Ponieważ społeczności w całej Kalifornii borykają się z rozległymi przerwami w dostawie prądu, a debata na temat tego, jak utrzymać niezawodność sieci szaleje, zdecydowałem się pójść do kina, aby uzyskać trochę historycznego kontekstu na temat naszej sieci elektrycznej, widząc The Current War: Director’s Cut w noc otwarcia. Z gwiazdorską obsadą, moje nadzieje były duże, ale film był po prostu OK.
Szkoda, że film nie był bardziej przekonujący, ponieważ jest to fascynująca historia, która zasługuje na więcej uwagi. Film przedstawia XIX-wieczną „wojnę” między George’em Westinghouse’em a Thomasem Edisonem, która ostatecznie miała zadecydować o tym, które technologie zostaną wykorzystane do budowy fundamentów sieci elektrycznej, z której korzystamy dzisiaj. Podczas gdy Edison był orędownikiem systemów prądu stałego (DC), Westinghouse promował systemy prądu zmiennego (AC), a rywalizacja między nimi była zacięta.
Wychodząc z kina, nie mogłem przestać się zastanawiać: dlaczego dokładnie systemy AC Westinghouse’a zatriumfowały nad systemami DC Edisona?
Po poszperaniu trochę, znalazłem odpowiedź.
Ostrzeżenie: Ten post zawiera spoilery, jeśli istnieje coś takiego dla filmu historycznego.
AC vs. DC
Podstawową różnicą między prądem stałym a zmiennym jest to, że prąd stały płynie stale w jednym kierunku (stąd „prąd stały”) i nie zmienia się w czasie, podczas gdy prąd zmienny oscyluje tam i z powrotem (stąd „prąd zmienny”) i ciągle zmienia się w czasie.
Prąd przemienny oscyluje w przód i w tył w czasie, podczas gdy prąd stały pozostaje stały.
W filmie wyjaśniono, że głównym wyzwaniem dla prądu stałego Edisona było to, że nie można go przesyłać na duże odległości. W rezultacie, system Edisona wymagał elektrowni co około milę. O ile sprawdza się to w gęsto zaludnionych obszarach, takich jak Nowy Jork (gdzie znajdowała się pierwsza elektrownia w Stanach Zjednoczonych, zbudowana przez Edisona), model ten był niezwykle kosztowny i niepraktyczny na obszarach wiejskich.
Wiedziałem jednak również, że obecnie niektóre z najdłuższych linii przesyłowych na świecie wykorzystują prąd stały.
Co z tego? Skoro prąd stały jest świetną opcją dla nowoczesnych linii przesyłowych na duże odległości, dlaczego Edison nie mógł przesyłać swojego prądu stałego dalej?
Transformatory sprawiły, że prąd zmienny zwyciężył
Odpowiedź ma mniej wspólnego z różnicami pomiędzy prądem zmiennym i stałym, a o wiele więcej z mało znanym elementem naszej sieci elektrycznej: transformatorami.
Niezależnie od tego, co robisz, przesyłanie energii elektrycznej wiąże się ze stratami energii. (Chyba że masz nadprzewodnik!) Ale możesz zminimalizować te straty, przesyłając prąd przy wyższym napięciu. Napięcie można rozumieć jako „pchnięcie”, które porusza naładowane cząsteczki i tworzy prąd elektryczny – im mocniej pchniesz, tym mniej energii tracisz. Transformatory są kluczową technologią używaną do zmiany napięcia, aby można było mocniej naciskać (i tracić mniej energii) podczas przesyłania energii elektrycznej.
Produkcja i zużycie energii elektrycznej odbywają się przy niższym napięciu, a transformatory są używane do zwiększania napięcia przed przesyłem (aby zmniejszyć straty energii) i zmniejszania napięcia przed zużyciem energii elektrycznej.
Można myśleć o liniach przesyłowych wysokiego napięcia jak o pustej autostradzie, po której samochody pędzą z dużą prędkością, a o liniach niskiego napięcia jak o bocznych ulicach, po których samochody jeżdżą znacznie wolniej. Transformator jest połączeniem pomiędzy liniami wysokiego i niskiego napięcia, lub w analogii do autostrady, jest to rampa, która łączy boczne ulice z autostradą.
Transformatory są istotną częścią sieci energetycznej – zwiększają napięcie („step up transformers”) przed przesyłem na duże odległości i zmniejszają napięcie („step down transformers”) przed dystrybucją energii elektrycznej do klientów do użytku. Przesyłanie energii elektrycznej przy wyższym napięciu pomaga zminimalizować straty energii.
Wynalazcy z końca XIX wieku rozumieli, jak tworzyć transformatory, ale najważniejsze jest to, że transformatory działają tylko na prąd zmienny. Wracając do fundamentalnej różnicy między prądem stałym i zmiennym, którą wyjaśniłem wcześniej, transformatory wymagają zmiennego w czasie napięcia, aby działać, a ponieważ prąd stały jest stały, a zmienny w czasie, transformatory działają tylko z prądem zmiennym.
W tamtych czasach nie było łatwej metody zmiany napięcia prądu stałego i to właśnie (tymczasowo) skazało prąd stały na zagładę. Ponieważ nie istniał sposób na zwiększenie napięcia prądu stałego przed jego przesyłem, prąd stały nie mógł przemieszczać się na duże odległości bez większych strat, przez co systemy prądu stałego były gorsze od systemów prądu zmiennego.
Wysokonapięciowe linie przesyłowe prądu stałego przenoszą energię elektryczną pomiędzy granicą Waszyngtonu i Oregonu a południową Kalifornią poprzez Pacific DC Intertie.
Ale prąd stały powrócił
Nieco później inżynierowie opracowali technologię, która mogła być wykorzystana do efektywnej konwersji prądu zmiennego na stały, co pomogło zapoczątkować erę wysokonapięciowych linii przesyłowych prądu stałego. Ponieważ przesył prądu stałego o wysokim napięciu charakteryzuje się niższymi stratami energii niż prąd zmienny na bardzo dużych odległościach, najdłuższe linie przesyłowe na świecie wykorzystują prąd stały. Na przykład w Stanach Zjednoczonych istnieje 846 milowa linia wysokiego napięcia prądu stałego łącząca granicę Waszyngtonu i Oregonu z południową Kalifornią.
Westinghouse na wygranej pozycji
Klinalny punkt filmu następuje, gdy Westinghouse gra w bilard z Nikolą Teslą (tak, wynalazcą, dla którego nazwano firmę produkującą samochody elektryczne). Telefon dzwoni, a Westinghouse dowiaduje się, że jego oferta na zasilanie Światowych Targów w Chicago w 1893 roku została przyjęta.
W tym momencie dla Edisona to już koniec gry. Westinghouse i jego systemy prądu zmiennego wygrały.
Przyznanie się: Kibicowałem Westinghouse’owi przez cały czas
Przed zakończeniem tego wpisu muszę przyznać, że kibicowałem Westinghouse’owi przez cały film. Tak się składa, że mój dziadek pracował w Westinghouse Electric Corporation przez całą swoją karierę. Mój dziadek opatentował nawet liczne wynalazki (wiele z nich było nowymi technologiami dla transformatorów), a Westinghouse Electric Corporation posiadała te patenty.
Ale żeby jeszcze bardziej skomplikować sprawy, dziadek mojej żony pracował dla General Electric (która jest następcą firmy Edison). Więc to chyba dobrze, że moja żona nie przyszła zobaczyć tego filmu ze mną!
Posted in: Energia Tagi: Kalifornia, energia
Wsparcie od członków UCS sprawia, że praca taka jak ta jest możliwa. Czy przyłączysz się do nas? Pomóż UCS rozwijać niezależną naukę dla zdrowego środowiska i bezpieczniejszego świata.