Elektryfikacja - Electrification

Elektryfikacja kolei

Elektryfikacja to proces zasilania energią elektryczną i, w wielu kontekstach, wprowadzenie takiej mocy poprzez przełączenie z wcześniejszego źródła zasilania.

Szeroko rozumiany termin, np. w historii techniki , historii gospodarczej i rozwoju gospodarczym , zwykle dotyczy regionu lub gospodarki narodowej. Ogólnie rzecz biorąc, elektryfikacja była rozbudową systemów wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej , która miała miejsce w Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i innych obecnie rozwiniętych krajach od połowy lat 80. XIX wieku do około 1950 roku i nadal trwa na obszarach wiejskich w niektóre kraje rozwijające się . Obejmowało to przejście w produkcji z wałów liniowych i napędu pasowego z wykorzystaniem silników parowych i wody na silniki elektryczne .

Elektryfikacja poszczególnych sektorach gospodarki jest nazywany określeniami takimi jak elektryfikacja fabrycznej , elektryfikacji gospodarstwa domowego , elektryfikacji obszarów wiejskich lub elektryfikacji PKP . Może również dotyczyć zmiany procesów przemysłowych, takich jak wytapianie, topienie, oddzielanie lub rafinacja z ogrzewania węgla lub koksu, lub procesów chemicznych na pewien rodzaj procesu elektrycznego, takiego jak elektryczny piec łukowy , elektryczne nagrzewanie indukcyjne lub oporowe lub elektroliza lub separacja elektrolityczna.

Elektryfikacja została nazwana przez National Academy of Engineering „największym osiągnięciem inżynieryjnym XX wieku” .

Historia elektryfikacji

Najwcześniejsze komercyjne zastosowania elektryczności to galwanizacja i telegraf .

Rozwój iskrowników, prądnic i generatorów

Dysk Faradaya, pierwszy generator elektryczny. Magnes w kształcie podkowy (A) wytworzył przez dysk (D) pole magnetyczne . Kiedy dysk został obrócony, indukowało to prąd elektryczny promieniowo na zewnątrz od środka w kierunku obręczy. Prąd przepływał przez ślizgowy styk sprężynowy m , przez obwód zewnętrzny iz powrotem do środka tarczy przez oś.

W latach 1831-1832 Michael Faraday odkrył zasadę działania generatorów elektromagnetycznych. Zasada, nazwana później prawem Faradaya , polega na tym, że w przewodniku elektrycznym, który jest poddawany zmiennemu strumieniowi magnetycznemu , na przykład w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym, generowana jest siła elektromotoryczna . Zbudował również pierwszy generator elektromagnetyczny, zwany dyskiem Faradaya , rodzaj generatora homopolarnego , wykorzystujący miedziany dysk obracający się między biegunami magnesu podkowiastego . Wytwarzał małe napięcie prądu stałego.

Około 1832 roku Hippolyte Pixii ulepszył magneto, używając podkowy z drutem, z dodatkowymi cewkami przewodnika generującymi więcej prądu, ale był to prąd przemienny. André-Marie Ampère zasugerował sposób konwersji prądu z magneto Pixii na prąd stały za pomocą przełącznika kołyskowego. Późniejsze komutatory segmentowe były wykorzystywane do wytwarzania prądu stałego.

William Fothergill Cooke i Charles Wheatstone opracowali telegraf około 1838-40. W 1840 roku Wheatstone używał opracowanego przez siebie magneto do zasilania telegrafu. Wheatstone i Cooke dokonali ważnego ulepszenia w wytwarzaniu energii elektrycznej, używając elektromagnesu zasilanego bateryjnie zamiast magnesu trwałego, który opatentowali w 1845 roku. Samowzbudne dynamo pola magnetycznego wyeliminowało baterię do zasilania elektromagnesów. Ten rodzaj dynama wykonało kilka osób w 1866 roku.

Pierwszy praktyczny generator, maszyna Gramme , został wyprodukowany przez ZT Gramme, który sprzedał wiele z tych maszyn w latach 70. XIX wieku. Brytyjski inżynier REB Crompton ulepszył generator, aby umożliwić lepsze chłodzenie powietrzem i wprowadził inne ulepszenia mechaniczne. Uzwojenie złożone, które dawało bardziej stabilne napięcie z obciążeniem, poprawiło charakterystykę pracy generatorów.

Udoskonalenia technologii wytwarzania energii elektrycznej w XIX wieku znacznie zwiększyły jej wydajność i niezawodność. Pierwsze magneto zamieniały tylko kilka procent energii mechanicznej na energię elektryczną. Pod koniec XIX wieku najwyższe sprawności wynosiły ponad 90%.

Oświetlenie elektryczne

Oświetlenie łukowe

Demonstracja Jabłoczkowa jego błyskotliwych świateł łukowych na Wystawie Paryskiej w 1878 r. wzdłuż Avenue de l'Opéra wywołała gwałtowną wyprzedaż zapasów gazowych.

Sir Humphry Davy wynalazł lampę łukową w 1802 r. po odkryciu, że elektryczność może wytworzyć łuk świetlny z elektrodami węglowymi. Nie był on jednak w dużym stopniu wykorzystywany, dopóki nie opracowano praktycznego sposobu wytwarzania energii elektrycznej.

Lampy łukowe węglowe zostały uruchomione poprzez kontakt między dwiema elektrodami węglowymi, które następnie zostały rozdzielone w wąskiej szczelinie. Ponieważ węgiel wypalił się, szczelina musiała być stale korygowana. Opracowano kilka mechanizmów regulujących łuk. Powszechnym podejściem było zasilanie elektrody węglowej grawitacyjnie i utrzymywanie szczeliny za pomocą pary elektromagnesów, z których jeden cofał górny węgiel po uruchomieniu łuku, a drugi sterował hamulcem zasilania grawitacyjnego.

Lampy łukowe z tamtych czasów miały bardzo intensywny strumień świetlny – w zakresie 4000 świeczek (kandeli) – i wydzielały dużo ciepła, a także stwarzały zagrożenie pożarowe, przez co nie nadawały się do oświetlania domów.

W latach 50. XIX wieku wiele z tych problemów rozwiązała lampa łukowa wynaleziona przez Williama Petrie i Williama Staite. Lampa wykorzystywała generator magnetoelektryczny i posiadała mechanizm samoregulujący do kontrolowania szczeliny między dwoma prętami węglowymi. Ich światło zostało użyte do oświetlenia Galerii Narodowej w Londynie i było wówczas wielką nowością. Te lampy łukowe i podobne do nich konstrukcje, zasilane dużymi iskrownikami, zostały po raz pierwszy zainstalowane na angielskich latarniach w połowie lat 50. XIX wieku, ale ograniczenia mocy uniemożliwiły tym modelom odniesienie sukcesu.

Pierwsza udana lampa łukowa została opracowana przez rosyjskiego inżyniera Pawła Jabłoczkowa i wykorzystywała generator Gramme . Jego zaletą było to, że nie wymagał stosowania regulatora mechanicznego jak jego poprzednicy. Został po raz pierwszy wystawiony na Wystawie Paryskiej w 1878 roku i był mocno promowany przez Gramme. Lekki łuk został zainstalowany wzdłuż długości pół mili od Avenue de l'Opéra , Place du Theatre Francais a wokół Place de l'Opéra w 1878 roku.

Brytyjski inżynier REB Crompton opracował w 1878 roku bardziej wyrafinowany projekt, który dawał znacznie jaśniejsze i bardziej stabilne światło niż świeca Jabłoczkowa. W 1878 roku założył firmę Crompton & Co. i zaczął produkować, sprzedawać i instalować lampę Crompton. Jego koncern był jedną z pierwszych firm elektrotechnicznych na świecie.

Żarówki żarowe

Różne formy żarówek miały wielu wynalazców; jednak najbardziej udanymi wczesnymi żarówkami były te, w których zastosowano włókno węglowe zamknięte w wysokiej próżni. Zostały one wynalezione przez Josepha Swana w 1878 roku w Wielkiej Brytanii i Thomasa Edisona w 1879 roku w USA. Lampa Edisona odniosła większy sukces niż lampa Swana, ponieważ Edison używał cieńszego żarnika, co zapewniało mu większą rezystancję, a tym samym przewodziło znacznie mniej prądu. Edison rozpoczął komercyjną produkcję żarówek z włókna węglowego w 1880 roku. Światło Swana rozpoczęło produkcję komercyjną w 1881 roku.

Dom Swana w Low Fell w Gateshead był pierwszym na świecie, w którym zainstalowano działające żarówki. Biblioteka Lit & Phil w Newcastle była pierwszym pomieszczeniem publicznym oświetlonym światłem elektrycznym, a Teatr Savoy był pierwszym budynkiem publicznym na świecie oświetlonym całkowicie elektrycznie.

Centralne elektrownie i systemy izolowane

Prosta sieć elektryczna – Ameryka Północna

Uważa się, że pierwsza centralna stacja dostarczająca energię publiczną powstała w Godalming , Surrey, Wielka Brytania jesienią 1881 roku. System został zaproponowany po tym, jak miasto nie osiągnęło porozumienia w sprawie stawki pobieranej przez spółkę gazową, więc rada miejska zdecydowała się na korzystanie z energii elektrycznej . System zapalił lampy łukowe na głównych ulicach i żarówki na kilku bocznych ulicach energią wodną. Do 1882 r. podłączono od 8 do 10 gospodarstw domowych, łącznie z 57 lampami. System nie odniósł sukcesu komercyjnego i miasto wróciło na gaz.

Pierwsza na dużą skalę centralna instalacja dystrybucji została otwarta w Holborn Viaduct w Londynie w 1882 roku. Wyposażona w 1000 żarowych żarówek, które zastąpiły starsze oświetlenie gazowe, stacja oświetliła Holborn Circus, w tym biura Głównego Urzędu Pocztowego i słynny kościół City Temple . Zasilanie było prądem stałym o napięciu 110 V; ze względu na straty mocy w przewodach miedzianych wyniosło to dla klienta 100 V.

W ciągu kilku tygodni komisja parlamentarna zaleciła uchwalenie przełomowej ustawy o oświetleniu elektrycznym z 1882 r., która umożliwiała licencjonowanie osobom, firmom lub władzom lokalnym dostarczania energii elektrycznej do wszelkich celów publicznych lub prywatnych.

Pierwszą centralną elektrownią na dużą skalę w Ameryce była Edison's Pearl Street Station w Nowym Jorku, która rozpoczęła działalność we wrześniu 1882 roku. Stacja posiadała sześć prądnic Edisona o mocy 200 koni mechanicznych, z których każda była napędzana oddzielnym silnikiem parowym. Znajdowała się w dzielnicy biznesowej i handlowej i dostarczała prąd stały o napięciu 110 V 85 klientom za pomocą 400 lamp. Do 1884 roku Pearl Street dostarczyła 508 klientom 10 164 lamp.

W połowie lat 80. XIX wieku inne firmy elektryczne tworzyły centralne elektrownie i dystrybuowały energię elektryczną, w tym Crompton & Co. i Swan Electric Light Company w Wielkiej Brytanii, Thomson-Houston Electric Company i Westinghouse w USA oraz Siemens w Niemczech . Do 1890 r. działało 1000 stacji centralnych. W spisie z 1902 r. wymieniono 3620 stacji centralnych. Do 1925 r. połowę mocy dostarczały stacje centralne.

Współczynnik obciążenia i systemy izolowane

Schemat sieci elektrycznej English

Jednym z największych problemów, z jakimi borykały się wczesne przedsiębiorstwa energetyczne, było godzinowe zmienne zapotrzebowanie. Kiedy oświetlenie było praktycznie jedynym wykorzystaniem energii elektrycznej, zapotrzebowanie było wysokie w pierwszych godzinach przed dniem pracy i godzinach wieczornych, kiedy zapotrzebowanie było szczytowe. W konsekwencji większość wczesnych firm elektrycznych nie świadczyła usług w ciągu dnia, a dwie trzecie nie świadczyło usług w ciągu dnia w 1897 roku.

Stosunek obciążenia średniego do obciążenia szczytowego stacji centralnej nazywany jest współczynnikiem obciążenia. Aby firmy elektryczne mogły zwiększyć rentowność i obniżyć stawki, konieczne było zwiększenie współczynnika obciążenia. Sposób, w jaki zostało to ostatecznie osiągnięte, polegał na obciążeniu silnika. Silniki są częściej używane w ciągu dnia, a wiele z nich pracuje w sposób ciągły. (Patrz: Produkcja ciągła .) Elektryczne koleje uliczne były idealne do równoważenia obciążenia. Wiele kolei elektrycznych wytwarzało własną energię, a także sprzedawało energię i eksploatowało systemy dystrybucji.

Współczynnik obciążenia skorygowany w górę na przełomie XIX i XX wieku — na Pearl Street współczynnik obciążenia wzrósł z 19,3% w 1884 r. do 29,4% w 1908 r. Do 1929 r. współczynnik obciążenia na całym świecie przekraczał 50%, głównie z powodu silnika Załaduj.

Przed rozpowszechnieniem dystrybucji energii ze stacji centralnych wiele fabryk, dużych hoteli, apartamentowców i budynków biurowych posiadało własne wytwarzanie energii. Często było to atrakcyjne z ekonomicznego punktu widzenia, ponieważ para odlotowa mogła być wykorzystywana do ogrzewania budynków i procesów przemysłowych,</ref>, które dziś znane jest jako kogeneracja lub skojarzona produkcja ciepła i energii (CHP). Większość energii wytwarzanej samodzielnie stała się nieopłacalna, gdy ceny energii spadły. Jeszcze na początku XX wieku izolowane systemy zasilania znacznie przewyższały liczebnie stacje centralne. Kogeneracja jest nadal powszechnie praktykowana w wielu gałęziach przemysłu, które wykorzystują duże ilości zarówno pary, jak i energii, takich jak przemysł celulozowo-papierniczy, chemiczny i rafineryjny. Ciągłe korzystanie z prywatnych generatorów elektrycznych nazywa się mikrogeneracją .

Silniki elektryczne prądu stałego

Pierwszy komutatorowy silnik elektryczny prądu stałego zdolny do obracania maszynami został wynaleziony przez brytyjskiego naukowca Williama Sturgeona w 1832 roku. Kluczowym postępem, jaki reprezentował on w porównaniu z silnikiem, zademonstrowanym przez Michaela Faradaya, było włączenie komutatora . Dzięki temu silnik Sturgeona był pierwszym zdolnym do zapewnienia ciągłego ruchu obrotowego.

Frank J. Sprague ulepszył silnik prądu stałego w 1884 r., rozwiązując problem utrzymania stałej prędkości przy zmiennym obciążeniu i zmniejszając iskrzenie ze szczotek. Sprague sprzedawał swój silnik za pośrednictwem Edison Co. Łatwo jest zmieniać prędkość za pomocą silników prądu stałego, co czyni je odpowiednimi do wielu zastosowań, takich jak elektryczne koleje uliczne, obrabiarki i niektóre inne zastosowania przemysłowe, w których pożądana była kontrola prędkości.

Prąd przemienny

Chociaż pierwsze elektrownie dostarczały prąd stały , dystrybucja prądu przemiennego wkrótce stała się najbardziej preferowaną opcją. Głównymi zaletami prądu przemiennego było to, że można go przekształcić na wysokie napięcie w celu zmniejszenia strat w przełożeniu, a silniki prądu przemiennego mogą z łatwością pracować ze stałymi prędkościami.

Technologia prądu przemiennego została zakorzeniona w odkryciu Michaela Faradaya z lat 1830–31, że zmieniające się pole magnetyczne może indukować prąd elektryczny w obwodzie .

Trójfazowe wirujące pole magnetyczne silnika prądu przemiennego . Każdy z trzech biegunów jest podłączony osobnym przewodem. Każdy przewód przenosi prąd o 120 stopni w fazie. Strzałki pokazują powstałe wektory siły magnetycznej. Prąd trójfazowy jest stosowany w handlu i przemyśle.

Pierwszą osobą, która wpadła na pomysł wirującego pola magnetycznego, był Walter Baily, który 28 czerwca 1879 roku dał londyńskiemu Towarzystwu Fizycznemu praktyczny pokaz swojego wielofazowego silnika zasilanego bateryjnie wspomaganego przez komutator . Prawie identyczny z aparatem Baily'ego, francuski inżynier elektryk Marcel Deprez w 1880 roku opublikował artykuł, w którym zidentyfikowano zasadę wirującego pola magnetycznego i dwufazowego systemu prądu przemiennego, który ją wytwarza. W 1886 roku angielski inżynier Elihu Thomson zbudował silnik prądu przemiennego, rozwijając zasadę indukcji i odpychania oraz swój watomierz .

W latach 80. XIX wieku technologia została opracowana komercyjnie do wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej na dużą skalę. W 1882 roku brytyjski wynalazca i inżynier elektryk Sebastian de Ferranti , pracujący dla firmy Siemens, współpracował z wybitnym fizykiem Lordem Kelvinem, aby stworzyć pionierską technologię zasilania prądem przemiennym, w tym wczesny transformator.

Transformator opracowane przez Lucien Gaulard i John Dixon Gibbs wykazano w Londynie w 1881 roku i przyciągnęła zainteresowanie Westinghouse . Wystawili również wynalazek w Turynie w 1884 roku, gdzie został on zaadoptowany do elektrycznego systemu oświetleniowego. Wiele z ich projektów zostało dostosowanych do konkretnych przepisów regulujących dystrybucję energii elektrycznej w Wielkiej Brytanii.

Sebastian Ziani de Ferranti wszedł w ten biznes w 1882 roku, kiedy założył w Londynie sklep projektujący różne urządzenia elektryczne. Ferranti od samego początku wierzył w sukces dystrybucji prądu przemiennego i był jednym z niewielu ekspertów w tym systemie w Wielkiej Brytanii. Z pomocą Lorda Kelvina , Ferranti był pionierem pierwszego generatora prądu zmiennego i transformatora w 1882 roku. John Hopkinson , brytyjski fizyk , wynalazł trójprzewodowy ( trójfazowy ) system dystrybucji energii elektrycznej, za który otrzymał patent w 1882 roku.

Włoski wynalazca Galileo Ferraris wynalazł wielofazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego w 1885 roku. Pomysł polegał na tym, że dwa przesunięte w fazie, ale zsynchronizowane prądy mogą być wykorzystane do wytworzenia dwóch pól magnetycznych, które można połączyć w celu wytworzenia pola wirującego bez potrzeby przełączania lub do ruchomych części. Innymi wynalazcami byli amerykańscy inżynierowie Charles S. Bradley i Nikola Tesla oraz niemiecki technik Friedrich August Haselwander . Udało im się przezwyciężyć problem uruchamiania silnika prądu przemiennego za pomocą wirującego pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd wielofazowy. Mikhail Dolivo-Dobrovolsky wprowadził pierwszy trójfazowy silnik indukcyjny w 1890 roku, znacznie bardziej wydajną konstrukcję, która stała się prototypem używanym w Europie i USA. W 1895 roku GE i Westinghouse miały na rynku silniki prądu przemiennego. Przy prądzie jednofazowym kondensator lub cewka (tworząca indukcyjność) mogą być użyte na części obwodu wewnątrz silnika, aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne. Wielobiegowe silniki prądu przemiennego, które mają oddzielnie okablowane bieguny, są od dawna dostępne, najczęściej są to silniki dwubiegowe. Prędkość tych silników zmienia się poprzez włączanie i wyłączanie zestawów biegunów, co zostało wykonane za pomocą specjalnego rozrusznika silnika dla większych silników lub prostego przełącznika wielokrotnej prędkości dla silników o ułamkowej mocy.

Elektrownie AC

Pierwszą elektrownię prądu przemiennego zbudował angielski inżynier elektryk Sebastian de Ferranti . W 1887 roku London Electric Supply Corporation zatrudniła Ferranti do zaprojektowania ich elektrowni w Deptford . Zaprojektował budynek, elektrownię i system dystrybucji. Został zbudowany w Stowage, miejscu na zachód od ujścia Deptford Creek, niegdyś używanego przez Kompanię Wschodnioindyjską . Zbudowany na bezprecedensową skalę i pionierski w użyciu wysokiego napięcia (10 000 V) prądu przemiennego, generował 800 kilowatów i zasilał centrum Londynu. Po ukończeniu w 1891 r. była to pierwsza naprawdę nowoczesna elektrownia, dostarczająca prąd przemienny wysokiego napięcia, który następnie został „wycofany” z transformatorów do użytku konsumenckiego na każdej ulicy. Ten podstawowy system jest nadal używany na całym świecie.

W Ameryce George Westinghouse, który zainteresował się transformatorem mocy opracowanym przez Gaularda i Gibbsa, zaczął opracowywać swój system oświetlenia AC, wykorzystując system transmisji z napięciem podwyższającym 20:1 z obniżaniem. W 1890 Westinghouse i Stanley zbudowali system do przesyłania energii na kilka mil do kopalni w Kolorado. Podjęto decyzję o zastosowaniu prądu przemiennego do przesyłu energii z Niagara Power Project do Buffalo w stanie Nowy Jork. Propozycje przedłożone przez dostawców w 1890 roku obejmowały systemy prądu stałego i sprężonego powietrza. Połączenie systemu DC i sprężonego powietrza było rozważane do końca harmonogramu. Pomimo protestów komisarza Niagara Williama Thomsona (Lord Kelvin) podjęto decyzję o budowie systemu prądu przemiennego, który został zaproponowany zarówno przez Westinghouse, jak i General Electric. W październiku 1893 Westinghouse otrzymał kontrakt na dostawę pierwszych trzech generatorów dwufazowych o mocy 5000 KM, 250 obr/min, 25 Hz. Elektrownia wodna została uruchomiona w 1895 roku i do tej pory była największą.

W latach 90. XIX wieku szybko wprowadzano prąd przemienny jednofazowy i wielofazowy. W USA do 1902 r. 61% mocy wytwórczych stanowiły prąd przemienny, a w 1917 r. wzrósł do 95%. .

Turbiny parowe

Sprawność napędów parowych w przetwarzaniu energii cieplnej paliwa na pracę mechaniczną była krytycznym czynnikiem w ekonomicznej pracy centralnych parowych elektrowni. Wczesne projekty wykorzystywały silniki parowe tłokowe , pracujące przy stosunkowo niskich prędkościach. Wprowadzenie turbiny parowej zasadniczo zmieniło ekonomikę pracy stacji centralnej. Turbiny parowe mogły być wykonane w większych ilościach niż silniki tłokowe i generalnie miały wyższą sprawność. Prędkość turbin parowych nie zmieniała się cyklicznie podczas każdego obrotu; umożliwienie pracy równoległej generatorów prądu przemiennego oraz poprawę stabilności przekształtników obrotowych do wytwarzania prądu stałego do zastosowań trakcyjnych i przemysłowych. Turbiny parowe pracowały z większą prędkością niż silniki tłokowe, nie ograniczone dopuszczalną prędkością tłoka w cylindrze. Dzięki temu były bardziej kompatybilne z generatorami prądu przemiennego z tylko dwoma lub czterema biegunami; między silnikiem a generatorem nie była potrzebna skrzynia biegów ani pasowy wzmacniacz prędkości. Kosztowne i ostatecznie niemożliwe było zapewnienie napędu pasowego pomiędzy silnikiem wolnoobrotowym a szybkoobrotowym generatorem o bardzo dużych wartościach wymaganych do obsługi stacji centralnej.

Nowoczesna turbina parowa została wynaleziona w 1884 roku przez Brytyjczyka Sir Charlesa Parsonsa , którego pierwszy model został podłączony do prądnicy generującej 7,5 kW (10 KM) energii elektrycznej. Wynalezienie turbiny parowej Parsona umożliwiło dostęp do taniej i obfitej energii elektrycznej. Turbiny Parsonsa zostały szeroko wprowadzone w angielskich stacjach centralnych przez 1894; pierwszą firmą dostarczającą energię elektryczną na świecie, która wytwarzała energię elektryczną za pomocą turbogeneratorów, była własna firma Parsons zajmująca się dostarczaniem energii elektrycznej Newcastle i District Electric Lighting Company , założona w 1894 roku. .

Turbina parowa Parsonsa z 1899 r. połączona bezpośrednio z dynamem

Pierwszymi turbinami amerykańskimi były dwie jednostki De Leval w Edison Co. w Nowym Jorku w 1895 roku. Pierwsza amerykańska turbina Parsonsa znajdowała się w Westinghouse Air Brake Co. niedaleko Pittsburgha .

Turbiny parowe miały również przewagę kosztową i eksploatacyjną nad silnikami tłokowymi. Kondensat z silników parowych był zanieczyszczony olejem i nie mógł być ponownie wykorzystany, natomiast kondensat z turbiny jest czysty i zazwyczaj jest ponownie wykorzystywany. Turbiny parowe stanowiły ułamek wielkości i masy porównywalnego silnika parowego tłokowego. Turbiny parowe mogą pracować przez lata prawie bez zużycia. Silniki parowe tłokowe wymagały dużej konserwacji. Turbiny parowe mogą być produkowane o wydajnościach znacznie większych niż jakiekolwiek silniki parowe, jakie kiedykolwiek wyprodukowano, co daje istotne korzyści skali .

Turbiny parowe mogą być budowane tak, aby działały na parze o wyższym ciśnieniu i temperaturze. Podstawową zasadą termodynamiki jest to, że im wyższa temperatura pary wprowadzanej do silnika, tym wyższa sprawność. Wprowadzenie turbin parowych spowodowało szereg ulepszeń w zakresie temperatur i ciśnień. Wynikająca z tego zwiększona sprawność konwersji obniżyła ceny energii elektrycznej.

Gęstość mocy kotłów została zwiększona poprzez zastosowanie wymuszonego powietrza spalania oraz sprężonego powietrza do podawania pyłu węglowego. Zmechanizowano i zautomatyzowano również przeładunek węgla.

Sieć elektryczna

To czarno-białe zdjęcie pokazuje robotników budowlanych podnoszących linie energetyczne obok torów kolejowych Toledo, Port Clinton, Lakeside Railroad torów na obszarach wiejskich.  Robotnicy używają wagonu kolejowego jako pojazdu do przewożenia zapasów i siebie w dół linii.  Został wykonany około 1920 roku.
Robotnicy budowlani podnoszący linie energetyczne, 1920

Dzięki realizacji przesyłu energii na duże odległości możliwe było połączenie różnych stacji centralnych w celu zrównoważenia obciążeń i poprawy współczynników obciążenia. Wzajemne połączenia stały się coraz bardziej pożądane, ponieważ elektryfikacja gwałtownie rosła na początku XX wieku.

Charles Merz z firmy konsultingowej Merz & McLellan zbudował w 1901 roku elektrownię Neptune Bank w pobliżu Newcastle upon Tyne , a do 1912 roku rozwinął się w największy zintegrowany system zasilania w Europie. W 1905 r. próbował wpłynąć na parlament, aby ujednolicić różne napięcia i częstotliwości w krajowym przemyśle energetycznym, ale dopiero po I wojnie światowej Parlament zaczął poważnie traktować ten pomysł, mianując go szefem komisji parlamentarnej do rozwiązania problemu . W 1916 roku Merz wskazał, że Wielka Brytania może wykorzystać swój niewielki rozmiar na swoją korzyść, tworząc gęstą sieć dystrybucyjną, aby skutecznie zasilać swój przemysł. Jego odkrycia doprowadziły do ​​powstania Raportu Williamsona z 1918 roku, który z kolei stworzył rachunek za dostawę energii elektrycznej z 1919 roku. Ustawa ta była pierwszym krokiem w kierunku zintegrowanego systemu elektroenergetycznego w Wielkiej Brytanii.

Bardziej znacząca ustawa o (dostawie) energii elektrycznej z 1926 r. doprowadziła do utworzenia sieci National Grid. Central Electricity Board standaryzowane narodu dostaw energii elektrycznej i ustanowił pierwszy zsynchronizowany sieci prądu zmiennego, bieg na 132 kV i 50 Hz . Ten zaczął działać jako system krajowy, National Grid , w 1938 roku.

W Stanach Zjednoczonych po kryzysie energetycznym latem 1918 r., w środku I wojny światowej, narodowym celem stało się konsolidacja dostaw. W 1934 r. ustawa o spółkach holdingowych użyteczności publicznej uznała przedsiębiorstwa energetyczne za ważne dobra publiczne wraz z przedsiębiorstwami gazowymi, wodociągowymi i telefonicznymi, a tym samym nakreślono ograniczenia i nadzór regulacyjny nad ich działalnością.

Elektryfikacja gospodarstw domowych

Elektryfikacja gospodarstw domowych w Europie i Ameryce Północnej rozpoczęła się na początku XX wieku w dużych miastach i na obszarach obsługiwanych przez koleje elektryczne i gwałtownie wzrosła do około 1930 roku, kiedy 70% gospodarstw domowych zostało zelektryfikowanych w USA

Obszary wiejskie zostały zelektryfikowane najpierw w Europie, aw USA Rural Electric Administration , założona w 1935 roku, doprowadziła do elektryfikacji obszarów wiejskich.

Historyczny koszt energii elektrycznej

Wytwarzanie energii elektrycznej na stacjach centralnych zapewniało moc wydajniej i taniej niż małe generatory. Koszty kapitałowe i operacyjne na jednostkę mocy były również tańsze w przypadku stacji centralnych. Koszt energii elektrycznej drastycznie spadł w pierwszych dekadach XX wieku z powodu wprowadzenia turbin parowych i poprawy współczynnika obciążenia po wprowadzeniu silników prądu przemiennego. Gdy ceny energii elektrycznej spadły, zużycie energii gwałtownie wzrosło, a stacje centralne zostały przeskalowane do ogromnych rozmiarów, tworząc znaczące korzyści skali. Koszt historyczny patrz Ayres-Warr (2002) Rys. 7.

Korzyści z elektryfikacji

Zalety oświetlenia elektrycznego

Bardzo pożądane było oświetlenie elektryczne. Światło było znacznie jaśniejsze niż lampy naftowe lub gazowe i nie było sadzy. Chociaż wczesna energia elektryczna była bardzo droga w porównaniu do dzisiejszej, była znacznie tańsza i wygodniejsza niż oświetlenie olejowe lub gazowe. Oświetlenie elektryczne było o wiele bezpieczniejsze niż olej czy gaz, że niektóre firmy były w stanie zapłacić za prąd z oszczędności ubezpieczeniowych.

Wstępna moc elektryczna

„Jednym z wynalazków najważniejszych dla klasy wysoko wykwalifikowanych robotników (inżynierów) byłaby mała siła napędowa – wahająca się być może od siły od połowy człowieka do siły dwóch koni, która mogłaby rozpocząć lub zakończyć swoje działanie w w krótkim czasie, nie wymagają poświęcania czasu na jego zarządzanie i są skromne zarówno w kosztach pierwotnych, jak i dziennych”. Karol Babbage, 1851

Młocarnia w 1881 roku.

Aby silniki parowe były wydajne, musiały mieć kilkaset koni mechanicznych. Silniki parowe i kotły również wymagały obsługi i konserwacji. Z tych powodów najmniejsze komercyjne silniki parowe miały około 2 koni mechanicznych. To było ponad potrzebę wielu małych sklepów. Ponadto mały silnik parowy i kocioł kosztują około 7000 dolarów, podczas gdy stary ślepy koń, który może rozwinąć 1/2 koni mechanicznych, kosztuje 20 dolarów lub mniej. Maszyny do zasilania koni kosztują 300 USD lub mniej.

Wiele wymagań dotyczących mocy było mniejszych niż u konia. Maszyny warsztatowe, takie jak tokarki do drewna, często napędzane były jedno- lub dwuosobową korbą. Domowe maszyny do szycia były napędzane pedałem nożnym; jednak fabryczne maszyny do szycia były napędzane parą z szybu linowego . Psy były czasami używane na maszynach takich jak bieżnia, którą można było przystosować do ubijania masła.

Pod koniec XIX wieku specjalnie zaprojektowane budynki energetyczne wynajmowały powierzchnię małym sklepom. Budynek ten dostarczał energię najemcom z silnika parowego przez szyby liniowe .

Silniki elektryczne były kilkakrotnie wydajniejsze niż małe lokomotywy parowe, ponieważ generacja stacji centralnej była bardziej wydajna niż małe lokomotywy parowe, a wały liniowe i pasy charakteryzowały się dużymi stratami tarcia.

Silniki elektryczne były bardziej wydajne niż ludzie lub zwierzęta. Wydajność konwersji paszy do pracy wynosi od 4 do 5% w porównaniu do ponad 30% energii elektrycznej wytwarzanej z węgla.

Ekonomiczny wpływ elektryfikacji

Elektryfikacja i wzrost gospodarczy są silnie skorelowane. W ekonomii wykazano, że wydajność wytwarzania energii elektrycznej koreluje z postępem technologicznym .

W USA w latach 1870-80 na każdą roboczogodzinę dostarczano 0,55 KM. W 1950 roku każda roboczogodzina zapewniała moc 5 KM, co stanowi 2,8% roczny wzrost, który w latach 1930-50 spadł do 1,5%. Okres elektryfikacji fabryk i gospodarstw domowych od 1900 do 1940 roku to okres wysokiej produktywności i wzrostu gospodarczego.

Większość badań dotyczących elektryfikacji i sieci elektrycznych koncentrowała się na krajach rdzenia przemysłu w Europie i Stanach Zjednoczonych. Gdzie indziej przewodowa energia elektryczna była często przenoszona przez obwody rządów kolonialnych. Niektórzy historycy i socjologowie rozważali wzajemne oddziaływanie polityki kolonialnej i rozwoju sieci elektrycznych: w Indiach Rao wykazał, że polityka regionalna oparta na lingwistyce — a nie względy techno-geograficzne — doprowadziła do stworzenia dwóch oddzielnych sieci; w kolonialnym Zimbabwe (Rodezja) Chikowero wykazał, że elektryfikacja miała podłoże rasowe i służyła społeczności białych osadników, z wyłączeniem Afrykanów; aw Mandate Palestine Shamir twierdził, że brytyjskie ustępstwa elektryczne na rzecz firmy należącej do syjonistów pogłębiły ekonomiczne dysproporcje między Arabami a Żydami.

Obecny zasięg elektryfikacji

Mapa świata przedstawiająca odsetek ludności w każdym kraju z dostępem do sieci elektrycznej , stan na 2017 r.
  80%–100%
  60%–80%
  40%-60%
  20%-40%
  0-20%

Chociaż elektryfikacja miast i domów istnieje od końca XIX wieku, około 840 milionów ludzi (głównie w Afryce) nie miało dostępu do sieci elektrycznej w 2017 roku, w porównaniu z 1,2 miliarda w 2010 roku.

Ostatni postęp w elektryfikacji miał miejsce w latach 50. i 80. XX wieku. Ogromny wzrost zaobserwowano w latach 70. i 80. – z 49 proc. światowej populacji w 1970 r. do 76 proc. w 1990 r. Ostatnie wzrosty były skromniejsze – na początku 2010 r. dostęp do elektryczności miało 81 do 83 proc. ludności świata.

Elektryfikacja dla zrównoważonej energii

Zelektryfikowany transport i ciepło to kluczowe elementy inwestycji na rzecz przejścia na energię odnawialną

Ponieważ czysta energia jest wytwarzana głównie w postaci energii elektrycznej, takiej jak energia odnawialna lub energia jądrowa , przejście na te źródła energii wymaga zelektryfikowania zastosowań końcowych, takich jak transport i ogrzewanie, aby światowe systemy energetyczne były zrównoważone.

Elektryfikacja transportu

Zrównoważona produkcja energii elektrycznej jest łatwiejsza niż zrównoważona produkcja paliw płynnych. Dlatego wprowadzenie pojazdów elektrycznych jest sposobem na uczynienie transportu bardziej zrównoważonym. Pojazdy wodorowe mogą być opcją dla większych pojazdów, które nie zostały jeszcze szeroko zelektryfikowane, takich jak ciężarówki dalekobieżne. Wiele technik potrzebnych do obniżenia emisji z żeglugi i lotnictwa jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju.

Elektryfikacja ogrzewania

Duża część światowej populacji nie może pozwolić sobie na wystarczające chłodzenie swoich domów. Oprócz klimatyzacji , która wymaga elektryfikacji i dodatkowego zapotrzebowania na energię, potrzebne będzie projektowanie budynków pasywnych i planowanie urbanistyczne, aby zapewnić zrównoważone zaspokojenie potrzeb związanych z chłodzeniem. Podobnie wiele gospodarstw domowych w krajach rozwijających się i rozwiniętych cierpi z powodu ubóstwa energetycznego i nie jest w stanie wystarczająco ogrzać swoich domów. Istniejące praktyki grzewcze często powodują zanieczyszczenie.

Kluczowym zrównoważonym rozwiązaniem ogrzewania jest elektryfikacja (pompy ciepła lub mniej wydajny grzejnik elektryczny ). IEA szacuje, że pompy ciepła zaspokajają obecnie tylko 5% zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń i wody na całym świecie, ale mogą zapewnić ponad 90%. Zastosowanie gruntowych pomp ciepła nie tylko zmniejsza całkowite roczne obciążenia energetyczne związane z ogrzewaniem i chłodzeniem, ale także spłaszcza krzywą zapotrzebowania na energię elektryczną, eliminując ekstremalne letnie szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Przejście z gazu ziemnego

W celu zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych zwolennicy ochrony środowiska proponują całkowite odejście od gazu ziemnego do gotowania i ogrzewania, zastępując go energią elektryczną wytwarzaną ze źródeł odnawialnych. Niektóre miasta w Stanach Zjednoczonych zaczęły zabraniać podłączania gazu do nowych domów, uchwalono przepisy stanowe i rozważa się, czy będą wymagać elektryfikacji, czy zakazać lokalnych wymagań. Rząd Wielkiej Brytanii eksperymentuje z elektryfikacją do ogrzewania domów, aby spełnić swoje cele klimatyczne. Ogrzewanie ceramiczne i indukcyjne do płyt kuchennych, a także zastosowania przemysłowe (na przykład krakersy parowe) to przykłady technologii, które można wykorzystać do odejścia od gazu ziemnego.

Odporność energetyczna

Hybrydowy system zasilania

Elektryczność jest „lepką” formą energii, ponieważ ma tendencję do pozostawania na kontynencie lub wyspie, na której jest produkowana. Jest również pozyskiwany z wielu źródeł; jeśli w jednym źródle występuje niedobór, energię elektryczną można wytwarzać z innych źródeł, w tym ze źródeł odnawialnych . W efekcie w dłuższej perspektywie jest to stosunkowo wytrzymały środek przesyłu energii. W krótkim okresie, ponieważ energia elektryczna musi być dostarczana w tym samym momencie, w którym jest zużywana, jest ona nieco niestabilna w porównaniu z paliwami, które można dostarczyć i przechowywać na miejscu. Można to jednak złagodzić poprzez magazynowanie energii w sieci i generację rozproszoną .

Zarządzanie zmiennymi źródłami energii

Energia słoneczna i wiatrowa to zmienne odnawialne źródła energii , które dostarczają energię elektryczną z przerwami w zależności od pogody i pory dnia. Większość sieci elektrycznych została zbudowana dla źródeł energii o charakterze nieprzerwanym, takich jak elektrownie węglowe. Ponieważ do sieci włączane są większe ilości energii słonecznej i wiatrowej, należy wprowadzić zmiany w systemie energetycznym, aby zapewnić dopasowanie dostaw energii elektrycznej do zapotrzebowania. W 2019 r. źródła te wytworzyły 8,5% światowej energii elektrycznej, a udział ten szybko wzrósł.

Istnieje wiele sposobów na uelastycznienie systemu elektroenergetycznego. W wielu miejscach produkcja wiatru i energii słonecznej uzupełnia się w skali dziennej i sezonowej: więcej wiatru wieje w nocy i zimą, kiedy produkcja energii słonecznej jest niska. Łączenie różnych regionów geograficznych za pomocą długodystansowych linii przesyłowych pozwala na dalsze eliminowanie zmienności. Zapotrzebowanie na energię można przesunąć w czasie poprzez zarządzanie zapotrzebowaniem na energię i wykorzystanie inteligentnych sieci , dopasowując się do czasów, w których zmienna produkcja energii jest najwyższa. Dzięki magazynowaniu energia wytworzona w nadmiarze może zostać uwolniona w razie potrzeby. Budowanie dodatkowej zdolności do wytwarzania energii wiatrowej i słonecznej może pomóc w zapewnieniu wystarczającej ilości energii elektrycznej nawet podczas złej pogody; w czasie optymalnej pogody konieczne może być ograniczenie wytwarzania energii . Ostateczne niedopasowanie można pokryć, wykorzystując dyspozycyjne źródła energii, takie jak energia wodna, bioenergia czy gaz ziemny.

Magazynowanie energii

patrz podpis
Budowa zbiorników soli do magazynowania energii cieplnej

Magazynowanie energii pomaga przezwyciężyć bariery dla nieciągłej energii odnawialnej, a zatem jest ważnym aspektem zrównoważonego systemu energetycznego. Najczęściej stosowaną metodą magazynowania jest elektrownia szczytowo-pompowa , która wymaga lokalizacji o dużych różnicach wysokości i dostępu do wody. Baterie , a w szczególności baterie litowo-jonowe , są również szeroko stosowane. Zawierają one kobalt , który jest w dużej mierze wydobywany w Kongo , regionie niestabilnym politycznie. Bardziej zróżnicowane źródła geograficzne mogą zapewnić stabilność łańcucha dostaw, a ich wpływ na środowisko można ograniczyć poprzez downcykling i recykling. Baterie zazwyczaj przechowują energię elektryczną przez krótkie okresy; trwają badania nad technologią o wystarczającej wydajności, aby przetrwać sezony. W niektórych lokalizacjach wdrożono elektrownie szczytowo-pompowe i power-to-gas z możliwością wielomiesięcznego użytkowania.

Od 2018 r. magazynowanie energii cieplnej zwykle nie jest tak wygodne, jak spalanie paliw kopalnych. Wysokie koszty początkowe stanowią barierę dla wdrożenia. Sezonowe magazynowanie energii cieplnej wymaga dużej pojemności; został wdrożony w niektórych regionach o dużych szerokościach geograficznych w celu ogrzewania gospodarstw domowych.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki