01 Η ιστορία του ηλεκτρικού δικτύου

Η αρχική ανάγκη του DC για ξεχωριστά καλώδια για κάθε τάση είχε ως αποτέλεσμα το χάος των καλωδίων. Η τροφοδοσία AC ξεπέρασε αυτή την ανάγκη με τη χρήση μετασχηματιστών από μια κοινή γραμμή. Φωτογραφία: Michael Coghlan CC BY 2.0

Όπως αναφέρθηκε στο άρθρο μου «Ηλεκτροκίνητα Οχήματα», ο ηλεκτρισμός ως μορφή ενέργειας είναι, με ιστορικούς όρους, μια σχετικά νέα μορφή ενέργειας έχοντας μόλις αναπτυχθεί από τις αρχές της δεκαετίας του 1870 έως τα μέσα της δεκαετίας του 1890.

Όταν αναπτύχθηκε για πρώτη φορά η ηλεκτρική ενέργεια, κυριαρχούσε η ισχύς συνεχούς ρεύματος (DC). Ωστόσο, η τάση συνεχούς ρεύματος δεν μπορούσε εύκολα να αυξηθεί ή να μειωθεί κατά τη μετάδοση ρεύματος σε μεγάλες αποστάσεις ή για χρήση από διάφορες ηλεκτρικές συσκευές «διαφόρων ισχύος» σε μοιραζόμενοι / κοινή γραμμή. Ως αποτέλεσμα, οι εταιρείες παροχής έπρεπε να χρησιμοποιούν διαφορετικά καλώδια για κάθε απαιτούμενη τάση, π.χ. διάφορα φώτα δρόμου, τραμ ή βιομηχανικοί κινητήρες, όλα χρειάζονταν ξεχωριστή καλωδίωση. Φάνηκε για λίγο ότι η χρήση πολλαπλών μικρών τοπικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής θα ήταν το μέλλον για την ηλεκτροδότηση των πραγμάτων. Μέχρι τα μέσα του 1880 η τεχνολογία για να αυξάνεται και μειώνεται εύκολα Η τάση AC με τη βοήθεια μετασχηματιστών είχε φτάσει στο σημείο που μπορούσε εύκολα και ανέξοδα να εφαρμοστεί εμπορικά. Αυτό ήταν ζωτικής σημασίας για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε αποστάσεις για χρήση στην πόλη. Μετά από μια ορισμένη απόσταση τόσο σε εναλλασσόμενο όσο και σε συνεχές ρεύμα, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που χάνεται λόγω της αντίστασης που βρίσκεται στις γραμμές μεταφοράς είναι σημαντική. Αυτό είναι ένα σοβαρό πρόβλημα με τις χαμηλές τάσεις. Για να ξεπεραστεί αυτό, η τάση πρέπει να μπορεί να αυξομειώνεται σημαντικά. Το γεγονός ότι ένα καλώδιο μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία διαφόρων εφαρμογών με ποικίλες απαιτήσεις τάσης κατά μήκος της ίδιας γραμμής λόγω των μετασχηματιστών, έδωσε στο AC την κυριαρχία έναντι της ισχύος συνεχούς ρεύματος. Η συνδυασμένη ανάγκη επέκτασης της ηλεκτροδότησης σε μεγάλες αποστάσεις μαζί με τη χρήση του μετασχηματιστή εναλλασσόμενου ρεύματος επέτρεψε στην τροφοδοσία AC να προχωρήσει γρήγορα. Η χρήση μεγάλων κεντρικών σταθμών εναλλασσόμενου ρεύματος έγινε κυρίαρχη από τα μέσα έως τα τέλη της δεκαετίας του 1890.

Τη δεκαετία του 1940 αναπτύχθηκε και βελτιώθηκε η τεχνολογία για την αξιόπιστη μετατροπή της ισχύος DC σε άλλα επίπεδα. Τεχνολογίες όπως «περιστροφικοί μετατροπείς», «βαλβίδες τόξου υδραργύρου και άλλοι τέτοιοι ανορθωτές ισχύος συνεχούς ρεύματος έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στη βελτίωση τον ικανοτήτων του συνεχούς ρεύματος, αλλά τότε ήταν πλέον πολύ αργά για την τροφοδοσία συνεχούς ρεύματος, το AC είχε κερδίσει και κυριάρχησε στον κόσμο.

Καθώς ο ηλεκτρισμός άρχισε να εξαπλώνεται στην Ευρώπη και τις ΗΠΑ λόγω της δημοτικότητάς του, ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετώπισαν οι εταιρείες παροχής ενέργειας ήταν αυτό του «συντελεστή φορτίου». Ο συντελεστής φορτίου προκύπτει διαιρώντας τη συνολική ηλεκτρική ισχύ που χρησιμοποιείται σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο με την τιμή της μέγιστης ισχύος που χρησιμοποιήθηκε πολλαπλασιαζόμενη με τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο συνήθως σε ώρες. Όσο πιο κοντά είναι η τιμή του συντελεστή φορτίου στο «1», τόσο καλύτερο είναι για το δίκτυο, καθώς αυτό σημαίνει ότι η ζήτηση ισχύος είναι σταθερή για τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο.

Στις πρώτες μέρες της ισχύος συνεχούς ρεύματος, ο συντελεστής φόρτισης για τους περισσότερους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ήταν πολύ χαμηλός κατά τη διάρκεια της ημέρας, όταν δεν χρησιμοποιούνταν οι λαμπτήρες τόξου άνθρακα που χρησιμοποιούνταν σε φώτα δρόμου και εργοστασίων. Ως αποτέλεσμα, οι προμηθευτές ρεύματος δεν άρχισαν να παράγουν ενέργεια μέχρι αργά το απόγευμα, όταν θα άναβαν τα φώτα του δρόμου. Η εισαγωγή του ηλεκτρικού δρόμου σιδηρόδρομου βοήθησε στην εξομάλυνση του συντελεστή φορτίου, επειδή καθώς δούλευαν κατά τη διάρκεια της ημέρας, δημιούργησαν την ανάγκη για σταθερή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε όλο το 24ωρο – οχήματα δρόμου κατά τη διάρκεια της ημέρας, λαμπτήρες τόξου τη νύχτα.

Σήμερα, περισσότερα από 100 χρόνια μετά, η ανάγκη μας για ηλεκτρική ενέργεια είναι μεγαλύτερη από ποτέ, αλλά την ίδια στιγμή εξακολουθεί να υποφέρει από περιορισμούς. Η τεχνολογία έχει κάνει τις συσκευές μας ενεργειακά φιλικές και το περιβάλλον μας έχει κάνει πιο συνειδητούς για το κλίμα, με αποτέλεσμα ο συντελεστής φορτίου δικτύου να αντιμετωπίζει ξανά προβλήματα. Οι παλιοί ρυπογόνοι σταθμοί παραγωγής ενέργειας από άνθρακα και φυσικό αέριο καταργούνται σταδιακά και αντικαθίστανται από εναλλακτικές πηγές ενέργειας όπως αιολική, ηλιακή, υδροηλεκτρική, θερμική και πυρηνική ενέργεια. Το πρόβλημα είναι ότι τις περισσότερες φορές αυτές οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας λειτουργούν 24 ώρες το 24ωρο, 7 μέρες την εβδομάδα και δεν απενεργοποιούνται εύκολα, καθιστώντας πρόβλημα την πλεονάζουσα ισχύ που παράγουν. Και πάλι εδώ είναι που τα ηλεκτρικά οχήματα και άλλες νέες καινοτόμες εξελίξεις μπορούν να παίξουν ρόλο στην εξισορρόπηση του δικτύου τόσο τη νύχτα όσο και κατά τη διάρκεια της ημέρας. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρικά οχήματα συνήθως φορτίζονται κατά τη διάρκεια της νύχτας όταν οι ιδιοκτήτες τους δεν τα χρησιμοποιούν, ώστε να μπορούν να αντλήσουν μέρος από το πλεόνασμα της νύχτας. Νέες ιδέες για την επίλυση παλαιών προβλημάτων εμφανίζονται.

Μικρότερα και επανασχεδιασμένα δίκτυα είναι μια πιθανή λύση.

Ο σχεδιασμός HUB & SPOKE (Κέντρου & Ακτίνας) της Δανίας για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) είναι μία υλοποίηση. Η Δανία, ως ένα από τα κορυφαία έθνη στον κόσμο στην παραγωγή και έρευνα ανανεώσιμης αιολικής ενέργειας, σχεδιάζει να κατασκευάσει σε δύο στάδια ένα τεχνητό νησί πράσινης ενέργειας. Σε πρώτο στάδιο το νησί θα έχει έκταση 120.000 m² ελέγχοντας, διανέμοντας και αποθηκεύοντας την ενέργεια που παράγεται από τις αρχικές υπεράκτιες ανεμογεννήτριες ισχύος 200 MW. Στο τελευταίο δεύτερο στάδιο η έκταση του νησιού θα τετραπλασιαστεί σχεδόν στα 460.000 m² και ο αριθμός των ανεμογεννητριών MW που θα ελέγχει θα είναι 650.

Το νησί θα είναι ο κεντρικός κόμβος για την ανανεώσιμη ενέργεια που παράγεται στα υπεράκτια πεδία ανεμογεννητριών και τα καλώδια υψηλής ενέργειας θεωρούνται ως οι «ακτίνες» του νησιού που τρέχουν από το νησί στα γύρω ευρωπαϊκά έθνη. Κάποια πλεονάζουσα ισχύς από τα πεδία θα χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πρώτων υλών, κυρίως υδρογόνου και ορισμένων άλλων, όπως το αέριο σύνθεσης (σύνθεση).

Η Ελλάδα είναι ένα άλλο παράδειγμα. Η Ελλάδα έχει περίπου 6000 νησιά και βραχονησίδες. Από αυτά 166-227 κατοικούνται και μόνο περίπου 53 από αυτά έχουν πληθυσμό μεγαλύτερο από 1000 άτομα. Τα άλλα 5500+ νησιά ή βραχονησίδες είναι ακατοίκητα και θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν σε μια νησιωτική διαμόρφωση ΑΠΕ (HUB & SPOKE) με ηλιακά ή αιολικά πάρκα, όπως αυτό που δημιουργεί η Δανία.

Σύγκριση συστημάτων μετάδοσης HVDC και HVAC.

Ο ιστορικός ανταγωνισμός μεταξύ της ισχύος AC και DC και των αντίστοιχων πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων τους έχει αλλάξει με την πάροδο του χρόνου.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως στην ιστορία του ηλεκτρικού δικτύου, η εναλλασσόμενη ενέργεια έγινε η κυρίαρχη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας μετά την ανάπτυξη των μετασχηματιστών AC στα μέσα έως τα τέλη της δεκαετίας του 1890. Μέχρι τη δεκαετία του 1940, πενήντα (50) περίπου χρόνια αργότερα, όταν είχε αναπτυχθεί η τεχνολογία για την αύξηση και τη μείωση της τάσης συνεχούς ρεύματος, το ηλεκτρικό δίκτυο είχε ήδη αναπτυχθεί με άνοδο εναλλασσόμενου ρεύματος και η κατασκευή συσκευών είχε προσαρμόσει την παραγωγή σε αυτήν την πηγή ισχύος,

Η DC ισχύς Ωστόσο θα μπορούσε να επανέλθει τώρα, ιδιαίτερα στη μετάδοση σε μεγάλων αποστάσεων, ειδικά σε αποστάσεις, όπως αυτές μεταξύ μεγάλων πόλεων, νόμων ή ακόμη και κρατών. Σε αποστάσεις άνω των 600 χλμ  έχει προσδιοριστεί ότι το HVDC ή το UHVDC (Συνεχές Ρεύμα Υψηλής / Υπερυψηλής Τάσης) είναι φθηνότερο για μετάδοση από το HVAC ή το UHVAC (Εναλλασσόμενο Ρεύμα Υψηλής / Υπερυψηλής Τάσης). Για αποστάσεις μικρότερες από 600 km, το κόστος εγκατάστασης σταθμών μετατροπέα AC σε DC και σταθμών μετατροπέα DC σε AC είναι πολύ μεγάλο για να αξίζει τον κόπο.

Ωστόσο, στη μετάδοση εναλλασσόμενου ρεύματος το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει κυρίως στην περίμετρο του καλωδίου, σε μια κατάσταση γνωστή ως το φαινόμενο του δέρματος. Στη μετάδοση συνεχούς ρεύματος το ρεύμα ρέει ομοιόμορφα σε ολόκληρο το καλώδιο, επιτρέποντας έτσι τη μετάδοση σημαντικά μεγαλύτερης ποσότητας ρεύματος μέσω του ίδιου μεγέθους καλωδίου. Οι απώλειες μετάδοσης για ισχύ HVDC είναι περίπου 3,5% ανά 1000 χλμ. Τα 1500 έως 2500 χιλιόμετρα φέρνουν το μεγαλύτερο μέρος της βορειοαφρικανικής ακτής σε όλα σχεδόν τα έθνη στην ηπειρωτική Ευρώπη ή από τη μια άκρη της Ευρώπης στην άλλη. Μια τέτοια σύνδεση δικτύου θα μπορούσε να είναι επωφελής για όλους τους εμπλεκόμενους.

Στo εναλλασσόμενου ρεύματος η κατεύθυνση του ρεύματος αλλάζει συνεχώς και έτσι όταν ρέει κατά μήκος ενός αγώγιμου καλωδίου δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται επαγωγή και συμβάλλει στην απώλεια ρεύματος στη μετάδοση ισχύος. Σε καλώδια μετάδοσης με πολύ υψηλό AC η επαγωγή μπορεί να ιονίσει τα σωματίδια του νερού στον αέρα. Ο ιονισμός προκαλεί ηλεκτρική εκκένωση προκαλώντας ένα ηχητικό σφύριγμα ή τρίξιμο και μερικές φορές δημιουργεί μια βιολετί λάμψη (παραγωγή αερίου όζοντος). Αυτό το φαινόμενο ιοντισμού ονομάζεται Φαινόμενο Εκκένωσης Κορώνα. Το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι επίσης επιρρεπές σε βραχυκυκλώματα λόγω της εναλλασσόμενης φύσης του και τα συστήματα AC διαφορετικών συχνοτήτων δεν μπορούν να συνδυαστούν. Αυτά είναι δύο σημεία που δεν επηρεάζουν τα συστήματα DC τα οποία είναι γενικά πολύ πιο εύκολο να ελεγχθούν και να διαχειριστούν.

Όταν πρόκειται για την κοινή χρήση των εθνικών δικτύων για την βοηθήσει στην ζήτηση ενέργειας ή στην παραγωγή, το UHVDC βοηθά στο ότι δεν χρειάζεται να ανησυχείς για διαφορές στις συχνότητες AC (50 ή 60 Hz), το φαινόμενο Corona ή το εφέ δέρματος. Ένα καλώδιο μετάδοσης μεγαλύτερης διαμέτρου μπορεί να βοηθήσει στην απόδοση μετάδοσης ισχύος, αλλά αυξάνει το βάρος και το κόστος των καλωδίων.

Ο ιστορικός ανταγωνισμός μεταξύ εναλλασσόμενου ρεύματος και συνεχούς ρεύματος μπορεί κάλλιστα να εισέρχεται σε μια φάση όπου και τα δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τα δυνατά τους σημεία και οι αδυναμίες τους να ελαχιστοποιηθούν μέσω της συνεργασίας αντί να επιβάλλουν την επιλογή μεταξύ του ενός και του άλλου.