Se potessimo avviare la nostra rete elettrica da zero con la tecnologia di oggi, quale sarebbe la scelta più efficiente? AC o DC?

Ultimamente, ho letto i numerosi vantaggi dei sistemi di trasmissione HVDC per la trasmissione a lunga distanza, i collegamenti sottomarini e altri. Il motivo storico per cui la corrente alternata è stata prelevata su corrente continua è dovuto principalmente all'invenzione del trasformatore, che ha consentito una facile manipolazione della tensione alternata consentendo la trasmissione ad alta tensione su lunghe distanze.

Tuttavia, dopo l'invenzione di valvole al mercurio, tiristori, IGBT e tutti questi componenti che hanno reso possibile la trasmissione in corrente continua, ho pensato che se avessimo avuto una rete puramente in corrente continua, potremmo sbarazzarci di tutti i raddrizzatori in corrente continua che troviamo in i nostri apparecchi elettronici. Ciò potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza energetica e risparmiare tonnellate di risorse.

Se avessimo la possibilità di ricominciare da capo, un sistema di trasmissione basato su CC potrebbe essere la scelta migliore ¹ o CA continuerebbe ad essere al top?

^{1: con meglio intendo maggiore efficienza energetica .}

Un po 'di storia

I suggerimenti alla base di questo argomento vanno contro ciò che molti ingegneri elettrici hanno insegnato fin dal loro primo corso di circuiti: che la corrente alternata è migliore per la trasmissione di energia. Dopotutto, nella "guerra delle correnti" alla fine del 1800, fu Tesla ad aiutare Westinghouse a combattere per l'AC, sconfiggendo infine i sogni di Edison di un impero DC.

Il vantaggio principale dell'utilizzo di AC su DC in questo momento era l'efficienza. È diventato sempre più facile trasformare una tensione CA in un'altra, soprattutto se confrontata con il costo, la difficoltà e l'inefficienza della conversione di una tensione CC in un'altra in quel momento. Secondo la prima legge di Joule , la quantità di energia sprecata come calore nelle linee di trasmissione è proporzionale al quadrato corrente. Considerando che le linee di trasmissione hanno una resistenza fissa (sostanzialmente) nota, quindi per una trasmissione della stessa quantità di potenza, si spreca molto di più in una trasmissione a bassa tensione e alta corrente rispetto a una trasmissione ad alta tensione e bassa corrente. Come detto, era molto poco pratico convertire le tensioni CC ad un livello abbastanza alto da superare la perdita di linea rispetto alla relativa facilità di trasformazione delle tensioni CA.

Come nota a margine, molti luoghi non sono mai passati completamente dai sistemi di trasmissione DC originali a AC fino alla metà del 20 ° secolo.

Puoi leggere tutto sulla storia qui .

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Questo non vuol dire che AC non ha i suoi problemi. L' effetto pelle è un esempio di AC meno efficiente di DC, ma non compensa le perdite di linea sopra menzionate. Un altro problema è quello della scarica a corona che si verifica ad alti livelli di tensione di trasmissione. Su lunghe distanze, anche l'alimentazione CA presenta problemi di stabilità. Questo articolo IEEE individua alcune distanze diverse, rilevando che la reattanza di linea può essere compensata a distanze fino a 600 - 700 miglia.

Con le moderne implementazioni di valvole ad arco al mercurio, tiristori e IGBT e mezzi efficienti di conversione della tensione CC, la trasmissione HVDC non è solo possibile, ma supera molti dei problemi che affliggono la trasmissione HVAC. La distanza di trasmissione complessiva è molto maggiore e gli effetti AC menzionati vengono superati. Inoltre, il costo associato a HVDC è inferiore a HVAC, una volta superata una soglia di distanza. Questo differenziale di costo è discusso in dettaglio in questo documento che include anche una suddivisione del costo della sottostazione elettrica. Il costo è anche discusso nel link fornito da Jake in sua risposta .

Il fatto è che l'attuale infrastruttura elettrica si basa sulla trasmissione di corrente alternata. La stragrande maggioranza della tecnologia moderna richiede questo tipo di alimentazione per un corretto funzionamento e se AC non fosse mai stata utilizzata, dubito che avremmo avuto molti dei "progressi" tecnici che conosciamo e amiamo. Teoricamente, l'utilizzo del solo HVDC potrebbe rivelarsi più efficiente, ma per compensare la differenza di costo, un sistema ibrido HVAC / HVDC è la soluzione migliore, almeno in questo momento nello sviluppo umano.

Con l'aumento del costo del rame e di altri metalli utili e le problematiche ambientali degli oli isolanti in essi utilizzati, i trasformatori CA ad alta potenza stanno diventando molto costosi rispetto ai loro equivalenti allo stato solido. Non è solo il costo degli avvolgimenti, ma le grandi scatole metalliche e i costi di trasporto e installazione associati a trasformatori così grandi.

Un passaggio alla trasmissione CC ad alta tensione sarebbe probabilmente un lavaggio in termini di efficienza, tuttavia potrebbe essere un costo inferiore se non avessimo già installato la nostra infrastruttura attuale. Sarebbero ancora necessari trasformatori, ma piuttosto che trasformatori di potenza a bassa frequenza abbineremmo convertitori CC-CC a semiconduttore con trasformatori di potenza ad alta frequenza che possono essere molto più piccoli (quindi più economici) per la stessa quantità di capacità di conversione di potenza.