HVDC-interconnecties

Behalve een hoogspanningsnet met wisselstroom op land, zijn er in Nederland en België ook enkele grote onderzeese stroomkabels en eentje op land die met gelijkstroom werken.

Hoogspanning wordt normaal gesproken uitgevoerd met driefasenwisselstroom. Dat is handiger omdat je het kan transformeren en het bezit nog een aantal andere gunstige eigenschappen wanneer je een groot netwerk wil bouwen dat tegen een stootje kan. Toch is wisselstroom niet overal handig. Onder water werkt wisselstroom maar matigjes zodat lange afstanden onder zee niet met elektriciteitskabels op wisselstroom kunnen worden uitgevoerd. Hiervoor wordt hoogspanningsgelijkstroom gebruikt, ofwel HVDC.

Nederland en België beschikken over vijf zulke kabels. Drie stuks liggen in Nederland en die lopen naar Engeland, Noorwegen en Denemarken. De andere twee liggen in België, waarbij eentje door de zee naar Engeland loopt en de andere over land (dat is bijzonder) naar Duitsland is gelegd.

Stroom en water kunnen samen gaan met gelijkstroom

Het gezegde dat stroom en water niet samen gaan is een beetje vreemd. Wie dat zomaar beweert heeft zeker nog nooit gehoord dat hydropower verantwoordelijk is voor 16% van de wereldwijde elektriciteitsproductie, meer dan alle kerncentrales samen (9%). Toch zit er wel een soort waarheid in, maar dan op een heel andere manier.

Nadat in de laat 19e eeuw wisselstroom als winnaar uit de Oorlog der Stromen kwam werd gelijkstroom naar een marginale rol op de achtergrond verdrongen. Wisselstroom kan je eenvoudig, robuust en met een relatief simpel apparaat van spanning veranderen: de transformator. Daardoor werd een net mogelijk dat na de generators zelf geen roterende onderdelen meer bevatte en dat een lage veilige spanning in huis of in de fabriek combineerde met een heel hoge spanning voor langeafstandstransport door dunne draden – het hoogspanningsnet. Met de techniek van anderhalve eeuw geleden was gelijkstroom van spanning laten veranderen op net zo’n robuuste en eenvoudige manier volstrekt onmogelijk. Wisselstroom werd daarom de standaard, en bijna overal bleek wisselstroom de handigste van de twee.

Behalve onder water. En daardoor bleef gelijkstroom voldoende intrigeren voor ingenieurs om er toch mee te blijven experimenteren op hoogspanningsniveau.

Wisselstroom onder water werkt op lange afstanden niet goed. Het water (een medium dat achthonderd keer zo dicht is als lucht) zorgt voor reactief gedrag: het gaat reageren op het wisselende magneetveld veroorzaakt door de wisselstroom in de kabel en lokt daarmee weer een tegenreactie uit in de kabel zelf. Deze wervelstromen zorgen ervoor dat de kabel zich als een spoel gaat gedragen waardoor onderweg steeds meer vermogen verloren gaat doordat het wordt omgezet in warmte in de kabel en in het omliggende water. Bij zeer grote kabellengtes, overigens ook op land, is wisselstroom uiteindelijk net als een slinger in dikke stroop: het dempt uit en je houdt amper nog nuttig vermogen over aan het uiteinde.

Gelijkstroom heeft dit effect niet. Een kabel bedreven op gelijkstroom kan net zo gemakkelijk door de lucht als onder water worden gelegd. Waar gelijkstroom in het nadeel is omdat je het niet met een transformator van spanning kan veranderen, is het juist in het voordeel als je een lange afstand onder water door moet. Kijk, daar zit potentie in wanneer je een eiland op het stroomnet wil aansluiten, en laat Europa nou juist een continent zijn dat vergeven is van zeestraten, fjorden en eilanden waar men ook graag het licht aan doet.

Pas recent in deze grootte verkrijgbaar

In het midden van de 20e eeuw was Zweden een land dat aardig voorop liep als het ging om hoogspanningstechniek. En ook met de toepassing van gelijkstroom met vermogens waarmee je werkelijk een pot kon breken (zolang het maar geen gebroken kwikgelijkrichter was). In 1954 werd het Zweedse eiland Gotland door middel van een honderd kilometer lange gelijkstroomzeekabel (20 MW, 100 kV) met het vasteland werd verbonden. ASEA, de voorganger van ABB, zette daarbij dankzij ingenieur Uno Lamm een wereldprimeur neer die ook goed gedocumenteerd is en voor geïnteresseerden boeiend is om te lezen. Het was niet het enige waar Zweden de primeur mee had: in 1952 was het ook het eerste land dat een 400 kV transportlijn in werking stelde.

Het Zweedse eiland Gotland werd als eerste met een HVDC-zeekabel aangesloten op het vasteland. Gedurende de eerste twintig jaar is er veel geëxperimenteerd met de stations aan beide zijden van de kabel. Voor de geïnteresseerden die een keer op het eiland komen is er meer te zien dan vestingstad Visby of kalksteenformaties uit het Siluur. Het Uno Lamm-museum is een aanrader.

De zeekabel naar Gotland is inmiddels al tweemaal vervangen door een zwaardere opvolger met nieuwere gelijkrichters, maar de originele primeur in 1954 opende nieuwe toepassingen. Het zou nog een jaar of twintig, dertig duren voordat er gelijkstroomzeekabels verschenen die zich konden meten met de vermogens die landverbindingen met wisselstroom intussen beheersten. In de jaren 60 en 70 werden de eerste pogingen ondernomen (meestal op land en met traditioneel gebouwde bovengrondse hoogspanningslijnen) om het transportvermogen groter te krijgen dan 100 MW. Het was een weg vol ontdekkingen, hobbels, triomfen en afknappers. Soms sloeg men een grote slag, bijvoorbeeld door gelijkrichters van kwik (mercury arc valves) te vervangen door vroege vormen van vermogenselektronica zoals thyristor valves. Denemarken liep daarbij enige tijd trots voorop met de Cross-Skagerak en de Konti-Skan interconnectors, waarmee ze zich verbonden met Noorwegen en Zweden, verbindingen die in de ordegrootte 250 tot 300 MW aankonden. Beide verbindingen waren voor die tijd ongekend zwaar voor gelijkstroom. Zo hield Scandinavië geruime tijd het imago van de wereldwijde gelijkstroomhotspot vast. De verbindingen waren technische primeurs die tot op de dag van vandaag in gebruik zijn, al dan niet met de nodige opwaarderingen op de converterstations.

In Rusland had men ook wilde plannen, al betrof dat hoofdzakelijk een prestigeproject (Ekibastuz – Tambov) en een eenmalige operationele proef (Volgograd – Donbas) die naderhand in dienst bleef. Beide projecten, en ook enkele andere evenknieën in Zuid Afrika, Canada, Californië (Pacific DC Intertie) en later in zuidelijk Amerika waren ook allemaal op land, waar de draden bovengronds stonden. Voor zeekabels bleef Europa de plek waar het gebeurde en tot op de dag van vandaag is Europa de hotspot van de wereld als het om HVDC-zeekabels gaat.

Bij al die projecten op zee en onder zee ging ook wel eens wat mis. De France Angleterre HVDC-kabel was de eerste verbinding tussen Engeland en Frankrijk, en deze kabel was een typisch gevalletje van shit aan de ene oever van het Kanaal en merde aan de andere. Men had de kabel gewoon over de zeebodem uitgerold en dat bleek niet handig in Het Kanaal, waar het zwart ziet van de scheepvaart. De kabel werd met zulk regelmaat kapotgetrokken door ankers en visnetten dat NationalGrid en RTE het op den duur zo zat werden dat ze gezamenlijk besloten om de hele kabel dan maar af te schrijven, en samen een nieuwe aan te leggen op een betere plek. Er is wel van geleerd. Tegenwoordig trencht men ze op zulke drukke plekken diep in de zeebodem.

De ontwikkelingen gingen door en de verbeteringen in de thyristorhallen (de converters) ook. In de vroege jaren 90 werd een kantelpunt bereikt waarbij het economisch en technisch ook echt haalbaar werd om kabels in de zeebodem te leggen die 600 MW of meer kunnen verzetten. Pas vanaf dat moment werden ze interessant als commerciële en cross-border gridtoepassing, in plaats van slechts als oplossing voor eilandaansluitingen. De eerste van deze nieuwe generatie HVDC-interconnectors met een serieus vermogen is de in 1991 opgeleverde Baltic Cable (Duitsland-Zweden), die overigens ook een stukje bovengronds loopt.

Prestigeprojecten met nut

Sinds dat jaar zijn de ontwikkelingen in kabeltechniek en converterapparatuur op de uiteinden snel gegaan. Op dit moment liggen er een kleine dertig van dit soort kabels door de Europese zeebodem en soms ook op land als bovengrondse lijn en er wordt momenteel gewerkt aan een ruim dozijn nieuwe exemplaren. Belangrijke Europese verbindingen zijn op deze manier aangelegd en ze dragen niet zelden hippe of trotse namen.

De Europese hotspot voor HVDC is nog steeds het gebied rondom Denemarken. Maar ook Nederland was van de partij bij de ontwikkeling van dit soort zware HVDC-kabels, soms zelfs met een primeur. De NorNed-kabel, tussen Nederland en Noorwegen, werd in 2008 opgeleverd. Hij kan 700 MVA transporteren en bij zijn oplevering was hij enige tijd de langste onderzeese stroomkabel ter wereld, met een totale lengte van 580 kilometer tussen de Eemshaven en het Noorse Feda. In 2010 kwam ook de BritNed-kabel gereed, die nog een iets hogere capaciteit heeft (1000 MVA). In 2019 werd de COBRA Cable tussen de Eemshaven en Endrup opgeleverd, waarmee ook Denemarken rechtstreeks verbinding kreeg met Nederland.

In België loopt inmiddels een HVDC-kabel vanuit Zeebrugge naar Groot Brittanië (NEMO). Een betrekkelijk korte tussen Lixhe en Verlautenhiede in Duitsland (ALEGrO, een afkorting van Aachen Liège Electrid Grid Overlay) is een landproject, gelijk aan de Inelfe-kabel. Hij wordt niet alleen als HVDC-kabel uitgevoerd om minder op te vallen, maar er is ook een technische reden voor: het beperken van gevaarlijk grote vermogensstromen uit Duitsland, zogeheten loop flows die anders het Belgische net zouden kunnen overbelasten. Een gelijkstroomkabel is makkelijker te sturen dan een verbinding in een vermaasd wisselstroomnet.

Braaf Europa

In Europa, grootschalig gezien een smal bergachtig schiereilandenrijk, is op het vasteland een uitstekend hoogspanningsnet op wisselstroom aanwezig, Maar al die baaien, zeestraten en ondiepe zeeën waren decennialang hinderlijke barrières voor het uitwisselen van vermogen. Dankzij HVDC-kabels zijn die tijden voorbij en kan het Europese net aaneen worden geklonken tot een effectiever net waarin verschillende geografische gebieden (natiestaatdenken heeft voor stroomopwek geen zin) efficiënter gebruik kunnen maken van bestaande en hernieuwbare productie en verschuivend gebruik.

Elders op de wereld zien we HVDC amper op zee, maar eigenlijk nog indrukwekkender op land. In China, India en in Brazilië lachen ze een beetje om dat brave HVDC-handjeschudden van Europa. HVDC is interessant voor grote afstanden, ook als bovengrondse lijn. Het scheelt een derde draad. In in sommige systemen waarbij de aarde (de planeet zelf in dit geval) als retour wordt gebruik kan je zelfs met één pool volstaan. China gooit liever de beuk erin. Zij gebruiken HVDC in zeer lange koppelnetverbindingen om enorme vermogens van de stuwmeren in de bergen naar de miljoenensteden aan de oostkust te krijgen. Ook Brazilië en India doen dat of willen dat gaan doen. Bovengrondse HVDC-verbindingen van 2000 kilometer lang met maar liefst 800 kV als werkspanning zijn reeds in gebruik in Congo en Brazilië (Itaìpu). Het kan nog groter: China leverde in 2019 de Changji-Guquan UHVDC Link op, die zelfs met 1100 kV DC en 12 GVA transportcapaciteit inmiddels net zo zwaar is als de zwaarste bovengrondse wisselstroomverbindingen ter wereld.

Dat soort bruut geweld zit er in Europa niet in – of toch een beetje? In Engeland had men behoefte aan meer noordzuidtransport en omdat bovengrondse verbindingen daar (net als in de hele westerse wereld) lange vergunningsprocedures vereisen had NationalGrid besloten dan maar een HVDC-kabel aan te leggen door de Ierse Zee. 450 kV was niet toereikend, zodat de Western Link op 600 kV wordt bedreven: een spanning die we nog niet eerder op gelijkstroomniveau hadden gezien in Noordwest Europa.

Ook in Duitsland hangt er iets in de lucht, of juist niet eigenlijk. Het land heeft veel verbruik in het zuidelijke binnenland en een scherp toenemende windproductie in de Noordzee. Dat begint dermate uit de hand te lopen dat het bestaande koppelnet op zijn grenzen stuit. Nieuwe bovengrondse megaverbindingen zoals China ze geforceerd aanlegt zijn in Europa niet meer mogelijk, dat accepteert de bevolking niet. De enige oplossing is het aanleggen van zware ondergrondse kabels. Voor dit soort afstanden en vermogens kan ondergronds niet met wisselstroom worden gewerkt, dus TenneT GmbH (De Duitse poot van Tennet) werkt inmiddels aan twee HVDC-landkabels die voor Europese begrippen ongekend zwaar zijn en waarschijnlijk 5000 MVA of meer moeten gaan verzetten. Deze worden ontworpen op 525 kV om de kabeldikte te beperken. Er staat dus nog een interessante toekomst voor de deur voor HVDC in het bestaande net.