Autorem cyklu "Prosto o energetyce" jest Rafał Jaros

Gniazdko w domu ma około 230 V. Linia przesyłowa może mieć 400 000 V. Różnica jest tak duża, że łatwo zapytać: po co aż tyle?

Równie dobrze można zapytać, po co są nam autostrady, skoro da się jeździć po zwykłych drogach. W przesyle energii odpowiedź jest podobna. Da się i tak, i tak, ale przy dużych odległościach szybko zaczynamy płacić za to stratami. Jadąc samochodem, tracimy głównie czas. W elektroenergetyce tracimy energię.

I właśnie tu zaczyna się cała historia wysokiego napięcia.

Kiedy korzystamy z prądu na co dzień, zwykle widzimy efekt końcowy. W domu: świeci lampa, gotuje się woda, działa komputer. W firmie: pracuje maszyna, działa system, serwerownia pracuje bez przerwy. Rzadziej myślimy o tym, co dzieje się wcześniej, zanim energia dotrze tam, gdzie jest potrzebna.

Po drodze dzieje się coś bardzo ważnego. Część energii nie dociera do celu. Zostaje w przewodach i zamienia się w ciepło. To zwykła fizyka. Im dalej trzeba przesłać energię, tym ważniejsze staje się jedno pytanie: jak zrobić to tak, żeby jak najmniej stracić po drodze wyprodukowanej mocy?

Najkrócej: wysokie napięcie pozwala przesłać tę samą moc mniejszym prądem. A mniejszy prąd oznacza mniejsze straty i mniejsze nagrzewanie przewodów. I właśnie o to chodzi.

Gorąca wtyczka mówi więcej niż się wydaje

Każdy, kto choć raz miał w ręku gorącą wtyczkę, nagrzaną ładowarkę do telefonu albo tani przedłużacz podłączony do czajnika czy farelki, widział ten problem na własne oczy. Prąd płynie, urządzenie działa, ale coś po drodze zaczyna się grzać bardziej niż powinno.

I właśnie tam najlepiej widać, że energia nie znika bez śladu. Część z niej po prostu zamienia się w ciepło.

Wynika to z tego, że przewód nie jest idealny. Stawia opór. Ten opór nie zatrzymuje prądu całkowicie, ale utrudnia jego przepływ. A gdy przez taki przewód próbujemy przesłać duży prąd, część przesyłanej energii nie trafia dalej. Zostaje po drodze i grzeje przewód, złącze albo styk.

Im większy prąd, tym mocniej ten efekt widać.

Dlaczego duży prąd szybko robi się problemem

Żeby zrozumieć, dlaczego straty tak szybko rosną, warto spojrzeć na jeden prosty wzór:

Pstra ty = I² · R

„pstra ty” to moc strat, czyli to, ile energii „ucieka” po drodze w postaci ciepła. „I” to natężenie prądu, czyli jak duży jest przepływ w przewodzie. „R” to opór, czyli jak bardzo przewód utrudnia ten przepływ.

Ten wzór pokazuje sedno problemu: straty rosną z kwadratem prądu.

To znaczy, że jeśli prąd wzrośnie dwa razy, straty nie wzrosną dwa razy. Wzrosną cztery razy.

I tu zaczyna się cała gra. W elektroenergetyce bardzo często nie walczymy z samym faktem przesyłu energii. Walczymy z tym, żeby prąd nie był niepotrzebnie za duży. Bo kiedy robi się zbyt duży, rosną straty, rośnie temperatura i coraz większa część cennej energii marnuje się po drodze zamiast pracować tam, gdzie jest potrzebna. Im większy prąd płynie przez przewód, tym bardziej przewód się nagrzewa i tym więcej energii tracimy po drodze.

Co ma z tym wspólnego napięcie

Ktoś może tu zapytać: skoro cały czas mówimy o prądzie i stratach, to dlaczego w ogóle tak ważne jest napięcie?

Właśnie dlatego, że moc zależy od jednego i drugiego. W najprostszym ujęciu wygląda to tak:

P = U × I Czyli moc jest iloczynem napięcia i prądu. Jeśli więc chcemy przesłać tę samą moc, to możemy zrobić to na dwa sposoby: przy niższym napięciu i większym prądzie albo przy wyższym napięciu i mniejszym prądzie.

Dla elektroenergetyki wyraźnie lepsza jest ta druga opcja. Dlaczego? Bo skoro straty rosną z kwadratem prądu, to zmniejszenie prądu daje bardzo duży efekt. Przewody mniej się nagrzewają. Straty maleją. Więcej energii dociera tam, gdzie jest potrzebna.

 

Sens wysokiego napięcia jest prosty: pozwala przesłać tę samą moc mniejszym prądem. A mniejszy prąd oznacza mniejsze straty.

To najlepiej widać na prostym przykładzie

Załóżmy, że chcemy przesłać moc równą pracy jednego bloku około 900 MW, jak w Jaworznie. To oczywiście uproszczony przykład, ale dobrze pokazuje skalę zjawiska.

Jeśli taki przesył zrealizujemy przy napięciu 400 kV, potrzebny prąd wyniesie w przybliżeniu 1310 A. Przy 220 kV będzie to już około 2390 A, a przy 110 kV około 4770 A.

I tu zaczyna być naprawdę ciekawie. Przy 220 kV prąd jest prawie 1,8 razy większy niż przy 400 kV. A ponieważ straty rosną z kwadratem prądu, byłyby około 3,3 razy większe. Przy 110 kV robi się już około 13 razy więcej strat niż przy 400 kV.

Ten prosty przykład dobrze pokazuje, że przy dużych mocach i dużych odległościach różnica robi się ogromna. I właśnie dlatego w systemie przesyłowym używa się tak wysokich napięć.

Dlaczego nie podajemy takiego napięcia do domu

Bo to, co świetnie sprawdza się w przesyle na setki kilometrów, nie sprawdziłoby się w codziennym używaniu prądu.

Na dużą odległość chcemy ograniczać straty. Dlatego napięcie podnosimy. Ale w domu, biurze, szkole czy sklepie potrzebujemy napięcia dostosowanego do urządzeń i do bezpiecznego korzystania z energii.

Dlatego po drodze napięcie jest stopniowo obniżane. I właśnie do tego służą stacje elektroenergetyczne oraz transformatory. To one pozwalają połączyć dwie rzeczy naraz: sprawny przesył energii na dużą odległość i bezpieczne zasilanie odbiorców końcowych.

Dla ciekawych świata: gdy opór to za mało - impedancja

Do tej pory celowo mówiłem głównie o oporze, bo to on w najbardziej intuicyjny sposób pokazuje podstawowy mechanizm. Przewód nie jest idealny, duży prąd podnosi straty, a część energii zamienia się po drodze w ciepło.

Jeśli celem jest zrozumienie, po co w ogóle podnosi się napięcie, takie uproszczenie w zupełności wystarcza. Tyle że w rzeczywistej sieci sprawa jest trochę bardziej złożona. System pracuje z prądem przemiennym, a wtedy pełniejszym pojęciem niż sam opór jest impedancja.

Najprościej mówiąc: opór opisuje najprostszą przeszkodę dla przepływu prądu. Impedancja opisuje to szerzej. Uwzględnia nie tylko sam opór przewodnika (przewodu), ale też zjawiska związane z tym, że napięcie i prąd w sieci zmieniają się w czasie. I właśnie tu pojawia się cos φ.

W najprostszym ujęciu chodzi o to, że napięcie i prąd nie zawsze są idealnie „w rytmie”. Ich maksima nie zawsze wypadają dokładnie w tej samej chwili. Między nimi może pojawić się przesunięcie fazowe, które oznaczamy literą φ.

A cos φ mówi nam, jaka część zależności między napięciem a prądem naprawdę przekłada się na moc czynną, czyli na pracę użyteczną. Dlatego pełniejszy zapis mocy w układzie trójfazowym wygląda tak:

P = √3 · U · I · cos φ

Nie zmienia to głównego wniosku z tego tekstu. Nadal jednak chodzi o to samo. Jeśli chcemy ograniczać straty, musimy pilnować prądu. A jednym z najważniejszych sposobów jest podnoszenie napięcia.

Jeśli masz zapamiętać jedną rzecz z tego tekstu, to tę:

Wysokie napięcie jest potrzebne po to, żeby przesyłać tę samą moc mniejszym prądem.

A mniejszy prąd oznacza mniejsze straty i mniejsze nagrzewanie przewodów.

To właśnie dlatego wysokie napięcie jest jednym z fundamentów nowoczesnej elektroenergetyki.