Wenn wir unser Stromnetz mit der heutigen Technologie von vorne beginnen könnten, welche wäre die effizienteste Wahl? Wechselstrom oder Gleichstrom?

In letzter Zeit habe ich über die vielen Vorteile von HGÜ-Übertragungssystemen für Fernübertragungen, Unterseeverbindungen und andere gelesen. Der historische Grund, warum Wechselstrom über Gleichstrom gewählt wurde, lag hauptsächlich in der Erfindung des Transformators, der eine einfache Manipulation der Wechselspannung ermöglichte und eine Hochspannungsübertragung über große Entfernungen ermöglichte.

Nach der Erfindung von Quecksilberventilen, Thyristoren, IGBTs und all diesen Komponenten, die die Gleichstromübertragung möglich gemacht haben, habe ich jedoch gedacht, dass wir mit einem reinen Gleichstromnetz alle AC / DC-Gleichrichter loswerden könnten, die wir in finden unsere elektronischen Geräte. Dies könnte die Energieeffizienz erheblich verbessern und Unmengen an Ressourcen einsparen.

Wenn wir eine Chance , neu zu beginnen haben, konnte ein DC-basiertes Übertragungssystem die besseren ¹ Wahl, oder würde AC kommen noch auf?

^{1: mit besser meine ich energieeffizienter .}

Ein bisschen Geschichte

Die Vorschläge hinter diesem Thema stehen im Widerspruch zu dem, was viele Elektrotechniker seit ihrem ersten Kurs über Stromkreise gelernt haben - dass Wechselstrom besser für die Energieübertragung ist. Immerhin war es Tesla, der Westinghouse im "Krieg der Strömungen" Ende des 19. Jahrhunderts half, für AC zu kämpfen, und schließlich Edisons Träume von einem DC-Imperium besiegte.

Der Hauptvorteil der Verwendung von Wechselstrom gegenüber Gleichstrom war zu diesem Zeitpunkt die Effizienz. Es wurde immer einfacher, eine Wechselspannung in eine andere umzuwandeln, insbesondere im Vergleich zu den Kosten, der Schwierigkeit und der Ineffizienz der Umwandlung einer Gleichspannung in eine andere zu diesem Zeitpunkt. Nach Joules erstem Gesetz ist die Menge an Energie, die als Wärme in den Übertragungsleitungen verschwendet wird, proportional zum Quadrat des Stroms. Wenn man bedenkt, dass die Übertragungsleitungen einen bekannten (im Grunde genommen) festen Widerstand haben, wird bei einer Übertragung der gleichen Leistungsmenge viel mehr bei einer Niederspannungs-Hochstromübertragung verschwendet als bei einer Hochspannungs-Niedrigstromübertragung. Wie bereits erwähnt, war es sehr unpraktisch, Gleichspannungen auf einen Pegel umzuwandeln, der hoch genug ist, um den Leitungsverlust im Vergleich zur relativ einfachen Umwandlung von Wechselspannungen zu überwinden.

Als Randnotiz, viele Orte haben erst Mitte des 20. Jahrhunderts vollständig von den ursprünglichen Gleichstromübertragungssystemen auf Wechselstrom umgestellt.

Sie können alles über die Geschichte lesen Sie hier .

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Dies bedeutet nicht, dass AC keine eigenen Probleme hat. Der Skin-Effekt ist ein Beispiel dafür, dass Wechselstrom weniger effizient ist als Gleichstrom, aber er gleicht die oben genannten Leitungsverluste nicht aus. Ein weiteres Problem ist die Koronaentladung, die bei hohen Übertragungsspannungspegeln auftritt. Über große Entfernungen hat Wechselstrom auch Stabilitätsprobleme. In diesem IEEE-Artikel werden einige unterschiedliche Entfernungen angegeben, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Leitungsreaktanz in Entfernungen von bis zu 600 - 700 Meilen ausgeglichen werden kann.

Mit modernen Implementierungen von Quecksilber-Lichtbogenventilen, Thyristoren und IGBTs und effizienten Mitteln zur Gleichspannungsumwandlung ist eine HGÜ-Übertragung nicht nur möglich, sondern überwindet viele der Probleme, die bei der HLK-Übertragung auftreten. Die Gesamtübertragungsentfernung ist viel größer und die erwähnten Wechselstromeffekte werden überwunden. Darüber hinaus sind die mit der HGÜ verbundenen Kosten geringer als die für die HLK, sobald eine Entfernungsschwelle überschritten wurde. Diese Kostendifferenz wird in diesem Dokument ausführlich erörtert, das auch eine Aufschlüsselung der Kosten für Umspannwerke enthält. Die Kosten werden auch in dem von Jake in seiner Antwort angegebenen Link besprochen .

Tatsache ist, dass die derzeitige elektrische Infrastruktur auf der Übertragung von Wechselstrom basiert. Die überwiegende Mehrheit der modernen Technologie benötigt diese Art von Strom für einen ordnungsgemäßen Betrieb. Wäre die Wechselstromversorgung nie verwendet worden, hätten wir zweifelsohne viele der technologischen "Fortschritte", die wir kennen und lieben. Theoretisch könnte sich die alleinige Verwendung von HGÜ als effizienter erweisen, aber um den Kostenunterschied auszugleichen, ist ein hybrides HVAC / HVDC-System die beste Lösung, zumindest in diesem Moment der menschlichen Entwicklung.

Angesichts der steigenden Kosten für Kupfer und andere nützliche Metalle und der Umweltprobleme mit darin verwendeten Isolierölen werden Hochleistungs-Wechselstromtransformatoren im Vergleich zu ihren Festkörperäquivalenten sehr teuer. Es sind nicht nur die Kosten für die Wicklungen, sondern auch die großen Metallgehäuse und die Transport- und Installationskosten, die mit solch großen Transformatoren verbunden sind.

Eine Umstellung auf Hochspannungs-Gleichstromübertragung wäre in Bezug auf die Effizienz wahrscheinlich eine Wäsche. Allerdings könnten die Kosten gesenkt werden, wenn wir nicht bereits über unsere aktuelle Infrastruktur verfügen. Es wären immer noch Transformatoren erforderlich, aber anstelle von Niederfrequenz-Leistungstransformatoren würden wir Halbleiter-DC / DC-Wandler mit Hochfrequenz-Leistungstransformatoren koppeln, die bei gleicher Leistung viel kleiner (also billiger) sein können.