אנו מסבירים מהו ייצור חשמל, סוגיו וכיצד הוא מיוצר. בנוסף, שלבים של משק החשמל.
מהו הפקת אנרגיה חשמלית?
הדור של כוח חשמלי מקיף את הסט של תהליכים שונה שדרכו ניתן לייצר אותו חַשְׁמַל, או מה שזה אותו הדבר, להפוך צורות אחרות של אֵנֶרְגִיָה זמין ב טֶבַע (אנרגיה כימית, קינטיקה, תֶרמִי, אוֹר, גַרעִינִיוכו') באנרגיה חשמלית שמישה.
היכולת לייצר חשמל היא אחד הדאגות העיקריות של החברה אֶנוֹשִׁיוּת עכשווי, מאז שלה צְרִיכָה היא הפכה לנפוצה ומנורמלת מאז גילויה במאה ה-19, עד כדי כך שהיא הפכה הכרחית בחיי היומיום שלנו. בתינו, תעשיותתאורה ציבורית, אפילו המכשירים האישיים שלנו, תלויה באספקה קבועה ויציבה של חשמל.
לפיכך, צריכת האנרגיה העולמית נמצאת במגמת עלייה. בעוד שבשנת 1900 צריכת האנרגיה העולמית הייתה רק 0.7 טרה-ואט (0.7 x 1012 W), כבר בשנת 2005 היא נאמדה בכ-500 אקסאג'ול (5 x 1020 J), שווה ערך ל-138,900 טרה-וואט.
המגזר התעשייתי הוא הצרכן הגדול מכולם, ולכן העולם המפותח (מה שנקרא העולם הראשון) אחראי לאחוזי הצריכה הגבוהים ביותר. ארצות הברית, למשל, צורכת 25% מהאנרגיה המופקת ברחבי העולם.
לכן, החיפוש אחר דרכים חדשות ויעילות יותר להשיג אותו הוא תחום שבו מושקעים משאבים מדעיים וטכנולוגיים אדירים, במיוחד בתקופה שבה ההשפעות האקלימיות של תיעוש ומן שריפה דלקים מאובנים זה הפך לא רק ברור, אלא מדאיג.
איך מייצרים אנרגיה חשמלית?
חשמל, באופן כללי, מיוצר במתקנים גדולים הנקראים תחנות כוח או תחנות כוח, אשר תוך ניצול סוגים שונים של חומר גולמי או תהליכים טבעיים "מייצרים" חשמל.
לשם כך, ברוב תחנות הכוח יש אלטרנטורים, שהם מכשירים גדולים שמייצרים זרם חליפין. הם מורכבים מסליל, שהוא גליל גדול ומסתובב של חומר מוליך חשמלי מסודרים בחוטים, וא מַגנֵט שנשאר קבוע.
על ידי סיבוב הסליל בתוך המגנט במהירויות גבוהות, מתרחשת תופעה הנקראת אינדוקציה אלקטרומגנטית: שדה מגנטי התוצאה מגייסת את האלקטרונים של החומר המוליך, ויוצרת זרימת אנרגיה שאותה יש "להכין" להפצה באמצעות סדרה של שנאים.
השאלה, אם כן, היא כיצד לגרום לסליל להסתובב במהירויות גבוהות וביציבות. בניסויים שבוצעו במאה ה-19 עם חשמל, הוא נוצר על ידי דיווש אופניים, שהפיקו כמובן כמות זעירה בלבד.
במקרה של תחנות כוח, נדרש משהו הרבה יותר מתוחכם: טורבינה, שהיא מכשיר מסתובב המסוגל לשדר אנרגיה מכנית לסליל, מה שגורם לו להסתובב, משימוש בכוח אחר.
לדוגמה, אתה יכול להשתמש במים הנופלים במפל, או בנשיבה מתמדת של הרוח, או ברוב המקרים, קִיטוֹר כמות עולה של כמות טובה של מים רותחים, שעבורה יש צורך בתורו לייצר כמות קבועה של חוֹם, באמצעות ה שְׂרֵפָה מסוגים שונים של חומרים.
כפי שנראה, התהליך השלם של יצירת אנרגיה חשמלית אינו אלא הפיכת אנרגיה כימית לאנרגיה קלורית (בעירה), להמירה מאוחר יותר לקינטית ומכאנית (על ידי ניוד הטורבינה), ובהמשך לאלקטרומגנטית, כלומר. , , בחשמל .
שלבי משק החשמל
משק החשמל הוא זה שאחראי על כל מעגל ייצור החשמל, מתחילתו ועד לצריכתו בכל אחד מבתינו, למשל. כל מחזור ייצור האנרגיה במגזר זה כולל את השלבים הבאים:
- דוֹר. השלב הראשון, באופן הגיוני, מורכב מהשגת חשמל באמצעים הזמינים, בכל אחד מסוגי תחנת הכוח הקיימים.
- טרנספורמציה. לאחר קבלת החשמל הוא עובר לרוב תהליך טרנספורמציה המכין אותו להובלה לאורך רשת חשמל, שכן חשמל, בניגוד לשאר המוצרים והסחורות, לא ניתן לאחסן לצריכה מאוחר יותר, אלא יש להעבירו מיד.
על כך אחראים מה שנקרא תחנות משנה או תחנות שנאים, הנמצאות בקרבת תחנות הכוח, וגם מרכזי הטרנספורמציה, הקרובים לתחנות הכוח. אוכלוסיות צרכנים, שכן משימתו היא לווסת מתח חשמלי כדי להפוך חשמל לנייד (מתח גבוה) ומתכלה (מתח נמוך).
- הפצה. סוף סוף יש לספק את החשמל לבתינו או לתעשיות הצורכות אותו באמצעות רשת חיווט המכונה קווי חשמל, ובדרך כלל מטופלות על ידי חברות הפצה ושיווק אנרגיה שונות.
- צְרִיכָה. לבסוף, לכל בית צרכן או מפעל תעשייתי יש מתקן קישור, המקשר את רשתות החלוקה עם המתקנים הפנימיים, ומאפשר לאנרגיה להיות נוכחת בכל מקום בו אנו זקוקים לה.
סוגי ייצור חשמל
ייצור חשמל מסווג, בדרך כלל, לפי סוג תחנת הכוח שבה הוא מיוצר, או מה זהה, לפי הפרוצדורה הספציפית המשמשת, כפי שהסברנו קודם, לגיוס הטורבינה מאשר לסובב את הסליל שבתורה. זמן מייצר חשמל. לפיכך, יש לנו:
- אנרגיה תרמו-אלקטרית דלקים מאובנים. מפעלים טרמו-אלקטריים הם אלו המייצרים חשמל מאנרגיית חום, הרתחה של כמויות גדולות של מים, או באופן דומה מחממים גזים אחרים, הודות לבעירה של חומרים שונים אורגני (פֶּחָם, נֵפט, גז טבעי או דלקים מאובנים אחרים) בדוד פנימי. במקרים אלה, הגז המתרחב אחראי להזזת הטורבינה, ולאחר מכן הוא מקורר כדי שניתן יהיה לחזור על המחזור.
- אנרגיה תרמו-גרעינית. עקרון הפעולה של אנרגיה תרמו-גרעינית אינו שונה מזה של תרמו-אלקטרי, למעט החום הדרוש לסיבוב הטורבינות מתקבל באמצעות תהליכים כימיים ביקוע של אטומים כבד, כלומר, להפציץ את גרעיני האטום של מסוימים אלמנטים, כדי לאלץ אותם להפוך ליסודות קלים אחרים ולשחרר כמות עצומה של אנרגיה. במפעלים אלה, המכונים כורים, אותו היגיון של ה פצצת אטום, אך הגיש בקשה למטרות שלום. החיסרון הוא בכך שהוא מייצר פסולת רדיואקטיבית שקשה לטפל בה ורעילה מאוד.
- אנרגיה גיאותרמית. שוב, במקרה זה פעולת תחנת הכוח מצייתת למודל התרמו-אלקטרי, אך ללא צורך בדלקים או דוודים, שכן נעשה שימוש בחום הפנימי של תחנת הכוח. קרום כדור הארץ. לשם כך נדרש מיקום טקטוני מתאים, כלומר אזור בעל פעילות טקטונית המאפשר לשפוך מים למעמקי האדמה ולנצל את הקיטור שנוצר לגיוס הטורבינות החשמליות.
- אנרגיה תרמית סולארית. בדומה למקרים הקודמים, סוג זה של תחנות כוח מנצל את אוֹר שֶׁמֶשׁ, מיקוד וריכוזו באמצעות מערכת מורכבת של מראות, על מנת לחמם נוזלים ב טמפרטורות בין 300 ל-1000 מעלות צלזיוס, ובכך להתחיל את תהליך היצור התרמו-אלקטרי.
- אנרגיה פוטו-וולטאית. סוג זה של אנרגיה מתקבל גם על ידי ניצול אור השמש, אך במובן אחר: באמצעות שדות גדולים של תאים פוטו-וולטאיים, המורכבים מדיודות רגישות לאור השמש, היוצרות הפרשי פוטנציאל קטנים בקצותיהן. לשם כך נדרשים אתרים גדולים פנלים סולאריים לייצר חשמל, אבל במקביל זה נעשה ללא צורך בחומרי גלם ובלי לזהם יותר מדי את סביבה.
- כוח הידרואלקטרי. במקרה זה, הטורבינות החשמליות של מפעל הייצור אינן מוזזות על ידי פעולת החום, אלא על ידי ניצול האנרגיה המכנית של מפל מים. מסיבה זו, א טוֹפּוֹגרַפִיָה ספציפית לכך, כגון קטרקט, מפלים, נהרות אדירים או גופי מים שבהם ניתן להשתיל סכרים או סכרים. מעבר לשינוי האכזרי של גופי המים הללו ושלהם מערכות אקולוגיות משלו, זה צורה של אנרגיה נקייה, זול ובטוח.
- אנרגיית מי ים או כוח גל. זה השם שניתן למפעלים להשגת אנרגיה חשמלית מהשפל או גלי הים, באמצעות מתקני חוף שבאמצעות מכשירים צפים מנצלים את דחיפת המים לגיוס הטורבינות. עם זאת, הן אינן דרכים חזקות במיוחד ולא רווחיות במיוחד להשגת אנרגיה, לפחות כרגע.
- אנרגיית רוח. אם במקרים הקודמים נוצלה התנועה הטבעית של המים, בתחנות כוח רוח מנצלים את כוח הרוח, במיוחד ב אזורים בכך שהוא נושב ללא הרף, כמו אזורי החוף, המישורים הגדולים וכדומה. לשם כך יש להם שדות שלמים של מדחפים ענקיים, הרגישים למעבר הרוח, אשר בעת תנועה מעבירים אנרגיה מכנית לטורבינה חשמלית. מדובר בצורת ייצור חשמל זולה ובטוחה יחסית, אך למרבה הצער מעט מאוד עוצמתית ועם עלות משמעותית מבחינת גינון.
אנרגיה מתחדשת
קבלת חשמל היא תהליך מורכב ומאוד תובעני. השפעה על הסביבה, במיוחד בגרסאות המסורתיות שלו, כמו דלק מאובנים. בנוסף, במקרים האחרונים, לדלק הזמין יש עתודות מוגבלות, שכן לפחם ולנפט מקור גיאולוגי איטי וממושך ביותר, שאינו מאפשר לנו לחדש מלאי פלנטרי באותו קצב שבו אנו צורכים אותם.
מסיבה זו, רבים מהמאמצים של מגזר האנרגיה מושקעים בחיפוש אחר מקורות מתחדשים אפשריים, או בשיפור אלו שכבר קיימים, כמו אנרגיה סולארית, הידרואלקטרית וגיאותרמית.
עם זאת, התקוות הגדולות של האנושות בענייני אנרגיה מצביעות על האפשרות של היתוך אטומי כמקור אנרגיה בטוח, אמין, לא מזהם ומתחדש: נלקחים אטומי מימן, היסוד הנפוץ ביותר בעולם. עוֹלָם, ומתמזגים כדי לייצר כמויות אדירות של אנרגיה, בדיוק כפי שזה קורה בלב ה- כוכבים בחלל.
למרבה הצער, אושר טֶכנוֹלוֹגִיָה היא עדיין רחוקה מהישג ידנו, ולכן האנושות תצטרך לעשות מאמצים גדולים יותר כדי להתאים את צריכת האנרגיה שלה לאפשרויות העולם, או להסתכן בהרס שלה לחלוטין ברצון שלנו לאנרגיה חשמלית אינסופית.