Постоянный ток: идет ли революция?

Томас Эдисон считается одним из величайших изобретателей в истории. Являясь создателем таких изобретений, как фонограф и электрическая лампочка, он имеет 1093 патента на свое имя. Эдисон запустил свою первую электростанцию в 1882 году, которая среди прочего обеспечивала электроэнергией Уолл-стрит в Нью-Йорке. Электростанция использовала постоянный ток. 

Одновременно сотрудник Эдисона Никола Тесла успешно развивал динамо-машину. Но у хорватского ученого была другая идея. Вместо постоянного тока Тесла сосредоточился на развитии переменного тока. После спора с Эдисоном, Тесла продолжил свою работу с соперником Эдисона Джорджем Вестнингхаусом. Переменный ток показывал очевидные преимущества. Для передачи на большие расстояния напряжение может быть легко отрегулировано с помощью трансформаторов. Используемый кабель также может быть тоньше и, следовательно, дешевле. Вместо признания этих преимуществ и поддержки переменного тока, Эдисон настаивал на своем и пытался дискредитировать своих конкурентов. Эдисон утверждал, что недавно изобретенное электрическое кресло было оснащено технологией его соперников. Его послание было простым: переменный ток обречен. Хотя его кампания была успешной, победа Эдисона длилась недолго. Чикагская всемирная ярмарка 1893 года была оснащена оборудованием, использующим переменный ток, предвещая покорение электрической революции 20-го века. Позже Томас Эдисон признался сыну: «Я думаю, что в тот момент, когда я отказался поддерживать переменный ток, был самой большой ошибкой в ​​моей жизни».

Сегодня, спустя 86 лет после смерти Эдисона, есть признаки того, что великий изобретатель не так уж и ошибался относительно постоянного тока, как когда-то считали люди. Идеи Эдисона становятся снова актуальными, так как ряд последних событий делает постоянный ток более привлекательным.

Раньше электричество производилось переменным током в генераторах крупных угольных или атомных электростанций, а также в гидротурбинах. Они распределяют энергию через сеть переменного тока. Трансформаторы позволяют увеличить напряжение до нескольких сотен тысяч вольт, удерживая ток в кабелях. Но сейчас ряд поставщиков электроэнергии становятся на путь использования постоянного тока. К ним относятся, например, солнечные электростанции, которые обычно поддерживаются батареями или электрохимическими системами хранения. Преобразование постоянного тока в переменный неизбежно связано с потерями, что делает сеть постоянного тока лучшим выбором для этих поставщиков.

На фото - гибридная солнечная электростанция Solar Smart Grid на Гаити. 

Крупные электростанции уже давно доминируют в сегменте поставщиков электроэнергии, распределяя свою энергию в централизованно в окружающие районы. Но рост использования возобновляемых источников энергии приводит к тому, что сеть становится более децентрализованной и более локальной, причем электричество часто потребляется там, где оно генерируется.

Преимущества переменного тока здесь бесполезны. Но даже на больших расстояниях переменный ток не идеален. Потери при передаче электроэнергии на расстоянии значительно увеличились. Именно поэтому Китай строит сложные электросети на основе высоковольтных линий передачи постоянного тока (также известных как HVDC), которые способны передать большое количество энергии от гидроэлектростанций в глубине страны к шумным городам на побережье. В Германии правительство также планирует построить две подобные линии для передачи избыточной энергии ветра с побережья на юг. Линии передачи HVDC в два раза дороже, чем обычные системы. Однако из-за меньших потерь энергии эти расходы окупают себя с расстояния около 400 километров или всего 60 километров в случае плавучих ветропарков.

Линии HVDC в настоящее время являются чрезвычайно надежными. Высокопроизводительная электроника позволила достичь прогресса в преобразовании энергии, что позволяет конвертировать прямые токи до 800 000 вольт без трансформатора.

Электричество в жилых домах и на фабриках распределяется либо по низковольтным электросетям, либо через штепсельные разъемы, либо через трехфазные токовые соединения. Все большее количество электроприборов требует постоянного тока. Компьютеры, светодиодные лампы и другие электронные устройства работают на постоянном токе и ранее требовали трансформатора для преобразования. В ближайшие годы к этому списку добавятся еще и электромобили. В промышленном оборудовании все чаще используются преобразователи частот со звеном постоянного тока для регулирования скорости. Сети постоянного тока с преобразованием центрального напряжения сделают все эти трансформаторы ненужными. На данный момент в автомобильной промышленности уже есть пилотные проекты, в которых комплексное производственное оборудование функционирует исключительно с постоянным током. У них также есть батареи для кратковременного хранения энергии.

Наиболее убедительным аргументом в пользу этого изменения является эффективность. Когда угольные и атомные электростанции подают напряжение в сеть с переменным током, который затем потребляется непосредственно лампочками и пылесосами, его эффективность составляет около 65 процентов. Другими словами, около трети электрической энергии теряется, например, за счет потерь тепла.

Сегодня ситуация заметно усугубилась. В результате использования фотогальванических систем и электростанций, наряду с увеличением использования батарей, все больше и больше электроэнергии подается в сеть, которая сначала должна быть преобразована из постоянного тока в переменный, что приводит к ее потерям. Потребители также страдают. Нагревающиеся адаптеры являются свидетельством потерь энергии. Это означает, что эффективность нашей энергосети составляет всего лишь 56 процентов. Следовательно, необходимо фундаментальное переосмысление этих процессов.

Альтернативой является использование технологий постоянного тока (DC), таких как высоковольтные линии передачи постоянного тока (HVDC) для подачи электроэнергии на большие расстояния, вместе с низковольтными сетями постоянного тока в домашних хозяйствах и промышленности. Они могут быть напрямую подключены к электронным устройствам или промышленным приводам без необходимости использования адаптера или трансформатора. При использовании фотогальванической системы на крыше жилого дома и электромобиля в гараже эффективность будет непревзойденной. Электрическая сеть, систематически настроенная на постоянный ток, обеспечит общую эффективность в 90%. Если эффективность будет всего на 10% выше, тогда две крупнейшие угольные электростанции в Германии могут быть отключены. Это позволит сэкономить 63 миллиона тонн CO2, или 12% от общего объема выбросов электростанций в Германии. Для оксидов азота этот показатель еще выше - 29%.

Несмотря на то, что высоковольтная передача постоянного тока в настоящее время является проверенной и общепринятой технологией, по-прежнему существует ряд технических и экономических вопросов, в том числе о сетях с низким напряжением, на которые необходимо ответить.

• Сможет ли постоянный ток заменить переменный ток в широком спектре применений?
• Будут ли обе технологии продолжать существовать одновременно друг с другом?
• Как могло бы выглядеть подобное сосуществование?
• Какие технические и экономические препятствия необходимо преодолеть?
• Какие меры безопасности будут необходимы и одновременно эффективны?
• Какие изменения потребовал бы переход на постоянный ток в сети и как это повлияет на потребителей?

Преимущества такого «переключения» настолько значительны, что не может быть никаких сомнений в том, что приближается смена парадигмы. Обладая серьезным опытом в области разработки соединительных технологий, LAPP сразу же занимает здесь ведущее положение.

Компания является ассоциированным партнером в рамках проекта «DC-INDUSTRIE», входящего в 6-ю программу исследований энергетики, которая проводится Федеральным Министерством Экономики и Энергетики Германии (BMWi). Исследовательский проект DC-INDUSTRIE посвящен вопросу о том, как можно создать сети постоянного тока с центральным процессом конверсии в качестве альтернативы энергосбережению, особенно при эксплуатации оборудования на производственных линиях, а также о том, как лучше использовать возобновляемые источники энергии.

Георг Ставови, член правления по инновациям LAPP: «В компании LAPP мы видим большой потенциал в постоянном токе и можем способствовать исследованиям данного направления с нашими обширными знаниями».