Por que os sistemas de transmissão / distribuição de energia são CA e não CC?

Existe uma boa razão para não estarmos convertendo completamente nosso sistema de transmissão elétrica em CC? A principal razão para o uso de CA na rede (sem ofensas Tesla, eu amo você, homem) foi permitir a transformação em tensões mais altas para reduzir as perdas de linha ( ) e se o tamanho do condutor permanecer o mesmo, quando é aumentado na equação então devo necessariamente diminuir, por sua vez, diminuindo perdas como o quadrado de IE E = I R I $P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$) Mas agora temos a capacidade de transformar CA (em todos os geradores térmicos, hidrelétricos e eólicos) e CC (em geradores solares) em qualquer nível de CC que desejamos e transmitimos, geralmente para cargas residenciais ou comerciais que tendem a usar CC de qualquer maneira. Se necessário, pode ser convertido novamente em CA em cargas industriais (motores geralmente).

Dessa forma, muitos transformadores, capacitores, problemas de espaçamento etc. podem ser eliminados da rede elétrica, aumentando drasticamente a eficiência e, por sua vez, diminuindo as emissões e os custos.

Estou faltando alguma coisa aqui?

Existem várias razões. Um: a perda de energia em um fio é I ^ 2 * R. Portanto, é melhor transmitir energia em voltagem muito alta e baixa corrente. A CA é muito mais facilmente aumentada para alta tensão (não são necessários componentes eletrônicos). Aumentar cargas industriais usando eletrônica de silício não é prático.

Outra é a facilidade de alternar sob carga. Se você desligar uma carga conectada ao DC, o arco no comutador devido à indutância do fio e à indutância da carga se tornará problemático. Isso força os comutadores DC a serem mais robustos.

O ruído de 60 Hz criado pelos transformadores é muito menor do que o ruído de comutação que seria criado por todos os componentes eletrônicos necessários para reverter e aumentar a CC e depois convertê-lo em CA no ponto de carga, conforme proposto.

HVDC é usado: Lista de projetos HVDC . As duas tecnologias dominantes usadas para HVDC (tiristores e IGBT) não foram inventadas até 1950 e 1968, respectivamente. Nesse meio tempo, os países estavam construindo equipamentos de transmissão CA. Por que substituir algo que funciona quando você já gastou muito dinheiro construindo uma grade? Aguarde até que o sistema existente não seja mais viável e faça o upgrade.

Os dados parecem justificar isso: a China está construindo um grande número de linhas de transmissão HVDC porque elas têm dinheiro e realmente não têm nenhuma rede existente para interagir / competir. Da mesma forma, existem projetos na Europa e nas Américas, mas estes parecem ser mais limitados às áreas onde o HVDC realmente brilha (sistemas subaquáticos) porque existem redes existentes, portanto o custo da atualização ainda não se justifica.

Além disso, o HVDC nem sempre faz sentido, principalmente quando você precisa / deseja transmissão multiponto. Isso torna o roteamento de um sistema HVDC mais difícil do que um sistema CA.

Mkeith respondeu à pergunta conforme solicitado, ou seja, quais são as principais desvantagens da distribuição de HVDC. Uma "resposta contrária" ao helloworld922 (a próxima resposta mais votada aqui atualmente) aponta na direção de vários casos em que o HVDC é / foi usado. Todos esses engenheiros não poderiam estar loucos, então acho importante explicar aqui quando o HVDC faz sentido. (Essa teria sido uma pergunta melhor do que o que o OP pediu, a propósito.)

Para começar, há alguns casos em que a CA seria quase inviável. Isso inclui conectar redes de alimentação CA que operam de forma assíncrona entre si, como a conexão de sistemas de 50 e 60 Hz; isso acontece no Japão, por exemplo: o leste do Japão usa 50Hz e o oeste do Japão usa 60Hz. Na verdade, existem mais algumas aplicações de nicho em que o HVDC é a única opção razoável, mas não é fácil explicar aos neófitos em poucas palavras. Se você deseja uma lista mais detalhada (com exemplos do mundo real), o Entendendo o Sistema de Energia Elétrica de Delea e Casazza tem uma lista mais longa.

Deixando de lado esses casos de nicho, acho importante enfatizar que existe uma otimização de custo totalisso pode (e de fato deveria) ser realizado ao decidir se CA ou CC deve ser o método de transmissão para uma linha de energia. Os dois principais fatores são o custo da própria linha (cabos, torres, se aplicável, por exemplo, não submarinos) e o custo dos terminais. Geralmente, os cabos de transmissão CC custam menos que os de energia equivalente para a CA trifásica. Isso acontece por um motivo fácil de explicar: você precisa de menos fios para CC do que a CA trifásica, mas o isolamento dos fios CA (e isso pode ser apenas a folga de ar, mas que se traduz em custos da torre) precisa suportar o valor máximo de CA, enquanto você está apenas se beneficiando da transmissão de "energia RMS" (mais corretamente, a energia média correspondente à tensão RMS) em CA. Por outro lado, os componentes eletrônicos de energia de terminação custam mais por HVDC do que os transformadores CA,

Atualmente, essa otimização de custo total fornece a principal aplicação do HVDC: transmitir grandes quantidades de energia em longas distâncias (e, nesse sentido, sem interrupções). Os valores típicos em que o HVDC é mais econômico que o AC estão transmitindo mais de 500 MW em mais de 500 km (de acordo com Delea e Casazza). Muitos (se não a maioria) dos exemplos da lista da Wikipedia (vinculados na resposta de helloworld922) são desse tipo. Não deve ser uma surpresa que esses exemplos sejam da China, Canadá ou Austrália. Na Europa, a maioria das linhas de transmissão HVDC médias / grandes são cabos submarinos.

Abaixo está a aparência de um exemplo de otimização sintético (ou seja, no nível de livro didático em vez de no mundo real) para um nível de energia predeterminado, portanto, no qual apenas o custo versus a distância de transmissão é plotado; é extraído de Kim et al. Transmissão HVDC , cujo primeiro capítulo está disponível gratuitamente .

Para uma perspectiva de custo concreto, eis alguns valores (de acordo com Larruskain et al .) Para o que está próximo da menor potência para a qual os componentes terminais HVDC são fabricados:

• Conversor de tiristores, 50 MW, 100kV. O valor aproximado por unidade é: 500 EUR / kW
• Par conversor IGBT, 50 MW, +/- 84kV. O valor aproximado por unidade é: 150 EUR / kW
• Transformador, 50 MVA, 69kV / 138kV. O valor aproximado por unidade é: 7,5 EUR / kVA

Dada a relação de preço de 20x-60x entre um retificador e um transformador de 50 MW, é óbvio que o HVDC não se reduz a potências mais baixas.

Ao usar transformadores CA (desta forma), inversores, retificadores, transformadores rotativos etc. podem ser eliminados da rede elétrica, aumentando a eficiência drasticamente e, por sua vez, diminuindo as emissões e os custos.

Em Chicago e Nova York, a rede elétrica de DC foi desligada nos anos 90. Em Melbourne, na Austrália, a rede elétrica DC foi desligada por volta de 2005. No final, a principal ou única coisa ainda conectada à rede DC era Elevadores muito antigos em edifícios antigos. Em Melbourne, após uma falha na linha de transmissão, era mais barato fornecer um retificador restante a cada cliente DC e conectar o equipamento antigo à rede CA, em vez de reparar e substituir a rede de transmissão CC.

Embora a transmissão de energia CA tenha muitas vantagens, a transmissão de energia CC continua sendo usada para interconectar redes de alta tensão: para manter a estabilidade da rede em conexões longas e, principalmente em cabos subterrâneos / submarinos, para reduzir a perda dielétrica e o efeito de pele.

Sim, você está esquecendo algo. Com transistores modernos e outros componentes eletrônicos, podemos aumentar a CC até certo ponto, mas não de maneira fácil, econômica ou com eficiência razoável nos níveis de potência MW às tensões exigidas nas principais linhas de transmissão.

Os transformadores são a única maneira prática de obter 100s de kV em níveis de potência MW, e os transformadores requerem CA.

Simplesmente porque Tesla vs. Edison 1880s. Como resultado, 99,9% de nossa infraestrutura de geração e transmissão é de CA. Mudar para DC não é algo que pode ser feito no fim de semana. E os aparelhos e fábricas de todas as pessoas com motores de indução? DC não funcionará lá. Eles precisarão de algum tipo de alternativa desenvolvida. Subestações terão que ser completamente refeitas. A eletrônica de potência HVDC para lidar com tudo isso precisará ser testada e certificada. E talvez o mais importante, tudo isso custa dinheiro. Montanhas e montanhas de dinheiro. Não procure que a mudança de CA para CC aconteça cedo ou rapidamente, se é que alguma vez.

Está bem no seu gráfico, item 6: "Terminal múltiplo / derivação: difícil".

O HVDC já é usado ocasionalmente para links ponto a ponto, mas quanto mais o sistema de distribuição elétrica for semelhante a uma grade e vários caminhos, menos conveniente ele será. Nos países europeus compactos, o comprimento médio não perturbado de um segmento de rede é curto, abaixo do ponto de equilíbrio econômico de ~ 100 km.

Pessoalmente, acho que estamos mais propensos a ver a implantação de microrredes DC de baixa tensão alimentadas por fontes renováveis ​​e bancos de baterias antes de vermos uma conversão por atacado da rede CA em CC.

Aqui está o que está faltando: você está pensando como um engenheiro, não como uma pessoa de negócios. Siga o dinheiro. Quando faz sentido econômico converter para DC, incluindo todos os custos de substituição da infraestrutura existente etc., isso acontecerá. Nos casos em que a DC faz sentido, aconteceu e está acontecendo.

Dou-lhe outra boa razão contra as redes DC, além de:

• semicondutores e capacitores propensos a falhas e caros
• aborrecimento esmagador da EMC em todos os circuitos de helicóptero e PFC
• aumento da corrosão quando ocorre vazamento

Segurança. É muito difícil construir disjuntores para redes CC de alta tensão / alta corrente. Os fusíveis devem ser cinco vezes maiores para a têmpera segura do arco. Os interruptores precisam de câmaras de explosão muito maiores e elaboradas devido à capacitância da grade e ao comportamento de arco totalmente diferente.

No sistema de distribuição de CA, todos os alternadores precisam ser sincronizados não apenas pela frequência, mas também pelo ângulo. Sempre que uma carga aumenta, ele tenta diminuir a velocidade dos alternadores. Isso não é permitido, e o poder precisa aumentar. Se uma carga for muito alta, ela deverá ser desconectada, o que sobrecarregará outros alternadores. Em teoria, o HVDC é mais estável e mais tolerante. A razão pela qual usamos ac é porque esse foi o melhor método recentemente. Conforme mencionado por outros, a alteração para HVDC é cara.

Todas as respostas anteriores cobrem as perguntas do OP, mas pensei em acrescentar algo dito anteriormente sobre redes DC localizadas e de curto prazo. A próxima 'revolução' na distribuição de energia serão os sistemas Demand Response ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) que fornecem energia localizada através de redes comunitárias alimentadas por bateria, energia solar e outras fontes renováveis.

A Tesla (a empresa não é a pessoa certa) está nos mostrando aonde isso está indo com a bateria doméstica - imagine a economia de contas domésticas inerente ao poder trocar para a bateria durante os horários de pico de custo de energia e carregar as baterias através de PV et al durante fora do pico .

Reúna algumas casas para compartilhar essa capacidade em uma comunidade e, em seguida, você também poderá ter recursos suficientes para vender seu excesso a outros membros / comunidades (você já pode vendê-lo de volta à rede no Reino Unido). Talvez esse tipo de sub-rede possa ser HVDC se todos na comunidade forem participantes.

Existem várias razões pelas quais a CC de alta tensão ainda não é prática; no entanto, ela está lentamente retornando a algumas aplicações de nicho.

• Os transformadores de corrente alternada são uma tecnologia muito robusta e comprovada, com muitos anos de pesquisa, aprimoramento e otimização nas costas e são muito mais baratos que os equivalentes CC / CA - Transformador de alta frequência - CA / CC e, é claro, são muito mais confiáveis
• Os disjuntores usados ​​para interromper os circuitos sob carga ou curto-circuito são um problema sério nos sistemas CC, uma vez que, em um sistema CA, as correntes precisam passar zero, é muito mais fácil interromper as correntes CA, os disjuntores CA estão muito à frente do DC contrapartes em preço, quebrando capacidade atual, vida e ...
• mesmo se chegarmos ao ponto de que ambas as tecnologias estão em pé de igualdade, o que ainda leva muitos anos até esse ponto, você precisa entender que os operadores de distribuição de CA são muito relutantes e cautelosos na aplicação de novas tecnologias

O uso fora da rede doméstica para iluminação e computação é certamente mais eficiente com o dc. A iluminação LED usa uma fração do poder da iluminação incandescente e fluorescente. O LED deve usar CC e, por esse motivo, cada luz de LED precisa ter um conversor CA para CC que seja ineficiente e propenso a falhas. De fato, a maioria das falhas das luzes LED deve-se ao circuito de conversão e muito raramente à própria fonte de luz LED.

Todos os computadores e eletrônicos usam DC. Eles funcionam com uma bateria ou, se conectados à rede elétrica CA, devem converter a rede elétrica CA em CC necessária para a eletrônica, através de circuitos que consistem em pontes retificadoras, transformadores redutores, capacitores, tiristores, etc.

Os filamentos de aquecimento para aquecedores elétricos não se importam se você usar CC ou CA, pois é uma carga puramente resistiva. O ventilador para os aquecedores teria que ser fãs de DC embora.

A CA seria necessária para todos os aparelhos ou equipamentos que usem motores e / ou compressores de CA, como geladeiras, HVAC, ventiladores, bombas, dispositivos plug-in, etc. Embora cada vez mais ferramentas elétricas estejam usando baterias recarregáveis ​​DC em vez de plug-in , e os recarregadores são DC.

Como a geração de energia no local é CC para energia solar e pode ser CC para alternadores mecânicos para energia eólica e biomassa, não é eficiente usar inversores para converter a energia gerada em CA apenas para convertê-la novamente em CC para uso citado acima.

Este é o sistema agora, mas como as empresas de serviços públicos aumentam as taxas e a infraestrutura de transmissão se torna mais confiável, mais e mais famílias procurarão usar a energia dc gerada localmente fora da rede. Eles ainda usarão energia CA ou inversores utilitários da pilha doméstica para os equipamentos e aparelhos que precisam usar CA.

Embora a CA ainda seja a opção mais econômica para transmissão de energia por transmissão terrestre a menos de 500 km, a tendência é de geração e armazenamento local de eletricidade no local, independentemente da rede. As empresas de serviços públicos já estão cientes dessa tendência e firmam parceria com os municípios e fornecedores locais para recompra, integração e outros.

A CA se beneficia de uma massa crítica de longa experiência, confiança do setor, uma ampla variedade de produtos a preços sensatos e serviço e suporte prontamente disponíveis.

Os transformadores de corrente alternada são à prova de balas. Digamos que alguém queira um receptáculo de RV 50A / 240V no lado oposto de nossa propriedade, a 300 metros de distância. Posso usar transformadores comuns para aumentar nosso serviço de 240V até 2400V, executar uma linha de pólos e outro transformador. Barato, confiável e pronto para uso. Nunca mais precisará se preocupar com a falha do transformador. E se ele precisou de manutenção, o número de eletricistas no meu condado rural que saberão o que estão vendo e podem dar suporte é definitivamente diferente de zero.

O HVDC não pode reivindicar nada disso.

Há um velho ditado no mundo do mainframe dos anos 60, quando roupas como Burroughs e Sperry tentavam quebrar o quase monopólio da IBM: "Ninguém nunca foi demitido por comprar a IBM".

Que gerente de instalação vai dar o que falar no HVDC? Hoje não sou eu, acho. Talvez amanhã. Nenhum boom amanhã.