Prąd stały przyszłością elektroenergetyki

Koniec 19. wieku był czasem prawdziwej wojny pomiędzy Tomaszem Edisonem i Mikołajem Teslą o to, jaka miałaby być przyszłość elektroenergetyki. Edison był zwolennikiem prądu stałego, zaś Tesla – przemiennego.

Prąd przemienny ma zalety. Wśród nich jest po pierwsze - łatwość wytwarzania energii elektrycznej w generatorach synchronicznych w różnego typu elektrowniach, od spalinowych, poprzez wodne, aż do atomowych, a po drugie - łatwość zmiany w obie strony (zwiększanie oraz zmniejszanie) napięcia energii elektrycznej dzięki transformatorom o prostej konstrukcji. Zmiana napięcia jest bardzo istotna w procesie przesyłania energii elektrycznej na większe odległości. Im wyższe napięcie, tym mniejsze straty na ciepło wydzielane w przewodach. Wymienione dwie cechy energii elektrycznej prądu przemiennego, na przełomie 19. i 20. wieku były bardzo istotne. A i dziś, po ponad 100 latach, nadal nie są bez znaczenia.

Te zalety sprawiły, że to właśnie prąd przemienny króluje w elektroenergetyce całego świata. Jest to prąd trójfazowy. Warto tu wspomnieć o wynalazcy polskiego pochodzenia, który był pionierem techniki trójfazowej. Michał Doliwo-Dobrowolski, bo o nim mowa, w 1888 roku, jeszcze przed Teslą, wybudował prądnicę trójfazowego prądu przemiennego, a w 1889 roku także trójfazowy silnik indukcyjny z wirnikiem klatkowym. Był także twórcą trójfazowego transformatora i kilku innych wynalazków.

Mimo że przesył energii o wysokim napięciu pod postacią prądu stałego jest skuteczniejszy niż w przypadku prądu przemiennego, to jednak nadal rzadko się stosuje linie stałoprądowe wysokich napięć (HVDC) oraz ultra wysokich napięć (UHVDC). Takie linie są niezastąpione, przy skrajnie dużych odległościach przesyłu, i głównie tu właśnie na razie znajdują swoje zastosowanie. Każda linia stanowi kondensator (przewody linii są okładkami tego kondensatora). Im większa długość linii napowietrznej, tym większa jego elektryczna pojemność. Pojemność ta szczególnie rośnie, w przypadku kabla izolowanego, gdzie przewody biegną blisko siebie (np. kable podmorskie), a izolacja, dzięki swojej znacznie większej od powietrza przenikalności elektrycznej (tzw. stałej dielektrycznej), dodatkowo zwiększa pojemność elektryczną. Tak więc jeśli przewodem przepływa prąd przemienny, to w miarę wzrostu długości kabla, coraz większa część energii zwierana jest tą pojemnością. Kabel naprzemiennie ładuje się jedną polaryzacją i tyleż samo razy - polaryzacją przeciwną. Kabel stałoprądowy nie wykazuje wady ustawicznego „ładowania kabla”. W tym przypadku ładuje się on tylko raz przy podaniu napięcia na kabel, i rozładowuje się także tylko raz przy zaprzestaniu jego wykorzystania. Dodatkowo, przy prądzie zmiennym, a przy przemiennym w szczególności, napięcie skuteczne stanowi zawsze tylko część napięcia maksymalnego. W prądzie przemiennym napięcie maksymalne występuje okresowo i okresowo opada do zera. W naszej części świata, ma to miejsce 100 razy na sekundę. Przy prądzie stałym, dopuszczalne przez kabel (linię) maksymalne napięcie występuje bez przerwy. Ma to oczywisty związek z przenoszoną przez linię mocą.

A jeśli już mowa o pojemności kabla transmitującego energię, to o ile przy prądzie przemiennym pojemność ta jest szkodliwa, gdyż de facto częściowo „zwiera” żyły linii dla prądu zmiennego, to przy prądzie stałym pojemność kabla jest korzystna, gdyż stabilizuje napięcie linii. Prąd stały ma jeszcze jedną zaletę. Najłatwiej go, zależnie od sytuacji, pobierać i/lub oddawać do sieci z lokalnych źródeł energii, gdyż bez potrzeby synchronizowania faz. Łatwo go też magazynować niemalże w dowolnym miejscu i w wieloraki sposób. Najintensywniejszy postęp w metodach magazynowania energii elektrycznej dotyczy właśnie prądu stałego. A choćby w superkondensatorach i ultrakondensatorach.

Na początku rozwoju elektroenergetyki, istotną barierą dla popularyzacji prądu stałego forsowanego przez Edisona, była niemożność zmiany wartości napięcia i większe problemy ze stałoprądowymi maszynami elektrycznymi, zarówno generatorami jak i silnikami.

Dziś, w miarę rozwoju technologii, te niegdysiejsze problemy stopniowo odchodzą w przeszłość. Dziś tanio można prostować prąd przemienny, jak i przeciwnie - przekształcać prąd stały na przemienny. Mało tego, można tego dokonywać zarówno przy małych, jak i przy ogromnych napięciach i ogromnych mocach. Stosowane są wysokonapięciowe półprzewodnikowe przekształtniki AC/DC wielkich mocy, pracujące w obie strony.

Przy pomocy takich urządzeń i linii prądu stałego, obecnie włącza się w krajowe systemy energetyczne, elektrownie znacznie oddalone od miejsc odbioru energii elektrycznej, lub łączy się sieci energetyczne poszczególnych krajów, we wspólne systemy nie troszcząc się o konieczność synchronizacji sieci zmiennoprądowych, a także o wahania napięcia linii w ogólności (zmiennoprądowych i staloprądowych). Przekształtniki - przeciwnie jak transformatory - potrafią pracować przy dużej rozpiętości napięcia na wejściu, utrzymując stałą wartość napięcia na wyjściu.

Falownik w wydaniu mikro, z prądu stałego lub przemiennego, może wyprodukować prąd przemienny jednofazowy lub trójfazowy o dowolnej częstotliwości i dowolnych innych parametrach. Może więc być np. regulatorem obrotów trójfazowego silnika synchronicznego, a także nowoczesnego silnika BLDC.

Nawet współczesny zwykły zasilacz domowego urządzenia elektronicznego, np. telefonu komórkowego, zawiera w sobie prostownik przemiennego napięcia sieciowego, następujący po nim falownik trądu przemiennego o wysokiej częstotliwości, przetwarzający energę sieci energetycznej na inne napięcie, i kolejny prostownik, dla uzyskania napięcia stałego o małej wartości, np. 5V. Współczesny zasilacz, przeciwnie do dawnego zasilacza transformatorowego, nie wymaga od sieci zasilającej prądu przemiennego.

Możliwości technologiczne w wytwarzaniu sprawnych półprzewodnikowych przekształtników AC/DC, DC/AC i DC/DC dowolnych mocy i o dowolnych innych parametrach sprawiają, że dziś już możnaby bez większych problemów zrezygnować z prądu przemiennego, używając wyłącznie prądu stałego, i to począwszy od wspomnianej powyżej skali makro (przesył energii liniami ultra wysokiego i wysokiego napięcia z elektrowni do centralnego systemu energetycznego), poprzez skalę pośrednią (linie średniego napięcia MVDC), aż do skali podstawowej (linie niskiego napięcia dostarczające energię do naszych mieszkań LVDC). Również w skali mikro, każde urządzenie domowe mogłoby korzystać z prądu stałego. Nawet stare zmiennoprądowe urządzenia możnaby zasilać dzięki lokalnym falownikom.

Wydaje się, że stały prąd jest przyszłością elektroenergetyki. Tomasz Edison pośmiertnie triumfuje, zaś Mikołaj Tesla przewraca się w grobie. Choć z drugiej strony, obaj mieli rację, bo byłaby niemożliwa skuteczna i oszczędna zmiana wartości napięcia stałego, choćby w domowym zasilaczu telefonu czy telewizora, bez pośrednictwa prądu przemiennego w wysokosprawnej i zminiaturyzowanej przetwornicy ukrytej wewnątrz zasilacza.

Zupełnie poważne przymiarki do upowszechnienia energetyki prądu stałego, mają dziś miejsce w USA. Zapewne nie bez znaczenia są doświadczenia tam zbierane przy okazji popularyzacji stacji ładowania prądem stałym, coraz popularniejszych, nie tylko zresztą na rynku amerykańskim, pojazdów elektrycznych. W stałoprądowych ładowarkach pojazdów są na przykład zastosowane nieodzowne przy prądzie stałym zabezpieczenia przeciwko zapalaniu się łuku elektrycznego na złączach i wyłącznikach, oraz dodatkowe zabezpieczenia przeciwporażeniowe, poza takimi, jakie stosuje się przy prądzie przemiennym, jako że porażenie prądem stałym może być groźniejsze w skutkach niż przemiennym, choć z drugiej strony uznane za bezpieczne dotykowe napięcie przemienne w normalnych suchych warunkach wynosi 50 V, zaś stałe - aż 120 V. Ta ostatnia okoliczność ma niejaki związek ze stosowanym historycznie w Ameryce Północnej napięciem energetycznej stałoprądowej sieci Tomasza Edisona. Prąd stały o tym napięciu, do którego były dostosowane ówczesne żarówki, rekomendowany był przez ich twórcę, jako bezpieczny w użytkowaniu. Przejście w energetyce, z zachowaniem tego samego napięcia, na prąd przemienny Mikołaja Tesli, spowodowało utratę tej cechy.

Właśnie dzięki stałoprądowym ładowarkom pojazdów elektrycznych, już dziś ma miejsce wprowadzenie do przestrzeni użytkowej człowieka, energii pod postacią prądu stałego. Wydaje się więc jedynie kwestią czasu, gdy stopniowo zadomowi się ona nie tylko w naszych garażach, ale przeniknie do przestrzeni mieszkalnej, zasilając stopniowo coraz większą liczbę domowych odbiorników energii.

Obecnie jest już najwyższy czas na opracowanie standardu domowego uniwersalnego złącza prądu stałego. Im wcześniej podejmie się kroki normalizacyjne, tym większa szansa, że tym razem będzie to jeden rodzaj złącza oraz wspólnie uzgodnione wszelkie istotne parametry zasilania DC, obowiązujące na całym świecie.

 

Ostatnia aktualizacja strony: 2019-02-14
strona główna