Elektroenergetika

Izvor: Wikipedia Rojalista
Idi na: navigacija, traži
Parna turbina se koristi za dobijanje električne energije.

Elektroenergetika je podoblast elektrotehnike koja se bavi proizvodnjom, prenosom i distribucijom električne energije, kao i električnim uređajima priključenim na takve sisteme, kao što su električni generatori, elektromotori, transformatori i uređaji energetske elektronike. Iako je veći dio ove oblasti usredsređen na trofazne naizmjenične sisteme koji su standard za prenos i distribuciju, značajan dio oblasti bavi se konverzijom između jednosmjerne i naizmjenične struje, kao i razvojem specijalizovanih sistema koji se koriste u avionima i za električnu željeznicu.

Istorija

Elektricitet je postao predmetom interesovanja naučnika krajem XVII vijeka uz radove Williama Gilberta. Tokom naredna dva vijeka načinjena su važna otkrića poput inkadescentne sijalice (sijalice sa užarenim vlaknom) i Voltinog stuba. Najveće otkriće u elektroenergetici bilo je otkriće Michaela Faradaya iz 1831, koji je dokazao da promjena magnetnog fluksa indukuje elektromotornu silu u namotaju žice, princip poznat kao elektromagnetna indukcija i koji objašnjava rad generatora/elektromotora i transformatora.

Godine 1882 Thomas Alva Edison i njegova kompanija grade prvu elektranu na svijetu, u ulici Perl u New Yorku. U toj elektrani je radilo nekoliko generatora koje su pokretale parne turbine i koji su u početku opsluživali oko 3000 sijalica za 59 potrošača.[1][2] Elektrana je proizvodila jednosmjernu struju, a kako u to vreme jednosmjerna struja nije mogla biti transformisana na viši naponski nivo u cilju smanjenja gubitaka tokom prenosa, najveća udaljenost od generatora do prijemnika je bila oko 800 m.[3]

U Londonu su iste godine Lucien Gaulard i John Dixson Gibbs predstavili prvi transformator koji se mogao koristiti u mreži. Praktična vrijednost Gaulard-Gibbsovog transformatora bila je prikazana 1884 u Torinu, gde je taj transformator korišten za osvjetljavanje oko 40 km pruge energijom iz jednog generatora naizmjenične struje.[4] Uprkos uspjehu tog sistema, njih dvojica su napravili i nekoliko grešaka od kojih je najveća to što je primare transformatora vezao na red, tako da je uključenje ili isključenje jedne lampe uticalo na ostale lampe u liniji budući da transformatori nisu bili jednako opterećeni. Nakon demonstracije, američki preduzetnik George Westinghouse je kupio nekoliko transformatora i Simensov generator, te naložio svojim inženjerima da eksperimentišu u nadi da će ih poboljšati za upotrebu u komercijalnim energetskim sistemima.

Nikola Tesla

William Stanley Jr., jedan od Westinghousovih inženjera, uočio je da je problem u vezivanju na red, i došao do zaključka da će gvozdeno jezgro oko kog bi se namotali primarni i sekundarni namotaji smanjiti gubitke usljed rasipanja fluksa. S ovim idejama, Stanley 1886 konstruiše napredniji transformator za naizmjenične mreže.[5] Nikola Tesla je tokom 1887-1888 patentirao niz pronalazaka uključujući patent za dvofazni asinhroni motor. Iako se Tesli ne mogu pripisati zasluge za izgradnju prvog asinhronog motora, njegov dizajn motora je, za razliku od drugih, bio praktičan za industrijsku upotrebu.[6]

Do 1890-ih proizvodnja električne energije je uzela maha, a kompanije su izgradile na hiljade električnih mreža za jednosmjernu i naizmjeničnu struju) u Sjedinjenim Državama i u Evropi, koje su uglavnom bile posvećene obezbjeđivanju električne energije za rasvjetu. Tokom ovog perioda izbija oštar sukob između Edisona s jedne, i Westinghousa i Tesle s druge strane, poznat kao Rat struja (eng. War of currents), oko toga koji je način prenosa bolji - jednosmjernom ili naizmjeničnom strujom. Godine 1891 Westinghouse je izgradio prvu mrežu koja je bila projektovana da pogoni i elektromotore a ne da samo obezbjeđuje električno osvjetljenje. Ta mreža je napajala sinhroni motor u Teluridu, Colorado SAD, koji je motor startovao Teslin asinhroni motor.[7] Na drugoj strani Atlantskog okeana, Oscar von Miller je sagradio trofaznu električnu mrežu naponskog nivoa 20kV, dugu 176km - od Laufen am Nekara do Frankfurta na Meini.[8] Godine 1895, nakon dugotrajnog razmatranja, odlučeno je da se od hidroelektrane na Nijagarinim vodopadima prenosi električna energija preko trofazne mreže naizmjenične struje naponskog nivoa do 11kV do grada Buffala, New York SAD. Nakon završetka ove hidroelektrane, za nove električne mreže se sve češće uzimala naizmjenična struja.

Iako su zadnje dvije decenije XIX vijeka bile ključne u razvoju elektroenergetike, njen razvoj se nastavio i u XX i XXI vijeku. Godine 1936 puštena je prva HVDC linija koja je koristila diode na bazi živinog luka, a povezivala je Schenectady i Mechanicville, New York SAD. HVDC je prethodno bio postizan vezivanjem generatora jednosmjerne struje na red, mada je ovaj sistem trpio zbog male pouzdanosti.[9] Godine 1957 kompanija Siemens predstavlja prvi ispravljač na bazi poluprovodnika (koji su danas standard u HVDC sistemima), međutim sve do početka 1970-ih ta tehnologija nije bila korištena u komercijalnim električnim mrežama.[10] Godine 1959 kompanija Westinghouse predstavlja prvi prekidač na gas (sumpor heksafluorid) SF6 kao medijum u kom se odvija prekidanje i gašenje električnog luka.[11] SF6 je daleko bolji dielektrik od vazduha, a njegova upotreba je znatno smanjila dimenzije prekidača i transformatora.[12][13] Mnoga važna unapređenja su došla iz polja informacionih tehnologija i telekomunikacija. Npr. razvoj računara je omogućio da se proračun tokova snaga vrši brže, što je omogućilo bolje planiranje električnih mreža. Napredak u informacionim tehnologijama i telekomunikacijama je omogućio i daljinsku kontrolu nad generatorima i prekidačima.

Energija

Elektroenergetika se bavi proizvodnjom, prenosom i distribucijom električne energije, kao i projektovanjem širokog spektra srodnih uređaja. Tu spadaju transformatori, električni generatori, elektromotori i uređaji energetske elektronike.

U mnogim zemljama država je vlasnik električne mreže koja povezuje brojne generatore sa prijemnicima. Korisnici kupuju električnu energiju iz električne mreže kako bi izbjegli velike troškove proizvodnje sopstvene električne energije. Inženjeri elektroenergetike takođe rade na projektovanju i održavanju električne mreže kao i sistema koji su povezani na mreže. Takvi sistemi mogu predavati mreži dodatnu električnu energiju, uzimati električnu energiju iz mreže, ili raditi i jedno i drugo. Inženjeri elektroenergetike mogu takođe raditi na sistemima koji se ne povezuju na električnu mrežu i koriste tamo gdje povezivanje na mrežu nije poželjno, kao npr. u udaljenim rudnicima gdje može biti jeftinije za rudnik da sam proizvodi električnu energiju za potrebe proizvodnje nego da kupuje energiju iz mreže.

Danas većina mreža koristi trofazni sistem naizmjenične struje. Ovakav izbor se djelimično pripisuje lakoći kojom se ovaj tip električne energije može proizvoditi, transformisati i koristiti. Ponekad se, naročito u SAD, mreža iz ekonomskih razloga podijeli prije nego što stigne do stanova, čiji se mali zahtjevi za snagom mogu zadovoljiti monofaznom mrežom. Međutim, industrija prednost daje trofaznim mrežama pošto one mogu pogoniti efikasne i jeftine motore kao što su trofazni asinhroni motori.

Transformatori imaju važnu ulogu u prenosu električne energije, jer omogućuju transformaciju električne energije tako što spuštaju/podižu vrijednost električnog napona, a podižu/spuštaju jačinu električne struje. Ovo je vrlo važno jer se na višim strujnim naponima ista snaga prenosi uz manji protok struje, što povlači manje gubitke tokom prenosa. Ti gubici su prema Jouleovom zakonu jednaki proizvodu kvadrata vrijednosti električne struje i vrijednosti električne otpornosti.

Iz tih razloga, duž prenosne mreže postoje razvodna postrojenja u kojim se napon podiže prije prenosa a nakon prenosa se spušta na vrijednosti pogodne za upotrebu.

Proizvodnja električne energije

Hidroelektrana Đerdap.

Proizvodnja električne energije je proces kojim se druge vrste energije transformišu u električnu. Postoje nekoliko različitih procesa transformacije, kao što su hemijski, fotonaponski i elektromehanički. Elektromehanička konverzija energije se koristi za dobijanje električne energije iz uglja, nafte, prirodnog gasa, uranijuma, vode, te vjetra. Svi ovi procesi elektromehaničke konverzije, osim konverzije energije vjetra, koriste sinhrone generatore koje pokreću parne, gasne ili vodene turbine, a koje pretvaraju energiju vodene pare, prirodnog gasa i vode u rotacionu energiju, da bi potom rotacionu energiju generatori pretvarali u električnu. Ovaj proces je najekonomičniji i stoga se najčešće i susreće u elektroenergetici.

Pošto će svjetske zalihe uglja, nafte i prirodnog gasa biti iscrpljene u budućosti, kao i zbog ekoloških problema oko nuklearnih elektrana, u svijetu je naglasak stavljen na proizvodnju tzv. čiste energije tj. energije iz obnovljivih izvora, kao što su energije vjetra i Sunca. Međutim sistemi za vjetroenergiju su se pokazali neisplativi za male zemlje, pa su čak i u ekonomski kao i vjetrom bogatoj Holandiji, proglašeni neuspjehom. Danas vjetroenergiju uglavnom zagovaraju njemački i danski koncerni proizvođača vjetroturbina, iza kojih subvencijama za tzv. čiste energije stoje njihove bogate države. Stoga mnogi vjetroenergetiku vide kao vid neokolonijalizma u zemljama s izraženom korupcijom lokalnih političara.

Npr. njemački Siemens je više puta kažnjavan velikim novčanim kaznama za svoju poluzvaničnu politiku podmićivanja stranih političara. I mnogi drugi zapadni koncerni s vremena na vrijeme takođe plate visoke kazne za širenje korupcije u trećim zemljama, ali to bitno ne mijenja neokolonijalnu prirodu njihove uloge, naprotiv to je vrsta amnestiranja pranjem nečiste savjesti.

Prenos električne energije

Dalekovodi prenose električnu energiju duž električne mreže.

Električna energija se od elektrana do potrošača prenosi prenosnom mrežom. Prenosna mreža je složena veza sa petljastom topološkom strukturom, koja omogućuje posrednu ili neposrednu vezu svake elektrane sa svakim potrošačem, čak i u slučaju ispada bilo kog elementa prenosne mreže. Prenosni sistem je visoko automatizovani sistem, kako u pogledu razvodnih postrojenja tako i u pogledu vodova.

Prenosne mreže mogu se graditi kao podzemne ili nadzemne. Podzemne kablovske mreže koriste se u urbanim sredinama, gdje je primjena nadzemnih vodova preskupa ili neizvodiva. Takođe se koriste i u prenosu energije ispod rijeka, jezera ili zaliva. Nadzemne prenosne mreže se koriste na ostalim mjestima jer su za isti naponski nivo one jeftinije od kablova.

Unutar razvodnog postrojenja nalazi se oprema kao što su transformatori, releji i prekidači. Transformatori prenose električnu energiju iz prenosne mreže jednog u prenosnu mrežu drugog naponskog nivoa. Releji se koriste kao zaštitna oprema, i oni signaliziraju prekidačima akcije kad ulazni napon pređe ili padne ispod određenog nivoa. Osim zaštitne uloge, prekidači služe i za normalno isključivanje prenosne mreže kad se vrše radovi na njoj.


Distribucija električne energije

Razvodno postrojenje

Distributivni sistem prenosi električnu energiju od prenosne mreže do neposrednih prijemnika. Distributivni sistemi obično imaju radijalnu topologiju, jer su sistemi sa upetljanom topologijom mnogo skuplji i kompleksniji. Ipak, dijelovi distributivne mreže se prave sa upetljanom tehnologijom radi sigurnosti u napajanju potrošača iz više izvora ukoliko dođe do ispada dijela mreže usljed kvara. Distributivna trgovina električnom energijom se može shvatiti kao maloprodaja energije, i odvija se na nižim naponima, dok se prenosna mreža može shvatiti kao veletrgovina (između proizvođača i distribucija) i odvija se na znatno višim naponima, obično 110kV i više.

Bosanska elektronergetika

Od svih ilirskih provincija, Bosna je lider u proizvodnji i izvozu električne energije, s preko 250 miliona KM vrijednosti izvezene struje u 2013.[14] Bosanska elektroenergetika zasniva se uglavnom na iskorištavanju hidroenergetskih (rijeke tj. vještačka akumulaciona jezera), te termoenergetskih (rudnici uglja i dr.) potencijala. Neiskorišteno je oko polovine hidropotencijala, kao i preko polovine termopotencijala.

Od ostalih značajnih energetskih sektora u Bosni, tu je i veliki potencijal za iskorištenjem geotermalne energije, kao energenta budućnosti u tektonski aktivnim zemljama. Npr. cijeli grad San Francisco u Kaliforniji, SAD, napaja se električnom energijom iz samo jedne i to geotermalne elektrane, a koja koristi geotermalni potencijal iz San Andreas aktivnog tektonskog rasjeda. Nažalost, geoenergetika u Bosni je potpuno zapostavljena tj. neiskorištena u stopostotnom obimu.

Alternativni izvori poput vjetroenergije nisu isplativi za manje zemlje kao što je Bosna. Vjetroenergetiku u ilirskim zemljama uglavnom zagovara Vlada Njemačke, koja kreditima jednom od najvećih svjetskih proizvođaču takvih postrojenja njemačkom Siemensu, kao i pritiscima odnosno korupcijom političke elite u svijetu, nastoji ostvariti veliku dobit dugoročnim obvezivanjem zemalja-meta. Korumpirani političari potom u zamjenu za procenat od vrijednosti ugovora, uvode svoje zemlje u dužničko ropstvo. Međutim vjetroelektrane su preskupe za male zemlje, a usljed čestih kvarova i nepristupačnog terena i samo održavanje tih elektrana često premašuje profit. Tako vjetroenergetika u malim ekonomijama kao što je bosanska, ali i inače ekonomijama podijeljenih ilirskih zemalja, ne može postati samoodrživa i u pravilu je neprofitabilna.

Solarna energija u makroekonomskim razmjerama ne igra značajnu ulogu, ali je od koristi kao individualno rješenje za domaćinstva, odnosno kao rješenje za izolovane manje zajednice ili naselja.


Reference

  1. Edison Lights The City.
  2. The Birth of NFPA.
  3. New York Independent System Operator. Bulk Electricity Grid Beginnings. Press release. Retrieved on 25.5.2008.
  4. Lucien Gaulard.
  5. Alternating Current Electrification, 1886.
  6. Petar Miljanic, Tesla's Polyphase System and Induction Motor, Serbian Journal of Electrical Engineering, p121-130, Vol. 3, No. 2, November 2006.
  7. The Day They Turned The Falls On.
  8. Voith Siemens (company) (01. 02. 2007.). HyPower, p. 7.
  9. A Novel but Short-Lived Power Distribution System.
  10. Gene Wolf. "Electricity Through the Ages", Transmission & Distribution World, 1.12.2000. 
  11. John Tyner, Rick Bush and Mike Eby. "A Fifty-Year Retrospective", Transmission & Distribution World, 01.11.1999. 
  12. Gas Insulated Switchgear.
  13. SF6 Transformer.
  14. Bosna regionalni lider u izvozu električne energije.