 km. Teoreticky může být vedení 500 kV dlouhé až 1200 XNUMX km, což je tak akorát na propojení sousedních časových pásem. Ale velký rozsah Ruské federace od západu na východ dává zemi jedinečnou výhodu – bylo by možné převést elektřinu z jednoho konce země, kde je noc, na druhý konec, kde je v tu dobu den. . V důsledku toho klesá cena elektřiny. To je mimochodem důležitý podnět k rozvoji dálkového přenosu elektřiny u nás.

Myšlenka přenosu elektřiny mezi časovými pásmy se zrodila již od sovětských časů. V letech 1980 až 1990 byla v SSSR postavena trať „Itat – Barnaul – Ekibastuz – Kokchetav (Kokshetau) – Kustanay – Čeljabinsk“ o délce 2344 km. Provozní napětí: 1150 kV AC.

Linka pokrývala tři časová pásma, procházela územím RSFSR a Kazašské SSR. Částečně byl uveden do provozu v roce 1988, ale projekt nebyl nikdy plně realizován. Po rozpadu SSSR bylo vedení rozděleno na dva ruské a jeden kazašský úsek, později byla většina vedení převedena na napětí 500 kV. Od té doby se elektrické vedení této délky v Rusku nestavělo. Také standard 1150 kV AC se v Rusku ani ve světě nerozšířil kvůli složitosti implementace.

Přenos elektřiny na vzdálenosti několika tisíc kilometrů umožňuje kromě úspory na výrobě zdrojů radikálně zvýšit spolehlivost dodávek energie. Pokud dojde k rozsáhlé nouzi v zásobování energií například v centrální části Ruska, lze tam rychle dodávat elektřinu z výkonných vodních elektráren umístěných na Sibiři. Stávající rozvody toho nejsou schopny, svými maximálními možnostmi dodávají elektřinu ze sousedního regionu.

HVDC

Čím vyšší je napětí ve vedení, tím nižší jsou ztráty při přenosu elektřiny vlivem odporu vodičů. V souladu s tím může být přenosový rozsah zvýšen zvýšením napětí. Dalším faktorem omezujícím délku elektrického vedení jsou ztráty elektromagnetickým zářením do okolního prostoru, charakteristické pro střídavý proud. Pokud použijete stejnosměrný proud, můžete snížit přenosové ztráty.

Historicky první elektrické vedení v 30. století používalo stejnosměrný proud, ale poté byl upřednostněn střídavý proud, protože přecházelo na vyšší napětí. K převodu napětí byly pouze transformátory. Ve 50. letech 1972. století se myšlenka budování dlouhého elektrického vedení na stejnosměrný proud vrátila na úroveň vytváření prototypů zařízení. První skutečně fungující linky byly postaveny v XNUMX. letech. Nebyly však široce používány, protože používaly rtuťové usměrňovače a umformery (kombinace stejnosměrného motoru a dynama určené k přeměně stejnosměrného proudu na střídavý). Tato zařízení vyžadovala pravidelnou údržbu. Výkonová polovodičová zařízení pro přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný a naopak se používají od roku XNUMX, což otevřelo široké možnosti pro vedení stejnosměrného proudu.

Někdy je technologie pro budování stejnosměrných vedení 1100 kV klasifikována do samostatné kategorie UHVDC, tedy stejnosměrný proud ultravysokého napětí, stejnosměrné ultravysoké napětí.

Kombinací přenosu vyššího napětí a stejnosměrného proudu vznikla technologie označovaná zkratkou HVDC. Zkratka znamená High Voltage Direct Current, což v angličtině znamená „High Voltage Direct Current“. Napětí v takovém vedení může dosáhnout 1100 kV. Nejdelší existující silnoproudé vedení, uvedené do provozu v roce 2019, je založeno právě na technologii HVDC, přenos je realizován při napětí 1100 kV. Délka tohoto elektrického vedení je 3300 XNUMX km a nachází se v Číně.

Mezi výhody HVDC kromě dlouhé délky vedení patří také absence nutnosti synchronizace frekvencí mezi segmenty elektrické sítě, které vedení spojuje. To je důležité pro exportní dodávky elektřiny, protože není potřeba vytvářet přeshraniční stejnosměrná spojení mezi zeměmi, jejichž energetické systémy nejsou synchronizovány.

Podmořské kabelové spojení HVDC mezi Marokem a Spojeným královstvím má být dokončeno do roku 2029. Bude sestávat ze čtyř podmořských kabelů, kterými bude do Foggy Albionu dodávána energie ze solární elektrárny v Maroku. Přenos elektřiny je plánován na vzdálenost 3800 2022 km. Od roku XNUMX probíhají projekční a průzkumné práce, údaje o provozním napětí vedení, stejně jako provedení kabelů, nebyly dosud zveřejněny v otevřeném tisku.

V dohledné době se neplánuje stavět HVDC tratě delší než 4000 km. Přepnutí na stejnosměrný proud řeší problém ztrát způsobených elektromagnetickým zářením, ale přenosové ztráty kvůli odporu vedení stále zůstávají.

Supravodivé kabely

Pod určitým kritickým bodem je elektrický odpor určitých materiálů nulový. Pro elektroenergetiku jsou zajímavé tzv. vysokoteplotní supravodiče, jejichž kritický bod leží nad bodem varu dusíku (77 K nebo -196 °C). Tyto supravodiče se nazývají vysokoteplotní, protože ke svému chlazení vyžadují spíše dusík než helium, ale stále mluvíme o teplotách pod -190 °C. Faktem je, že kapalný dusík je relativně levný a lépe se s ním pracuje než s heliem. Ceny za kapalný dusík jsou 20-45 rublů. za litr a ceny kapalného helia jsou 1500-3000 za litr.

V Petrohradě se od roku 2,5 staví nejdelší supravodivé elektrické vedení na světě o délce 2021 km. Jádra kabelu jsou vyrobena ze slitiny bismutu a stříbra, což je vysokoteplotní supravodič. Kapalný dusík putuje v kabelu tam a zpět, celkem pět km. V potrubí této délky se dusík ke konci stává plynem. Aby se tak nestalo, vede paralelně s kabelem potrubí s kapalným heliem, které ochlazuje dusík, který omývá vodivé dráty. To znamená, že nakonec nebylo možné vyhnout se použití drahého helia právě kvůli velké délce (na poměry supravodivých kabelů).

Je proto nepravděpodobné, že by v dohledné době vznikaly supravodivé vedení o délce kolem několika set kilometrů, nemluvě o vedení delších než HVDC. Hlavním účelem téměř všech elektrických vedení na světě založených na supravodivých kabelech je zajistit spojení mezi rozvodnami ve velké metropoli, což výrazně zvyšuje spolehlivost sítě. Za stejným účelem se v Petrohradě staví supravodivá linka.

Přeprava vodíku

Elektromobily se v budoucnu stanou hlavním spotřebitelem elektřiny. Místo baterií se navrhuje instalovat do elektromobilů palivové články na bázi vodíku. Jakmile se zdroj vyčerpá, vodíkové kazety se vymění za jiné. Palivové články lze doplňovat vícekrát.

V blízkosti elektrárny lze organizovat výrobu vodíku technologií elektrolýzy. Výsledný vodík je pak přepravován potrubím, tankerem po moři nebo jinými prostředky. Rozsah přepravy je téměř neomezený. Ve skutečnosti je to alternativa k přenosu elektřiny pomocí kabelů.

V současnosti však technologie výroby vodíku elektrolýzou není dostatečně rozvinutá. Podle Ruské vědecké nadace se nyní pouze 2 % světového vodíku vyrábí elektrolýzou, 75 % se vyrábí ze zemního plynu. Zbývající podíl pochází z výroby vodíku „špinavou“ metodou, jako je spalování uhlí.

Důvodem jsou vysoké náklady na vodík vyrobený elektrolýzou. Pokud H₂, získávaný ze zemního plynu, stojí v průměru 1,7 USD za kilogram, v případě elektrolýzy pak jeho cena stoupá na 5-10 USD za kilogram. Pro Rusko s jeho zásobami plynu je výhodnější vyrábět vodík ze zemního plynu (kromě možností využívajících energii z jaderných elektráren). Teoreticky mohou mít tyto produkty exportní potenciál. To už ale bude výroba paliva, a ne přenos elektřiny, takže úvaha o tomto způsobu výroby vodíku je nad rámec článku.

Technologie elektrolýzy se podle autora článku může vyplatit, pokud se použije ve spojení se solární elektrárnou instalovanou v poušti. Problémy ale budou spojené s dodávkou vody do zařízení a přepravou hotového vodíku. Snad optimální kombinací by byla elektrolýza umístěná v blízkosti námořního přístavu, propojená HVDC vedením se solární elektrárnou.

Závěry

V dohledné budoucnosti zůstane HVDC primárním prostředkem přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. Uvažovat o supravodivých kabelech v této kapacitě je zatím prostě nemožné. Přenos elektřiny výrobou vodíku elektrolýzou a jeho následná přeprava zatím není ekonomicky efektivní. Nicméně tato možnost je docela možná, pokud se technologie výrazně zlepší nebo Evropská unie prosadí tento způsob výroby vodíku neekonomickými metodami.

HVDC vedení jsou již schopna přenášet elektřinu na vzdálenost až 3300 XNUMX km. To nestačí k přenosu elektřiny z vodních elektráren umístěných na Sibiři do Moskvy nebo Petrohradu. Ale je již docela možné přenášet elektřinu do průmyslových oblastí severozápadu ze solární elektrárny na území Krasnodar. Další otázkou je, že v situaci přebytku energetických zdrojů na tuzemském trhu nemá takový projekt smysl. Pro Rusko je výstavba dlouhých elektrických vedení na bázi HVDC nezbytná ke snížení cen elektřiny v centrálních regionech a Povolží, aby byla v konečném důsledku zajištěna konkurenceschopnost domácích průmyslových produktů.

Významnou událostí bude realizace projektu vedení HVDC mezi Marokem a Spojeným královstvím. Maroko má 300 slunečních dní v roce a jeho solární elektrárna je stabilnějším zdrojem než větrné turbíny v Severním moři. Teprve po spuštění této linky v roce 2029 (pokud nebudou překážet nevyřešené technické problémy a ekonomické problémy) můžeme hovořit o skutečném přechodu na zelenou energii v Evropě. Realizace přenosu elektřiny na téměř 4000 XNUMX km již umožňuje průmyslově vyspělým regionům přijímat energii ze solárních elektráren umístěných tam, kde je celoročně jasné počasí. Než se však takové čáry objeví, uplyne několik let, během kterých bude nutné hledat jiné cesty, jak energetickou krizi překonat.

Zdroj: Nikolay Pudelyakin, časopis Electrical Engineering Market č. 6 (108), 2022

Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki