Czym jest elektryczność?

Benjamin Franklin zaczął badać elektryczność za pomocą metalowego klucza przymocowanego do latawca podczas burzy, co według dzisiejszych standardów BHP nie byłoby bezpiecznym eksperymentem.

Jego teoria głosiła, że chmury burzowe utrzymują elektryczność statyczną, a pioruny są wyładowaniami elektryczności statycznej. Piorun uderzyłby w klucz i naelektryzował go, demonstrując, że piorun i elektryczność są wynikiem tego samego zjawiska. Jego koncepcja, że piorun jest wynikiem przemieszczania się elektronów z chmur na ziemię, była słuszna, ale brakowało mu naukowych dowodów, aby w pełni wyrazić tę koncepcję.

Jego idea została przejęta, a dziewiętnasty wiek przyniósł szybki postęp w dziedzinach elektryki, elektrotechniki oraz technologii wytwarzania energii.

Pionierzy w dziedzinie elektryczności, tacy jak Alexander Graham Bell, Nicolas Tesla, Werner von Siemens i wielu innych, pomogli przekształcić elektryczność z naukowej ciekawostki w niezbędny element życia. Niektórzy z tych pionierów stworzyli w tym procesie imperia przemysłowe. Wśród nich wymienić można Thomasa Edisona i George'a Westinghouse'a. Edison i Westinghouse odegrali również istotne role w jednym z najbardziej fascynujących epizodów w historii inżynierii: wojny o prąd. Do tej kwestii jeszcze wrócimy.

Elektryczność jest formą energii i składa się z przepływu elektronów w materiale przewodzącym.

Elektrony są cząstkami naładowanymi ujemnie i otaczają atom. Jądro atomu zawiera dodatnio naładowane cząstki zwane protonami oraz cząstki bez ładunku zwane neutronami. Normalnie atom może mieć tylko tyle elektronów, ile ma protonów. Tak więc, kiedy przepływ prądu elektrycznego uderza elektronem w inny atom, to jest to o jeden elektron za dużo dla atomu odbierającego. Tak więc kolejny elektron zderza się z kolejnym atomem. Tak płynie prąd.

Jak wytwarzana jest energia elektryczna?

Elektryczność jest wytwarzana przez maszyny, które są zaprojektowane tak, aby wprawić w ruch przepływ elektronów i utrzymywać ten przepływ. Takimi urządzeniami są zazwyczaj agregaty prądotwórcze. Istnieją inne sposoby wytwarzania energii elektrycznej. Są nimi na przykład panele słoneczne i akumulatory.

Agregat prądotwórczy wymaga ruchu wirowego, zwykle zapewnianego przez jakiś rodzaj turbiny lub silnika. Ruch wirowy jest przenoszony na wirnik agregatu prądotwórczego. Wewnątrz agregatu prądotwórczego wirnik wytwarza pole magnetyczne. Gdy wirnik obraca się, obraca się również pole magnetyczne. Obracające się pole magnetyczne wzbudza elektrony w przewodach miedzianych, które znajdują się w statycznej części agregatu prądotwórczego i to właśnie powoduje przepływ prądu. Można o tym myśleć jak o polu magnetycznym szturchającym elektrony w stojanie, aż zaczną się poruszać. Przepływ prądu jest kierowany przez miedziane przewody z agregatu prądotwórczego do przewodów elektrycznych i poza elektrownię.

Skąd się bierze energia elektryczna?

Spróbujmy odpowiedzieć na to pytanie w odwrotny sposób.

Po naciśnięciu włącznika w domu zapala się światło. Robimy to dziesiątki razy każdego dnia, nie zastanawiając się nad tym, co dokładnie się dzieje, ani nad tym, jaki rodzaj instalacji elektrycznej to umożliwia.

Cofnijmy się na chwilę do przepływu energii elektrycznej. Prąd płynie do naszych domów w rozdzielnicy elektrycznej przez wejście serwisowe. Wejście serwisowe łączy się z kablami niskiego napięcia na napowietrznych liniach energetycznych, które z kolei łączą się z transformatorem zamontowanym na słupie. Transformatory montowane na słupach są podłączone do linii napowietrznych średniego napięcia oraz do tzw. sieci dystrybucyjnej, która łączy lokalnych użytkowników energii elektrycznej na określonym obszarze.

Sieć dystrybucyjna łączy się z siecią transportową poprzez stację transformatorową. Sieć transportowa składa się z linii energetycznych wysokiego i bardzo wysokiego napięcia przeznaczonych do przesyłu dużych ilości energii elektrycznej na znaczne odległości. Te linie energetyczne prowadzą do elektrowni, gdzie wytwarzana jest energia elektryczna.

Pomyślmy o prądzie elektrycznym jak o wodzie przepływającej przez rurę. Na początku rury, być może setki kilometrów dalej, ciśnienie wody jest bardzo wysokie. W miarę zbliżania się do osiedli i domów ciśnienie znacznie zmniejsza się. Dlatego też na każdym etapie drogi znajdują się stacje transformatorowe i transformatory, które obniżają napięcie prądu.

Czym jest energia elektryczna ze źródeł odnawialnych?

Energia elektryczna ze źródeł odnawialnych to po prostu energia elektryczna wytwarzana przy użyciu odnawialnych źródeł energii. Energia słoneczna, wiatrowa i wodna to trzy najpopularniejsze sposoby wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.

Popyt na odnawialną energię elektryczną wzrasta z dwóch głównych powodów. Pierwszym z nich jest przystępność cenowa. Panele słoneczne i turbiny wiatrowe z biegiem lat stają się coraz bardziej efektywne i tańsze. Drugi powód dotyczy obaw związanych z ochroną środowiska naturalnego. Zakres tolerancji dla emisji związanych z elektrowniami węglowymi gwałtownie spada. To napędza trend zastępowania elektrowni węglowych odnawialnymi źródłami energii.

Co to jest prąd przemienny (AC) i stały (DC)?

Prąd przemienny (AC) i prąd stały (DC) to dwa różne sposoby przepływu prądu elektrycznego w obwodzie.

Prąd stały płynie ze stałą prędkością i zawsze w tym samym kierunku. Prąd przemienny płynie ze zmienną prędkością, a kierunek jego przepływu często się zmienia.

Gdy mówimy, że nasza sieć elektryczna w Ameryce Północnej ma częstotliwość 60 Hz, oznacza to, że kierunek przepływu prądu przemiennego zmienia się 60 razy na sekundę. Prąd przemienny możemy porównać do wału korbowego w szybkim sportowym samochodzie wyścigowym. Wyposażony jest w wiele cylindrów popychających wał korbowy, aby poruszać samochodem, ale cylindry nie popychają wału korbowego w tym samym czasie. Razem napędzają samochód, a ten ruch sprawia wrażenie ciągłego ruchu.

Natomiast prąd stały możemy porównać do wiertarki ręcznej. Wiertło zapewnia ciągły ruch i stały napęd, niezależnie od wykonywanego zadania.

Na wczesnym etapie procesu elektryfikacji zarówno prąd stały, jak i prąd przemienny były postrzegane jako istotne sposoby wytwarzania, transportu, dystrybucji i zużycia energii elektrycznej. To przenosi nas z powrotem do epoki Edisona i Westinghouse'a.

Edison wyobrażał sobie układ elektryczny oparty na prądzie stałym. Westinghouse popierał rozwój układu elektrycznego opartego na prądzie przemiennym. Problem polegał na tym, że układy AC i DC wzajemnie się wykluczają, więc jeden z nich musiał zwyciężyć, a drugi przegrać. Spowodowało to zaciekłą rywalizację, która zapisała się na kartach historii.

Ostatecznie prąd przemienny stał się dominującym rodzajem energii elektrycznej, ponieważ był znacznie łatwiejszy w transporcie i efektywnej dystrybucji z elektrowni, do stacji transformatorowych, a następnie do domów i przedsiębiorstw.

Fragmenty sieci elektrycznej prądu stałego Edisona pozostały w Nowym Jorku aż do dwudziestego wieku, obsługując na przykład stare budynki wyposażone w windy na prąd stały lub system metra, którego pociągi również jeździły na prąd stały. Ostatni odbiorca usług DC na Manhattanie, budynek przy 40th Street, został odłączony dopiero w 2007 r.

Co ciekawe, linie przesyłowe prądu stałego powracają w niektórych zastosowaniach. Są one, na przykład, często wybierane do instalacji kabli podmorskich, które przenoszą energię elektryczną wytwarzaną przez morskie farmy wiatrowe z powrotem na ląd. Powodem, dla którego linie prądu stałego mogą łączyć się z siecią prądu przemiennego, jest to, że obecnie dysponujemy energoelektroniką, w przypadku której energia elektryczna może być konwertowana między prądem stałym i przemiennym przy minimalnych stratach. Energoelektronika mocy nie została wynaleziona w dziewiętnastym wieku, więc Edison i Westinghouse nie mieli takiej możliwości.

Prąd przemienny, prąd stały i energia odnawialna

Co ciekawe, zwiększony popyt na odnawialne źródła energii z zasobów słonecznych i wiatrowych powoduje ponowny wzrost zainteresowania energią elektryczną prądu stałego. Jest ku temu kilka powodów.

Pierwszym powodem jest to, że prąd stały jest często wybierany w przypadku instalacji kabli podmorskich, które przenoszą energię elektryczną wytwarzaną przez morskie farmy wiatrowe z powrotem na ląd. Te połączenia prądu stałego są niekiedy znane jako linie HVDC, jak w przypadku linii wysokiego napięcia prądu stałego.

Innym powodem jest fakt, że panele fotowoltaiczne mogą wytwarzać tylko prąd stały.

Trzeci powód wynika ze zwiększonego wykorzystywania akumulatorowych systemów magazynowania energii na skalę użytkową, które często są konstruowane wraz z panelami fotowoltaicznymi, aby pomóc w łagodzeniu ich zmienności, i podobnie jak panele fotowoltaiczne mogą wytwarzać tylko prąd stały. Wszystkie te elementy prądu stałego są podłączone do bardziej rozbudowanej sieci elektrycznej, w której występuje prąd przemienny, za pomocą układów energoelektronicznych, które mogą przekształcać energię elektryczną między prądem stałym a przemiennym przy minimalnych stratach.

W dziewiętnastym wieku nie wynaleziono jeszcze energoelektroniki i niestety dla Edisona i Westinghouse'a ta opcja nie była dostępna do pogodzenia.