Tässä blogikirjoituksessa tarkastellaan 130 vuotta sähköntuotantoa hallinneen vaihtovirtajärjestelmän rajoituksia ja pohditaan, miksi tasavirta on saamassa uutta huomiota.
19-luvun lopulla, kun sähkö keksittiin, ihmiskunta seisoi historiallisessa tienristeyksessä, ja sen oli luotava standardi sähkönsyötölle. Oli selvää, että sähköstä tulisi teollisuuden ja kotitalouksien virtalähde, ja tulevaisuuden sähköjärjestelmä riippuisi siitä, miten tätä sähköä tehokkaasti toimitettaisiin. Kaksi neroa, jotka ottivat yhteen tänä kriittisenä aikana, olivat Edison, joka kannatti tasavirtaa (DC), ja Tesla, joka kannatti vaihtovirtaa (AC). Edison väitti, että sähkö tulisi syöttää tasavirralla (DC), jossa virran suunta ja suuruus pysyvät vakioina, kun taas Tesla vaati vaihtovirtaa (AC), jossa suunta ja suuruus muuttuvat säännöllisesti. Heidän kilpailunsa ylitti pelkän teknisen väittelyn rajat; se oli ratkaiseva valinta, joka määrittäisi ihmiskunnan sähkönsyöttötavan ja elämäntavan. Tämä prosessi herätti perusteellista keskustelua erilaisten sähkönsiirtomenetelmien eduista ja haitoista.
Edisonin vaatimus tasavirrasta liittyi läheisesti hänen keksintöön, hehkulamppuun. Hehkulamput vaativat vakaan jännitteen ja jatkuvan virran, mikä teki tasavirrasta sopivan. Edison kannatti tasavirtaa korostaen sen erottamatonta yhteyttä keksintöön. Teknisesti ottaen tasavirta kärsi kuitenkin merkittävistä tehohäviöistä, kun sitä siirrettiin pitkiä matkoja. Tesla puolestaan kannatti vaihtovirtaa (AC), joka kykeni ratkaisemaan pitkän matkan siirron hyötysuhdeongelman. Tehohäviö oli tuolloin merkittävä ongelma, ja vaihtovirralla oli merkittävä etu häviöiden vähentämisessä pitkillä etäisyyksillä, koska jännitettä voitiin helposti nostaa muuntajien avulla. Tämän seurauksena Teslan vaihtovirtajärjestelmä lopulta voitti, ja nykyään vaihtovirtaa käytetään yleisesti muuntajien ja pistorasioiden kautta.
Viime aikoina on kuitenkin eri paikoissa nähty pyrkimyksiä palata tasavirtaan (DC), mikä on kyseenalaistanut vaihtovirran aseman yli 130 vuotta kestäneenä virtalähdemenetelmänä. Mikä voisi olla tämän muutoksen taustalla?
Aivan kuten ihminen taipuu tai venyttelee väistääkseen esteen, myös sähkö muuttaa kulkuaan kohdatessaan vastuksen virtapiirissä. Vastus on este, joka estää sähkön virtausta virtapiirissä, ja se aiheuttaa osan sähköenergian häviämisestä. Tämän vastuksen vähentäminen sähkönsiirron aikana on kriittinen haaste tehokkuuden parantamiseksi. Tasavirtajärjestelmissä (DC) tämä vastus pysyy vakiona. Vaihtovirtajärjestelmissä (AC) virran suunta kuitenkin muuttuu säännöllisesti, mikä tuottaa lisävastusta. Tätä kutsutaan reaktanssiksi, ja siitä johtuvaa tehohäviötä kutsutaan loistehona. Loisteho sisältyy virtaan, mutta se on ylimääräistä tehoa, jota ei voida käytännössä käyttää energialähteenä. Vaikka tämä ei ole suuri ongelma lyhyillä siirtoetäisyyksillä, etäisyyksien kasvaessa linjojen resistanssi ja reaktanssi kasvavat, mikä aiheuttaa loistehon nousua ja siirron hyötysuhteen laskua. Toisin sanoen vaihtovirtajärjestelmistä voi tulla tehottomia pitkien matkojen siirrossa.
Lähetyksen aikana tapahtuvan tehohäviön lisäksi ratkaisevan tärkeää on myös taloudellinen tehonsiirtotapa. Vaihtovirtaa käytettäessä sekä virran että jännitteen suuruus vaihtelee jatkuvasti, mikä edellyttää suunnittelussa kaikkien mahdollisten vaihteluiden huomioon ottamista. Tasavirtajärjestelmissä sitä vastoin virta kulkee vakiosuuntaan, mikä vähentää suunnittelun monimutkaisuutta ja alentaa laite- ja asennuskustannuksia. Lisäksi reaktanssia – vaihtovirralle ainutlaatuista ilmiötä – ei esiinny tasavirtajärjestelmissä, mikä tekee tasavirrasta suhteellisen vakaamman ja soveltuu suuren kapasiteetin siirtoon. Tästä näkökulmasta tasavirtajärjestelmillä on potentiaalia toimittaa tehoa vakaammin ja taloudellisemmin.
Korkeajännitteinen tasavirta (HVDC) -teknologia on nousemassa uudeksi ratkaisuksi teknologisen kehityksen myötä. Tämä menetelmä muuntaa voimalaitoksissa tuotetun korkeajännitteisen vaihtovirran tasavirraksi siirtoon tarkoitettujen muunnoslaitteiden avulla ja muuntaa sen sitten takaisin vaihtovirraksi vastaanottopäässä muuntimien avulla.
Vaikka itse tasajännitteen muuntaminen on vaikeaa, puolijohdelaitteet, kuten **tyristorit** tai IGBT:t, voivat nyt tuottaa korkeajännitteistä tasavirtaa. Tasavirtajärjestelmä on vakaa, koska virran suunta on vakio, mikä eliminoi reaktanssin. Lisäksi sillä ei ole loistehon, mikä tekee siitä tehokkaamman kuin vaihtovirtajärjestelmät.
HVDC-teknologiaa, jolla on monia etuja, hyödynnetään jo useilla aloilla. Etelä-Koreassa 1990-luvun lopulta lähtien merenalaiset kaapelit ovat yhdistäneet Jejun saaren Jindoon ja Haenamiin, mikä mahdollistaa tasasähkön siirron. Euroopassa kansallisten sähköverkkojen yhteenliittäminen rakentaa mantereen laajuista sähkönjakelujärjestelmää. Lisäksi se soveltuu hyvin merituulivoimaloiden, uusiutuvan energian muodon, sähkön siirtämiseen, mikä mahdollistaa vakaan sähkönsaannin.
Koska vaihtovirtaan perustuvia sähköverkkoja on jo perustettu viimeisten 130 vuoden aikana, niiden muuntaminen tasavirraksi lyhyellä aikavälillä asettaa merkittäviä haasteita. Lisäksi kaupallistamista varten on ratkaistava esimerkiksi harmonisten yliaaltojen ongelmat, joita syntyy muunnettaessa suurjännitteistä vaihtovirtaa tasavirraksi. Jos nämä ongelmat kuitenkin ratkaistaan jatkuvan tutkimuksen ja teknologisen kehityksen avulla, tasavirtajärjestelmistä tulee lähitulevaisuudessa ympäristöystävällisten ja tehokkaiden sähköverkkojen ydinteknologia.
Vaikka Edison hävisi virtasodan 130 vuotta sitten tasavirtajärjestelmien rajoitusten vuoksi, nykyään kehittyneen teknologian ansiosta tasavirtalähdettä tarkastellaan uudelleen, mikä käytännössä merkitsee Edisonin koston alkua.
