Постійний струм: революція не за горами?

Історія розподілу електроенергії почалася з помилки. Геніальний винахідник Томас Едісон зробив ставку на постійний струм і програв. Але сьогодні постійний струм - це зовсім інше, оскільки спосіб, в який ми виробляємо, розподіляємо та споживаємо електроенергію, змінюється фундаментально. Це призведе до радикальних змін у всіх галузях промисловості, включаючи технології зв'язку.

Томас Едісон -  один з найвідоміших винахідників в історії. «Батько» фонографа та електричної лампочки, володар 1093 патентів. Едісон пустив в хід свою першу електростанцію в 1882 році, забезпечивши енергією Уолл-стріт в Нью-Йорку та багато чого іншого. Електростанція використовувала постійний струм і разом зі своїм співробітником Ніколою Тесла, Едісон успішно розробив генератор постійного струму. Але хорватський вчений мав іншу ідею. Замість постійного струму, Тесла зосередився на змінному струмі. Після суперечки з Едісоном, Тесла продовжив свою роботу з конкурентом Едісона - Джорджем Вестінгаузом. 

Змінний струм давав очевидні переваги. Електричну напругу можна легко регулювати за допомогою трансформаторів для передачі на великі відстані. При цьому можна застосовувати тонший кабель, а, отже, дешевший. Замість того, щоб визнати переваги змінного струму, Едісон вперто намагався дискредитувати своїх конкурентів. Його твердження базувалося на тому факті, що функціонування нещодавно винайденого електричного стільця забезпечується технологією суперників. Його повідомлення було простим: змінний струм смертоносний. Хоча його кампанія була успішною, перемога Едісона тривала недовго. Всесвітня Виставка 1893 року, що проходила в місті Чикаго, була забезпечена змінним струмом, що стало знаменням завоювання 20-го століття. Пізніше, Томас Едісон зізнався своєму синові: "Я думаю, що невизнання змінного струму було найбільшою помилкою мого життя".

Сьогодні, 86 років після смерті Едісона, є ознаки того, що великий винахідник не настільки вже й помилявся, бувши прибічником постійного струму, як вважали люди. Спосіб мислення Едісона може повернутись назад, оскільки ряд останніх подій робить постійний струм більш привабливим.

Раніше електроенергія вироблялась зі змінного струму в генераторах великих вугільних або атомних електростанцій, а також у водяних турбінах. Вони розподіляють енергію через мережу змінного струму. Трансформатори дозволяють збільшити напругу до декількох сотень тисяч вольтів, утримуючи струм і його втрати в кабелях на одному рівні. Але низка постачальників електроенергії в мережу зараз використовують постійний струм. До них належать, наприклад, фотоелектричні системи, які все частіше підтримуються акумуляторами або електрохімічними системами зберігання. Перетворення постійного струму в змінний неминуче призводить до втрат. Створення мережі постійного струму - кращий вибір для цих постачальників.

В електромережах довгий час переважали великі електростанції, які розподіляли свою енергію в навколишні регіони. Але зростання поновлюваних джерел енергії означає, що мережа стає більш децентралізованою та більш локальною, тобто електроенергія часто споживається там, де вона виробляється. Переваги змінного струму в таких випадках марні. І навіть на великих відстанях змінний струм не є ідеальним рішенням. Втрати при передачі значно збільшилися. Ось чому Китай будує складні мережі, засновані на передачі постійного струму високої напруги (також відома як передача HVDC), які передають велику кількість енергії від гідроелектростанцій у внутрішній частині країни до багатолюдних міст на узбережжі. У Німеччині також урядом планується проведення двох таких ліній електропередач для перенаправлення надлишкової енергії вітру з узбережжя на південь. Лінії HVDC коштують приблизно в два рази дорожче, аніж звичайні системи. Але ці інвестиції доцільні для передачі електроенергії на відстані як до 400 кілометрів, так і до 60 кілометрів, у випадку морських вітряних електростанцій. Лінії передачі HVDC тепер надзвичайно надійні. Високопродуктивна електроніка дозволила досягти успіху в трансформації енергії, що дозволяє підвищити постійну напругу до 800 000 вольтів без трансформатора.

В будинках та на заводах електроенергія розподіляється через низьковольтні мережі, через однофазні чи трифазні штепсельні розетки. Зростаюча кількість електричних приладів вимагає постійного струму. Комп'ютери, світлодіодні лампи та інші електронні пристрої працюють на постійному струмі і раніше потребували випрямляючі пристрої для перетворення енергії. У найближчі роки електромобілі також будуть живитися за аналогічною схемою. Промислове обладнання все більше використовує перетворювачі частоти з ланкою постійного струму для регулювання швидкості. 

В автомобільній промисловості вже існують пілотні проекти, в яких цілі виробничі ділянки забезпечуються виключно постійним струмом. Вони також мають батареї для короткочасного зберігання енергії.

Найбільш переконливим аргументом на користь цієї зміни є ефективність. Коли вугільні та атомні електростанції постачають в мережу змінний струм, який потім споживається безпосередньо лампами та пилососами, то ефективність споживача становить близько 65 відсотків. Іншими словами, це означає, що близько третини електроенергії втрачено, наприклад, через втрати тепла. Сьогодні ситуація помітно посилилася. В результаті роботи фотоелектричних систем та електростанцій, разом зі збільшенням використання акумуляторів, все більше і більше електроенергії подається в мережу, яка повинна спочатку бути перетворена з постійного на змінний струм, що спричиняє втрати. Споживачі також страждають. Перехідники, що нагріваються - свідчення того, що енергія витрачається даремно. Це означає, що ефективність нашої енергосистеми складає лише приблизно 56%, а отже, потрібне фундаментальне переосмислення.

Альтернативою є використання технології постійного струму, наприклад високовольтна передача постійного струму (HVDC) для транспортування електроенергії на великих відстанях, разом із низьковольтними мережами постійного струму, для використання у домашніх господарствах та промисловості. В таких випадках можна підключати електронні пристрої або промислові електроприводи до мережі безпосередньо, без використання адаптерів або випрямлячів. Якщо ви маєте фотогальванічну систему на даху та електромобіль у гаражі, ефективність буде неперевершеною. Електрична мережа, сконфігурована під використання постійного струму, забезпечить загальну ефективність на 90 відсотків. Якби ефективність була на 10 відсотків вище, це б означало, що дві найбільші вугільні електростанції в Німеччині можуть бути закриті. Це б дозволило уникнути викидів 63 мільйонів тонн СО2, або 12% загальної кількості викидів електростанцій у Німеччині. Для оксидів азоту цей показник навіть вище на 29 %.

Попри те, що високовольтна передача постійного струму є перевіреною та добре відомою технологією, існує ще ряд технічних та економічних питань, щоб відповісти наскільки це стосується низької напруги. Чи замінять мережі постійного струму змінний струм у широкому масштабі? Чи обидві технології продовжать своє існування нарівні? На що буде подібне таке співіснування? Які технічні та економічні перешкоди потрібно подолати? Які заходи безпеки були б необхідними та ефективними? Які зміни може викликати перехід до використання постійного струму не тільки в мережах, а й для споживачів?

Переваги такого переходу настільки значні, що немає ніяких сумнівів в тому, що це призведе до зміни фундаментальних понять. Завдяки своїм експертним знанням в технології з'єднань, Lapp бере ініціативу до своїх рук. Компанія є асоційованим партнером у проекті "DC-INDUSTRIE", частина шостої програми енергетичних досліджень, яку проводить Федеральне міністерство економіки та енергетики Німеччини (BMWi). Дослідницький проект DC-Industrie присвячений вирішенню проблем того, яким чином можуть бути організовані мережі постійного струму з центральним перетворюванням, як енергозберігаюча альтернатива, особливо при експлуатації обладнання на виробничих лініях, а також тому, як краще інтегрувати відновлювальну енергію до мереж.

Георг Штавови, член правління та технічний директор компанії Lapp Holding AG: "Ми у Lapp бачимо великий потенціал у використанні постійного струму і можемо зробити великий вклад нашим багатим досвідом"