De dagen zijn geteld voor Lerwick Power Station, waarvan de dieselgeneratoren al meer dan 70 jaar elektriciteit leveren aan de Shetlandeilanden. Vanaf medio 2024 zullen de Shetlands – en ook een deel van het vasteland van Schotland – worden aangedreven door het Viking Windpark van 443 megawatt, dat bestaat uit 103 windturbines op het hoofdeiland Shetland.
Maar het meest interessante aan het gigantische project van £580 miljoen zijn niet zozeer de turbines als wel de onderzeese transmissieverbinding die het windpark met het Schotse vasteland zal verbinden. De piekvraag in de Shetlands bedraagt slechts ongeveer 44 MW, dus op elk moment zou maar liefst 90 procent van de Viking-opwekking via de verbinding naar het zuiden kunnen stromen. Het 260 kilometer lange hoogspanningsgelijkstroomtransmissiesysteem (HVDC) van 320 kilovolt, gebaseerd op Hitachi Energy-technologie, in Zürich markeert een mijlpaal in de voortdurende transformatie van het Europese elektriciteitsnetwerk: het zal worden aangesloten op het eerste werkelijk dynamische HVDC-netwerk met meerdere terminals in Europa.
Deze nieuwere HVDC-technologie opent nieuwe mogelijkheden. “Europese netbeheerders adopteren HVDC als de technologie bij uitstek voor hun massatransmissiebehoeften in de toekomst”, zegt Cornelis Plet, vice-president van DNV, een adviesbureau dat adviseert over energiesystemen en risicobeheer.
Volgens Plet zorgt windenergie voor de versnelling van HVDC-installaties in Europa. Tegen 2030 wil de Europese Unie het aandeel van de energie dat gedekt wordt door hernieuwbare energiebronnen grofweg verdubbelen, tot 42,5 procent. Ambtenaren geven prioriteit aan projecten die relatief consistente en sterke wind aanmoedigen die verder uit de kust waait, zeg meer dan 75 km – een afstand waarvoor de hoge capaciteit van geïsoleerde stroomkabels AC-transmissie onpraktisch maakt. Netbeheerders installeren ook onderzeese gelijkstroomverbindingen in andere regio’s om overtollige windenergie te delen en verbinding te maken met back-upvoorzieningen, zoals de gigantische Scandinavische waterkrachtcentrales. Bovendien lijken onderzeese en ondergrondse HVDC-kabels steeds meer de meest haalbare manier om windenergie toe te voegen aan overbelaste nationale netwerken en dichtbevolkte landschappen.
Nieuwe technologie stimuleert de HVDC-renaissance
Het aandrijven van deze uitbreiding in HVDC is een belangrijke technische vooruitgang. Historisch gezien transporteerden HVDC-lijnen stroom van het ene punt naar het andere. Het niveau van de krachtoverbrenging moest worden bepaald en de richting ervan kon niet onmiddellijk zijn vice versa– leuk vinden het zou nodig zijn als lijnen maakten deel uit van het netwerk. Echter, ongeveer 25 jaar geleden begonnenhet pad naar HVDC-systemen met meerdere terminals was gevestigd belangrijke verbeteringen in schakelconverters hoog voltage wisselstroom naar gelijkstroom en omgekeerd.
De stroom die wordt opgewekt door het 443 megawatt Viking-windpark op de Shetlandeilanden zal drie terminals van het HVDC-netwerk voeden, met de mogelijkheid van nog eens twee terminals in de toekomst. De meest zuidelijke terminal bevindt zich in Blackhillock, Schotland, de thuisbasis van het op een na grootste onderstation van Europa.Elias Stein
Een belangrijke vooruitgang was de implementatie van de spanningsbronomzetter (VSC). Ze bieden transmissielijnbeheerders onder meer de mogelijkheid om niet alleen onafhankelijk de daadwerkelijke stroom op de lijn te controleren, maar ook
reactief vermogen, dat het product is van spanning en stroom die uit fase zijn met elkaar. Een ander kenmerk van de nieuwe systemen is modulariteit: de meeste moderne VSC’s worden geïmplementeerd als een geïntegreerde set modules, in een systeem dat een modulaire meerlaagse converter (MMC) wordt genoemd.
Converters bestaan uit submodules, en hoe hoger de spanning die wordt omgezet, hoe groter het aantal submodules. Deze submodules zijn op hun beurt meestal gebaseerd op condensatoren en snelle bipolaire transistors met geïsoleerde poorten. De energie van de AC-bron wordt opgeslagen in de DC-condensatoren in de submodules. De condensatoren worden vervolgens achtereenvolgens opgeladen en ontladen om energie uit te wisselen met het wisselstroomnet.
De Shetland-verbinding zal een systeem met drie terminals creëren door een bestaande HVDC-kabel verder naar het zuiden toe te voegen. Vanaf het Shetland HVDC-converterstation, vlakbij het windpark, wordt DC via een onderzeese kabel naar het bestaande convertorstation, vlakbij het kabelland in het noorden van Schotland, verzonden. De omvormer daar kan aan het AC-net op het vasteland worden gevoed. Of de gelijkstroom die van het eiland komt, kan de eerste omvormer op het land omzeilen en verder zuidwaarts gaan naar een derde omvormerstation, 160 km dichter bij de consumenten in de grote steden van Schotland. Of de systeemcontroller kan het hele spelplan omkeren en elektriciteit naar het noorden sturen naar Shetland-consumenten, net zo snel als de wind kan veranderen.
Wat dit dynamische jongleren met macht mogelijk maakt, is de flexibele controle over stroom en spanning die kenmerkend is voor de VSC-technologie. De afgelopen dertig jaar heeft China de traditionele HVDC-technologie, gebaseerd op stroomomvormers en thyristoren, op grote schaal gepusht om waterkracht-, steenkool- en windenergie duizenden kilometers naar zijn kustindustrieën en megasteden te sturen. Om dit te doen moesten ingenieurs de meest robuuste AC-netwerken ter wereld bouwen, inclusief enorme hoeveelheden blindvermogencompensatie en veel filtering om harmonische feedback te voorkomen.
VSC is een fundamenteel andere technologie, die eind jaren negentig werd ontwikkeld door de Zwitsers-Zweedse ingenieursgigant ABB, wiens elektriciteitsnetactiviteiten onlangs zijn overgenomen door Hitachi Energy. In tegenstelling tot traditionele stroombronconverters kunnen VSC’s hun eigen spanning regelen. Dit betekent dat ze kunnen helpen bij het stabiliseren van de AC-netwerken waarmee ze elektriciteit verhandelen. Dat kenmerk gaf de VSC-gebaseerde systemen van ABB een directe niche waar er letterlijk geen AC-net was om op te vertrouwen: het sturen van elektriciteit naar het land vanaf afgelegen windparken.
De technologie kwam in 2010 aan het licht toen ABB’s grootste HVDC-rivaal, Siemens, een modulair ontwerp op de markt bracht dat sindsdien de markt stormenderhand heeft veroverd. De MMC-submodules van Siemens schakelen slechts één keer per AC-cyclus, waardoor de verliezen worden verminderd van ongeveer 1,7 procent naar 1 procent per converter. MMC’s zijn nu de standaardconfiguratie en worden gebruikt in het nieuwste offshore windpark van Groot-Brittannië, voor de kust van Yorkshire, dat 1.080 submodules heeft en in oktober stroom begon te leveren.
Tot nu toe hebben Europese netbeheerders ongeveer 50 gigawatt aan VSC-gebaseerde HVDC-technologie ingezet. Volgens een rapport uit september 2023 dat Plet schreef voor het Amerikaanse Grid Research and Advocacy Consortium is er de komende tien jaar nog eens 130 GW gepland voor het continent.
Europa en China Race om ‘mesh’-netwerken
Duitsland heeft het meest ambitieuze programma tot nu toe. Een drietal HVDC-systemen zal windenergie afkomstig van de kust in Noord-Duitsland meenemen en landinwaarts verplaatsen naar Zuid-Duitsland. Maar er zal veel meer HVDC-transmissiecapaciteit nodig zijn om de verwachte toename van de offshore-windenergie op te vangen. Zo heeft de Nederlands-Duitse netbeheerder TenneT onlangs voor 30 miljard euro contracten getekend voor 14 sets omvormers en onderzeese kabels die tot 2031 in bedrijf zullen zijn – sommige in Duitsland en de rest in Nederland. Die schaal verlaagt de kosten en versnelt de levering door zijn leveranciers – GE Renewable Energy, Hitachi en Siemens – te helpen bij het financieren van capaciteitsuitbreiding.
Duitsland heeft ook het voortouw genomen op het gebied van standaardisatie, met het oog op uitgebreide DC-netwerken. TenneT vroeg al haar leveranciers om compatibele 525 kV HVDC-systemen aan te bieden met ruimte voor extra schakelapparatuur, waardoor de mogelijkheid ontstond om de huidige segmenten in grotere netwerken met elkaar te verbinden.
Andere Europese landen sloten zich aan bij de nieuwe 525 kV-standaard. Het Britse netplan somt een tiental 525 kV offshore windverbindingen op die de energiesysteembeheerder tegen 2030 noodzakelijk acht. Daaronder bevindt zich een mogelijk systeem met vijf terminals dat end-to-end is aangesloten langs de Noordzeekust – om de aanschaf van omvormers tot een minimum te beperken. stations en geulde kabel- en landovergangen door gevoelige kustecosystemen. Daarnaast is Groot-Brittannië van plan om de groeiende windoogst zuidwaarts richting Londen te verplaatsen via zes extra offshore HVDC-kabels, die zich van kust tot kust uitstrekken zoals de verbindingskabels in een oude telefooncentrale.
In 2020 lanceerde de Chinese nutsgigant State Grid ‘s werelds eerste onderling verbonden gelijkstroomnet: een 500 kV-ring met vier knooppunten nabij Peking
Ten slotte voorzien de Europese netplanners de dag waarop de huidige HVDC-projecten onderling zullen worden verbonden om een onderling verbonden gelijkstroomnet te vormen dat zich uitstrekt over de Noordzee en daarbuiten. Hiervoor is iets extra’s nodig: een HVDC-schakelaar die vrijwel onmiddellijk kan werken op 525 kV.
Het onderbreken van een wisselstroomvoeding is eenvoudiger omdat de spanning ervan afneemt telkens wanneer de stroom van richting verandert. HVDC-systemen profiteren momenteel van die nuldoorgang om fouten op te lossen, waarbij AC-onderbrekers worden gebruikt om de omvormers uit te schakelen en daardoor de continue stroom die ertussen vloeit te dempen. Maar het stoppen en opnieuw opstarten van de omvormer zal te storend zijn voor grote HVDC-netwerken. “Als je naar vier of vijf terminals gaat, wordt het systeem te groot om stil te leggen”, zegt Andreas Berthou, senior vice-president van de Hitachi Energy-groep en mondiaal hoofd van HVDC.
In 2020 lanceerde de Chinese nutsgigant State Grid ‘s werelds eerste gelijkstroomnet: een ring van 500 kV met vier knooppunten nabij Beijing, compleet met 16 eigen HVDC-schakelaars. Maar westerse bronnen zeggen dat er geen onafhankelijke beoordeling van zijn daden heeft plaatsgevonden.
Alle grote HVDC-leveranciers werken aan schakelaars. De eigen eenheid van Hitachi Energy is geverifieerd op 350 kV en Berthou zegt dat deze wordt overwogen voor “een paar” offshore-projecten. “We zijn klaar voor de 525 kV-tender”, stelt hij.
De HVDC-converterhal op een niet nader genoemde locatie is uitgerust met de spanningsbronconvertertechnologie van Hitachi Energy, gebaseerd op modulaire meerniveauconverters. Hitachi-energie
Een van de Duitse HVDC-projecten in het hele land zal een alternatieve aanpak demonstreren: het ontwerpen van MMC-converters met ‘full-bridge’-modules die gigawatts gelijkstroom kunnen verwerken en stoppen. Kosten: tweemaal het stroomverbruik van dure bipolaire transistors met geïsoleerde poort per module.
Geroosterde HVDC-netwerken lijken sciencefiction in de context van het Amerikaanse elektriciteitsnet – de thuisbasis van slechts 3 procent van de moderne HVDC-installaties, volgens het rapport van Plet. Maar verschillende landen zijn van plan het Europese HVDC-voorbeeld te volgen. New Jersey heeft bijvoorbeeld gekozen voor een systeem van HVDC-verbindingen om de eerste offshore windparken met elkaar te verbinden, en Californië overweegt een offshore HVDC-patchkabel om de noord-zuidstroomstromen te vergroten.
Maar het beveiligen van de apparatuur zal volgens deskundigen niet eenvoudig zijn. Emmanuel Martin-Lauzer, Amerikaans directeur bedrijfsontwikkeling bij het in Parijs gevestigde Nexans, vergeleek onlangs de Europese projectenpijplijn met een “zwart gat” dat de wereldvoorraad HVDC-kabels opslokt.
Plet zegt dat sommige Amerikaanse transmissie-ontwikkelaars “tientallen miljoenen dollars” hebben geïnvesteerd om een plaats in de productiewachtrijen veilig te stellen – “een groot risico” aangezien slecht gecoördineerde staats- en federale netwerkgoedkeuringsprocessen veel projecten vernietigen. Ontwikkelaars zullen ook duur betalen voor personeel, zegt hij, gezien het tekort aan Amerikaanse elektrotechnici met HVDC-expertise. Alles bij elkaar genomen concludeert Plet dat de ontwikkeling van HVDC in de VS mogelijk tien jaar achterloopt op die in Europa.
Dit artikel verschijnt in de gedrukte editie van januari 2024, getiteld “High-Voltage DC Power Roars Ashore in Europe.”
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet