Электрификация: процессы и история развития

Электрификация: переход на электроэнергию в истории, экономике и устойчивом развитии. От фабрик до транспорта – ключевые аспекты и современные тенденции.

27 мин чтения

100%

Источник: Electrification — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Процесс перевода чего-либо на использование электричества процесс перевода чего-либо на использование электричества

Электрификация – это процесс обеспечения электроэнергией и, во многих контекстах, внедрение такой энергии путем перехода с более раннего источника питания. В контексте истории технологий и экономического развития электрификация относится к созданию систем генерации и распределения электроэнергии в Великобритании, Соединенных Штатах и других ныне развитых странах с середины 1880-х годов до примерно 1950 года. В контексте устойчивой энергетики электрификация относится к созданию сверхсетей с накопителями энергии для обеспечения энергетического перехода к возобновляемым источникам и перевода конечного потребления на электричество. Электрификация отдельных секторов экономики, особенно вне контекста, обозначается модифицированными терминами, такими как электрификация предприятий, электрификация домохозяйств, электрификация сельской местности и электрификация железных дорог. В контексте устойчивой энергетики используются такие термины, как электрификация транспорта (имея в виду электромобили) или электрификация отопления (имея в виду тепловые насосы). Она также может применяться к изменению промышленных процессов, таких как плавка, переплавка, разделение или очистка, с использования угольного или коксового нагрева, или к химическим процессам с переходом на электрические процессы, такие как электродуговая печь, индукционный или резистивный нагрев, или электролиз и электролитическое разделение.

История электрификации

Самыми ранними коммерческими применениями электричества были гальванопластика и телеграф.

Разработка магнито, динамо и генераторов

В 1831–1832 годах Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позже названный законом Фарадея, основан на электродвижущей силе, генерируемой в электрическом проводнике, подвергающемся изменяющемуся магнитному потоку, например, при движении проволоки в магнитном поле. Фарадей построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея – разновидностью гомополярного генератора, используя медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Первый электромагнитный генератор Фарадея вырабатывал небольшое постоянное напряжение. Около 1832 года Ипполит Пикси усовершенствовал магнито, используя обмотанную проволокой подкову, при этом дополнительные катушки проводника генерировали больший ток, но он был переменным. Андре-Мари Ампер предложил способ преобразования тока из магнито Пикси в постоянный ток с помощью переключателя с перерывом. Впоследствии для получения постоянного тока стали использовать сегментированные коллекторы. Около 1838–1840 годов Уильям Фотэргилл Кук и Чарльз Уитстон разработали телеграф. В 1840 году Уитстон использовал разработанное им магнито для питания телеграфа. Уитстон и Кук внесли важное усовершенствование в производство электроэнергии, заменив постоянный магнит электромагнитом, питаемым от батареи, что они запатентовали в 1845 году. Динамо с самовозбуждением магнитного поля позволило отказаться от батареи для питания электромагнитов. Этот тип динамо был создан несколькими специалистами в 1866 году. Первый практичный генератор, машина Грамма, был создан З. Т. Граммом, который продал множество этих машин в 1870-х годах. Британский инженер Р. Э. Б. Кромптон усовершенствовал генератор для улучшения воздушного охлаждения и внес другие механические улучшения. Последовательно-параллельная обмотка, обеспечивающая более стабильное напряжение при нагрузке, улучшила рабочие характеристики генераторов. Усовершенствования в технологии производства электроэнергии в XIX веке значительно повысили ее эффективность и надежность. Первые магнито преобразовывали лишь несколько процентов механической энергии в электричество. К концу XIX века максимальная эффективность превышала 90%.

In the years 1831–1832, Michael Faraday discovered the operating principle of electromagnetic generators. The principle, later called Faraday's law, is based on an electromotive force generated in an electrical conductor that is subjected to a varying magnetic flux as, for example, a wire moving through a magnetic field. Faraday built the first electromagnetic generator, called the Faraday disk, a type of homopolar generator, using a copper disc rotating between the poles of a horseshoe magnet. Faraday's first electromagnetic generator produced a small DC voltage. Around 1832, Hippolyte Pixii improved the magneto by using a wire wound horseshoe, with the extra coils of conductor generating more current, but it was AC. André Marie Ampère suggested a means of converting current from Pixii's magneto to DC using a rocking switch. Later segmented commutators were used to produce direct current. Around 1838 40, William Fothergill Cooke and Charles Wheatstone developed a telegraph. In 1840 Wheatstone was using a magneto that he developed to power the telegraph. Wheatstone and Cooke made an important improvement in electrical generation by using a battery powered electromagnet in place of a permanent magnet, which they patented in 1845. The self excited magnetic field dynamo did away with the battery to power electromagnets. This type of dynamo was made by several people in 1866. The first practical generator, the Gramme machine, was made by Z. T. Gramme, who sold many of these machines in the 1870s. British engineer R. E. B. Crompton improved the generator to allow better air cooling and made other mechanical improvements. Compound winding, which gave more stable voltage with load, improved the operating characteristics of generators. The improvements in electrical generation technology in the 19th century increased its efficiency and reliability greatly. The first magnetos only converted a few percent of mechanical energy to electricity. By the end of the 19th century the highest efficiencies were over 90%.

Освещение дуги

Сэр Хамфри Дэви изобрел углеродную дуговую лампу в 1802 году, обнаружив, что электричество способно создавать световую дугу между угольными электродами. Однако широкого применения она не получила до тех пор, пока не были разработаны практичные способы генерации электроэнергии. Углеродные дуговые лампы запускались путем замыкания контакта между двумя угольными электродами, которые затем разводили на небольшое расстояние. Поскольку уголь выгорал, расстояние между электродами требовалось постоянно регулировать. Для стабилизации дуги было разработано несколько механизмов. Распространенным подходом было подавать угольный электрод под действием силы тяжести и поддерживать зазор с помощью пары электромагнитов: один отводил верхний электрод после возникновения дуги, а второй управлял тормозом, регулирующим скорость подачи. Дуговые лампы того времени обладали очень высокой светоотдачей – в диапазоне 4000 свечей (кандел) – выделяли много тепла и представляли пожарную опасность, что делало их непригодными для освещения жилых помещений. В 1850-х годах многие из этих проблем были решены в дуговой лампе, изобретенной Уильямом Петри и Уильямом Стейтом. Лампа использовала магнитоэлектрический генератор и оснащалась саморегулирующимся механизмом для поддержания зазора между угольными стержнями. Ее свет использовали для освещения Национальной галереи в Лондоне, что в то время было настоящей диковинкой. Эти дуговые лампы и конструкции, подобные им, работающие от крупных магнитогенераторов, впервые были установлены на английских маяках в середине 1850-х годов, но ограничения по мощности не позволили этим моделям добиться значительного успеха. Первая успешная дуговая лампа (свеча Яблочкова) была разработана русским инженером Павлом Яблочковым с использованием генератора Грамма. Ее преимуществом было отсутствие необходимости в механическом регуляторе, как у предшествующих моделей. Она впервые была представлена на Парижской выставке 1878 года и активно продвигалась Граммом. Дуговые светильники были установлены вдоль полумили проспекта Опера, на площади Театра Франсе и вокруг площади Оперы в 1878 году. Р. Э. Б. Кромптон в 1878 году разработал более совершенную конструкцию, которая давала значительно более яркий и стабильный свет, чем свеча Яблочкова. В 1878 году он основал компанию Crompton & Co. и начал производство, продажу и установку ламп Crompton. Его предприятие стало одной из первых электротехнических фирм в мире.

Sir Humphry Davy invented the carbon arc lamp in 1802 upon discovering that electricity could produce a light arc with carbon electrodes. However, it was not used to any great extent until a practical means of generating electricity was developed. Carbon arc lamps were started by making contact between two carbon electrodes, which were then separated to within a narrow gap. Because the carbon burned away, the gap had to be constantly readjusted. Several mechanisms were developed to regulate the arc. A common approach was to feed a carbon electrode by gravity and maintain the gap with a pair of electromagnets, one of which retracted the upper carbon after the arc was started and the second controlled a brake on the gravity feed. Arc lamps of the time had very intense light output – in the range of 4,000 candlepower (candelas) – and released a lot of heat, and they were a fire hazard, all of which made them inappropriate for lighting homes. In the 1850s, many of these problems were solved by the arc lamp invented by William Petrie and William Staite. The lamp used a magneto electric generator and had a self regulating mechanism to control the gap between the two carbon rods. Their light was used to light up the National Gallery in London and was a great novelty at the time. These arc lamps and designs similar to it, powered by large magnetos, were first installed on English lighthouses in the mid 1850s, but the power limitations prevented these models from being a proper success. The first successful arc lamp (the Yablochkov candle) was developed by Russian engineer Pavel Yablochkov using the Gramme generator. Its advantage lay in the fact that it did not require the use of a mechanical regulator like its predecessors. It was first exhibited at the Paris Exposition of 1878 and was heavily promoted by Gramme. The arc light was installed along the half mile length of Avenue de l'Opéra, Place du Theatre Francais and around the Place de l'Opéra in 1878. R. E. B. Crompton developed a more sophisticated design in 1878 which gave a much brighter and steadier light than the Yablochkov candle. In 1878, he formed Crompton & Co. and began to manufacture, sell and install the Crompton lamp. His concern was one of the first electrical engineering firms in the world.

Лампы накаливания

Различные формы ламп накаливания имели множество изобретателей; однако наиболее успешными ранними лампами были те, которые использовали углеродную нить, помещенную в высокий вакуум. Они были изобретены Джозефом Суоном в 1878 году в Великобритании и Томасом Эдисоном в 1879 году в США. Лампа Эдисона оказалась более успешной, чем лампа Свана, поскольку Эдисон использовал более тонкую нить, что обеспечило ей более высокое сопротивление и, следовательно, меньший ток. Эдисон начал коммерческое производство ламп с углеродной нитью в 1880 году. Лампы Свана начали коммерческое производство в 1881 году. Дом Свана в Лоу-Фел, Гейтсхед, стал первым в мире домом, в котором были установлены работающие лампы. Библиотека Lit & Phil в Ньюкасле была первым общественным помещением, освещенным электрическим светом, а театр Савой стал первым в мире общественным зданием, полностью освещенным электричеством.

Центральные электростанции и изолированные системы

Первая центральная станция, обеспечивающая общественное электроснабжение, предположительно, была открыта в Годалминге, Суррей, Великобритания, осенью 1881 года. Система была предложена после того, как город не смог договориться о тарифе с газовой компанией, и городской совет решил перейти на электричество. Система освещала дуговые лампы на главных улицах и лампы накаливания на нескольких второстепенных улицах за счет гидроэлектроэнергии. К 1882 году к системе было подключено от 8 до 10 домов, в общей сложности 57 точек освещения. Система не оказалась коммерчески успешной, и город вернулся к газовому освещению. Первый крупномасштабный завод централизованного распределения электроэнергии был открыт на Виадуке Холборна в Лондоне в 1882 году. Оборудованная 1000 лампами накаливания, которые заменили старые газовые фонари, станция осветила Холборнский цирк, включая офисы Главного почтового отделения и знаменитую церковь Городского храма. Электроснабжение осуществлялось постоянным током напряжением 110 В; из-за потерь мощности в медных проводах напряжение у потребителя составляло 100 В. В течение нескольких недель парламентский комитет рекомендовал принять знаковый Закон об электрическом освещении 1882 года, который разрешал лицензирование физических лиц, компаний или местных органов власти для поставки электроэнергии в любых государственных или частных целях. Первая крупномасштабная центральная электростанция в Америке — станция Эдисона на Перл-стрит в Нью-Йорке — начала работу в сентябре 1882 года. На станции было шесть динамо Эдисона мощностью 200 лошадиных сил, каждое из которых приводилось в действие отдельным паровым двигателем. Станция располагалась в деловом и коммерческом районе и обеспечивала постоянным током напряжением 110 В 85 потребителей с 400 лампами. К 1884 году станция на Перл-стрит снабжала 508 потребителей 10 164 лампами. К середине 1880-х годов другие электроэнергетические компании создавали центральные электростанции и осуществляли распределение электроэнергии, в том числе Crompton & Co. и Swan Electric Light Company в Великобритании, Thomson Houston Electric Company и Westinghouse в США, а также Siemens в Германии. К 1890 году в эксплуатации находилось 1000 центральных станций. Перепись 1902 года зафиксировала 3620 центральных станций. К 1925 году половина электроэнергии производилась центральными станциями.

The first central station providing public power is believed to be one at Godalming, Surrey, UK, in autumn 1881. The system was proposed after the town failed to reach an agreement on the rate charged by the gas company, so the town council decided to use electricity. The system lit up arc lamps on the main streets and incandescent lamps on a few side streets with hydroelectric power. By 1882 between 8 and 10 households were connected, with a total of 57 lights. The system was not a commercial success and the town reverted to gas. The first large scale central distribution supply plant was opened at Holborn Viaduct in London in 1882. Equipped with 1000 incandescent lightbulbs that replaced the older gas lighting, the station lit up Holborn Circus including the offices of the General Post Office and the famous City Temple church. The supply was a direct current at 110 V; due to power loss in the copper wires, this amounted to 100 V for the customer. Within weeks, a parliamentary committee recommended passage of the landmark 1882 Electric Lighting Act, which allowed the licensing of persons, companies or local authorities to supply electricity for any public or private purposes. The first large scale central power station in America was Edison's Pearl Street Station in New York, which began operating in September 1882. The station had six 200 horsepower Edison dynamos, each powered by a separate steam engine. It was located in a business and commercial district and supplied 110 volt direct current to 85 customers with 400 lamps. By 1884 Pearl Street was supplying 508 customers with 10,164 lamps. By the mid 1880s, other electric companies were establishing central power stations and distributing electricity, including Crompton & Co. and the Swan Electric Light Company in the UK, Thomson Houston Electric Company and Westinghouse in the US and Siemens in Germany. By 1890 there were 1000 central stations in operation. The 1902 census listed 3,620 central stations. By 1925 half of power was provided by central stations.

Коэффициент нагрузки и изолированные системы

Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулись первые энергетические компании, был почасовой переменный спрос. Когда освещение было практически единственным применением электроэнергии, спрос был высоким в первые часы перед началом рабочего дня и в вечернее время, когда спрос достигал пика. В результате большинство ранних электрических компаний не предоставляли обслуживание в дневное время, причём две трети не предоставляли его в 1897 году. Отношение средней нагрузки к пиковой нагрузке центральной станции называется коэффициентом использования мощности (или коэффициентом нагрузки). Для повышения прибыльности и снижения тарифов электрокомпаниям было необходимо увеличить коэффициент использования мощности. Это в конечном итоге было достигнуто за счёт увеличения нагрузки от электродвигателей. Двигатели используются чаще в дневное время, и многие работают непрерывно. Электрические уличные железные дороги идеально подходили для балансировки нагрузки. Многие электрические железные дороги вырабатывали собственную электроэнергию, а также продавали её и эксплуатировали распределительные сети. Коэффициент использования мощности увеличился к началу XX века — на станции «Перл-стрит» он вырос с 19,3% в 1884 году до 29,4% в 1908 году. К 1929 году коэффициент использования мощности во всем мире превысил 50%, главным образом благодаря нагрузке от электродвигателей. До широкого распространения централизованного электроснабжения многие заводы, крупные отели, жилые и офисные здания имели собственную генерацию электроэнергии. Часто это было экономически выгодно, поскольку отработанный пар можно было использовать для отопления зданий и промышленных процессов, что сегодня известно как когенерация или комбинированное производство тепла и электроэнергии (КЭП). Большинство систем собственной генерации стали неэкономичными по мере снижения цен на электроэнергию. Ещё в начале XX века изолированные энергосистемы значительно превосходили по численности центральные станции. Когенерация до сих пор широко применяется во многих отраслях, потребляющих большие объёмы пара и электроэнергии, таких как целлюлозно-бумажная, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность. Продолжение использования частных электрогенераторов называется микрогенерацией.

Электромоторы постоянного тока

Первый коллекторный электродвигатель постоянного тока, способный приводить в движение механизмы, был изобретен британским ученым Уильямом Старджем в 1832 году. Существенным усовершенствованием по сравнению с двигателем, продемонстрированным Майклом Фарадеем, стало внедрение коллектора. Это позволило двигателю Старджа стать первым, способным обеспечивать непрерывное вращательное движение. Фрэнк Дж. Спраг усовершенствовал двигатель постоянного тока в 1884 году, решив проблему поддержания постоянной скорости при изменяющейся нагрузке и уменьшения искрения щеток. Спраг продавал свой двигатель через компанию Edison Co. Легкость регулирования скорости двигателей постоянного тока делала их пригодными для широкого спектра применений, таких как электрические уличные железные дороги, станки и другие промышленные приложения, где требовалось управление скоростью. Производство перешло от использования линейных валов и ременных передач с паровыми и гидротурбинами к электродвигателям.

Переключающийся ток

Хотя первые электростанции вырабатывали постоянный ток, вскоре распределение переменного тока стало наиболее предпочтительным вариантом. Основными преимуществами переменного тока были возможность его преобразования в высокое напряжение для снижения потерь при передаче и лёгкость, с которой двигатели переменного тока могли работать с постоянной скоростью. Технология переменного тока берет своё начало в открытии Фарадея в 1830–1831 годах, заключающемся в том, что изменяющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в цепи. Первым, кто представил концепцию вращающегося магнитного поля, был Уолтер Бейли, продемонстрировавший работоспособную модель своего многофазного двигателя, работающего от аккумулятора и оснащённого коммутатором, 28 июня 1879 года перед Лондонским физическим обществом. Почти идентичный аппарату Бейли, французский инженер-электрик Марсель Депрез в 1880 году опубликовал статью, в которой был определён принцип вращающегося магнитного поля и двухфазной системы переменного тока для его создания. В 1886 году английский инженер Элиху Томсон построил двигатель переменного тока, развив принцип индуктивного отталкивания и усовершенствовав свой ваттметр. В 1880-х годах технология была коммерчески разработана для масштабного производства и передачи электроэнергии. В 1882 году британский изобретатель и инженер-электрик Себастьян де Ферранти, работавший в компании Siemens, сотрудничал с выдающимся физиком лордом Кельвином для разработки технологии переменного тока, включая ранний трансформатор. Трансформатор мощности, разработанный Люсьеном Гаулардом и Джоном Диксоном Гиббсом, был продемонстрирован в Лондоне в 1881 году и вызвал интерес у компании Westinghouse. Они также представили своё изобретение в Турине в 1884 году, где оно было внедрено в систему электрического освещения. Многие из их конструкций были адаптированы к специфическим законам, регулирующим распределение электроэнергии в Великобритании. Себастьян Зиани де Ферранти начал свой бизнес в 1882 году, открыв мастерскую в Лондоне для проектирования различных электрических устройств. Ферранти с самого начала верил в успех распределения электроэнергии переменным током и был одним из немногих специалистов в этой области в Великобритании. С помощью лорда Кельвина Ферранти в 1882 году разработал первый генератор и трансформатор переменного тока. Джон Хопкинсон, британский физик, изобрел трёхпроводную (трёхфазную) систему для распределения электроэнергии, патент на которую он получил в 1882 году. Итальянский изобретатель Галилео Феррарис в 1885 году изобрел многофазный индукционный двигатель переменного тока. Идея заключалась в том, что два сдвинутых по фазе, но синхронизированных тока могут быть использованы для создания двух магнитных полей, которые можно объединить для получения вращающегося поля без необходимости переключения или движущихся частей. Среди других изобретателей были американские инженеры Чарльз С. Брэдли и Никола Тесла, а также немецкий техник Фридрих Август Хазельвандер. Им удалось решить проблему запуска двигателя переменного тока, используя вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазным током. Михаил Доливо-Добровольский представил первый трёхфазный индукционный двигатель в 1890 году – гораздо более совершенную конструкцию, которая стала прототипом, используемым в Европе и США. К 1895 году компании GE и Westinghouse предлагали двигатели переменного тока на рынке. В двигателях, работающих от однофазного тока, для создания вращающегося магнитного поля можно использовать конденсатор или катушку (создающую индуктивность) на части схемы внутри двигателя. Многоскоростные двигатели переменного тока с отдельно подключёнными полюсами давно доступны, наиболее распространёнными являются двухскоростные. Скорость этих двигателей изменяется путём включения или выключения наборов полюсов, что осуществлялось с помощью специального пускателя для больших двигателей или простого многоскоростного переключателя для двигателей малой мощности.

Although the first power stations supplied direct current, the distribution of alternating current soon became the most favored option. The main advantages of AC were that it could be transformed to high voltage to reduce transmission losses and that AC motors could easily run at constant speeds. Alternating current technology was rooted in Faraday's 1830–31 discovery that a changing magnetic field can induce an electric current in a circuit. The first person to conceive of a rotating magnetic field was Walter Baily who gave a workable demonstration of his battery operated polyphase motor aided by a commutator on June 28, 1879, to the Physical Society of London. Nearly identical to Baily’s apparatus, French electrical engineer Marcel Deprez in 1880 published a paper that identified the rotating magnetic field principle and that of a two phase AC system of currents to produce it. In 1886, English engineer Elihu Thomson built an AC motor by expanding upon the induction repulsion principle and his wattmeter. It was in the 1880s that the technology was commercially developed for large scale electricity generation and transmission. In 1882 the British inventor and electrical engineer Sebastian de Ferranti, working for the company Siemens collaborated with the distinguished physicist Lord Kelvin to pioneer AC power technology including an early transformer. A power transformer developed by Lucien Gaulard and John Dixon Gibbs was demonstrated in London in 1881, and attracted the interest of Westinghouse. They also exhibited the invention in Turin in 1884, where it was adopted for an electric lighting system. Many of their designs were adapted to the particular laws governing electrical distribution in the UK. Sebastian Ziani de Ferranti went into this business in 1882 when he set up a shop in London designing various electrical devices. Ferranti believed in the success of alternating current power distribution early on, and was one of the few experts in this system in the UK. With the help of Lord Kelvin, Ferranti pioneered the first AC power generator and transformer in 1882. John Hopkinson, a British physicist, invented the three wire (three phase) system for the distribution of electrical power, for which he was granted a patent in 1882. The Italian inventor Galileo Ferraris invented a polyphase AC induction motor in 1885. The idea was that two out of phase, but synchronized, currents might be used to produce two magnetic fields that could be combined to produce a rotating field without any need for switching or for moving parts. Other inventors were the American engineers Charles S. Bradley and Nikola Tesla, and the German technician Friedrich August Haselwander. They were able to overcome the problem of starting up the AC motor by using a rotating magnetic field produced by a poly phase current. Mikhail Dolivo Dobrovolsky introduced the first three phase induction motor in 1890, a much more capable design that became the prototype used in Europe and the U. S. By 1895 GE and Westinghouse both had AC motors on the market. With single phase current either a capacitor or coil (creating inductance) can be used on part of the circuit inside the motor to create a rotating magnetic field. Multi speed AC motors that have separately wired poles have long been available, the most common being two speed. Speed of these motors is changed by switching sets of poles on or off, which was done with a special motor starter for larger motors, or a simple multiple speed switch for fractional horsepower motors.

Электростанции переменного тока

Первая электростанция переменного тока была построена английским инженером-электриком Себастьяном де Ферранти. В 1887 году Лондонская электроснабжающая корпорация наняла Ферранти для проектирования своей электростанции в Дептфорде. Он спроектировал здание, генераторную установку и систему распределения. Она была построена на территории Стоуэйдж, расположенной к западу от устья Дептфорд-Крик, ранее использовавшейся Ост-Индской компанией. Построенная в беспрецедентных масштабах и впервые применившая высокое напряжение (10 000 В) переменного тока, она вырабатывала 800 киловатт и снабжала центральный Лондон. По завершении строительства в 1891 году это была первая по-настоящему современная электростанция, обеспечивающая высоковольтное питание переменным током, которое затем "понижалось" с помощью трансформаторов для потребительского использования на каждой улице. Эта базовая система остаётся в использовании и сегодня по всему миру. В США Джордж Вестингауз, заинтересовавшийся трансформатором, разработанным Гаулардом и Гиббсом, начал разрабатывать свою систему освещения переменным током, используя систему передачи с повышением напряжения в 20:1 и последующим понижением. В 1890 году Вестингауз и Стэнли построили систему для передачи электроэнергии на несколько миль к шахте в Колорадо. Было принято решение использовать переменный ток для передачи электроэнергии от Ниагарского гидроэнергетического проекта в Буффало, штат Нью-Йорк. Предложения, представленные поставщиками в 1890 году, включали системы постоянного тока и сжатого воздуха. Комбинированная система постоянного тока и сжатого воздуха оставалась на рассмотрении до конца реализации проекта. Несмотря на протесты комиссара Ниагарского района Уильяма Томсона (лорда Кельвина), было принято решение о строительстве системы переменного тока, которую предложили как Westinghouse, так и General Electric. В октябре 1893 года Westinghouse был заключён контракт на поставку первых трёх двухфазных генераторов мощностью 5000 л.с., с частотой вращения 250 об/мин и частотой 25 Гц. Гидроэлектростанция была введена в эксплуатацию в 1895 году и являлась крупнейшей на тот момент. К 1890-м годам однофазный и многофазный переменный ток быстро внедрялся. В США к 1902 году 61% установленной генерирующей мощности приходилось на переменный ток, что увеличилось до 95% в 1917 году. Несмотря на превосходство переменного тока для большинства применений, некоторые существующие системы постоянного тока продолжали работать в течение нескольких десятилетий после того, как переменный ток стал стандартом для новых систем.

The first AC power station was built by the English electrical engineer Sebastian de Ferranti. In 1887 the London Electric Supply Corporation hired Ferranti for the design of their power station at Deptford. He designed the building, the generating plant and the distribution system. It was built at the Stowage, a site to the west of the mouth of Deptford Creek once used by the East India Company. Built on an unprecedented scale and pioneering the use of high voltage (10,000 V) AC current, it generated 800 kilowatts and supplied central London. On its completion in 1891 it was the first truly modern power station, supplying high voltage AC power that was then "stepped down" with transformers for consumer use on each street. This basic system remains in use today around the world. In the U. S., George Westinghouse, who had become interested in the power transformer developed by Gaulard and Gibbs, began to develop his AC lighting system, using a transmission system with a 20:1 step up voltage with step down. In 1890 Westinghouse and Stanley built a system to transmit power several miles to a mine in Colorado. A decision was taken to use AC for power transmission from the Niagara Power Project to Buffalo, New York. Proposals submitted by vendors in 1890 included DC and compressed air systems. A combination DC and compressed air system remained under consideration until late in the schedule. Despite the protestations of the Niagara commissioner William Thomson (Lord Kelvin) the decision was taken to build an AC system, which had been proposed by both Westinghouse and General Electric. In October 1893 Westinghouse was awarded the contract to provide the first three 5,000 hp, 250 rpm, 25 Hz, two phase generators. The hydro power plant went online in 1895, and it was the largest one until that date. By the 1890s, single and poly phase AC was undergoing rapid introduction. In the U. S. by 1902, 61% of generating capacity was AC, increasing to 95% in 1917. Despite the superiority of alternating current for most applications, a few existing DC systems continued to operate for several decades after AC became the standard for new systems.

Паровые турбины

Эффективность паровых двигателей при преобразовании тепловой энергии топлива в механическую работу являлась критическим фактором в экономически эффективной работе паровых центральных электростанций. В первых проектах использовались поршневые паровые двигатели, работающие на относительно низких скоростях. Внедрение паровой турбины коренным образом изменило экономику работы центральных электростанций. Паровые турбины могли изготавливаться на более высоких мощностях, чем поршневые двигатели, и, как правило, имели более высокий КПД. Скорость паровых турбин не колебалась циклически в течение каждого оборота. Это сделало возможной параллельную работу генераторов переменного тока и повысило стабильность ротационных преобразователей для производства постоянного тока для тяговых и промышленных целей. Паровые турбины работали на более высокой скорости, чем поршневые двигатели, не ограничиваясь допустимой скоростью поршня в цилиндре. Это сделало их более совместимыми с генераторами переменного тока с двумя или четырьмя полюсами; между двигателем и генератором не требовалось ни коробки передач, ни ременной передачи для увеличения скорости. Обеспечить ременную передачу между низкоскоростным двигателем и высокоскоростным генератором в очень больших мощностях, необходимых для обслуживания центральной станции, было дорого и в конечном итоге невозможно. Современная паровая турбина была изобретена в 1884 году британским инженером сэром Чарльзом Парсонсом, первая модель которой была соединена с динамо, вырабатывавшим 7,5 кВт (10 л.с.) электроэнергии. Изобретение паровой турбины Парсонса сделало возможным производство дешевой и обильной электроэнергии. Турбины Парсонса получили широкое распространение на английских центральных электростанциях к 1894 году; первой в мире электроэнергетической компанией, генерировавшей электроэнергию с использованием турбогенераторов, стала собственная электроэнергетическая компания Парсонса Newcastle and District Electric Lighting Company, основанная в 1894 году. За время жизни Парсонса генерирующая мощность одного агрегата увеличилась примерно в 10 000 раз. Первыми турбинами в США были две установки De Leval на Edison Co. в Нью-Йорке в 1895 году. Первая турбина Парсонса в США была установлена на Westinghouse Air Brake Co. недалеко от Питтсбурга. Паровые турбины также имели преимущества в капитальных затратах и эксплуатационных расходах по сравнению с поршневыми двигателями. Конденсат от паровых двигателей был загрязнен маслом и не мог быть повторно использован, в то время как конденсат от турбины чистый и обычно повторно используется. Паровые турбины были лишь частью размера и веса сопоставимых по мощности поршневых паровых двигателей. Паровые турбины могут работать годами практически без износа. Поршневые паровые двигатели требовали значительного обслуживания. Паровые турбины могут быть изготовлены на мощностях, значительно превышающих любые когда-либо созданные паровые двигатели, что обеспечивает существенную экономию за счет масштаба. Паровые турбины могут быть построены для работы на пару с более высоким давлением и температурой. Фундаментальный принцип термодинамики заключается в том, что чем выше температура пара, поступающего в двигатель, тем выше КПД. Внедрение паровых турбин стимулировало ряд улучшений в отношении температур и давлений. В результате повышения эффективности преобразования снизились цены на электроэнергию. Плотность мощности котлов увеличивалась за счет использования принудительного воздуха для сжигания и использования сжатого воздуха для подачи пылевидного угля. Кроме того, обработка угля была механизирована и автоматизирована.

The efficiency of steam prime movers in converting the heat energy of fuel into mechanical work was a critical factor in the economic operation of steam central generating stations. Early projects used reciprocating steam engines, operating at relatively low speeds. The introduction of the steam turbine fundamentally changed the economics of central station operations. Steam turbines could be made in larger ratings than reciprocating engines, and generally had higher efficiency. The speed of steam turbines did not fluctuate cyclically during each revolution. This made parallel operation of AC generators feasible, and improved the stability of rotary converters for production of direct current for traction and industrial uses. Steam turbines ran at higher speed than reciprocating engines, not being limited by the allowable speed of a piston in a cylinder. This made them more compatible with AC generators with only two or four poles; no gearbox or belted speed increaser was needed between the engine and the generator. It was costly and ultimately impossible to provide a belt drive between a low speed engine and a high speed generator in the very large ratings required for central station service. The modern steam turbine was invented in 1884 by British engineer Sir Charles Parsons, whose first model was connected to a dynamo that generated 7.5 kW (10 hp) of electricity. The invention of Parsons's steam turbine made cheap and plentiful electricity possible. Parsons turbines were widely introduced in English central stations by 1894; the first electric supply company in the world to generate electricity using turbo generators was Parsons's own electricity supply company Newcastle and District Electric Lighting Company, set up in 1894. Within Parsons's lifetime, the generating capacity of a unit was scaled up by about 10,000 times. The first U. S. turbines were two De Leval units at Edison Co. in New York in 1895. The first U. S. Parsons turbine was at Westinghouse Air Brake Co. near Pittsburgh. Steam turbines also had capital cost and operating advantages over reciprocating engines. The condensate from steam engines was contaminated with oil and could not be reused, while condensate from a turbine is clean and typically reused. Steam turbines were a fraction of the size and weight of comparably rated reciprocating steam engine. Steam turbines can operate for years with almost no wear. Reciprocating steam engines required high maintenance. Steam turbines can be manufactured with capacities far larger than any steam engines ever made, giving important economies of scale. Steam turbines could be built to operate on higher pressure and temperature steam. A fundamental principle of thermodynamics is that the higher the temperature of the steam entering an engine, the higher the efficiency. The introduction of steam turbines motivated a series of improvements in temperatures and pressures. The resulting increased conversion efficiency lowered electricity prices. The power density of boilers was increased by using forced combustion air and by using compressed air to feed pulverized coal. Also, coal handling was mechanized and automated.

Электрическая сеть

С реализацией передачи электроэнергии на большие расстояния стало возможным объединять различные электростанции для балансировки нагрузок и повышения коэффициента использования установленной мощности. Объединение становилось все более востребованным по мере быстрого развития электрификации в первые годы XX века. Чарльз Мерц из консалтинговой фирмы Merz & McLellan построил электростанцию Neptune Bank Power Station близ Ньюкасла-на-Тайне в 1901 году, и к 1912 году она превратилась в крупнейшую интегрированную энергосистему в Европе. В 1905 году он пытался убедить парламент унифицировать разнообразие напряжений и частот в электроэнергетике страны, но парламент всерьез занялся этой идеей лишь после Первой мировой войны, назначив его главой парламентского комитета для решения этой проблемы. В 1916 году Мерц отметил, что Великобритания может использовать свои небольшие размеры в своих интересах, создав плотную распределительную сеть для эффективного обеспечения электроэнергией своей промышленности. Его выводы привели к публикации отчета Уильямсона в 1918 году, который, в свою очередь, стал основой для законопроекта об электроснабжении 1919 года. Этот законопроект стал первым шагом к созданию интегрированной электроэнергетической системы в Великобритании. Более значимый Закон об электроснабжении 1926 года привел к созданию Национальной энергосистемы. Центральный совет по электроснабжению стандартизировал электроснабжение страны и создал первую синхронизированную сеть переменного тока, работающую на напряжении 132 киловольта и частоте 50 Герц. Она начала функционировать как общенациональная система, Национальная энергосистема, в 1938 году. В Соединенных Штатах консолидация электроснабжения стала национальной задачей после энергетического кризиса летом 1918 года, разразившегося в период Первой мировой войны. В 1934 году Закон об организациях, контролирующих коммунальные предприятия, признал электроэнергетические компании общественными благами, наряду с газовыми, водопроводными и телефонными компаниями, и установил четкие ограничения и нормативный контроль над их деятельностью.

Электрификация домохозяйств

Электрификация домохозяйств в Европе и Северной Америке началась в начале XX века в крупных городах и в районах, обслуживаемых электрическими железными дорогами, и быстро росла до 1930 года, когда в США было электрифицировано около 70% домохозяйств.

Сельские районы первыми были электрифицированы в Европе, а в США Администрация по электрификации сельских районов, созданная в 1935 году, обеспечила электрификацию сельской местности.

Исторические затраты на электроэнергию

Централизованная выработка электроэнергии была более эффективной и обходилась дешевле, чем использование небольших генераторов. Капитальные и эксплуатационные затраты на единицу мощности также были ниже при централизованной выработке. Исторические данные о затратах приведены в Ayres Warr (2002), рис. 7.

Преимущества электрификации

Национальная академия инженерии назвала электрификацию «величайшим инженерным достижением XX века», и она продолжается как в развитых, так и в развивающихся странах.

Преимущества электрического освещения

Электрическое освещение крайне желательно. Свет от него намного ярче, чем от масляных или газовых ламп, и не образует копоти. Хотя в то время электричество стоило очень дорого по сравнению с сегодняшним днем, оно было значительно дешевле и удобнее, чем освещение на масле или газе. Электрическое освещение было настолько безопаснее масляных или газовых ламп, что некоторые компании могли оплачивать электроэнергию за счет экономии на страховых взносах.

Предэлектрическая мощность

В 1851 году Чарльз Бэббидж заявил: «Одним из наиболее важных изобретений для класса высококвалифицированных рабочих (инженеров) стала бы небольшая движущая сила, варьирующаяся, возможно, от половины лошадиной силы до силы двух лошадей, которая могла бы начинать и прекращать свою работу в любой момент, не требовала бы затрат времени на управление и была бы умеренной стоимости как в первоначальной цене, так и в ежедневных расходах. Для достижения эффективности паровым двигателям требовалось несколько сотен лошадиных сил. Паровые двигатели и котлы также нуждались в операторах и обслуживании. По этим причинам самые маленькие коммерческие паровые двигатели имели мощность около 2 лошадиных сил. Это превышало потребности многих небольших мастерских. Кроме того, небольшой паровой двигатель и котел стоили около 7000 долларов, в то время как старая слепая лошадь, способная развивать 1/2 лошадиной силы, стоила 20 долларов или меньше. Оборудование для использования лошадей в качестве источника энергии стоило 300 долларов или меньше. Многие потребности в мощности были меньше, чем мощность одной лошади. Станочное оборудование, такое как деревообрабатывающие станки, часто приводилось в действие одним или двумя рабочими с помощью кривошипа. Бытовые швейные машины приводились в действие ножной педалью, а заводские швейные машины – от парового двигателя через приводной вал. Собак иногда использовали на машинах, таких как беговая дорожка, которую можно было приспособить для взбивания масла. В конце XIX века специально построенные здания энергоснабжения сдавали в аренду помещения для небольших мастерских. Эти здания обеспечивали энергией арендаторов от парового двигателя через приводные валы. Электродвигатели были в несколько раз эффективнее небольших паровых двигателей, поскольку централизованная генерация была более эффективной, чем небольшие паровые двигатели, а приводные валы и ремни имели высокие потери на трение. В США с 1870 по 1880 год каждый человеко-час обеспечивался 0,55 л.с. В 1950 году каждый человеко-час обеспечивался 5 л.с., или 2,8% годового прироста, который снизился до 1,5% с 1930 по 1950 год. Период электрификации фабрик и домохозяйств с 1900 по 1940 год был периодом высокой производительности и экономического роста. Большинство исследований электрификации и электрических сетей были сосредоточены на странах с развитой промышленностью в Европе и Соединенных Штатах. В других местах проводное электричество часто осуществлялось по схемам колониального управления. Некоторые историки и социологи рассматривали взаимосвязь между колониальной политикой и развитием электрических сетей: в Индии Рао показал, что региональная политика, основанная на лингвистических принципах, а не на технико-географических соображениях, привела к созданию двух отдельных сетей; в колониальном Зимбабве (Родезии) Чиковеро показал, что электрификация была основана на расовой принадлежности и служила сообществу белых поселенцев, исключая африканцев; а в Мандатной Палестине Шамир утверждал, что британские концессии на электричество, предоставленные компании, принадлежащей сионистам, углубили экономическое неравенство между арабами и евреями.

In 1851, Charles Babbage stated:One of the inventions most important to a class of highly skilled workers (engineers) would be a small motive power ranging perhaps from the force of from half a man to that of two horses, which might commence as well as cease its action at a moment's notice, require no expense of time for its management and be of modest cost both in original cost and in daily expense. To be efficient steam engines needed to be several hundred horsepower. Steam engines and boilers also required operators and maintenance. For these reasons the smallest commercial steam engines were about 2 horsepower. This was above the need for many small shops. Also, a small steam engine and boiler cost about $7,000 while an old blind horse that could develop 1/2 horsepower cost $20 or less. Machinery to use horses for power cost $300 or less. Many power requirements were less than that of a horse. Shop machines, such as woodworking lathes, were often powered with a one or two man crank. Household sewing machines were powered with a foot treadle; however, factory sewing machines were steam powered from a line shaft. Dogs were sometimes used on machines such as a treadmill, which could be adapted to churn butter. In the late 19th century specially designed power buildings leased space to small shops. These building supplied power to the tenants from a steam engine through line shafts. Electric motors were several times more efficient than small steam engines because central station generation was more efficient than small steam engines and because line shafts and belts had high friction losses. In the U. S. from 1870 to 1880 each man hour was provided with .55 hp. In 1950 each man hour was provided with 5 hp, or a 2.8% annual increase, declining to 1.5% from 1930 to 1950. The period of electrification of factories and households from 1900 to 1940, was one of high productivity and economic growth. Most studies of electrification and electric grids focused on industrial core countries in Europe and the United States. Elsewhere, wired electricity was often carried on and through the circuits of colonial rule. Some historians and sociologists considered the interplay of colonial politics and the development of electric grids: in India, Rao showed that linguistics based regional politics—not techno geographical considerations—led to the creation of two separate grids; in colonial Zimbabwe (Rhodesia), Chikowero showed that electrification was racially based and served the white settler community while excluding Africans; and in Mandate Palestine, Shamir claimed that British electric concessions to a Zionist owned company deepened the economic disparities between Arabs and Jews.

Актуальность автоматизации в электрификации

Электрификация, процесс обеспечения систем электроэнергией, сыграла ключевую роль в развитии промышленной автоматизации. Это особенно заметно на примере более старых программируемых логических контроллеров (ПЛК) и последовательных логических контроллеров (СЛК) – типов компьютеров, используемых для управления промышленными процессами. Впервые представленные более полувека назад, эти контроллеры стали незаменимыми для управления сложными задачами на предприятиях и в автоматизированных средах. Эволюция автоматизации в рамках концепции Индустрии 4.0 еще больше подчеркнула важность ПЛК и СЛК. В современных автоматизированных системах фокус сместился не только на механическое управление, но и на управление и анализ данных. Эти контроллеры адаптировались к этому изменению, становясь все более интегрированными с передовыми цифровыми системами. Современные ПЛК, например, теперь обладают такими функциями, как облачное подключение, позволяющее им отправлять и получать данные через интернет, и периферийные вычисления, подразумевающие обработку данных ближе к источнику их генерации. Этот технологический прогресс особенно важен в сложных условиях, например, на удаленных промышленных объектах. Здесь ПЛК, оснащенные новыми технологиями, обеспечивают надежную работу даже в экстремальных условиях. Они способны решать сложные задачи, такие как мониторинг оборудования и управление потоками данных, демонстрируя, что даже более старые технологии автоматизации адаптировались и остаются востребованными в быстро меняющемся современном промышленном мире. В целом, непрерывное развитие ПЛК и СЛК является примером динамичного характера технологий автоматизации, постоянно адаптирующихся к меняющимся потребностям промышленности и сохраняющих свою критически важную роль в современных промышленных процессах.

Текущий уровень электрификации

Хотя электрификация городов и домов существует с конца XIX века, около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа к централизованной электроэнергии в 2017 году, по сравнению с 1,2 миллиарда в 2010 году. Наибольший прогресс в электрификации наблюдался между 1950-ми и 1980-ми годами. Значительный рост был достигнут в 1970-х и 1980-х годах – с 49% населения мира в 1970 году до 76% в 1990 году. В последние годы темпы роста замедлились; к началу 2010-х годов доступ к электричеству имели 81–83% населения мира.

Электрификация для устойчивой энергетики

Чистая энергия в основном вырабатывается в форме электричества, например, возобновляемой энергии или атомной энергии. Переход к этим источникам энергии требует электрификации конечных видов потребления, таких как транспорт и отопление, для обеспечения устойчивости мировых энергетических систем. Недавние исследования показали, что в США и Канаде использование тепловых насосов (HP) экономически целесообразно при питании от солнечных фотоэлектрических (PV) установок для компенсации отопления пропаном в сельской местности и природным газом в городах. Исследование 2023 года рассматривало: (1) жилую систему отопления на основе природного газа и электроэнергию из сети, (2) жилую систему отопления на основе природного газа с PV для обеспечения электроснабжения, (3) жилую систему HP с электроэнергией из сети и (4) жилую систему HP+PV. Было установлено, что при типичной инфляции жизненный цикл стоимости природного газа и реверсивных воздушных тепловых насосов практически идентичен, что частично объясняет, почему продажи тепловых насосов впервые превысили продажи газовых котлов в США в период высокой инфляции. При более высокой инфляции или снижении капитальных затрат на PV, PV становится защитой от роста цен и стимулирует внедрение тепловых насосов, также фиксируя рост стоимости электроэнергии и отопления. Исследование

Электрификация транспорта

Устойчивое производство электроэнергии проще, чем устойчивое производство жидкого топлива. Поэтому распространение электромобилей – это способ сделать транспорт более экологичным. Водородные транспортные средства могут стать вариантом для крупногабаритного транспорта, который пока не получил широкого распространения в электрифицированном виде, например, для большегрузных автомобилей дальнего следования. Многие технологии, необходимые для сокращения выбросов от морского и воздушного транспорта, все еще находятся на начальной стадии разработки.

Электрификация отопления

Большая часть населения мира не может позволить себе достаточного охлаждения для своих домов. Помимо кондиционирования воздуха, требующего электрификации и дополнительного потребления энергии, для устойчивого удовлетворения потребностей в охлаждении потребуются пассивное проектирование зданий и городское планирование. Аналогично, многие домохозяйства в развивающихся и развитых странах страдают от энергетической бедности и не могут достаточно отапливать свои дома. Существующие методы отопления часто являются источником загрязнения. Ключевым устойчивым решением для отопления является электрификация (тепловые насосы или менее эффективные электрические обогреватели). По оценкам МЭА, тепловые насосы в настоящее время обеспечивают лишь 5% мировых потребностей в отоплении помещений и воды, но потенциально могут обеспечить более 90%. Использование геотермальных тепловых насосов не только снижает общую годовую нагрузку на энергию, связанную с отоплением и охлаждением, но и выравнивает кривую спроса на электроэнергию, устраняя пиковые летние нагрузки на электроснабжение. Однако, одних тепловых насосов и резистивного нагрева будет недостаточно для электрификации промышленного тепла, поскольку в ряде процессов требуются более высокие температуры, недостижимые с помощью данного оборудования. Например, для производства этилена методом парового крекинга необходимы температуры до 900 °C, что требует принципиально новых процессов. Тем не менее, ожидается, что электрификация химической промышленности станет первым шагом, с ожидаемым масштабным внедрением к 2025 году. В некоторых городах США уже начали запрещать газовые подключения для новых домов, а на уровне штатов принимаются и рассматриваются законы, требующие электрификации или запрещающие местные требования к использованию газа. Правительство Великобритании экспериментирует с электрификацией отопления домов для достижения своих климатических целей. Керамический и индукционный нагрев для плит, а также для промышленных применений (например, паровых крекеров) – примеры технологий, которые могут быть использованы для отказа от природного газа.

Энергетическая устойчивость

Электричество – это «привязанная» форма энергии, поскольку оно, как правило, остаётся на континенте или острове, где оно вырабатывается. Оно также имеет множество источников: если один источник испытывает нехватку, электричество можно произвести из других источников, включая возобновляемые. В результате, в долгосрочной перспективе это относительно устойчивый способ передачи энергии. Однако, в краткосрочной перспективе, из-за того, что электроэнергия должна поставляться одновременно с её потреблением, оно несколько менее стабильно по сравнению с топливом, которое можно доставить и хранить на месте. Но эту нестабильность можно уменьшить за счёт накопления энергии в энергосистеме и распределённой генерации.

Управление переменными источниками энергии

Солнечная и ветровая энергия — это переменные возобновляемые источники энергии, которые обеспечивают электроэнергию непостоянно, в зависимости от погоды и времени суток. Большинство электрических сетей были спроектированы для источников энергии с постоянной выработкой, таких как угольные электростанции. По мере интеграции в сеть всё большего объема солнечной и ветровой энергии необходимо вносить изменения в энергетическую систему, чтобы обеспечить соответствие выработки электроэнергии спросу. В 2019 году эти источники произвели 8,5% электроэнергии во всем мире, и эта доля быстро растет. Существуют различные способы повышения гибкости электроэнергетической системы. Во многих регионах выработка энергии ветром и солнцем дополняют друг друга в суточном и сезонном масштабе: ветер обычно сильнее ночью и зимой, когда выработка солнечной энергии снижается. Наиболее распространенным методом хранения энергии является гидроаккумулирующая электростанция, для которой требуются места с большой разницей высот и доступом к воде. Аккумуляторы содержат кобальт, большая часть которого добывается в Конго, политически нестабильном регионе. Диверсификация географических источников поставок может обеспечить стабильность цепочки поставок, а воздействие на окружающую среду можно снизить за счет повторного использования и переработки. Батареи обычно хранят электроэнергию в течение коротких периодов времени; ведутся исследования технологий с достаточной емкостью для обеспечения работы в течение сезонов. Гидроаккумулирующие электростанции и преобразование электроэнергии в газ с возможностью использования в течение нескольких месяцев уже внедрены в некоторых регионах. По состоянию на 2018 год аккумулирование тепловой энергии, как правило, менее удобно, чем сжигание ископаемого топлива. Высокие первоначальные затраты являются препятствием для внедрения. Сезонное аккумулирование тепловой энергии требует большой емкости; оно было реализовано в некоторых регионах с высокими широтами для отопления домов.