Энергия и цивилизация

Я уже отметил высокий показатель масса/мощность паровых двигателей и их ограниченную мощность. Эти первичные движители, бывшие громоздкими и откровенно неэффективными, ушли в прошлое после того как Чарльз Парсонс (1854–1931) запатентовал более эффективную, легкую и меньшую по размерам паровую турбину в 1884 году (Parsons 1936). Компания Парсонса установила турбину в 75 кВт в Ньюкасле в 1888-м, и уже в 1 МВт в 1900 году в германском Эльберфель-де; крупнейшая из машин, установленная в Чикаго в 1912-м, достигла мощности в 25 МВт (Smil 2005). Паровые двигатели редко давали больше нескольких сотен оборотов в минуту, а современные турбины достигли 3600 об./мин. и могут работать под давлением до 34 МПа и с паром, перегретым до 600 °C, результатом чего является эффективность до 43 % (Termuehlen 2001; Sarkar 2015). Их можно построить с заданной мощностью от нескольких киловатт до более чем 1 ГВт, и они способны заполнять ниши от маломасштабной конверсии остаточного тепла в электричество до массивных турбогенераторов на ядерных электростанциях.

Трансформаторы, вероятно, выиграли бы конкурс на устройство, которое широко распространено и незаменимо в современном мире, но практически отсутствует в общественном сознании (Coltman 1988). Они используются обычно в скрытом виде (под землей, внутри зданий, за высокими заборами), молчаливы и неподвижны, но именно они обеспечивают недорогую централизованную генерацию электричества. Применявшиеся поначалу системы передачи постоянного напряжения от электростанций к потребителям были ограничены по дистанции. Передача энергии на расстояние больше чем в четверть мили потребовала бы установки массивных проводников, которые, как сделал вывод Сименс (Siemens 1882, 70) «невозможно более размещать в узких каналах под тротуарами, так что они потребуют создания затратных подвесных линий – подлинных cava electrica».

Другой возможный вариант состоял в постройке огромного количества станций, обеспечивающих ограниченные территории, и он тоже выглядел достаточно затратным. Трансформаторы переменного тока обеспечили дешевое и надежное решение (примечание 5.11).

Примечание 5.11. Преобразование энергии и потери при ее передаче

Электричество эффективнее всего производить и использовать при низком напряжении, но поскольку потеря мощности при передаче растет согласно квадрату переданного тока, лучше всего использовать высокое напряжение, чтобы ограничить эту потерю. Трансформа-торы превращают один ток в другой, либо снижая, либо увеличивая напряжение входящего потока, и делают это практически без потерь энергии и в широком спектре напряжений (Harlow 2012). Простые расчеты иллюстрируют это преимущество. Мощность переданного электричества является производной силы тока и напряжения (ватты = амперы х вольты); напряжение является производной силы тока и сопротивления (закон Ома, V = АО), мощность – производной А20.

Потеря мощности (сопротивление), следовательно, уменьшается обратно квадрату напряжения: если увеличить его в 10 раз, линейное сопротивление будет только 1/100 при передаче электричества в том же объеме. Это всегда играет на руку максимально возможному напряжению, но на практике его увеличение ограничено другими обстоятельствами (коронный разряд, требования к изоляции, размер вышек на линии передачи), так что что высоковольтная и сверхвысоковольтная передача сейчас обычно совершается при 240–750 тысяч вольт (240–750 кВ), с потерями 7 % от переданного электричества.