بازگشت جریان مستقیم | انقلابی در سیستم قدرت

گسترش استفاده از کابل های HVDC زیر دریایی و افزایش مصارف جریان برق مستقیم، میتوانند نشان دهندۀ یک انقلاب در سیستم قدرت باشند؟

AC یا DC؟ مسئله این است!

پس از بیش از یک قرن در سایه بودن، برق جریان مستقیم (DC) میتواند حضورش را در شبکۀ قدرت پر رنگ تر کند. سالهای پایانی قرن نوزدهم میلادی شاهد نبردی شدید برای ایجاد بهترین روش تأمین برق مصرف‌کنندگان بود. DC در یک طرف (معرفی شده توسط توماس ادیسون) و AC در طرف دیگر (با حمایت نیکولا تسلا). داستان این رویارویی حتی چند سال پیش در سینما هم روایت شد و فیلمی با عنوان «جنگ جریان» تولید گشت.

جریان مستقیم یا متناوب؟

با این که اولین خط برق DC بود؛ اما این رقابت در آن سالها با شکست DC پایان یافت و تا کنون، جهان تحت سلطۀ AC بوده است. موضوع مهمی در خطوط انتقال و توزیع برق وجود دارد و آن نیاز به تبدیل ولتاژ است. افزایش ولتاژ تولیدی در نیروگاهها برای انتقال کم تلفات و اقتصادی و پس از آن کاهش ولتاژ در چند مرحله برای رساندن آن به حد مطلوب مصرف کنندگان. در برق جریان متناوب، این تبدیل ولتاژ به آسانی توسط ترانسفورمر (ترانسفورماتور) ها انجام میشود. اما تبدیل ولتاژ در DC به این سادگی نبود و تجهیزات آن گرانقیمت. این موضوع یکی از علل گسترش خطوط AC به شمار میرفت.

اما سالها بعد، این داستان از سر گرفته شد و اکنون وارد مرحلۀ جدیدی شده است. جریان مستقیم این بار به دو دلیل مورد توجه قرار گرفت. اولاً، DC برای انتقال توان بالا در مسافتهای طولانی بسیار کارآمد است – در واقع، برای چند دهه  است که از این مزیت در خطوط HVDC استفاده میشود. ثانیاً، تعداد زیادی از دستگاههای الکتریکی و الکترونیکی که اکنون ما استفاده میکنیم، ذاتاً DC هستند. از تلفنهای همراه گرفته تا چراغهای LED و خودروهای الکتریکی.

همه اینها منجر به ارزیابی مجدد DC برای انتقال، توزیع و حتی مصرف نهایی برق میشود. اما این موضوع در عمل چگونه ممکن است؟

استفاده از جریان مستقیم در انتقال برق

توان بالای الکتریکی، معمولاً توسط خطوط طولانی انتقال مییابد. این کار با استفاده از خطوط انتقال هوایی (OHTL)، کابلهای زیرزمینی و زیردریایی انجام میشود. استفاده از جریان مستقیم با ولتاژ بالا به اختصار HVDC برای انتقال برق به جای جریان متناوب فشار قوی به اختصاری HVAC، دارای چند مزیت است:

  • اول اینکه مواد کمتری مورد نیاز است. به این دلیل که DC فقط به دو هادی نیاز دارد (مثبت و منفی) در حالیکه AC به سه هادی نیاز دارد (سه فاز).
  • دوم، تلفات الکتریکی با DC کمتر است زیرا فقط توان اکتیو منتقل میشود. در مقابل، AC هم توان اکتیو و هم توان راکتیو را انتقال میدهد.
  • سوم، انتقال برق با DC به علت وجود نداشتن توان راکتیو، در مسافتهای طولانیتری ممکن خواهد بود.

خط هوایی و کابل های جریان مستقیم ولتاژ بالا

HVDC یک فناوری اثبات شده و در حال بهتر شدن است. پیشرفتهای اخیر شامل مبدلهای ولتاژ و ظرفیت انتقال بهبود یافته برای کابلهاست. این امر با ولتاژهای بالاتر، دمای کار بالاتر، سطح مقطع هادی بزرگتر و معرفی فناوری اکسترود جدید به دست می آید.

همه اینها به این معنیست که هزینۀ پروژه های HVDC نسبت به انرژی منتقل شده، کاهش مییابد. به طور خلاصه، انتقال HVDC بسیار رقابتی تر میشود.

آینده ای روشن برای HVDC

دو روند مهم بازار باعث افزایش علاقه به انتقال HVDC شده است. اولین نکته، تقاضای فزاینده برای ارتباطات خطوط برق میباشد. این ارتباطات، اقیانوسها را هم در بر میگیرد و شبکه‌ های کشورها و مناطق را به هم پیوند میدهد. عامل دوم، رشد نیروگاههای بادی فراساحلیست. برای انتقال توان الکتریکی تولیدی به ساحل، کابل های زیر دریایی ارتباط دهنده میان مزارع بادی و پستهای فراساحلی به پستهای مستقر در خشکی به کار میروند.

تا به امروز (June 2022)، حدود 15000 کیلومتر کابل زیردریایی HVDC با استفاده از فناوری عایق MI (Mass impregnated) و XLPE نصب شده است. انتظار میرود 20000 کیلومتر دیگر از شبکۀ HVDC تا آغاز سال 2030 مستقر شود؛ البته بدون احتساب کابلهای خروجی مزارع بادی فراساحلی.

پیش‌ بینی میشود سهم کابلهای اکسترود شدۀ نصب‌ شده تا پایان این دهه افزایش یابد و با طول کابلهای MI برابر شود. تولیدکنندگان کابلهای زیر دریایی HVDC، سرمایه گذاری قابل توجهی در ظرفیت تولید و نصب بیشتر در نظر گرفته اند.

آیا میتوان از جریان مستقیم در خطوط توزیع هم استفاده کرد؟

شبکه‌ های توزیع ولتاژ متوسط ​​(MV) و ولتاژ پایین (LV) و توزیع برق در ساختمانها، مدتهاست که تحت سلطۀ AC بوده‌ اند. اما تغییر تدریجی به DC – که از طریق توسعۀ ریز شبکه های LV و MV حاصل میشود – میتواند صرفه جویی در انرژی، یکپارچه سازی آسانتر انرژیهای تجدید پذیر و قابلیت اطمینان بیشتر را به همراه داشته باشد.

ریز شبکۀ DC

علاقه به میکروگریدهای DC با تغییرات اساسی در نحوۀ تولید، ذخیره و مصرف الکتریسیته هدایت میشود:

اول اینکه تولید برق به روش متمرکز کمتر میشود و به محل تقاضا نزدیک میگردد. فتوولتائیک های پشت بام و توربینهای بادی کوچک، نمونه هایی از این روش تولید پراکنده هستند. فتوولتائیکها به طور طبیعی DC اند، همانطور که برخی از میکرو توربین های بادی نیز DC هستند.

دوم، ذخیره سازی توسط باتری ها در حال گسترش است. منبع تغذیۀ بدون وقفه (UPS) یک نمونه است که مثلاً در مراکز داده، برای حفظ امنیت تأمین برق استفاده میشود. همچنین استقرار رو به رشدی از سیستمهای ذخیره انرژی باتری (BESSs) برای متعادل کردن شبکه وجود دارد. افزون بر این، سیستمهای ذخیرۀ انرژی خانگی در حال حاضر در دسترس هستند. آخرین اما نه کم اهمیت ترین، باتری خودروهای الکتریکی اند که پتانسیل یکپارچه سازی شبکه را دارند. یک نکتۀ کلیدی در مورد ذخیره سازی باتری این است که بیشتر آن به جای متمرکز، توزیع شده میباشد و تمام آن به صورت ذاتی، DC است.

سوم، در سمت مصرف، دستگاه های DC در حال حاضر گسترده شده اند. همانطور که قبلاً گفتیم، بسیاری از دستگاههای پرکاربرد، از موبایلها و کامپیوترها گرفته تا لامپهای LED و وسایل نقلیۀ الکتریکی، ذاتاً DC هستند. امروزه همۀ این دستگاهها برای تبدیل برق AC شهری به DC، نیازمند آداپتورها هستند.

همۀ اینها، فضا را مهیا میکنند برای گسترش ریز شبکه های جریان مستقیم با تولید و مصرف در یک شبکه و پشتیبانی شده با ذخیرۀ باتریها. یکی از مزیتها و زیباییهای مدل ریزشبکۀ DC این است که نیاز به تبدیل AC/DC و آداپتورها را از بین میبرد. این به سهم خود باعث صرفه‌ جویی در مصرف انرژی میشود.


منبع: Kvarme Hans, Griot Samuel, The direct current revolution, Nexans.