Generarea electricității (Centrale electrice)

(Barajele mari, cum ar fi Barajul Three Gorges din China, pot furniza cantitati mari de energie hidroelectrica si au o capacitate de 22,5 GW.)

Generarea de electricitate este procesul de generare a energiei electrice din surse de energie primară. Pentru utilitățile electrice din industria energiei electrice, este prima etapă în livrarea de energie electrică către utilizatorii finali, celelalte etape fiind transportul, distribuția, stocarea și recuperarea energiei, folosind metode de stocare prin pompare.

O caracteristică a energiei electrice este că nu este o energie primară prezentă liber în natură în cantități remarcabile și trebuie să fie produsă. Producția se realizează în centralele electrice. Electricitatea este cel mai adesea generată la o centrală electrică de generatori electromecanici, în principal acționați de motoare termice alimentate prin combustie sau fisiune nucleară, dar și prin alte mijloace, cum ar fi energia cinetică a apei și a vântului. Alte surse de energie includ celulele solare fotovoltaicele și energia geotermală.

 (Diagrama unui sistem de energie electrică cf. standardelor SUA, sistemul de generare este în roșu)

Istorie

Principiile fundamentale ale generării de energie electrică au fost descoperite în anii 1820 și începutul anilor 1830 de către omul de știință britanic Michael Faraday. Metoda sa, folosită astăzi, este ca energia electrică să fie generată de mișcarea unei bucle de sârmă sau a unui disc de cupru între polii unui magnet. Centralele electrice au devenit practice din punct de vedere economic prin dezvoltarea transmisiei de curent alternativ, folosind transformatoare de putere pentru a transmite puterea la tensiuni înalte și cu pierderi reduse.

În 1870, producția comercială de energie electrică a început prin cuplarea dinamului la turbina hidraulică. În 1870, producția mecanică de energie electrică a început cea de-a doua revoluție industrială și cu această ocazie s-au dezvoltat invenții folosind energia, principalii contribuitori fiind Thomas Alva Edison și Nikola Tesla. Anterior, singura modalitate de producere a energiei electrice au fost reacțiile chimice sau utilizarea celulelor bateriilor, iar singura utilizare practică a energiei electrice a fost pentru telegraf.

Producția de electricitate la centralele electrice centrale a început în 1882, când un motor cu aburi care conducea un dinam la stația Pearl Street a produs un curent continuu care a alimentat iluminatul public pe Pearl Street, New York. Noua tehnologie a fost adoptată rapid de multe orașe din întreaga lume, care și-au adoptat luminile de stradă cu gaze la electricitate și, imediat după ce luminile electrice vor fi folosite în clădiri publice, în afaceri și în alimentarea transportului public, cum ar fi tramvaiele și trenurile.

Primele centrale electrice au folosit energie electrică sau cărbune; iar astăzi sunt utilizate o varietate de surse de energie, cum ar fi cărbunele, energia nucleară, gazele naturale, hidroelectricitatea, generatoarele eoliene și petrolul, precum și energia solară, energia mareelor ​​și sursele geotermale. Utilizarea liniilor electrice și a polilor electrice a fost semnificativă în distribuția energiei electrice.

Metode de generare a energiei electrice

Există mai multe metode fundamentale pentru a transforma alte forme de energie în energie electrică. Efectul triboelectric, efectul piezoelectric și chiar captarea directă a energiei de dezintegrare nucleară betavoltaică sunt folosite în aplicații de nișă, ca și conversia directă a căldurii la energia electrică în efectul termoelectric. Generarea pe scară largă se face prin rotirea generatoarelor electrice sau prin sistemele fotovoltaice. O proporție foarte mică din energia electrică distribuită de utilități este furnizată de baterii.

Generatoare

Generatoarele electrice transformă energia cinetică în energie electrică. Acesta este cel mai utilizat formular pentru producerea de energie electrică și se bazează pe legea lui Faraday. Acesta poate fi văzut experimental prin rotirea unui magnet în interiorul buclelor închise ale unui material conductor (de exemplu, sârmă de cupru). Aproape toată generația electrică comercială este realizată utilizând inducția electromagnetică, în care energia mecanică forțează un generator să se rotească.

Electrochimie

 (Barajele mari, cum ar fi Barajul Hoover, pot furniza cantități mari de energie hidroelectrică și au o capacitate de 2,07 GW.)

Electrochimia este transformarea directă a energiei chimice în energie electrică, ca într-o baterie. Producția de electricitate electrochimică este importantă în aplicațiile portabile și mobile. În prezent, cea mai mare putere electrochimică provine de la baterii. Celulele primare, cum ar fi bateriile uzuale cu zinc-carbon, acționează direct ca surse de alimentare, dar celulele secundare (adică bateriile reîncărcabile) sunt folosite mai degrabă pentru sisteme de stocare decât pentru sistemele de generare primară. Sistemele electrochimice deschise, cunoscute sub numele de celule de combustie, pot fi utilizate pentru a extrage energia fie din combustibili naturali, fie din combustibili sintetizați. Puterea osmotică este o posibilitate în locurile în care se amestecă sarea și apa proaspătă.

Efect fotovoltaic

Efectul fotovoltaic este transformarea luminii în energie electrică, ca și în celulele solare. Panourile fotovoltaice convertesc direct razele solare în electricitate. Deși lumina soarelui este liberă și abundentă, energia electrică solară este în continuare mai scumpă decât producția generată mecanic pe scară largă datorită costului panourilor. Celulele solare cu o eficiență scăzută a energiei solare au scăzut în costuri, iar celulele multifuncționale cu eficiență de conversie de aproape 30% sunt acum disponibile în comerț. Eficacitatea de peste 40% a fost demonstrată în sistemele experimentale. Până de curând, celulele fotovoltaice erau utilizate cel mai frecvent în locații îndepărtate unde nu există acces la o rețea electrică comercială sau ca sursă suplimentară de energie electrică pentru case individuale și întreprinderi. Progresele recente ale eficienței în fabricație și tehnologia fotovoltaică, combinate cu subvenții determinate de preocupările legate de mediu, au accelerat dramatic desfășurarea panourilor solare. Capacitatea instalată crește cu 40% pe an, determinată de creșteri în Germania, Japonia și Statele Unite.

Echipamente de generare

Turbine

Aproape toată energia electrică comercială de pe Pământ este generată cu turbine, conduse de vânt, apă, abur sau combustibil ars. Turbina acționează un generator, transformând astfel energia sa mecanică în energie electrică prin inducție electromagnetică. Există multe metode diferite de dezvoltare a energiei mecanice, inclusiv a motoarelor termice, a energiei hidro, a vântului și a mareelor. Majoritatea generărilor electrice sunt produse de motoarele termice. Combustia combustibililor fosili furnizeaza cea mai mare parte a energiei pentru aceste motoare, cu o fracțiune semnificativă din fisiunea nucleara și unele din surse regenerabile. Turbina de abur modernă (inventată de Sir Charles Parsons în 1884) generează în prezent aproximativ 80% din energia electrică din lume utilizând o varietate de surse de căldură. Tipurile de turbine includ:

• Aburi
  • Apa este încălzită prin arderea cărbunelui într-o centrală termică, aproximativ 41% din toată energia electrică este generată în acest fel.
  • Căldura prin fisiune nucleară într-un reactor nuclear creează aburi. Mai puțin de 15% din electricitate este generată în acest fel.
  • Regenerabile. Aburul este generat de biomasă, energia termică solară în care paourile parabolice solare și turnurile de energie solară concentrează lumina soarelui pentru a încălzi un fluid de transfer de căldură, care este apoi utilizat pentru producerea de abur sau de energie geotermală.
• Gaz natural: turbinele sunt conduse direct de gazele produse prin combustie. Ciclul combinat este condus atât de aburi, cât și de gazele naturale. Acestea generează energie prin arderea gazului natural într-o turbină cu gaz și folosirea căldurii reziduale pentru a genera abur. Cel puțin 20% din energia electrică mondială este generată de gazele naturale.
• Energia apei este captată din mișcarea apei. Prin căderea apei, ciclicitatea mareelor ​​sau curenții termici oceanici. Fiecare din aceștia acționează o turbină cu apă pentru a produce aproximativ 16% din energia electrică din lume.
• Moara de vânt a fost o turbină eoliană foarte timpurie. Într-un turn de energie solară, vântul este produs artificial. Înainte de 2010, mai puțin de 2% din energia electrică din lume a fost produsă din vânt.

Deși turbinele sunt cele mai frecvente în producerea de energie comercială, generatoarele mai mici pot fi alimentate cu motoare pe benzină sau diesel. Acestea pot fi folosite ca generatoare de rezervă sau pentru sate izolate.

Generatoare

(Un generator mare cu rotorul îndepărtat.)

Generatoarele electrice au fost cunoscute în forme simple de la descoperirea inducției magnetice a curentului electric în anii 1830. În general, o anumită formă de primă mișcare, cum ar fi un motor sau turbinele descrise mai sus, dezvoltă un câmp magnetic rotativ prin bobine staționare de sârmă, transformând astfel energia mecanică în electricitate. O unitate foarte mare de 2000 MW (2,682,000 cai putere) proiectată de Siemens a fost construită pentru unitatea 3 la centrala nucleară Olkiluoto. Singura producție de energie electrică la scară comercială care nu utilizează un generator, sunt celulele fotovoltaice solare.