Energia electrică și “îmblânzirea” puterii electronilor pentru a aduce lumină umanității

Energia electrică este un aspect fundamental al societății moderne, fiind o sursă generală de alimentare, de la dispozitive personale până la orașe și industrii întregi. În acest articol, vor fi aprofundate câteva elemente de complexitate ale energiei electrice, acoperind generarea, transportul și distribuția acesteia. 

Vor fi explorate diferitele surse de energie electrică, inclusiv combustibilii fosili, energia nucleară dar și opțiunile moderne, regenerabile, cum ar fi energia solară și cea eoliană. Se vor examina, de asemenea, provocările și considerentele implicate în construirea și întreținerea sistemelor de generare și de alimentare, precum și potențialul de dezvoltare viitoare în domeniul energiei verzi.

1. Explicații despre ce este energia electrică, descoperirea și evoluția conceptului

Electricitatea face parte din peisajul cotidian al omului modern, conectarea la această sursă importantă de energie a locuințelor, a sediilor de firme și a zonelor industriale cu ajutorul firmelor de bransamente electrice și a serviciilor de instalații electrice pe care aceste companii le prestează întrând în domeniul banalității deja. Dar lucrurile nu au stat mereu astfel în lunga istorie a societății umane. Abia în secolul al XX-lea se poate spune că accesul la electricitate prin intermediul instalațiilor electrice interioare și exterioare a devenit un fapt banal pentru aproape orice zonă a planetei. 

Dar ce este energia electrică și cum a apărut conceptul fizic de electricitate? Care sunt unitățile de măsură folosite în domeniul energiei electrice? Deși domeniul electricității este unul vast, în cele ce urmează vei descoperi câteva dintre elementele principale ale acestui domeniu.

Electricitatea sau energia electrică este acea formă de energie care este produsă de mișcarea sarcinilor electrice. Electricitatea este un concept fundamental al fizicii și este, de asemenea, un mod de alimentare a unei game largi de sisteme, motoare și device-uri specifice societății moderne din prezent.

Descoperirea electricității poate fi urmărită în timp încă de la civilizațiile antice, atunci când oamenii observau fenomene naturale precum fulgerul și unele forme de electricitate statică. Cu toate acestea, abia la sfârșitul secolului al XVIII-lea oamenii de știință ai vremii au început să studieze în mod sistematic electricitatea și să dezvolte conceptele și principiile fizicii acestui domeniu, principii pe care se bazează și funcționarea oricărui dispozitiv electric de astăzi precum și obținerea energiei electrice în sine.

În 1752, Benjamin Franklin a realizat faimosul său experiment cu zmeul, prin care a demonstrat că fulgerul este o formă de electricitate. Experimentul empiric al lui Franklin a fost urmat de cercetările altor oameni de știință precum Alessandro Volta, care a dezvoltat prima baterie sau pilă electrică în 1800, și Michael Faraday, care a descoperit principiul inducției electromagnetice în 1831.

Invenția motorului electric de către Thomas Davenport în 1834 a marcat începutul aplicării practice a electricității. Această descoperite epocală a fost urmată de dezvoltarea unei game largi de dispozitive electrice, cum ar fi telegraful, telefonul și, în cele din urmă, iluminatul electric care a desprins practic societatea umană de milenii de dependență de lumina și de căldura produse de foc.

La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, generarea și distribuția energiei electrice au devenit o industrie majoră, de importanță strategică pentru fiecare stat al lumii. Folosirea cărbunelui, a forței apei și a celei a aburului ca surse de energie pentru generarea de energie electrică a început să domine această zonă de producere a electricității. Dezvoltarea sistemului de alimentare cu curent alternativ (AC) de către Nikola Tesla și George Westinghouse, la sfârșitul secolului al XIX-lea, a revoluționat transportul de energie electrică pe distanțe lungi care putea fi astfel realizat în mod eficient și cu pierderi minime.

În secolul al XX-lea, utilizarea combustibililor fosili ca sursă primară de energie electrică a condus la creșterea numărului și capacității centralelor electrice și la dezvoltarea unui sistem complex de transport și distribuție a energiei în majoritatea zonelor populate ale planetei, cu precădere în zonele puternic industrializate.

În ultimii ani, preocupările legate de schimbările climatice și natura finită a combustibililor fosili au condus la o concentrare sporită a atenției și a cercetărilor asupra surselor de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară și cea eoliană. Progresele tehnologice din ultimele decade au făcut posibilă generarea de energie electrică din aceste surse la scară largă și la costuri tot mai reduse. Astfel, energia fotovoltaică și principiul de funcționare al panourilor fotovoltaice contribuie la dezvoltarea uneia dintre cele mai curate modalități de producere a energiei electrice. Cercetarea și dezvoltarea de noi tehnologii de stocare a energiei, cum ar fi bateriile de tip acumulator, au reprezentat, de asemenea, un punct focal al industriei de înaltă performanță tehnologică, făcând posibilă generarea și stocarea energiei electrice din surse regenerabile de energie.

În general, conceptul de energie electrică a evoluat semnificativ de la descoperirea sa, de la studiul fenomenelor naturale la un aspect fundamental al societății moderne, care este esențial pentru alimentarea unei game largi de dispozitive și sisteme. Este interesant, astfel, de făcut o scurtă trecere în revistă a principalelor concepte ale fizicii legate de electricitate.

Din punctul de vedere al fizicii, electricitatea este fluxul de sarcini electrice printr-un mediu dat. Sarcina electrică este o proprietate fundamentală a materiei și poate fi pozitivă sau negativă. Mișcarea sarcinii se numește curent electric și se măsoară în unități denumite amperi (A).

Comportarea sarcinii electrice este guvernată de mai multe legi, cum ar fi Legea lui Coulomb, care afirmă că forța de atracție dintre două sarcini este proporțională cu produsul sarcinilor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. O altă lege importantă este Legea lui Ohm, care afirmă că intensitatea curentului care trece printr-un material este direct proporțională cu tensiunea aplicată și invers proporțional cu rezistența materialului.

Din punctul de vedere al obținerii ei, electricitatea poate fi generată în mai multe moduri, cum ar fi prin mișcarea sarcinii într-un câmp magnetic sau prin reacțiile chimice dintr-o baterie. Puterea electrică, măsurată în wați (W), este viteza cu care energia este transferată de un curent electric din cadrul unui circuit.

Electricitatea poate fi transmisă și distribuită printr-un sistem de conductori (fire metalice) care sunt realizați din materiale care permit sarcinilor electrice să circule prin ele cu o rezistență minimă. Tensiunea, măsurată în volți (V), este diferența de potențial electric dintre două puncte și este forța motrice care determină curentul să circule în cadrul unui circuit.

Electricitatea poate fi stocată și în condensatoare, care sunt dispozitive care acumulează sarcina electrică și o pot elibera rapid atunci când este nevoie. Capacitatea electrică, un alt concept important al fizicii electricității, măsurată în farazi (F), este capacitatea unui condensator de a stoca sarcinile electrice.

Câmpul electromagnetic (concept de la care își ia denumirea o întreagă ramură distinctă a fizicii – electromagnetismul) se ocupă cu interacțiunile dintre sarcinile electrice și câmpurile magnetice și joacă un rol fundamental în înțelegerea electricității. Sarcina electrică creează un câmp electric în jurul ei, iar mișcarea sarcinilor electrice creează un câmp magnetic. Interacțiunea dintre aceste câmpuri permite generarea, transmiterea și utilizarea energiei electrice în dispozitive precum motoare și generatoare electrice.

Pe scurt, electricitatea este fluxul de sarcină electrică, care este o proprietate fundamentală a materiei și este guvernată de mai multe legi din fizică. Poate fi generat, transmis, distribuit și stocat și joacă un rol fundamental în multe aspecte ale societății moderne, de la alimentarea aparatelor de uz casnic până la derularea proceselor industriale mari, imposibil de imaginat azi fără alimentarea cu energie electrică.

Înainte de a trece mai departe de domeniul teoretic al fizicii electricității merită menționate câteva dintre unitățile de măsură cu care operează energia electrică.

1.1 Energia electrică și unitățile de măsură din domeniul electricității

Există mai multe unități de măsură utilizate în electricitate, printre care trebuie menționate cel puțin următoarele:

• Amperul (A) – este unitatea de măsură a curentului electric, care reprezintă fluxul de sarcină electrică printr-un mediu. Unitatea de măsură este denumită după omul de știință francez André-Marie Ampère.

• Voltul (V) – este unitatea de măsură a diferenței de potențial electric, cunoscută și sub denumirea de tensiune. Reprezintă diferența de energie potențială electrică pe unitatea de sarcină între două puncte. Este numită după fizicianul italian Alessandro Volta.

• Watt (W) b – este o unitatea de putere, care reprezintă viteza la care energia este transferată de un curent electric. Este numită după inventatorul scoțian James Watt, același care a avut contribuții serioase în dezvoltarea motorului cu aburi.

• Ohm (Ω) – este unitatea de rezistență electrică, care este măsura opoziției la fluxul de curent electric dintr-un material. Este numită după fizicianul german Georg Ohm.

• Farad (F) – este unitatea de măsură a capacității electrice și reprezintă capacitatea unui condensator de a stoca sarcina electrică. Este numită după omul de știință britanic Michael Faraday.

• Henry (H) – este unitatea de măsură a inductanței electrice, care măsoară capacitatea unei bobine din sârmă de a stoca energie într-un câmp magnetic. Este numită după omul de știință american Joseph Henry.

• Siemens (S) – este unitatea de măsură a conductanței electrice, care este, de fapt, reciproca rezistenței  electrice și este o măsură a ușurinței cu care curentul electric trece printr-un material. Este numită după inventatorul german Werner von Siemens.

• Joule (J) – este unitatea de măsură a energiei reprezentată de lucrul mecanic efectuat de un curent electric. Joulul este unitatea fundamentală a energiei în Sistemul Internațional de Unități (SI) și este numită după fizicianul britanic James Joule.
  
• Coulomb (C) – este unitatea de măsură a sarcinii electrice și desemnează cantitatea de sarcină electrică dintr-un material. Este numită după omul de știință francez Charles-Augustin de Coulomb.

2. Cum și unde se produce sau se obține energia electrică? Avantaje și dezavantaje ale fiecărei metode de obținere

Unul dintre cele mai importante aspecte ale energiei electrice este generarea acesteia. Acest lucru poate fi realizat printr-o varietate de mijloace, precum arderea combustibililor fosili, valorificarea energiei reacțiilor nucleare și valorificarea surselor de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară și eoliană.

Combustibilii fosili, precum cărbunele, petrolul și gazul natural, au fost și continuă să fie sursele primare, tradiționale de energie electrică. Aceste surse sunt relativ ieftine și abundente, dar au și dezavantaje semnificative în privința mediului, în special din cauza eliberării prin ardere a gazelor cu efect de seră și a altor poluanți. Energia nucleară este o altă opțiune care este utilizată pe scară largă pentru generarea de energie electrică. Centralele nucleare folosesc energia eliberată de anumite reacții nucleare pentru a genera electricitate. Acest proces este relativ curat și eficient, dar există preocupări semnificative legate de siguranță asociate cu manipularea materialelor nucleare.

• Centralele electrice pe combustibili fosili

Centralele de producere a energiei electrice, denumite și termocentrale, funcționează pe baza cărbunelui, păcurii, sau a gazelor natural. Aceste tipuri de centrale generează electricitate prin arderea combustibililor fosili pentru a produce abur, care este apoi folosit pentru a alimenta o turbină care generează electricitate. Spre exemplificare, principiul de bază al unei centrale electrice pe cărbune este următorul:

• Cărbunele este livrat la centrala electrică prin mijloace de transport sau cu o bandă rulantă transportoare. Cărbunele este apoi depozitat într-un depozit de cărbuni sau într-un buncăr.
  
• Cărbunele este transformat în pulbere fină într-un pulverizator. Această procedură mărește suprafața cărbunelui, făcându-l mai ușor și mai eficient de ars.
  
• Cărbunele pulverizat este apoi suflat în arzătoare, unde este ars în prezența oxigenului. Căldura generată de cărbunele care arde este folosită pentru a transforma apa din cazane în abur.
  
• Aburul este apoi condus la o turbină, unde expandează și împinge paletele turbinei, făcându-le să se rotească. Această rotație generează lucru mecanic care este folosit pentru a pune în mișcare un generator, care, la rândul lui, transformă energia sau lucrul mecanic al turbinei în energie electrică.
  
• Electricitatea obținută este apoi trimisă la un transformator, unde este tensiunea crește la o valoare mai mare pentru a minimiza pierderea de energie în timpul transportului pe distanțe lungi.
  
• Electricitatea este apoi trimisă la rețeaua electrică, unde este distribuită consumatorilor prin intermediul instalațiilor electrice interioare și exterioare de la fiecare loc de consum.
  
• Cenușa și alte produse secundare ale procesului de ardere sunt colectate și eliminate într-un mod sigur și ecologic în cazul celor mai moderne termocentrale.
  
• Unele centrale electrice sunt dotate și cu o unitate de desulfurare a gazelor de ardere pentru a elimina emisiile de dioxid de sulf și alți poluanți.

Modul de funcționare al centralelor electrice pe gaze naturale sau păcură este similiar. Desigur, acestea sunt considerate cele mai poluante modalități de obținere a energiei electrice, în ciuda avansurilor tehnologice obținute până în prezent în procesul de producție.

• Hidrocentralele 

O centrală hidroelectrică generează energie electrică prin valorificarea energiei căderilor de apă. Principiul de bază de funcționare al unei centrale hidroelectrice este următorul:

• Apa este colectată într-un rezervor sau baraj și apoi este direcționată printr-un sistem de țevi și stăvilare, către turbină.
  
• Pe măsură ce apa curge prin cădere prin turbină, greutatea apei, împreună cu forța gravitațională și înălțimea de cădere fac ca paletele turbinei să se rotească, învârtind la rândul lor un generator.
  

• Generatorul transformă lucrul mecanic al turbinei rotative astfel obținut în energie electrică.
  
• Electricitatea generată de centrala hidroelectrică este trimisă la un transformator, cu rolul de a crește voltajul sau tensiunea pentru a minimiza pierderile de energie în timpul transportului.
  
• Electricitatea este apoi trimisă la rețeaua electrică, unde este distribuită consumatorilor.
  
• După trecerea prin turbină, apa este apoi direcționată înapoi într-un râu sau alt curs de apă, unde își poate continua curgerea naturală.

Este important de reținut că hidrocentralele necesită o sursă de apă în cădere, cum ar fi un râu sau o cascadă, ori crearea unor baraje și a unor lacuri artificiale de acumulare, iar eficiența lor poate fi afectată de factori precum nivelul apei, schimbările sezoniere ale climei și de acumularea de aluviuni în bazinele de acumulare. În plus, construirea unei centrale hidroelectrice poate avea un impact negativ asupra ecosistemului și comunităților locale, astfel, amplasarea și proiectarea hidrocentralelor trebuie să fie atent planificate pentru a minimiza impactul asupra mediului.

• Centralele atomoelectrice

O centrală atomică sau nucleară, generează energie electrică prin valorificarea energiei eliberate de reacțiile de fisiune nucleară a atomilor unui anumit material radioactiv, în general unii izotopi ai uraniului sau ai plutoniului. Principiul de bază de funcționare al unei centrale nucleare este următorul:

• Combustibilul nuclear (uraniu sau plutoniu) este încărcat într-un reactor de fisiune. Combustibilul este folosit pentru a genera căldură printr-un proces numit fisiune nucleară, proces în care nucleele atomilor sunt bombardate cu particule până la distrugerea sau ruperea acestora, eliberând energie sub formă de căldură și radiație în momentul ruperii.
  
• Căldura generată de aceste reacțiile nucleare este folosită pentru a produce abur, care este apoi folosit pentru a alimenta o turbină care generează electricitate.
  
• Turbina este conectată la un generator, care transformă lucrul mecanic al turbinei în energie electrică, iar de aici procesul de obținere al energiei electrice este similar oricărei centrale clasice.
  
• Combustibilul nuclear este monitorizat continuu și înlocuit periodic pe masura ce se consuma. Combustibilul uzat este depozitat într-un buncăr de combustibil uzat sau într-un depozit special, până când poate fi transportat la o instalație de reprocesare sau un depozit geologic aflat la mare adâncime în subteran.

Este important de menționat că centralele nucleare sunt considerate o sursă curată de energie, deoarece nu emit gaze cu efect de seră sau poluanți în timpul funcționării, dar, în schimb, generează deșeuri radioactive și există mereu riscul de accidente sau scurgeri de radiații care ar putea avea efecte grave asupra mediului și asupra sănătății publice. În plus, deșeurile nucleare rămân radioactive pentru sute de mii de ani, iar găsirea unor modalități sigure de a le stoca rămâne și azi o provocare semnificativă.

Sursele de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară și eoliană, au câștigat o atenție din ce în ce mai mare în ultimii ani din cauza preocupărilor legate de schimbările climatice și de natura finită a combustibililor fosili. Energia solară este generată prin transformarea energiei de la soare în electricitate, fie prin celule fotovoltaice, fie prin mai avansatele sisteme de energie solară concentrată. Energia eoliană este generată prin valorificarea energiei vântului prin utilizarea turbinelor eoliene.

• Energia solară și panourile fotovoltaice

Panourile solare, cunoscute și sub numele de celule fotovoltaice, generează electricitate prin conversia energiei din lumina soarelui în energie electrică. Principiul de funcționare de bază al unui parc fotovoltaic format din mai multe panouri solare este următorul:

• Celulele fotovoltaice ale panourilor solare sunt realizate din materiale semiconductoare, cum ar fi siliciul, care sunt sensibile la lumină. Când lumina – mai bine zis energia luminii – lovește o celulă fotovoltaică, provoacă excitația electronilor din materialul semiconductor, creând un flux de sarcină electrică.
  
• Fluxul de sarcină electrică este apoi direcționat printr-un circuit electric, producând un flux de electricitate.
  
• Energia electrică generată de o singură celulă fotovoltaică este, totuși, foarte mică, astfel încât este nevoie de mai multe celule conectate împreună pentru a forma un panou solar eficient. Mai multe panouri sunt apoi conectate în serie și paralel pentru a crește puterea totală.
  
• Electricitatea generată de panoul solar este curent electric continuu (DC), care nu este compatibil cu curentul alternativ (AC) utilizat în majoritatea scenariilor de consum. Prin urmare, curentul continuu DC este direcționat printr-un invertor, care îl transformă în curent alternativ AC.
  
• Curentul alternativ AC este apoi trecut printr-un contor, unde este măsurat și trimis la rețeaua electrică, unde este distribuit consumatorilor.
  
• Panourile solare ale unui parc fotovoltaic sunt de obicei montate pe un sistem de urmărire sau pe suporturi fixe care urmează mișcarea aparentă a soarelui pentru a maximiza cantitatea de lumină solară care cade direct pe celulele fotovoltaice.

Este important de reținut că energia fotovoltaica si principiul de functionare al panourilor fotovoltaice necesită lumina directă a soarelui pentru a funcționa, iar eficiența lor poate fi afectată de factori precum acoperirea cerului cu nori, praful sau zăpada care se depun pe panouri și unghiul de cădere a luminii solare pe suprafața panourilor. Totuși, este unul dintre cele mai curate și mai neutre forme de obținere a energiei electrice pe care tehnologia actuală a societății umane le permite.

• Energia eoliană

O turbină eoliană generează energie electrică prin valorificarea energiei vântului prin utilizarea unei turbine. Principiul de bază al unei turbine eoliene este următorul:

• Turbina eoliană este formată din trei părți principale: paletele, rotorul și generatorul. Lamele palelor sunt proiectate pentru a capta vântul și a transforma energia cinetică a acestuia în energie de rotație.
  
• Pe măsură ce vântul suflă, palele se rotesc în jurul unui rotor, care este conectat la un arbore. Rotirea rotorului face ca arborele să se rotească, învârtind, la rândul său, generatorul.
  
• Generatorul transformă energia mecanică a arborelui care se rotește în energie electrică.
  
• Turbina eoliană este de obicei montată pe un turn, care este proiectat astfel încât să fie suficient de înalt pentru a profita de vântul mai puternic și mai consistent la altitudini mai mari.

Este important de reținut că turbinele eoliene depind în mare măsură de condițiile vântului, iar eficiența lor poate fi afectată de factori precum viteza vântului, direcția și turbulențele de aer. În plus, turbinele pot fi zgomotoase și pot afecta migrația păsărilor. Prin urmare, locația și designul turbinei eoliene trebuie planificate cu atenție pentru a minimiza impactul asupra mediului.
Odată ce electricitatea este generată, aceasta trebuie să fie transmisă și distribuită consumatorilor. Acest lucru se realizează printr-un sistem complex de linii electrice și substații. Transmisia energiei electrice se face de obicei la tensiuni înalte pentru a minimiza pierderile de energie în timpul transportului. Distribuția energiei electrice se face la tensiuni mai mici și se realizează de către utilitățile locale. Aceste utilități sunt responsabile pentru întreținerea infrastructurii electrice care furnizează curentul electric către instalațiile electrice interioare și exterioare de la locurile de consum, inclusiv a liniilor electrice și a substațiilor, precum și pentru a răspunde la întreruperile de curent.

3. Energia electrică, utilizările ei și explicarea claselor de energie electrică ale diverșilor consumatori

Energia electrică este utilizată în aproape orice domeniu de activitate economică sau casnică. Practic, nu există scenariu de lucru de nivel industrial, comercial sau privat care să nu implice folosirea energiei electrice. De la iluminatul public și privat și până la combinatele siderurgice, fabrici și uzine și până la motorizarea industriei IT și a divertismentului, ori alimentarea vehiculelor electrice, nu există zonă de activitate umană care să nu folosească în prezent energia electrică. 

Clasele de eficiență energetică sunt folosite pentru a clasifica aparatele, dispozitivele electronice și alte produse în funcție de consumul și eficiența lor energetică. Scopul claselor de eficiență energetică este de a ajuta consumatorii să ia decizii informate cu privire la consumul lor de energie și de a reduce consumul de energie în general, dar și de a încuraja dezvoltarea și utilizarea unor produse mai eficiente din punct de vedere energetic.

Cele mai comune clase de eficiență energetică sunt Eticheta Energetică a Uniunii Europene și programul Energy Star dezvoltat de Agenția pentru Protecția Mediului din SUA . Eticheta Energetică a Uniunii Europene clasifică aparatele electrocasnice și oferă, de asemenea, o scară de măsurare a eficienței de la A (cel mai eficient) la G (cel mai puțin eficient). 

Programul Energy Star, pe de altă parte, este folosit pentru a clasifica o gamă largă de produse, inclusiv electrocasnice, corpuri de iluminat , electronice și materiale de construcție și, de asemenea, utilizează o scară de la 1 la 100, 100 fiind cel mai eficient din punct de vedere energetic.

Pe lângă aceste programe, multe țări au propriile lor scheme de evaluare a eficienței energetice. 

În concluzie, domeniul energiei electrice este vast și complex. Este un domeniu în continuă evoluție, noi tehnologii și inovații fiind dezvoltate pentru a îmbunătăți eficiența și sustenabilitatea producției și distribuției de energie. Deși există provocări și obstacole implicate în construirea și întreținerea sistemelor de energie, beneficiile potențiale ale unei surse de alimentare fiabile și durabile fac din această zonă un domeniu critic și strategic, totodată, de cercetare și dezvoltare.

Sursa foto: Pixabay.com