HVDC – Podmorskie kable ogromnych rozmiarów

Według prognoz licznych organizacji międzynarodowych, w nadchodzących dekadach nastąpi wzrost ludności oraz ilość metropolii z czasem przekształcających się w tzw. megalopolis. Będzie to skutkować koniecznością przebudowy istniejących sieci dystrybucyjnych w taki sposób, aby ograniczyć straty związane z przesyłem energii. Jednym z takich sposobów jest budowa sieci wysokiego napięcia prądu stałego – w skrócie HVDC (High Voltage Direct Current).

Zacznijmy od początku. Wszyscy (albo i nie) znamy linie wysokiego napięcia napowietrzne bądź podziemne linie kablowe. Ktoś, kto uważał na lekcjach fizyki wie, że przez te linie przepływa wysokie napięcie prądu przemiennego. W Polsce są to linie 110 kV, 220 kV, 400 kV oraz jedna nieeksploatowana linia 750 kV na dalekim wschodzie Polski. Z uwagi na to, że maszyny prądu zmiennego są prostsze w budowie i tańsze w użyciu niż maszyny prądu stałego, ich wykorzystanie jest wszechobecne. Mowa tu o silnikach, generatorach bądź transformatorach. Linia napowietrzna wysokiego napięcia rozciąga się między np. elektrownią a daną stacją transformatorową, gdzie napięcie przekształcane jest z wartości 400 na 220 kV, dalej na 110 kV itd. W przypadku przesyłu prądu stałego wymagana jest budowa niesamowicie drogich stacji przekształtnikowych oraz zupełnie innych rozwiązań. Od razu nasuwa się pytanie. Skoro ma być tanio, to dlaczego inwestuje się w owe stacje przekształtnikowe, czymkolwiek one są? Otóż już wyjaśniam zagadnienie.


W artykule chciałbym się skupić bardziej na takich liniach HVDC, których nie widzimy – czyli podmorskich. Gdy długość linii napowietrznych przekracza 500 km oraz kabla podmorskiego 50 km, bardziej opłacalny jest przesył prądu stałego. Otóż takie kable na każde 50 km długości zdolne są przenosić od 100 do 1000 MW energii oraz kilkakrotnie ograniczają straty podczas przesyłu. Co jest takiego fajnego w tych podmorskich kablach? To.


Do układania kabli HVDC używa się specjalnie wyposażonych statków (pionierem jest firma ABB bądź ASEA), m.in. w takie gigantyczne bębny kablowe. Jak widać na kolejnym zdjęciu (kabel łączący Danię i Norwegię), przekrój kabla jest ogromny, a samo ułożenie go jest wielkim logistycznym przedsięwzięciem.


Warto zwrócić uwagę na to, ile sprzętu jest potrzebne oraz czas na „zbudowanie” takiej linii od jednej stacji przekształtnikowej (na jednym brzegu danego państwa) do drugiej stacji (stacja na drugim końcu kabla). Korzyści płynące z dystrybucji energii elektrycznej takimi liniami znacznie przewyższają koszty układania linii.


Kable HVDC wykorzystywane są przy elektrowniach wiatrowych budowanych na morzu. Jednym z europejskich liderów takiego przesyłu jest Dania. Zdaniem Duńskiej Agencji Energetycznej energia uzyskiwana przez morskie elektrownie wiatrowe czasami przekracza roczne zapotrzebowanie całego państwa na energię elektryczną. Znaczne korzyści z takich elektrownią czerpią także Norwegia, UK czy Islandia. Oczywiście drugi sposób wykorzystania HVDC to przesył prądu stałego na spore odległości przy o wiele mniejszych stratach energii.

Ewolucja budowy kabli HVDC przeszła niesamowitą drogę. Na początku kable podmorskie miały średnice 40, 60, 80 mm. Teraz nowoczesne kable posiadają żyły średnicy rzędu 1200 do nawet 1400 mm.


Na zdjęciu widoczny jest przekrój kabla HVDC na napięcie 350 kV. Składa się on z wielu warstw. Poniżej kabel rozłożony na warstwy wraz z opisem.


Tłumaczenie własne:
- conductor – miedziany przewód o przekroju 1300 mm²;
- conductor screen – półprzewodnikowy polimer (ekran żyły);
- insulation – polimerowa izolacja;
- insulation screen – ekran izolacji, usieciowany polietylen;
- swelling tape – taśma pęczniejąca – ma charakter uszczelniający. Podobna taśma występuje np. w kablach w szybach górniczych, które regularnie ociekają wodą. Działa na zasadzie tamponu, tylko z wielokrotnym efektem :) Podczas uszkodzenia kabla i otwarcia na działanie wody materiał pęcznieje, tymczasowo uniemożliwiając działania wody na niższe warstwy kabla;
- metal sheath – metalowa osłona;
- bedding – ochronna warstwa z polietylenu;
- armor – pancerz składający się z żył o przekroju okrągłym bądź płaskim;
- serving – powłoka z bitumicznych warstw powlekanych przędzą i polipropylenem.

Jedyna polska podmorska linia HVDC (600 MW, 450 kV) ciągnie się od Wierzbięcina w pobliżu Słupska do Karlshamm w Szwecji. Jej długość to 254 km. Kabel ten posiada przekrój 2100 mm². W części podmorskiej kabel złożony jest z dwóch żył o przekroju 630 mm², a części podziemnej (13 km od Bałtyku do stacji) 1100 mm². Obie stacje przekształtnikowe tyrystorowe (zamiana prądu stałego na zmienny i dostosowanie go warunków krajowej sieci elektroenergetycznej) mogą pracować jako falownik bądź prostownik, w zależności od kierunku przesyłu. Warto tutaj dodać, że sposób działania stacji jest bardzo skomplikowany i nieistotny z punktu widzenia treści artykułu. Jest to proces oparty na filtrach 11-, 13-, 24- oraz 36-harmonicznych oraz kondensatorach. Od 2000 roku linia była uszkodzona 11 razy – chociażby poprzez kotwice statków, sieci rybackie lub zakłócenia w sieciach elektroenergetycznych.

Podsumowując. Przesył prądu stałego kablami wysokiego napięcia HVDC jest przyszłościowym i coraz częstszym wykorzystywanym rozwiązaniem. Oprócz podmorskich kabli są także podziemne oraz napowietrzne linie, o których mogę napisać w kolejnym artykule. HVDC niesie ze sobą takie korzyści jak stałe i bezpieczne zaopatrzenie w energię elektryczną, ułatwia wzrost odnawialnych źródeł energii czy ułatwia import oraz eksport energii elektrycznej między państwami.

Dla ciekawskich polecam linki do krótkich filmów o HVDC:
https://www.youtube.com/watch?v=je5INqMXN5Q
Działanie stacji przekształtnikowych:
https://www.youtube.com/watch?v=ZOTGuWCfS-A
Fajnie pokazany sposób przesyłu prądu stałego kablami HVDC
https://www.youtube.com/watch?v=tpEBOwEHdoo