HGÜ ist über eine solche Distanz effizienter . Hier sind die Gründe:

Bei Gleichstrom gibt es keine induktive/kapazitive Reaktanz , während bei Wechselstrom sowohl kapazitive/induktive Reaktanz vorhanden ist. Aufgrund der fehlenden Induktivität ist der Spannungsabfall bei HGÜ im Vergleich zu Wechselstrom sehr gering (vorausgesetzt, dass alle anderen Bedingungen konstant sind). Aus diesen Gründen bietet die HGÜ einen Vorteil gegenüber der Spannungsregelung des Stromversorgungssystems.

HGÜ ist frei von dielektrischen Verlusten. Außerdem gibt es keinen Skin-Effekt des Leiters, und ganze Leiter werden zur Stromübertragung verwendet.

In Bezug auf die Kosten des Stromversorgungssystems ist Gleichstrom effizienter und am wenigsten teuer. Erstens benötigen wir statt drei nur noch zwei Leiter. Aber das einzige Problem, unter dem wir leiden, ist die Stromerzeugung bei hohen Spannungen, weil wir Hochspannung für die Übertragung benötigen. Gleichstrom kann weder direkt hochtransformiert noch bei sehr hohen Spannungen erzeugt werden. Daher besteht derzeit die einzige Lösung darin, Festkörperelektronik zu verwenden und HVAC für Übertragungszwecke in HGÜ umzuwandeln, dann wieder zurück in Wechselstrom umzuwandeln und für Übertragungszwecke herunterzuregeln.

1. Tesla ≠ Gott, Edison ≠ der Teufel

(Um den Titel eines ausgezeichneten Forbes-Artikels zu paraphrasieren .)

Der Krieg der Ströme fand zwischen Thomas Edison und George Westinghouse statt . Tesla war nur so stark daran beteiligt, dass Westinghouse seine Patente zur Wechselstromübertragung lizenzierte. Es ist erwähnenswert, dass Tesla tatsächlich für Edison gearbeitet und Michael Faradays frühere Entwicklung von Wechselstrom verwendet und Edisons eigene Gleichstromerzeugungs- und -übertragungstechnologie überarbeitet hat, um stattdessen Wechselstrom zu verwenden.

Und er tat dies auf Wunsch von Edison.

Edison hatte nicht viel Vertrauen in Gleichstrom und bat Tesla, zu versuchen, ihn in etwas Besseres umzugestalten. Nicht etwas, das speziell AC verwendet hat, nur etwas. Etwas, das besser war. Was offensichtlich Tesla getan hat. Edison hielt die Idee, Wechselstrom für die Stromübertragung zu verwenden, jedoch für zu ausgefallen, um praktikabel zu sein, und entschied sich, sie nicht weiterzuverfolgen. Das war … unklug von Edison, um sicher zu sein.

Dies wäre das letzte Mal, dass Tesla und Edison eine Interaktion oder Konfrontation über die Übertragung von Gleichstrom gegenüber Wechselstrom hatten.

George Westinghouse hingegen glaubte wirklich an Wechselstrom, und während Tesla viele AC-bezogene Technologien verfeinerte und patentierte, war es Westinghouse, der die von Tesla erfundenen Technologien zu etwas kommerzialisierte, das für die Stromübertragung praktisch sein könnte. Es war Westinghouse, der auf AC drängte, es finanzierte, aufbaute und dafür bezahlte, dass diese Shows die Gefahren von DC demonstrierten, all das. Tesla half weiterhin in begrenztem Umfang bei der Entwicklung von AC, aber er tat dies, weil Westinghouse ihn dafür bezahlte, er war nicht besonders leidenschaftlich oder besorgt darüber, AC zum globalen Standard zu machen. Denken Sie daran – Tesla hielt die Stromübertragung über Leiter selbst für grundlegend fehlerhaft und konzentrierte sich stark auf die Entwicklung der drahtlosen Stromübertragung. Leider erwies sich dies letztendlich als völlig unpraktisch, aber ich schweife ab.

Um dies hervorzuheben, verbrachte Tesla die letzten Jahre seines Lebens im New Yorker Hotel, einer der letzten Bastionen der Gleichstromversorgung. Es betrieb bis in die 1960er Jahre, lange nach Teslas Tod, ein großes Gleichstromkraftwerk und war in den letzten Jahren von Tesla einer der größten (und letzten verbliebenen) Standorte der Gleichstromerzeugung weltweit. Diesen Ort als sein Zuhause und seinen Arbeitsplatz bis zu seinem Tod zu wählen, ist nicht das Handeln von jemandem, der sich besonders Sorgen um Wechsel- oder Gleichstrom machte. Tesla wollte nur beweisen, dass seine Ideen funktionieren könnten.

Die ganze Idee von Edison vs. Tesla ist größtenteils Fiktion, eine lustige Geschichte, die aus dem Internet stammt, aber leider keine Geschichte oder Realität widerspiegelt.

Hier finden Sie eine historisch korrekte Sachbuchversion des Krieges der Ströme.

2. HGÜ und HVAC

Um Ihre Frage abschließend zu beantworten: HGÜ ist für die Stromübertragung wesentlich effizienter als HVAC.

Neue Übertragungsstrecken sind deshalb heute ausschließlich HGÜ. Es macht einfach keinen wirtschaftlichen Sinn mehr, HLK-Übertragungsleitungen zu bauen. HVAC dominiert natürlich immer noch, aber weil diese Art von Infrastruktur sehr lange Lebensdauern hat. Alles, was neu gebaut wird, ist immer HGÜ.

Beachten Sie, dass das Schlüsselwort hier Transmission Level Runs ist. Das sind die Höchstspannungs-Fernverkehre im Regionalverkehr. AC ist immer noch die beste Wahl für Dinge auf der Ebene der Stromverteilung, aber das könnte sich ändern (oder auch nicht).

Wie viel effizienter ist also HGÜ als HVAC? Hinsetzen – HGÜ ist bei der Stromübertragung zwischen 30 und 40 % effizienter als HVAC. Es ist also nicht nur ein bisschen besser – es ist viel besser.

Lassen Sie uns jetzt darüber sprechen, warum:

1. Reduzierte Corona-Verluste

   

   Da HVDC von statischer Polarität ist, können sich Ladungsträger so anordnen, dass das elektrische Feld zwischen den Leitern minimiert wird, was zu etwa der Hälfte der Verluste durch Koronaströme im Vergleich zu HVAC führt.

2. Kein Skin-Effekt

   

   Sehen Sie, wie diese Hochspannungsleitungen tatsächlich aus Bündeln von 3 Leitern bestehen? Das liegt am Skin-Effekt. Wechselstrom neigt dazu, die eigentlichen Ladungsträger (Elektronen) eines Stroms in den äußersten Bereichen eines Leiters zu konzentrieren. Dieser Effekt hängt von der Frequenz und dem leitenden Material ab, aber er bewirkt effektiv, dass sich ein bestimmter Leiter wie ein etwas kleinerer Leiter verhält, wenn Wechselstrom durch ihn geleitet wird. Bei einem Kupferquerschnitt von 1000 mm² sieht das Kabel bei 60 Hz Wechselstrom etwa 23 % widerstandsfähiger aus als bei Gleichstrom durch dasselbe Kabel.

3. Keine Blindleistung

   

   Blindleistung ist die imaginäre Komponente der komplexen Leistung, eine Eigenschaft, die nur für Wechselstrom gilt. Die Blindleistung stellt im Gegensatz zur Wirkleistung nicht die tatsächliche Übertragung oder den Verbrauch von Energie mit einer bestimmten Rate dar, sondern die Rate der Energiespeicherung. Blindleistung stellt Leistung dar, die nichts tut, es ist nur Leistung, die parasitäre Energiespeichermechanismen speist, insbesondere Kapazität (die Energie in einem elektrischen Feld speichert) und Induktivität (die Energie in einem Magnetfeld speichert). Diese Blindleistung beträgt im Durchschnitt Null, da die gespeicherte Energie schließlich wieder freigesetzt wird (oder eine negative Größe hat). Das Problem ist, dass es eigentlich nichts tut, es kann nicht von einer Last verwendet werden, es überträgt nicht wirklich Strom an einen entfernten Verbraucher. Aber die tatsächlich beteiligten Ströme sind sehr real, also gibt es bei Wechselstrom eine Komponente des Stroms, die fließt und Widerstandsverluste erleidet, und das alles, genau wie jeder andere Strom, aber es tut dies nutzlos. Es wackelt nur herum, ohne etwas zu tun,

4. Keine dielektrischen Verluste

   

   Dielektrika, auch Isolatoren genannt, bestehen aus vielen kleinen elektrischen Dipolen (daher „Dielektrikum“). Wenn sich die Polarität des Wechselstroms hin und her ändert, ändert sich auch das elektrische Feld. Dies führt dazu, dass die Dipole in Dielektrika auf eine für ein bestimmtes elektrisches Feld günstige Polarität umschalten wollen. Das Kippen dieser kleinen Dipole ist jedoch nicht kostenlos, es kostet Energie. Dies bedeutet, dass Dielektrika in großen Mengen den Effekt haben, eine kleine Menge elektromagnetischer Energie zu dissipieren, wenn sie durch ein externes elektrisches Feld polarisiert werden.

   Bei Gleichstrom geschieht dies einmalig, wenn der Strom zum ersten Mal zu fließen beginnt. Danach ändert sich die Polarität nicht (es sei denn, etwas ist schrecklich, schrecklich schief gelaufen). Bei Wechselstrom ändert es sich unabhängig von der Frequenz. Für die Netzübertragung sind das normalerweise 50 oder 60 Hz. Sie könnten denken, „aber die Stromleitungen sind blankes Metall, es gibt keine Isolierung!“. Eigentlich sind sie alle mit Isolierung umwickelt, es ist nur Luft. Es ist nicht mein Lieblings-Isoliermaterial, aber es ist sicher billig! Dieser Effekt ist zwar bei 50 Hz oder 60 Hz sehr klein, wird aber mit großen Entfernungen, hohen elektrischen Feldstärken und nur Scherskalen multipliziert, summiert sich alles zu einer weiteren bedeutenden Verlustquelle. Eine, die HGÜ nicht hat.

5. Phase? Frequenz? Was ist das?

   HGÜ ist keine Sinuswelle oder überhaupt eine Welle und hat keine Phase. Es hat auch keine Frequenz.

   Der ganze Sinn eines Stromnetzes besteht darin, nicht nur als Verbindung zwischen Kraftwerk und Stromverbraucher, sondern auch zwischen mehreren Stromerzeugungsquellen gleichzeitig zu dienen. Dies hat unzählige Vorteile, von Redundanz bis hin zu Lastverteilung und -ausgleich.

   Sie können nicht einfach zwei Gitter miteinander verbinden, die Kabel mit Isolierband umwickeln und Schluss machen. Die Netze müssen nicht nur Wechselstrom sein, sondern Wechselstrom gleicher Frequenz und in Phase . Schlimmer noch, es gibt Gebiete auf der Welt, in denen benachbarte Netze, die verbunden werden müssen, überhaupt nicht die gleiche Frequenz haben, aber dennoch in Phase sind. All dies führt dazu, dass die Zusammenschaltung großer, regionaler Stromnetze bestenfalls migräneanregend ist.

   Mit HGÜ haben Sie sie einfach verbunden. Job erledigt! Tatsächlich werden HGÜ-Leitungen häufig über viel kürzere Entfernungen eingesetzt, wo es normalerweise keinen Sinn machen würde, eine HGÜ-Leitung zu verwenden, da eine HGÜ-Leitung es Ihnen ermöglicht, zwei HVAC-Netze ohne Bedenken hinsichtlich ihrer Frequenz oder Phase miteinander zu verbinden. HGÜ richtet Wechselstrom in Gleichstrom gleich und kehrt ihn später wieder in Wechselstrom um, sodass nur ein Ende synchronisiert werden muss, und zwar mit dem Netz, mit dem es verbunden ist. Schauen Sie sich einfach diese Karte der HGÜ-Leitungen in Europa an:

   

   (Rot = derzeit aktiv, Grün = im Aufbau, Blau = vorgeschlagen).

Der Nachteil ist, dass die Umwandlung und die aktiven Festkörper-Aufwärts-/Abwärtsschalteinrichtungen teuer und zumindest im Moment nicht ganz so zuverlässig sind wie die passiven Transformatoren, die die gleiche Aufgabe für HLK erfüllen. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass HGÜ, obwohl sie selbst bei kürzeren Entfernungen effizienter ist, nicht genug Vorteil hat, um die höheren Kosten für den Bau und die Wartung von HGÜ-Aufwärts- und Abwärtsanlagen auszugleichen. Die Technologie ist noch ausgereift, was auch bedeutet, dass die Zuverlässigkeit nicht so gut sein wird, und all das macht HVAC zumindest zu diesem Zeitpunkt zum klaren Gewinner für die Stromverteilung bis zu Ihrem Haus oder Geschäft. Das Schöne, woran man sich erinnern sollte, ist, dass Energieunternehmen nicht allzu scharf darauf sind, Energie zu verschwenden. Wenn also neue Technologien auftauchen, werden sie übernommen, wann und wo es sinnvoll ist.

HGÜ-Konstrukteur von Beruf hier.

Viele nette lange Antworten mit vielen Informationen zu Kabelkosten, Korona und Induktivität, aber das OP fragte, was am (energie-)effizientesten ist.

Der induktive "Verlust" bei einer Wechselstromübertragung ist kein Verlust über den Induktor selbst, sondern dessen Folgen, die berücksichtigt werden müssen. Wenn Sie eine ausreichend hohe Systemspannung zum Entwerfen haben, ist dies über nur 500 Meilen kein großes Problem. Das Problem ist, dass Sie es nicht tun. Die Kosten für alles steigen erheblich, wenn Sie die Spannung Ihrer Investition erhöhen. Die laufenden Kosten sind nicht allzu sehr betroffen. Einige Länder haben sogar feste Grenzen oder Schritte in der Systemspannung, die Sie einhalten müssen, und Ihnen geht hier möglicherweise der Spielraum aus. Abgesehen von den Kosten und unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz wird Ihre 500-Meilen-Wechselstromübertragung bewundernswert gut funktionieren.

Wenn Sie sich für HGÜ entscheiden, sind Ihre Kabel-/Freileitungsverluste für den gleichen Geldbetrag, der für das entsprechende AC-Dito ausgegeben wird, etwas geringer, aber die Halbleiterverluste, die möglicherweise nur 0,2-0,8 % pro Station ausmachen, klingen vielleicht nicht so viel aber im Vergleich zur AC-Lösung ist das massiv. Dazu kommen Pumpverluste von mehreren kW und ein lüftergespeistes Kühlsystem für die Wasserkühlung der Halbleiter. Außerdem benötigen Ihre HGÜ-Stationen zwangsläufig Transformatoren, die die volle Gleichspannung durch ihre Isolierung aufnehmen können, was sie viel komplizierter, teurer und verlustbehafteter macht als ihre Gegenstücke mit Wechselstrom. Auch hier immer noch im Wirkungsgradbereich von über 99 %, aber Ihr AC-Kabel benötigt möglicherweise an keinem Ende Transformatoren, wenn Sie an beiden Enden die gleiche Spannung zur Einspeisung haben. Auch wenn du es nicht getan hast,

Wann brauchen Sie also HGÜ? Noch längere Distanzen. Nahezu jedes Unterwasser-/Bodenkabel im zweistelligen Meilen-/km-Bereich. Asynchrone Netze.

Theoretisch ist Gleichstrom effizienter als Wechselstrom, da Wechselstrom nicht nur den Gleichstromwiderstand des Kabels bekämpft, sondern auch die Wechselstromreaktanz – den Einfluss der Kabel-zu-Kabel-Kapazität und der Kabelinduktivität.

Es ist jedoch sehr schwierig (und in der Vergangenheit unmöglich), die Gleichspannung auf Hunderte von Kilovolt zu erhöhen, was mit Wechselstrom unter Verwendung eines Transformators ziemlich einfach ist. Die Übertragung von Leistung bei einer Spannung von 2 kV DC würde den 100-fachen Strom erfordern, als wenn es sich um 200 kV AC für die gleiche Leistung handeln würde. Und das ist der Schlüssel, denn die Verluste sind proportional zum Quadrat des Stroms.

Für eine gegebene Spannung ist Gleichstrom effizienter, aber Wechselstrom kann leicht in eine viel höhere Spannung transformiert werden, wo sein größter Vorteil liegt.

DC hat keinen Skin-Effekt, also weniger Verlust, aber schwerwiegendere PD-Effekte, die zu Lawinen führen können. Warum denken Sie, dass sie DC nicht für die Verteilung verwenden? und nur für Langstreckenübertragung.

Die Reaktanz ist nicht verlustbehaftet, kann aber bei Wiedereinschaltungen ein PITA sein. Warum?

Was ist teurer? Wann ist es günstiger?

Der Artikel darf das Problem mit AC-Spitzenspannung im Vergleich zu Vrms, Leitungskorona und Lichtbögen sowie die höheren Kosten von Leitungen über einem Megavolt nicht erwähnt haben.

Wenn eine Leitung für 1 MV bei 100 Ampere ausgelegt ist, überträgt sie als Gleichstromleitung 100 MW. Aber für AC muss die AC-Spitzenspannung bei einem Megavolt bleiben (da eine AC-Betriebsspannung von 1 MVrms eine 1,41-MV-Spitze hätte und die 1-MV-Übertragungsleitung zusammenbrechen oder zumindest einen massiven Koronaverlust aufweisen würde.) Also unsere AC-Leitung kann nur 100-MV-Spitzen tolerieren, für 70,7 MV RMS bei 100 Ampere, was nur 70,7 Megawatt gegenüber 100 MW von DC ergibt.

Ich habe gehört, dass aufgrund der wachsenden Bevölkerungs- und Stromnachfrage viele Hauptleitungen an ihre Grenzen gestoßen sind und nun voll ausgelastet werden müssen. Wenn es billiger ist, eine vorhandene Hauptleitung auf Gleichstrom umzurüsten, als ganze neue Reihen von Türmen neben den bestehenden zu reihen, dann wird HGÜ bei Energieunternehmen äußerst beliebt sein.

Es geht also nicht um Effizienz. Es geht um Koronaverluste, die bestehenden Leitungen eine Spannungsgrenze auferlegen, und um die Tatsache, dass HGÜ all diese 120-Hz-Spannungsspitzen fehlen, die die Koronagrenzen um ~ 40% überschreiten.

PS

Das Schlüsselwort für HVDC Step-up und Down ist: valve hall . „Valve“, wie im britischen Namen für Vakuumröhre. Mir wurde gesagt, dass das ursprüngliche DC-Intertie Meter lange Quecksilber-Thyratrons verwendete. Heute verwenden sie Hockey-Puck-Thyristoren in kubischen Anordnungen, die von der Decke hängen.