Elforsyningens historiske udvikling begyndte med jævnstrøm (Direct Current – DC), hvor små lokale jævnstrømsværker producerede 220/440 Volt, som blev sendt ud til mindre byområder. I takt med en voksende efterspørgsel byggede man større og større værker og udbyggede samtidigt nettene.
Transporten af elektricitet over større afstande gav imidlertid store energitab. Ved at skifte til vekselstrøm (Alternating Current – AC) blev det muligt at anvende højere spænding og dermed mindske energitabet markant. Det medførte, at man i Danmark i årene før og lige efter 2. verdenskrig omstillede elforsyningen fra jævnstrøm til vekselstrøm. Vekselstrøm er i dag totalt dominerende både i Danmark og på verdensplan.
Fordelen ved vekselstrøm er, at den i modsætning til jævnstrøm relativt enkelt kan transformeres op og ned mellem forskellige spændingsniveauer. Det muliggør, at strømmen så at sige kan "påfyldes" og "tappes" overalt i nettet, lige fra transmissionsniveauet (132/150 kV til 400 kV) over distributionsniveauet (10-60 kV) og til forsyningsniveauet (230/400 V).
Jævnstrøm i form af HVDC (High Voltage Direct Current) anvendes i dag næsten udelukkende til at forbinde vekseltrømssystemer, der ikke svinger i takt, samt ved lange havkrydsninger.
Både vekselstrøm og jævnstrøm kan transmitteres via luftledninger og via kabler i jorden.
Transmissionsnettet i Danmark
De ledninger, der indgår i det danske transmissionsnet på land, er primært vekselstrømsledninger. Desuden indgår et antal jævnstrømsforbindelser til udveksling af energi med udlandet, ligesom den kommende elektriske Storebæltsforbindelse udføres som en jævnstrømsforbindelse. En oversigt over antal km transmissionsledninger i det danske system, inkl. samarbejdsforbindelserne til Norge, Sverige og Tyskland, fordelt på transmissionsteknologier og anlægstyper, frem-går af tabel 1.
Både i Danmark og i resten af verden er langt hovedparten af transmissionsnettet baseret på vekselstrøm i luftledninger, idet denne løsning under normale forhold både er den teknisk set mest enkle og samtidig den billigste teknologi til fremføring af store mængder elektrisk energi.
Vekselstrøm fremføres med tre faseledninger, som tilsammen udgør ét ledningssystem. En enkelt masterække kan udføres, så den fremfører et, to eller flere ledningssystemer. Ud over faseledningerne er luftledninger normalt udstyret med en eller flere jordledninger, der bl.a. fungerer som lynbeskyttelse for ledningerne.
Jo større mængde elektrisk effekt (MegaWatt - MW), der skal transmitteres, jo højere spænding (kiloVolt – kV) vælges. Dette skyldes, at både anlægsprisen og tabene i ledningen herved mindskes væsentligt. Et typisk 132/150 kV-luftledningssystem kan overføre ca. 350 MW, mens et 400 kV-system kan overføre ca. 2.000 MW.
Jo større mængde elektrisk effekt (MegaWatt - MW), der skal transmitteres, jo højere spænding (kiloVolt – kV) vælges. Dette skyldes, at både anlægsprisen og tabene i ledningen herved mindskes væsentligt. Et typisk 132/150 kV-luftledningssystem kan overføre ca. 350 MW, mens et 400 kV-system kan overføre ca. 2.000 MW.
Tidligere anvendtes kabler isoleret med olie og papir til de høje spændingsniveauer, men i dag er det blevet muligt at fremstille driftssikre kabler isoleret med plastmaterialer – også på de spændingsniveauer, der anvendes til transmission. Plastisolerede kabler fortrækkes af miljømæssige årsager og af hensyn til pris.
Udbredelsen af vekselstrømskabler til transmission er på verdensplan forholdsvis beskeden. De anvendes især i bymæssig bebyggelse og kun i relativt sjældne tilfælde i det åbne land.
I Danmark har man de seneste år i praksis anlagt nye ledningsforbindelser op til og med 150 kV som kabel. Det har dog hidtil ikke på forhånd været udelukket, at også 132/150 kV-forbindelser kunne etableres som luftledninger i særlige tilfælde. På 400 kV-niveau er der derimod kun etableret få km kabel, men på trods af det regnes Danmark for et foregangsland i anvendelsen af kabler på dette spændingsniveau. Ca. en tredjedel af verdens installerede 400 kV-kabler med plastisolation i dag findes i Danmark.
Den fysiske konstruktion af kabler og luftledninger giver forskellige egenskaber med hensyn til overføringskapacitet:
Dette skyldes den fysiske opbygning: 400 kV-luftledninger er af helt andre årsager altid udført med to eller flere tråde pr. fase og kan derfor overføre en meget stor strøm. Luften omkring faserne isolerer for den høje spænding og køler lederen, når strømmen bliver stor. Et 400 kV-kabel er derimod pakket ind i et tykt lag plastisolering for at isolere for den meget høje spænding på 400.000 Volt. Men jo hø-jere strømmen i kablet bliver, des mere varme skal det af med, så plastisoleringen bliver dermed en ulempe.
Et kabel fungerer som en stor kondensator, som vokser i størrelse, jo længere kablet er. En kondensator er at sammenligne med et stort batteri, som oplades og aflades af vekselspændingen 50 gange i sekundet. Dette giver anledning til ekstra strøm – den såkaldte ladestrøm – som optager pladsen for den nytte-strøm, der kan gå i kablet. Ud over at optage pladsen for nyttestrømmen medfører ladestrømmen desuden ekstra tab i forhold til en luftledning.
Ved lange kabelforbindelser er det nødvendigt at indskyde et antal reaktorstationer, som kan generere ladestrøm til kablet. Denne såkaldte kompensering muliggør, at der på trods af ladestrømmen alligevel bliver "plads" til at overføre energi fra den ene ende af kablet til den anden. Ved 400 kV-kabler er reaktorstationerne nødvendige for hver ca. 20-50 km og ved 132/150 kV-kabler for hver ca. 40-80 km. En reaktorstation ligner en almindelig transformerstation. Også reaktorstationerne bidrager til, at tabene i en 400 kV-kabelforbindelse typisk bliver højere end i en tilsvarende luftledning.
På grund af virkningen af kablernes kondensatoreffekt og de indskudte reaktorstationer kan der i et transmissionsnet med en stor andel kabler opstå resonanssvingninger, fx når der kobles med nettet. Disse svingninger medfører, at der opstår høje spændinger, som vil kunne forårsage væsentlig skade og resultere i nedbrud af nettet. Da udbredelsen af kabler i transmissionsnet på verdensplan er ganske beskeden, findes der i dag reelt ingen praktisk erfaring med håndtering af disse fænomener. Det vil være nødvendigt at udforske dette emne nærmere, inden der i givet fald kan gennemføres en stor andel vekselstrømskabellægning på de højeste spændingsniveauer.
Overføringskapacitet og økonomi
Prisforskellen mellem løsninger baseret på luftledninger og kabler vokser markant med overføringsbehovet for en given linje. På de lavere spændingsniveauer under 100 kV er det således ikke væsentligt dyrere at bygge kabler end luftledninger, men dette er ikke tilfældet for de spændingsniveauer, der anvendes til transmission. Dette skyldes dels, at jordkablers overføringskapacitet ved høje spændinger er relativt mindre end luftledningers, og dels at prisen for en luftledning med to eller flere ledningssystemer ikke er væsentlig større end prisen for en luftledning med kun ét system. Der skal således normalt op til fire 400 kV-kabelsystemer til at erstatte overføringskapaciteten i ét enkelt luftledningssystem.
Det er dog ofte andre forhold end overføringsbehovet, der i sidste ende bestem-mer, hvor stor overføringskapaciteten bliver, når en 400 kV-luftledning designes. Luftledningers overføringskapacitet er derfor ofte større end det, der reelt er behov for, og det er derfor i praksis i mange tilfælde ikke nødvendigt at lægge fire kabelsystemer som erstatning for et luftledningssystem. Ved at lægge flere kabelsystemer parallelt fås dog lavere tab i kablerne, og valget af antallet af parallelle kabelsystemer vil derfor bero på en afvejning mellem omkostninger til nettab og til anlægsinvestering.
Det er ikke muligt at angive et præcist tal for forholdet mellem prisen for 400 kV-kabler og luftledninger. Hvis der fx er behov for den fulde overføringskapacitet i en tosystemsluftledning, skal der som nævnt anvendes op til otte kabelsystemer (afhængig af tværsnit). I det tilfælde bliver prisforholdet ca. 10:1. Hvis det er den fulde overføringskapacitet i en etsystemsluftledning, der skal danne grundlag for en prissammenligning, bliver forholdet i størrelsesordenen 6:1. Endelig, hvis overføringskapaciteten i blot ét enkelt kabelsystem kan opfylde det aktuelle overføringsbehov, kan prisforholdet blive så lavt som ca. 2:1. Oftest vil de to yderpunkter ikke være realistiske scenarier, og Energinet.dk plejer derfor at angive, at prisen for en 400 kV-kabelforbindelse er tre til syv gange dyrere end en tilsvarende luftledning.
Levetiden for de plastisolerede AC-kabler, der anvendes i dag, angives til 30 til 40 år. Der er endnu ingen langtidserfaringer med plastisolerede kabler på de højeste spændingsniveauer. De ældste 400 kV-kabler med denne teknologi er ca. 10 år. Når kablernes levetid er opbrugt, kan de ikke renoveres, men skal tages op og udskiftes med nye.
For de forskellige komponenter, der indgår i luftledninger, er levetiden typisk 30-50 år, men levetiden for luftledninger kan enkelt og relativt billigt forlænges ved løbende renovering og udskiftning af delkomponenter.
Fejlhyppigheden på jordkabler vurderes at være lavere end for luftledninger. Til gengæld tager en reparation af et kabel oftest væsentlig længere tid end for luftledninger. Luftledninger er nemmere at vedligeholde, dels fordi komponenterne teknisk set er enkle, og dels fordi alle dele er synlige og let tilgængelige for vedligehold.
Transmission med højspændt jævnstrøm (HVDC) anvendes normalt kun i de tilfælde, hvor vekselstrøm af tekniske eller andre årsager ikke kan bruges, fx hvis man ønsker at forbinde to AC-systemer, der er synkrone, eller ved meget lange havkrydsninger. Som eksempel kan nævnes den kommende elektri-ske Storebæltsforbindelselse imellem Sjælland og Fyn, der er tilsluttet hvert sit AC-system, der ikke er synkrone, henholdsvis det nordiske system Nordel og det kontinentale system UCTE.
HVDC-forbindelser er punkt til punkt-forbind-elser, hvor der overføres effekt imellem to HVDC-stationer. Hvis der skal aftappes effekt fra jævnstrømsledningen på et sted mellem de to HVDC-tationer, skal der tilsluttes en tredje HVDC-station på dette sted.
Forbindelsen mellem stationerne vil i dag normalt være en kabelforbindelse, men den kan i princippet også være en luftledning.
I modsætning til en vekselstrømsforbindelse kan den effekt, der overføres i en jævnstrømsforbindelse, reguleres, og en HVDC-forbindelse kan derfor benyttes til at stabilisere nettet.
Jævnstrømskabler har i modsætning til vekselstrømskabler ikke behov for at blive kompenseret med reaktorer.
Konverterstationerne omformer vekselstrøm til jævnstrøm og omvendt. Der anvendes i dag to forskellige teknologier til omformningen; klassisk HVDC, der omformer strømmen ved hjælp af såkaldte tyristorer, og ny HVDC, der også betegnes enten HVDC Light, HVDC plus eller VSC HVDC. Ny HVDC anvender såkaldte effekttransistorer i stedet for tyristorer til omformningen.
Ny HVDC teknologi har en række fordele frem for den klassiske teknologi, men til gengæld har den væsentlig større tab i konverterstationerne. En af de væsentlige forskelle er muligheden for at "påfylde" og "aftappe" energi undervejs på en strækning. Et klassisk HVDC-anlæg er et "lukket" system, hvor der kun kan "påfyldes" og "tappes" energi i enderne, mens det med den nye teknologi er teknisk muligt at lave "påfyldnings-/aftapningsstationer" undervejs på en forbindelse. Pladskravene til en konverterstation med den nye teknologi er desuden væsentligt mindre. Endelig er den nye teknologi baseret på kabler med plastisolering, mens der typisk anvendes kabler med isolering af olievædet papir til den klassiske teknologi.
Det første kommercielle HVDC-anlæg gik i drift i 1954. På verdensplan er der til dato gennemført ca. 100 klassiske HVDC-projekter med en samlet kapacitet på 80.000 MW. Syv af disse er forbindelser mellem Danmark og nabolande. Af den nye type findes i dag 10 anlæg på verdensplan med en samlet kapacitet på ca. 1.350 MW, hvoraf det største er på 350 MW.
Klassisk HVDC er etableret med en overføringskapacitet på mellem 100 og 3.000 MW, mens ny HVDC markedsføres med en overføringskapacitet på 50 til 1.000 MW.
HVDC-kabler er billigere end AC-kabler for samme overføringskapacitet. Til gengæld er HVDC-stationer væsentlig dyrere end AC-stationer. Ved lange kabelstrækninger vil der være en vis break-even-længde, hvor transmission med HVDC er billigere end med AC-kabler.
Fordi udbuddet og antallet af leverandører er stærkt begrænset, varierer omkostningerne for kabelbaserede teknologier (både AC og HVDC) stærkt med den aktuelle efterspørgsel efter disse teknologier på verdensmarkedet. Der findes fx kun tre udbydere af HVDC-stations¬anlæg på verdensmarkedet, og den nye teknologi er i dag totalt domineret af én enkelt leverandør.
I tabel 2 nederst på siden er vist eksempler på skønnede anlægsomkostninger ved etablering af en transmissionsforbindelse på ca. 600 MW ved de forskellige teknologier. Bemærk dog, at kapaciteten er 2.000 MW for luftledningen, da dette er den typiske kapacitet for ét enkelt luftledningssystem.
Designlevetiden for et HVDC-anlæg er 30 år, men driftserfaringer har vist, at levetiden kan være op til 40 år.
Kilde: Energinet.dk
Forfatter: Pernille Skovmose
