Возникшие зимой 2020/2021 г. проблемы с устойчивостью энергосистем в американском штате Калифорния и ряде европейских стран заставили задуматься о развитии линий электропередач (ЛЭП), связывающих страны и регионы. Поэтому с началом лета в центре внимания специалистов по электроэнергетике оказалась технология HVDC (Hight-Voltage Direct Current — высокое напряжение, постоянный ток).
Применяемая сейчас на большинстве ЛЭП система переменного тока сложилась в те годы, когда практически единственным способом повышения и понижения напряжения были обычные обмоточные трансформаторы. Но провод, по которому передается переменный ток, даже на столь низких частотах как 50 и 60 Гц, имеет свойство излучать энергию в окружающее пространство. В кабелях также возникают потери из-за значительной емкости между жилами, а также между жилами и оболочкой. Почему, кстати, ЛЭП, рассчитанные на передачу электроэнергии на расстояния в сотни километров и более, делают, как правило, воздушными. Но и в них расстояние при использовании переменного тока на практике ограничено значением 1700 км.
В то же время современные условия все чаще требуют применения именно кабельных ЛЭП. Во-первых, во всем мире идет процесс урбанизации, а в современных городах для воздушных ЛЭП остается все меньше места. Во-вторых, развитие альтернативной энергетики делает актуальным строительство подводных кабелей для оперативной переброски электроэнергии через моря при изменении ситуации с генерацией из-за погодных условий.
К важным преимуществам HVDC-систем следует отнести также отсутствие необходимости синхронизации электросетей, между которыми передается энергия. Это удобно при передаче энергии между странами. Внутри страны HVDC-линии позволяют уменьшить риск возникновения каскадных сбоев из-за рассинхронизации фазы.
Современная силовая электроника позволяет создавать мощные инверторы и выпрямители, параметров которых достаточно для передачи электроэнергии через линии HVDC в промышленных масштабах. Максимальная длина воздушных ЛЭП системы HDVC может достигать 2500 км, в ближайшее время планируется увеличить этот предел как минимум вдвое.
Помимо HVDC, в литературе можно встретить также термин UHVDC (Ultra Hight-Voltage Direct Current — ультравысокое напряжение, постоянный ток), обозначающего не просто использование определенного вида тока, но еще и напряжения, большего, чем обычно. Пока не существует стандарта, определяющего порог напряжения, после которого линия называется UHVDC, поэтому такое название можно считать скорее маркетинговым термином, подчеркивающим использование более продвинутых технологий.
Контракт почти на миллиард долларов
Знаковым событием для технологии HVDC стал контракт, заключенный в июне между компаниями Prysmian Group и SOO Green HVDC Link (дочерняя структура Direct Connect Development Link) на впечатляющую сумму — 900 млн долл. Согласно этому контракту Prysmian поставит кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена для HVDC-линии, которая соединит подстанцию в северной части штата Айова подстанцией, расположенной на западной окраине Чикаго. Таким образом, электричество, вырабатываемое в Айове на объектах альтернативной энергетики, будет подаваться в крупный промышленный город. В общей сложности эта линия будет питать 1,2 млн домохозяйств.
Длина линии — 563 км, будет проложено два кабеля. Напряжение составит +/- 525 кВ. По линии можно будет передавать электроэнергию мощностью до 2,1 ГВт. Производство кабелей для проекта планируется начать в 2023 г.
На подписании контракта генеральный директор компании Direct Connect Development сообщил, что запуск данного проекта обусловлен необходимостью развития инфраструктуры для передачи электроэнергии в США. И что такая необходимость обнаружилась в связи с недавними событиями в Техасе и Калифорнии, где наблюдались сбои в энергоснабжении.
Самый длинный подводный кабель
В июне 2021 г. было завершено строительство самой протяженной на настоящий момент подводной кабельной ЛЭП North Sea Link. Ее длина составляет 730 км. Естественно, такая большая протяженность стала возможной благодаря применению технологии HVDC. Напомним, что предыдущий рекорд был 580 км.
Подводный кабель соединил Норвегию и Великобританию, после окончательного ввода в эксплуатацию он должен значительно увеличить стабильность энергосистем этих стран. Максимальная мощность, которую можно по нему передать, составляет 1,4 ГВт. Используются кабели производства Prysmian Group, напряжение +/- 515 кВ. Подстанции смонтированы компанией ABB, ею же поставлено оборудование.
На момент написания статьи система North Sea Link находилась еще в состоянии тестирования, полный ввод ее в эксплуатацию ожидается в октябре 2021 г. Строительство линии началось еще в 2015 г., но первый вариант проекта был предложен еще в 2003 г. Успешное завершение проекта способствовало росту интереса инвесторов к HVDC-линиям.
Стабилизация энергосистем в развивающихся странах
В Пакистане на протяжении многих лет существовала диспропорция между индустриально развитым севером страны, потребляющим много электроэнергии и югом, где потребителей значительно меньше, зато развито производство электроэнергии. Проблему удалось решить путем запуска в июне первой в стране HVDC-линии, соединившей города Матиари и Лахор. Эта линия построена Государственной электросетевой компанией Китая в рамках так называаемого «Пакистанско-китайского коридора сотрудничества». Не удивительно, что в обоих странах проекту придают важное политическое значение, хотя линия проходит только в пределах Пакистана.
Всего за 2,5 года была построена воздушная HVDC-линия, способная обеспечить электроэнергией около 10 млн. домохозяйств. Эта линия рассчитана на напряжение +/- 660 кВ.
В Индии также задумались над устойчивостью национальной энергосистемы, с чем есть проблемы, особенно в южных регионах страны. Июнь ознаменовался приемом в эксплуатацию ЛЭП на постоянном токе Пугалур-Триссур, напряжением +/-320 кВ. Данная линия обеспечивает передачу до 2 ГВт мощности, в ней есть как воздушные, так и кабельные участки. В дальнейшем предполагается продлить линию от Пугалура до Райгаха, в результате появится линия, охватывающая южную часть Индии. По ней можно будет передавать электроэнергию мощностью до 6 ГВт.
Проект реализуется полностью на оборудовании, разработанном и произведенном в Индии. HVDC-линии уже эксплуатируются в Индии, но в данном случае ЛЭП является первой, построенной по технологии VSC HVDC, обеспечивающей, в частности, более компактную конструкцию подстанций. Это важно, поскольку линия проходит через густонаселенные районы страны.
Работа над едиными стандартами
При создании HVDC-линий, особенно международных, серьезной проблемой является то, что, как правило, на обоих концах ЛЭП требуется установка оборудования от одного и того же производителя. Связано это с тем, что HVDC-системы пока недостаточно полно стандартизированы. При наличии несовместимости есть риск, что выйдет из строя дорогостоящая силовая электроника. Если бы существовало семейство стандартов, гарантирующих совместимость оборудования от разных производителей, можно было бы установить те устройства, которые легче доставить и обслуживать в данной стране.
В июне три авторитетных европейских организации, объединяющих энергетические компании и производителей оборудования — ENTSO-E, T&D Europe and WindEurope — объявили о начале совместной разработке таких стандартов для оборудования подстанций постоянного тока. Правда, они ограничатся только стандартами для HVDC-линий, передающих энергию от ветряков, поскольку данная проблема особенно актуальна для Европы, где значительные генерирующие мощности расположены на морском побережье или прямо в море.
Мнение Bloomberg
Не осталось в стороне от новых тенденций и авторитетное американское агентство деловой информации Bloomberg. В июне на сайте агентства была опубликована статья The Future of Power Is Transcontinental, Submarine Supergrids («Будущее энергетики — за трансконтинентальными, подводными суперсетями) аналитика Марка Чемпиона (Marc Champion), где говорится о создании Китаем глобальной энергетической сети, своего рода «Интернета энергии». Основой для такой сети станет технология UHVDC. Автор считает, что такая сеть позволит Китаю оказывать влияние на процессы в мире, сопоставимое с влиянием, которое получили США после Второй мировой войны, создав мировую финансовую систему.
Возможность переброски электроэнергии между часовыми поясами — непременное условие развития безуглеродной энергетики, отмечает Марк Чемпион. По прогнозам Bloomberg, на обеспечение более прямых путей передачи электроэнергии к 2050 году в мире будет потрачено не менее 14 трлн долл. Вопрос в том, насколько возможно сотрудничество между странами в этом вопросе. Пока ситуация выглядит не лучшим образом. По состоянию на 2018 г., на трансграничную передачу приходилось всего 9 % вырабатываемой электроэнергии в Европе, около 2 % в странах Северной и Южной Америки, а также 0,6 % в Азии. Расширение трансграничной передачи электроэнергии должно, по мнению автора статьи, способствовать конкуренции, а, значит, снижению цен.
Хотя Азия пока не радует показателями по торговле электроэнергией между отдельными странами, тем не менее именно там могут быть реализованы наиболее крупные проекты с применением HVDC. Например, если всю пустыню Гоби в Монголии застроить солнечными и ветряными электростанциями, то можно вырабатывать электроэнергию мощностью до 2,6 тераватт. Для сравнения, это в два раза больше, чем суммарная мощность всех электростанций США. При этом внутренний рынок Монголии не способен потребить такие объемы, но рядом находятся быстроразвивающиеся страны Юго-Восточной Азии, испытывающие большую потребность в электроэнергии. Линии HVDC, проложенные к ним, решают эту проблему. Представляют также интерес зоны вечной мерзлоты в Канаде и России, где постоянно дует сильный ветер. Мощные ЛЭП большой протяженности способны транспортировать оттуда электроэнергию, выработанную ветряками, в другие регионы.
Марк Чемпион отмечает, что уже сейчас китайские электросетевые компании скупают значительные доли акций в зарубежных распределительных сетях. Возможно, они это делают с целью реализации проекта глобальной энергетической сети. Тем не менее, естественным ограничителем на пути данного мегапроекта становится местная бюрократия. Например, многие инвесторы (в том числе и из России) готовы вложиться в развитие солнечной и ветряной генерации в Монголии для последующего экспорта электроэнергии в Китай. Но этому мешают сложные правила игры, установленные в Монголии для иностранных инвесторов. В свою очередь, Монголия своими силами строит электростанцию для экспорта энергии в Китай, но эта электростанция работает на угле. В общем, эксперты прогнозируют более мягкий и естественный сценарий развития «Интернета энергии», при котором ни одна из стран мира не получит в нем «контрольного пакета».
Нам же остается надеяться, что Россия с ее богатым потенциалом развития энергетики займет достойное место в создаваемой глобальной энергетической сети.