Wenn Sie das Wort „Transistor“ hören, denken Sie wahrscheinlich an die kleinen Ein-Aus-Schalter, die zu Millionen auf Siliziumchips sitzen. Wenn einem ein Name in den Sinn kommt, dann ist es wahrscheinlich William Shockley, der Bell Labs-Forscher, der 1947 diese besondere Art von Halbleiterbauelementen erfand, oder Gordon Moore, der als erster den Trend erkannte, dass sie kleiner, billiger und besser auf einmal wurden (und der Ende März starb).
Wenn ein Energietechniker das Wort hört, denkt er jedoch möglicherweise an Schalter, die eher für Muskelkraft als für Miniaturisierung gebaut wurden, und an Bantval Jayant Baliga. Herr Baliga wurde 1948 in Chennai geboren und wandte die Prinzipien der Halbleiterphysik eher auf die Steuerung von Strömen als auf Berechnungen an. 1980, als er für den amerikanischen Mischkonzern General Electric arbeitete, patentierte er eine neue Art von Halbleitern, die stillschweigend die Welt verändert: den Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT).
Wie alle Transistoren sind IGBTs elektronisch gesteuerte Ein-Aus-Schalter. Sie ermöglichen eine feinkörnige elektronische Steuerung zum Schalten hoher Spannungen und großer Ströme. Das verbessert die Welt in vielerlei Hinsicht. Herr Baliga ist besonders stolz auf das, was durch den Einsatz in Verbrennungsmotoren erreicht wurde. Er schätzt, ganz vernünftig, dass ihre Verwendung in Zündsystemen die Autos der Welt um 10% effizienter gemacht hat, und argumentiert, dass sie die Nachfrage nach Benzin zwischen 1990 und 2020 um erstaunliche 42 Milliarden Barrel reduziert haben. Seine Berechnung ignoriert die Tatsache, dass mit weniger effizienten Autos Menschen vielleicht weniger weit gefahren. Aber es ist schwer, ihm das Versehen zu gönnen, zumal seine Erfindung noch nicht fertig ist, um dem Klima zu helfen.
Die in Netzen verwendeten Wechselströme haben viele Vorteile. Aber sie sind nicht gut, um viel Strom über weite Strecken zu schicken. Langstrecken-Wechselstromleitungen erfordern entlang ihrer Länge Verstärkerstationen, um die Verluste auszugleichen, die durch die beim Übertragungsprozess erzeugten Magnetfelder verursacht werden. Fernleitungen mit Gleichstrom (DC) haben keine derartigen Verluste zu kompensieren. Mit dieser Eigenschaft experimentierten Menschen im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert in ganz Europa damit. Die Technologie war unglaublich umständlich und unzuverlässig, und die anderen Vorteile von AC-Netzen führten dazu, dass sie weiterhin die Verteilung dominierten. Aber DC-Anschlüsse hielten sich in einigen Randnischen und warteten auf ihre Zeit.
Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom war eine von vielen Aufgaben, bei denen die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts verwendeten Vakuumröhren in der zweiten Hälfte durch Halbleiter ersetzt wurden. Sie boten Verbesserungen an, hatten aber immer noch Probleme – eines davon war, dass die volle Leistung eines Wechselstromnetzes erforderlich war, um Hochspannungs-Gleichstromleitungen (HVDC) in Betrieb zu nehmen. Als China in den 2010er Jahren HGÜ-Leitungen baute, um Solar- und Windenergie aus dem Norden und Westen an die Ostküste zu bringen, musste es daneben Kohlekraftwerke bauen, um sie in Betrieb zu nehmen.
Die Warpkerne
Technologie, die IGBTs verwendet, hat dieses Problem nicht. Es bietet auch ein viel flexibleres Umschalten, wodurch der Konvertierungsprozess viel einfacher wird, und nimmt weniger Platz ein. Das hat sich als ziemlicher Vorteil erwiesen. Herr Holt, Vorstandsmitglied von Siemens Energy, sagt, dass 99 % der jetzt verkauften HGÜ-Systeme auf IGBTs basieren. Und seine Attraktionen vergrößern auch den Gesamtmarkt. HVDC ist nicht nur eine Möglichkeit, weit entfernte Generatoren an bestehende Netze anzuschließen, wie in China und einer Reihe von Entwicklungsländern mit großen, abgelegenen Staudämmen. Es kann auch Brücken von einem Teil eines Netzes zum anderen bereitstellen und so Staus verringern. Und es kann Netze miteinander verbinden, die niemals zu einem einzigen AC-System vereint werden könnten.
Nach den Standards von Halbleitern sind IGBTs in Aktion ein beeindruckender Anblick. In der Haupthalle der HGÜ-Konverterstation Blackhillock in Aberdeenshire, Schottland, hängen sie von der Decke, verbunden mit anderen Komponenten in großen Metallbänken, die mit Gewinden versehen und mit Kühlmitteladern umwickelt sind. Wenn Blackhillock in Betrieb ist, kann niemand die Halle betreten, damit die enormen Spannungen, die durch diese Ventile, wie sie immer noch genannt werden, fließen, nicht bestimmen, dass lebendes Fleisch der schnellste Weg zum Boden ist. Ihr Korrespondent konnte sie nur dank einer Wartungspause sehen.
Wenn die Ventile wie eine Mischung aus Serverschrank und überdimensionalem Motor aussehen, täuscht die Optik nicht allzu sehr; Hier trifft Strom auf Berechnung. Die Ventile, die Hitachi Energy unter Verwendung von IGBTs eines Spezialherstellers herstellt, verwenden Komponenten, sogenannte Kondensatoren, um kleine Mengen elektrischer Ladung für kurze Zeit zu speichern. Die IGBTs steuern das Laden und Entladen so, dass der Wechselstromeingang in einen kontinuierlichen Gleichstromausgang umgewandelt wird. Sie können auch umgekehrt arbeiten und die Kondensatoren so laden und entladen, dass eingehender Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird.
Blackhillock ist das südliche Ende einer HVDC-Verbindung, die unter dem Moray Firth nach Caithness im Norden Schottlands verläuft. Das Wachstum der Windparks in ganz Caithness hat die Kapazität des lokalen Stromnetzes überschritten; Um ihn stabil zu halten, werden einige der Farmen an windigen Tagen abgeschaltet und ihren Eigentümern wird der nicht verkaufte Strom erstattet. Im Jahr 2021 erreichten solche Kürzungszahlungen in Schottland 382 Millionen Pfund. Die Caithness-Moray-Verbindung liefert diesen Strom auf einer neuen Route nach Süden, wodurch die Abschaltung reduziert und das Netz entlastet wird.
Die Verbindung eines Punkts in einem synchronen AC-Netz mit einem anderen, wie es die Caithness-Moray-Verbindung tut, ist eine zunehmend beliebte Methode, um Netzüberlastungen zu beseitigen, ohne neue AC-Kapazitäten aufzubauen (die Verstärkung des AC-Netzes im gesamten Hochland wäre viel teurer gewesen). Solche Links helfen nicht nur den Betreibern; Sie helfen auch den Verbrauchern. Vor der Fertigstellung des Alegro-Interkonnektors im Jahr 2020 führten Netzengpässe häufig dazu, dass der billigste Strom aus Deutschland nur über die Niederlande oder Nordfrankreich nach Belgien gelangen konnte. Die Bereitstellung einer direkten Verbindung hat die Preise in beiden Märkten gesenkt. Viele solcher Systeme zur Stauentlastung befinden sich in Europa im Bau.
Eine weitere Anwendung von HGÜ ist die Verbindung unabhängiger Netze, die nicht einfach zu einem größeren synchronen System zusammengeführt werden können. Die Nordseeverbindung, ein HGÜ-Kabel zwischen Kvilldal an der norwegischen Westküste und Blyth an der englischen Ostküste, ermöglicht den Energiefluss zwischen Statnett, dem norwegischen Netzbetreiber, und dem britischen National Grid. Mit 720 km (450 Meilen) ist es derzeit das längste Unterwasserkabel der Welt. Aber es wird nicht lange dauern. Viking Link, derzeit im Bau zwischen Lincolnshire, weiter südlich in England, und Jütland, in Dänemark, wird bald seine Krone tragen.
Die Technologie wird auch wie in der Vergangenheit verwendet, um weit entfernte erneuerbare Energien an das Netz anzuschließen. Selbst wenn die Raffinesse von IGBTs nicht erforderlich ist (z. B. in Verbindungen, in denen der Strom immer nur in eine Richtung fließt), kommt ihnen ihre geringe Stellfläche zugute. Auf Offshore-Plattformen ist Platz knapp. Manchmal kommt es jedoch auf ihre Raffinesse an. „Multiterminal“-HGÜ, die nur mit der Flexibilität und Steuerung möglich ist, die eine IGBT-basierte Umwandlung bietet, wird es großen Offshore-Windparks ermöglichen, mehr als ein Netz zu bedienen und als Verbindungsglied zwischen allen Netzen zu fungieren, die sie versorgen.
Die nördliche Konverterstation der Caithness-Moray-Verbindung wird schließlich zu einem Multiterminal. Strom wird nicht nur von Blackhillock im Süden, sondern über ein im Bau befindliches Kabel auch von den Shetlandinseln im Norden und von neuen Windparks, die vor der Küste errichtet werden, in (oder aus) fließen. Das bedeutet, dass an einem bestimmten Tag, je nach Bedarf des Netzes, Energie von den Shetlands nach Aberdeenshire oder von Offshore-Windparks zu den Shetlands oder ein bisschen von beidem geleitet werden kann. Dänemark plant den Bau von zwei riesigen „Windinseln“, die mit HVDC-Multiterminals ausgestattet sind. Die Turbinen auf beiden werden nicht nur mit Dänemark, sondern auch mit seinen Nachbarn verbunden, sodass Strom in beide Richtungen gesendet werden kann. Belgien baut etwas Ähnliches.
Perry Hofbauer, HGÜ-Ingenieur bei sse, nennt diesen durch die Dekarbonisierung geforderten Netzausbau die „größte Veränderung des Stromsystems in der Geschichte“. Aber sobald Sie diese große Herausforderung der Erweiterung abgeschlossen haben, stehen Sie vor der bösen Aufgabe, sie auszugleichen.
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