- Trasmissione HVDC: una superstrada elettrica verso la nuova era delle energie rinnovabili
- Tecnologia dei convertitori di alimentazione (VSC) nei sistemi di trasmissione HVDC
- Progressi nell'infrastruttura Ultra HVDC (UHVDC) fondamentale per la trasmissione di energia rinnovabile
La necessità di un sistema di trasmissione dell'elettricità efficiente e flessibile è stata costantemente sentita nelle odierne economie industrializzate. Esistono numerose opzioni disponibili per i responsabili politici e le entità commerciali, con i sistemi di trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC) che stanno emergendo come meccanismo fattibile di gestione dell'energia.
Lo sviluppo della tecnologia HVDC annuncia un cambiamento epocale nel modo in cui l'elettricità viene trasmessa su lunghe distanze, poiché offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasmissione in corrente alternata (CA). I sistemi di trasmissione HVDC offrono vantaggi in termini di minori emissioni e risparmio di costi, se utilizzati in alto per lunghe distanze e sottoterra o sott'acqua per brevi distanze.
Offrendo la massima efficienza transitoria e minori perdite di potenza, indipendentemente dalla distanza percorsa dall'elettricità, i sistemi di trasmissione HVDC stanno creando un potenziale significativo per la trasmissione di potenza su lunghe distanze, come isole e persino continenti. I progressi nelle tecnologie HVDC stanno aprendo la strada ai sistemi di elettricità rinnovabile, indicando prospettive future positive per il mercato dei sistemi di trasmissione HVDC, che è stato valutato a quasi 7,4 miliardi di dollari nel 2018.
Trasmissione HVDC: una superstrada elettrica verso la nuova era delle energie rinnovabili
I sistemi di trasmissione HVDC stanno emergendo come il fondamento su cui viene sviluppato e implementato il nuovo sistema energetico basato su fonti rinnovabili. I sistemi di energia rinnovabile, come i progetti di energia solare ed eolica, sono spesso altamente volatili e situati in aree remote. La tecnologia HVDC in continua evoluzione sta guadagnando terreno nella nuova economia energetica con linee di trasmissione HVDC a lungo raggio in grado di trasportare potenza con la massima efficienza e perdite minime di potenza.
Le linee HVDC stanno diventando le "autostrade elettriche", che stanno accelerando il futuro dei sistemi di generazione di energia rinnovabile in tre modi: interconnettendo le centrali elettriche esistenti, sviluppando nuove centrali solari e integrando progetti di energia eolica offshore. Semiconduttori di potenza, cavi ad alta tensione e convertitori sono tra i componenti chiave della tecnologia HVDC, che apportano caratteristiche distintive al moderno sistema di trasmissione in corrente continua (CC).
Le esigenze di costruzione di nuove centrali elettriche possono essere differite con l'implementazione di sistemi di trasmissione HVDC, poiché interconnette diversi sistemi di alimentazione per funzionare in modo più efficiente. Il nuovo sistema di alimentazione può ottenere maggiori vantaggi economici e ambientali derivanti da grandi risorse idroelettriche, che sostituiscono i sistemi di generazione termica nei sistemi di alimentazione tradizionali attraverso linee di trasmissione HVDC.
La trasmissione HVDC è diventata una superstrada elettrica per l'integrazione su larga scala di risorse di energia rinnovabile per offrire reti interconnesse, affidabili e sufficientemente flessibili per affrontare le sfide della nuova economia delle energie rinnovabili. Le reti di trasmissione HVDC consentono il bilanciamento del carico tra le autostrade elettriche HVDC e la condivisione di linee e stazioni di conversione nei progetti solari e nelle centrali eoliche offshore. Pertanto, la diffusione dei sistemi di trasmissione HVDC è considerata un modo economicamente valido per fornire ridondanza e affidabilità in tali reti di alimentazione.
Inoltre, i sistemi di trasmissione HVDC offrono anche soluzioni fattibili alle sfide del diritto di precedenza esistenti. Un sistema di trasmissione HVDC installato in alto può rivelarsi più affidabile di una linea di trasmissione CA a doppio circuito. Un'infrastruttura HVDC può migliorare l'efficienza dei transitori elettrici utilizzando cavi HVDC isolati in applicazioni sotterranee e sottomarine, che possono accelerare i processi di autorizzazione del diritto di precedenza. Inoltre, i sistemi di trasmissione HVDC possono anche essere installati adiacenti o sulle linee CA esistenti, riducendo le esigenze di utilizzo del suolo con diritto di precedenza.
Tecnologia dei convertitori di alimentazione (VSC) nei sistemi di trasmissione HVDC
I sistemi di trasmissione HVDC utilizzano convertitori a commutazione di linea (LCC) con sorgente di corrente, che richiedono potenza reattiva da condensatori in serie, banchi di derivazione o filtri per funzionare. Tuttavia, un sistema di trasmissione HVDC convenzionale non riesce a offrire il supporto della tensione dinamica alla rete CA e a controllare la tensione del sistema in un intervallo accettabile, entro la tolleranza desiderata. Di conseguenza, i convertitori di alimentazione di tensione vengono utilizzati nei sistemi di trasmissione HVDC convenzionali, non solo per fornire una regolazione dinamica della tensione alla rete CA, ma anche per controllare il flusso di potenza nel sistema.
I sistemi di trasmissione HVDC basati sulla tecnologia VSC possono offrire un controllo indipendente della potenza attiva e reattiva senza interruzioni di commutazione. La commutazione delle valvole IGBT nella trasmissione HVDC basata su VSC segue una modulazione di larghezza di impulso (PWM), che consente al sistema di regolare l'angolo di fase e l'ampiezza della tensione di uscita CA del convertitore con tensione CC costante.
Inoltre, i sistemi di trasmissione HVDC basati su VSC sono costituiti da due sistemi di controllo e protezione indipendenti, che comprendono processori di segnali digitali e microcontrollori, e offrono ridondanza per garantire un'elevata affidabilità. Tali caratteristiche sono attribuite all'inclinazione degli utenti finali verso la tecnologia VSC rispetto alla tecnologia LCC nei sistemi di trasmissione HVDC.
I sistemi HVDC basati su VSC stanno diventando sempre più popolari nel mercato dei sistemi di trasmissione HVDC, con oltre il 55% della quota di fatturato del mercato. La tecnologia di trasmissione basata su VSC ha raggiunto la maggiore età per i sistemi di trasmissione HVDC convenzionali, nonostante sia un'opzione relativamente più costosa per applicazioni di trasmissione di qualità superiore.
Le aziende leader nel mercato dei sistemi di trasmissione HVDC stanno promuovendo l'adozione della tecnologia VSC per migliorare l'affidabilità della trasmissione HVDC nei progetti di energia rinnovabile implementati in tutto il mondo. Ad esempio, Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation, uno dei principali produttori giapponesi di sistemi di generazione di energia, ha annunciato l'installazione di un collegamento di trasmissione HVDC basato su VSC che collega la terraferma giapponese (Honshu) all'isola settentrionale di Hokkaido, nel marzo 2019. L'azienda ha annunciato che questo è il primo sistema HVDC basato su VSC del Giappone che garantisce 600 MW di capacità di interconnessione in ogni momento.
Nell'aprile 2019, il Gruppo ABB - una multinazionale svizzero-svedese che opera nei segmenti dell'energia elettrica, delle apparecchiature elettriche pesanti e della tecnologia di automazione - ha annunciato di aver stabilito una joint venture con Hitachi, Ltd. - una società multinazionale giapponese - per fornire VSC -sistema di trasmissione HVSC per sottostazione Higashi-Shimizu in Giappone. La società ha annunciato che i sistemi di trasmissione HVDC basati su VSC includeranno due convertitori VSC (300.000 kW ciascuno) e Hitachi costruirà il sistema, che comprenderà trasformatori convertitori Hitachi e un convertitore HVDC ABB con un sistema di controllo e protezione.
Progressi nell'infrastruttura Ultra HVDC (UHVDC) fondamentale per la trasmissione di energia rinnovabile
Lo sviluppo di un sistema di trasmissione UHVDC è uno degli ultimi progressi nella tecnologia di trasmissione HVDC, che consente la trasmissione di tensione CC di almeno 800 kV; un sistema di trasmissione HVDC convenzionale utilizza generalmente tensioni comprese tra 100 kV e 600 kV. Poiché la nuova economia energetica globale si sposta gradualmente verso le reti elettriche su scala continentale, è probabile che i sistemi di trasmissione UHVDC acquisiscano un'enorme importanza in tutto il mondo.
Le regioni sviluppate sono tra i mercati più favorevoli per i sistemi di trasmissione UHVDC, poiché i paesi sviluppati generano grandi quantità di energia rinnovabile. Il Nord America e l'Europa sono tra i più grandi mercati per i sistemi di trasmissione HVDC, poiché gli organi di governo di queste regioni stanno investendo molto per sviluppare le infrastrutture HVDC al fine di raggiungere i loro obiettivi climatici.
Il Regno Unito è tra i principali paesi europei ad aver implementato sistemi di trasmissione HVDC. Il Regno Unito condivide i collegamenti HVDC con diversi paesi vicini, tra cui Norvegia, Irlanda, Francia e Olanda. Inoltre, gli Stati Uniti stanno aumentando gli investimenti nella generazione di energia pulita e l'adozione della trasmissione HVDC sta aumentando a un ritmo rapido nel paese. La rete interstatale in continua espansione dei sistemi di autostrade elettriche negli Stati Uniti rende il Nord America il più grande mercato per il sistema di trasmissione HVDC, con quasi un quarto di quota di fatturato del mercato globale.
Tuttavia, un numero crescente di economie emergenti ha mostrato una crescita promettente nella generazione di energia rinnovabile con lo sviluppo di centrali idroelettriche e progetti di energia eolica. I paesi in via di sviluppo ospitano progetti di energia solare ed eolica su larga scala e si stanno adottando sistemi di trasmissione UHVDC per soddisfare la domanda di energia in continua crescita in questi paesi.
La Cina è diventata uno dei paesi leader al mondo ad adottare per la prima volta un sistema di trasmissione UHVDC. Nel 2010, la prima linea di trasmissione UHVDC al mondo è stata costruita dal Gruppo ABB tra Shanghai e Xiangjiaba in Cina con una potenza nominale di 6,4 GW e una lunghezza totale di circa 1.907 km. Entro il 2017, il paese ha investito oltre 400 miliardi di yuan (57 miliardi di dollari) per sviluppare almeno 21 nuove linee di trasmissione UHVDC nel paese.
La General Electric Company (GE) - un conglomerato multinazionale americano - ha commissionato la prima fase da 1.500 MW del sistema di trasmissione di potenza HVDC a due fasi a Chhattisgarh, India, nel 2017. The Power Grid Corporation of India Limited - un'azienda elettrica statale indiana azienda - ha investito oltre 6.300 crore INR nel progetto. Il Ministero dell'Energia ha annunciato che la capacità del progetto è stata ulteriormente potenziata a 6.000 MW con un investimento di oltre 5.200 crore INR, nel dicembre 2018. GE ha annunciato che questo è stato il primo progetto UHVDC della società in India e nel mondo, che è un 1.287 km superstrada energetica con una potenza di trasmissione fino a 3.000 MW.
Con la crescente adozione dei sistemi di trasmissione UHVDC nelle economie emergenti, come Cina e India, la regione Asia-Pacifico (Giappone escluso) sta emergendo come un mercato in forte crescita per i sistemi di trasmissione HVDC. Le tendenze future nel settore della trasmissione e distribuzione di energia elettrica (T&D) sono fortemente influenzate dal mix di fonti energetiche rinnovabili.
I crescenti investimenti nel settore T&D rafforzeranno la generazione di energia rinnovabile nei prossimi anni. Ciò, di conseguenza, innescherà l'adozione globale dei sistemi di trasmissione HVDC come soluzione flessibile ed economica per la gestione delle nuove sfide di generazione di energia e l'integrazione delle fonti rinnovabili nei prossimi anni.