Električna energija je jedan od oblika energije koji se proizvodi dejstvom elektromagnetskog polja na naelektrisanje. Pored ove, strogo fizičke definicije, postoji opšteprihvaćena konvencija da je električna energija (laici koriste i pojmove električna struja, struja i elektricitet) ono što se proizvodi u elektranama, prenosi dalekovodima i distribuira do potrošača gde se koristi za rad kućnih aparata, kancelarijske opreme, industrijskih mašina, i omogućava dovoljno energije kako za kućno tako i za komercijalno osvetljenje, grejanje, kuvanje i industrijske procese.
Iako je bilo poznato da elektricitet nastaje kao proizvod hemijskih reakcija koje se dešavaju u elektrolitskoj ćeliji, od kako je Alesandro Volta razvio Voltin stub 1800. godine, proizvodnja na takav način bila je i ostala skupa. Majkl Faradej je 1831. godine izumeo mašinu koja generiše elektricitet iz rotacionog kretanja, ali je trebalo skoro 50 godina da ta tehnologija dostigne komercijalno isplativi nivo. Tomas Edison je 1878. godine, razvio i prodao komercijalno isplativu zamenu za gasno osvetljenje i grejanje, korišćenjem lokalno generisanog i distribuiranog elektriciteta, u obliku jednosmerne struje. Razlog što je generisanje elektriciteta moralo biti blizu ili u okviru potrošačevih prostorija je što Edison nije imao načina za konverziju napona. Izbor napona bilo kog električnog sistema je kompromis. Povećanjem napona smanjuje se struja i tako se eliminišu gubici usled otpora kabla. Na nesreću, pojačava se opasnost od direktnog kontakta i takođe se povećava potrebna debljina izolacije. Nadalje, neke tipove opterećenja je teško ili nemoguće prilagoditi visokim naponima.
Nikola Tesla, koji je kratko vreme radio za Edisona i shvatao teoriju elektriciteta na način na koji Edison nije, izumeo je alternativni sistem korišćenjem naizmenične struje. Tesla je shvatio da pošto dupliranjem napona prepolovljava struju i smanjuje gubitke za tri četvrtine, samo naizmenična struja omogućava transformaciju između naponskih nivoa u različitim delovima sistema. Ovo je omogućilo efikasne visoke napone za distribuciju gde se rizik smanjuje dobrim dizajnom, a relativno sigurne niske napone na mestima potrošnje. On je nastavio da razvija opštu teoriju svog sistema, razvijajući teoretske i praktične alternative za sve tadašnje upotrebe jednosmerne struje, i patentirao svoje napredne ideje 1887. godine, u okviru trideset različitih patenata.
Teslin rad je 1888. godine privukao pažnju Džordža Vestinghausa, koji je posedovao patent za tip transformatora koji je mogao da podrži veliku snagu i bio jednostavan za proizvodnju. Vestinghaus je upravljao postrojenjem za osvetljavanje na naizmeničnu struju u Grejt Baringtonu, Masačusets od 1886. godine. Iako je Vestinghausov sistem mogao da koristi Edisonove svetiljke i imao grejače, nije imao motor. Uz pomoć Tesle i njegovih patenata, Vestinghaus je 1891. sagradio električni sistem za rudnik zlata u Teluridu, Kolorado, sa generatorom na vodu od 100 konjskih snaga (75 kW) koji je pokretao motor od 100 konjskih snaga (75 kW) preko napojnog voda dugog 2,5 milje (4 km). Na kraju je 1893 Almarian Deker izumeo ceo sistem za trofazno generisanje struje u Redlandsu, Kalifornija. Zatim, u saradnji sa Dženeral Elektrikom, koji je Edison bio prisiljen da proda, Vestinghausova kompanija je krenula u konstrukciju električne centrale na Nijagarinim vodopadima, sa tri Teslina generatora od po 5.000 konjskih snaga za isporuku električne energije postrojenju za preradu aluminijuma u Nijagari i gradu Bufalu udaljenom 22 milje (35 km). Električna centrala u Nijagari je počela sa radom 20. aprila 1895. godine. Njeno otvaranje je postavilo kamen temeljac za prodaju električne energije za više od sto godina.
Danas, Teslin sistem naizmenične struje još uvek je primarni način isporuke električne energije potrošačima širom sveta. Iako se jednosmerna struja visokog napona (JSVN) koristi za predaju velike količine elektriciteta na veliku udaljenost, većina proizvodnje električne energije, prenosa, distribucije i prodaje obavlja se korišćenjem naizmenične struje.
U mnogim državama, kompanije za proizvodnju električne energije poseduju kompletnu infrastrukturu od proizvodnje do prenosa i distribucije. Zbog toga se električna struja posmatra kao prirodni monopol. Sama industrija je uglavnom dosta regulisana, često sa kontrolom cene i neretko je u posedu države. U nekim državama, trgovina u kojoj učestvuju proizvođači i distributeri funkcioniše slično robnoj ili novčanoj berzi.
Govoreći o elektičnoj energiji, nemoguće je zanemariti domaćeg stručnjaka – JP Elektroprivredu Srbije – EPS, koji je najkompetentniji da nas uputi u osnove ove priče. Zbog toga, prenosimo u potpunosti „Priču o stuji“ ili „Električna energija za početnike“
„Prepričavajući svoje prvo dečačko oduševljenje električnom energijom, Nikola Tesla je 1939. godine u pismu devojčici Poleksiji Potić napisao: „Dan na dan pitao sam se šta je elektricitet, ali nisam nalazio odgovora. Osamdeset godina proteklo je otada i ja sebi još uvek postavljam isto pitanje, nemoćan da nadjem odgovor.“
Zaista, Šta je električna energija?
Sve oko nas čine atomi, nevidljive čestice koje mogu da se vide samo pomoću specijalnih uređaja. Kretanjem atoma i čestica koje ga čine, nastaje energija. Pomoću nje pokrećemo…
Odakle dolazi električna energija?
Toplotna vrednost uglja i snaga vode su najveći izvori električne energije u našoj zemlji.
Električna energija koju trošimo u našim domovima proizvodi se u termoelektranama površine nekoliko stotina fudbalskih igrališta i u hidroelektranama kojima se pregrađuju reke.
Ugalj
Mnogo miliona godina moralo je da prođe da bi iz davnašnjih šuma nastao ugalj. U Srbiji postoji nekoliko oblasti, ugljenih basena, gde se proizvodi ugalj. Najviše ima lignita, čija je toplotna vrednost niska. Najveće količine lignita, dovoljne za ekonomičnu proizvodnju, nalaze se na Kosovu i Metohiji – u blizini Prištine, zatim u okolini Lazarevca i pored Kostolca. Na te tri lokacije lignit se proizvodi u velikim, savremenim površinskim kopovima. U još osam manjih rudnika lignit i izvesne količine kamenog i mrkog uglja proizvode se na stari način – kopanjem iz dubokih rudničkih jama.
Voda
Kolika je snaga vode, na žalost, najbolje shvatimo tek kada se dogodi poplava. Tada se iz reka oslobađa ogromna energija, koja ruši sve što su stvorili priroda i čovek. Gradeći hidroelektrane, čovek snagu usmerava na stvaranje – na dobijanje električne energije, bez koje bi sve oko nas stalo. Istovremeno, pregrađivanjem reka smanjuje se opasnost od poplava.
Kako se pravi električna energija? Hiljade ljudi učestvuju u proizvodnji električne energije.
Površinski kopovi
Da bi se došlo do uglja, prvo mora da se skine zemlja koja se taložila milionima godina. Negde je sloj zemlje iznad uglja debeo 30, a negde i svih 100 metara. Zemlja se kopa i odlaže ogromnim bagerima – najvećim mašinama na svetu – visokim 80 metara. Kada dođu do uglja, i njega takođe kopaju „zubi“ velikih bagera.
Termoelektrane
Zatim se ugalj prevozi do termoelektrana, do mlinova visokih kao soliter, gde se melje i pretvara u prašinu. Ugljena prašina se ubacuje u kotlove, gde sagoreva i pretvara se u toplotnu energiju. Visoka temperatura zagreva vodu u cevima, koje se nalaze oko kotla, i „pretvaraju“ vodu u vodenu paru (cevi u našoj najvećoj termoelektrani, „Nikola Tesla B“ kod Obrenovca, dugačke su 832 kilometra – to je udaljenost od Obrenovca do Istanbula (823), Odese (840) Varšave (848), Drezdena (856) ili Milana (870). Vodena para se pod velikim pritiskom usmerava na lopatice turbine, čime se dobija mehanička energija (pritisak vodene pare je toliki, da turbinu okreće 3000 puta u minutu!). Mehanička energija iz turbine pokreće generator, koji proizvodi električnu energiju.
Hidroelektrane
Gradnja hidroelektrane – počev od istraživanja, preko izrade hiljada projekata, do građevinskih radova i ugradnje opreme – traje 7-10 godina (slično je i sa termoelektranama). Brana hidroelektrane mora da bude dovoljno visoka i čvrsta da izdrži i najveći dotok na reci i zemljotres. U dnu brane nalaze se veliki tuneli, kojima se voda usmerava na turbine. Snaga vode pokreće rotor turbine (rotor u našoj Reverzibilnoj hidroelektrani „Bajina Bašta“ težak je 480 tona i okreće se brzinom od 428 puta u minuti!). Okretanjem rotora snaga vode pretvara se u mehaničku energiju, koja se u generatorima pretvara u električnu energiju.
Kojim putem električna energija dolazi do nas?
Da bi mogla da pređe put do naših domova, električna energija u početku mora da ima napon najmanje 1.000 puta veći od onog na koji rade naši kućni aparati. Kroz moćne dalekovode, električna energija putuje od termoelektrana i hidroelektrana do udaljenih postrojenja koja se zovu transformatorske stanice. U transformatorskim stanicama visok napon električne energije se snižava do nivoa na kojem rade naši kućni aparati – 220 volti. Energiju iz reka i milionima godina stvaranog uglja mi koristimo skoro u istom trenutku kada se proizvodi u termoelektranama i hidroelektranama. Ona se do naših kućnih aparata kreće brzinom svetlosti – 300.000 kilometara u sekundi! Električnu energiju, za sada, ne možemo držati u skladištima (osim manjih količina koje se mogu čuvati u akumulatorima ili baterijama).
I, da ne zaboravimo:
Već više od 100 godina u celom svetu električna energija se proizvodi i prenosi zahvaljujući pronalascima čoveka kojeg smo pomenuli na početku: Nikole Tesle.
Priča o struji
Savremena civilizacija, savremeni način života, naše celokupno okruženje, počivaju na upotrebi električne energije. Nema segmenta savremenog života koji, na neki način, ne zavisi od ove vrste energije. Električna energija pokreće sve: od najsitnijjih kućnih aparata do ogromnih fabričkih postrojenja; njome čovek produžava dan, pokreće mašine da rade umesto njega… rečju, olakšava i ulepšava sebi život. Mogućnost da to postigne, čovek je, kao i mnogo puta do tada pronašao u – prirodi.
Prirodna pojava elektricitet, koja se javlja u obliku munje i gromova, dugo je zaokupljala pažnju običnog čoveka, bila predmet istraživanja mnogih naučnika. Prepričavajući svoje prvo dečačko oduševljenje električnom energijom, Nikola Tesla je 1939. godine napisao: »Dan na dan pitao sam se šta je elektricitet, ali nisam nalazio odgovora. Osamdeset godina proteklo je otada i ja sebi još uvek postavljam isto pitanje, nemoćan da nadjem odgovor.« Nauka je utvrdila da elektricitet nastaje kada se elektroni (delovi atoma) međusobno privlače ili odbijaju, i tako kreću. Na tom svojstvu elektrona zasnovana je fizička pojava električna struja – to je usmereno kretanje elektrona pomoću magnetnog polja. Nakon dugog proučavanja i eksperimentisanja, tokom druge polovine 19. veka, naučnici su konstruisali generator, mašinu u kojoj će, najjednostavnije rečeno, to usmereno kretanje elektrona, na kraju, proizvesti električnu energiju. Sama reč „energija“ potiče od starogrčke „energeia“ kojom se označavala sposobnost tela, materije… da obavi neku radnju. Sve što se nalazi oko nas – Sunce, voda, vazduh, vetar, drvo, svaki predmet, svi živi organizmi – ima energiju, obavlja neku radnju. Fizičari su utvrdili da je energija konstantna i neuništiva, ona ne može nastati niti nestati, može samo da pređe iz jednog oblika u drugi. Tako je u prirodi.
Čovek je, nešto slično, zasnovano na tom svojstvu prirode, učinio i sa električnom energijom: po izlasku iz elektrana, električna energija se žicama prenosi i distribuira do svih nas. Mi je koristimo onako kako nam je u tom trenutku potrebno: za osvetljenje (uključivanjem sijalice, električna energija postaje svetlosna energija), za pokretanje mašina i aparata (uključivanjem, na primer, miksera, električna energija postaje mehanička), za zagrevanja (uključivanjem TA peći, postaje toplotna energija), u hemijskim procesima (hemijska)… Čovek je električnu energiju učinio oblikom energije koji se lako dobija iz bilo kog drugog oblika energije i isto tako – lako, pretvara u bilo koji drugi oblik energije, tj. onaj oblik koji je potreban čoveku. Zbog toga se i kaže da je električna energija najplemenitiji oblik energije.
Sve elektrane – termo, hidro i nuklearne, u suštini, obavljaju isti posao – proizvode električnu energiju. Elektrane se razlikuju jedino po izvoru energije koji pokreće njihove turbine: izvor energije može biti snaga vode (u hidroelektranama); snaga vodene pare (u termoelektranama) ili dejstvo nuklearne reakcije fizijes, tj. cepanja atoma (u nuklearnim elektranama). Dejstvom jednog od ovih izvora energije, pokreću se turbine u elektranama. One su, pak, povezane sa generatorima, u kojima se mehanička energija turbina pretvara u električnu. Planetarne klimatske promene koje su još od sredine 20. veka postale alarmantne, promenile su odnos čoveka prema izvorima energije. Danas najjviše korišćeni ugalj,
spada u grupu neobnovljivih izvora energije. Ugalj je nastao dugotrajnim procesom odumiranja i taloženja ogromnih, praistorijskih šuma tokom miliona godina. Taj prirodni proces nastajanja uglja je završen, i on se više nikada neće ponoviti. Kada jednog dana bude potrošen, uglja više neće biti. Neobnovljivi izvori energije su i nafta i gas. Za razliku od ovih neobnovljivih, korišćenje obnovljivih izvora energije: Sunca, vode, vetra, biomase, plime i oseke… neiscrpno je. Oni su stalno prisutni u prirodi, stalno se obnavljaju, ne nestaju. Danas se smatra da je upotreba obnovljivih izvora energije u proizvodnji električne energije najbolji način očuvanja zdrave životne sredine.
I pored svega ovoga, savremeni svet funkcioniše na proizvodnji električne energije iz termoelektrana, koje za svoj izvor energije koriste ugalj. Međutim, moderni površinski kopovi na kojima se vadi ugalj i termoelektrane u kojima on sagoreva, napravljeni su tako da je zagađenje životne sredine njihovim radom – minimalno.
Električna energija koja se proizvede u elektranama putem žica i dalekovoda prenosi se i distribuira do krajnih potrošača, do svih nas. Skoro u istom trenutku kada se proizvede u elektranama, električna energija se i potroši. Utvrđeno je da se električna energija kreće brzinom svetlosti – 300.000 kilometara u sekundi! Nju, za sada, ne možemo držati i čuvati u skladištima (osim manjih količina koje se mogu čuvati u akumulatorima ili baterijama).
Zbog svojih specifičnih osobina, električna energija predstavlja i specifičnu robu: ona ne može da se vidi ni opipa kao neka druga roba; instrumenitima kojima je “vagamo” i merimo – moramo verovati. Najgore je, ipak, kad te robe nema. Reči – Nestala struja! – niko ne voli da kaže, ni čuje.“