Az áram útra kell
2011/4. lapszám | netadmin | 9459 |
Figylem! Ez a cikk 15 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
„A kicsi szép” – ez egy könyv, esszégyűjtemény címe. A szerző Ernst F. Schumacher közgazdász. Elhíresült könyve egy gondolkodásmód, szemlélet jelszava lett. Jók-e a nagy szervezetek, vagy jobbak a kisebbek? Építsünk-e nagy erőműveket, vagy állítsuk elő a villamos energiát helyben, a fogyasztó közelében?
Így volt ez a kezdetekben is. Ha egy színház vagy egy pályaudvar kivilágításához villamos energiára volt szükség, oda telepítették az áramfejlesztőt. Talán fordítva is igaz, az új találmány, az áramfejlesztő számára találtak fizetőképes vevőt, fogyasztót. Hiszen az új csoda, a villanyvilágítás még nagyon drága volt.Teltek az évtizedek, és mára Európát villamos távvezetékek hálózzák be. 450 millió európai lakásában, ki tudja hány dugaszolóaljzatban ott a hálózati feszültség: egységes villamosenergia-rendszer, erőművekkel, transzformátorokkal, különböző feszültségű távvezetékekkel. A kezdeteknél valószínűleg senki nem látta ezt előre, de megtették az ehhez vezető első lépéseket.
Nagy távolság, nagy veszteség?
Alessandro Volta találmánya, a galvánelem óriási lökést adott az elektrotechnika fejlődésének. Újabb és újabb alkalmazási területek születtek. Megfelelő mérőeszközök hiányában persze nem volt könnyű jó áramforrásból, vezetőből és fogyasztóból álló rendszert összehozni. A feszültség és áramerősség fogalma még bizonytalan volt. A galvánelemek teljesítményét jobb híján a felülettel jellemezték. Georg Simon Ohm német fizikus egyszerű műszerezettséggel, de aprólékos kísérletezéssel vizsgálta a különböző anyagok villamos vezetőképességét.
Első megállapítása az volt, hogy a vezetőképesség egyenesen arányos a keresztmetszettel és fordítottan a hosszúsággal. 1827-ben tette közzé másik alapvető megállapítását, amit ma Ohm-törvényként tanítanak az iskolában: az áramerősség arányos a feszültségkülönbséggel, az arányossági tényező a vezető ellenállásának, rezisztenciájának reciproka. Ez a kérdés akkor vált izgalmassá, amikor valóban hosszú vezetők alkalmazása került napirendre. Az 1830-as években készültek az első távírók, és 1840-től újabb és újabb vonalakat adtak át. Az elektrotechnika „legyőzte a távolságot”. Azonban egészen másképp vetődött fel a kérdés, amikor néhány évtized múlva megoldották a villamosenergia-termelést mechanikai munkából.
Működni kezdtek a vízikerekekkel vagy gőzgépekkel hajtott, forgó áramfejlesztők. Nagyobb teljesítmény, nagyobb feszültség, nagyobb áramerősség. Itt már nem csak jelátvitelről van szó: mai szemmel persze kicsiny, de a távíróhoz, telefonhoz képest sokkal nagyobb teljesítmény továbbítása volt a feladat. Különösen vonzónak tűnt a vízenergia hasznosítása, hiszen a gyárakban a különböző megmunkáló gépeket, szivattyúkat, fújtatókat gőzgéppel is lehetett hajtani. Jól látszanak a régi fényképeken a csarnokokban lévő transzmissziós tengelyek és egyedi szíjhajtások. Ez elfogadható hatásfokot biztosított. Ha a gőzgéphez áramfejlesztőt kapcsolunk, az így termelt áram pedig külön-külön telepített villamos motorokat működtet, és ezzel váltjuk ki a mechanikus hajtásrendszert, akkor ennek pénzügyileg meg is kellene térülnie.
Ez nem volt igazán meggyőző alternatíva. Annál jobb gondolat volt a víz energiájával történő áramtermelés, hiszen így megtakarítható az egyébként elég rossz hatásfokú gőzgépek tüzelőanyag-költsége. A megvalósítást egy dolog hátráltatta: a vezetékeken fellépő veszteség. A fogyasztók legtöbbször a földrajzilag talán nem is nagyon távoli, de az erőműtől legalább tíz, de adott esetben többször tíz kilométerre lévő városokban voltak.
Ez a szükséglet hívta életre a villamos távvezeték-technika kialakulását.Tudjuk, hogy egy adott hosszúságú vezetőn keletkező Joule-hő az áramerősség négyzetével arányos. A rezisztencia csökkentése, azaz nagyobb keresztmetszetű vezeték használata drágítja a beruházást. Érdemesebb az áramerősséget a lehető legkisebb értéken tartani, ehhez a feszültséget kell növelni. Egy adott teljesítmény továbbítása annál gazdaságosabb, minél nagyobb feszültségszinten történik.
Egy kis számpélda is rávilágíthat erre. Az egyik esetben 100 V-os, a másik esetben 1000 V-os a kezdőpontban a feszültség. A dinamó 1000 W teljesítményű, az áramerősség 10 A, illetve 1 A. A távolság 1 km, a vezetékhossz így 2 km. Az 5 mm átmérőjű rézvezeték teljes rezisztenciája 1,7 Ohm. Ebből számítható a feszültségesés: 17 V, illetve 1,7 V. A vezetékveszteség 10 A-nél 170 W, 1 A-nél csak 1,7 W. A kisebb feszültségszint vesztesége százszoros, a hatásfokok 83%, illetve 99,8%.
Ismert volt ez az 1890-es években is. Keresték a megoldást a villamosenergia-szállítás gazdaságos megvalósítására. Két körülményt mindenképpen figyelembe kellett venni. Az áramfejlesztők feszültségének növelése különböző műszaki korlátokba ütközött. Még nehezebb kérdés volt a fogyasztói berendezések feszültsége. Veszélyes nagyságú feszültségekkel kísérletezni: ez nem járható út. Ha ezek az értékek egymástól függetlenül, az adott feladathoz optimalizálva választhatók, az az igazi megoldás. Itt jelentkezett az egyenáramú rendszer gyenge pontja: az akkori ismeretek szerint nem lehetséges a feszültségszint gazdaságos váltogatása.
Ezzel szemben a váltakozó áramú rendszer hívei ennek a gyakorlati megvalósításán dolgoztak. Az egész műszaki világ elismeri, hogy ez a magyar mérnököknek sikerült: a transzformátor, mint berendezés és mint megnevezés Bláthy Ottó, Déri Miksa és Zipernowsky Károly találmánya. Valódi innováció volt: villámgyors elterjedése mutatja, hogy milyen fontos szükségletet elégített ki. Az első példányoktól kezdődően persze a transzformátor-technika is sokat fejlődött, de emellett számos eszközt kellett még megalkotni, hogy használható villamos távvezetékeket építhessenek.
Szavak helyett tettek
A XIX. században a nagy kiállítások voltak a műszaki újdonságok bemutatkozási lehetőségei. Rendkívül népszerűek voltak, tódultak a látogatók. Nevezetes volt az 1881-ben Párizsban rendezett első nemzetközi villamossági kiállítás. A nézőket elbűvölte az izzólámpa, amit egyszerűen ki és be lehetett kapcsolni, nem úgy, mint a gázlámpákat. A villamos világítás elsöprő sikert aratott. Ezt követni akarták más országok is, ennek jegyében a következő évben, 1882-ben Münchenben is kiállítás nyílt. Nem ismeretes az indok, a lényeg az, hogy egy 57 km távolságban lévő településről, egy ott működő, gőzgéppel hajtott dinamóról tervezték megoldani a villamosenergia-ellátást. A dinamó mintegy 1 kW-ot adott le. 2000 voltos egyenfeszültséget alkalmaztak, de a vezeték a távíróvezetékek technológiája szerint lett kialakítva.
Az eredmény két szempontból is lehangoló volt. Egyrészt a dinamó teljesítményének háromnegyede veszteséggé alakult, és csak egy negyedét hasznosíthatták Münchenben. Másrészt a távvezeték hamarosan tönkre is ment.Ismeretes, hogy a zárt vasmagos transzformátor előtt már készült egy ugyancsak a váltakozó feszültség növelésére vagy csökkentésére szolgáló eszköz, az ún. szekunder generátor.
Ez még rúdvasmagot tartalmazott, és gyakorlati szempontból csak részben felelt meg a célnak. Szabadalmaztatói – Gaulard és Gibbs – természetesen igyekeztek bizonyítani alkalmazhatóságát, többek között egy demonstrációs kísérlettel. 1884-ben Torinóban kiállítást rendeztek. A bemutató lényege az volt, hogy kiépítettek egy körvezetéket Torino és a 40 kilométerre fekvő Lanzo Torinese között. A generátor és a fogyasztók – a kiállítást megvilágító lámpák – Torinóban voltak, de az áramkör Lanzo Torinese-n keresztül záródott.
A rendszer működött, viszont részletesebb műszaki és gazdasági adatok nem maradtak fenn. Annyit lehet tudni, hogy a távvezeték feszültsége 2000 V, a frekvencia 133 Hz volt; ez kedvező a feszültség-átalakító méretezése és a lámpák egyenletes fénykibocsátása szempontjából. Voltak még ezt követően is próbálkozások a Gaulard–Gibbs-átalakító alkalmazásával, de a Ganz–gyár transzformátora hamar túlhaladottá tette. Az egyen- és a váltakozó áram pártolóinak tábora azonban még inkább szembekerült egymással. Drága szabadalmak hasznosítása volt a pénzügyi tét. A kiéleződött ellentét megzavarta a potenciális ügyfeleket, az alkalmazókat is. Annyi rosszat állítottak szakemberek a másik „tábor” rendszeréről, hogy elijesztették a vevőket.
A városi és állami döntéshozók elbizonytalanodtak, nem merték a túl kockázatosnak látszó döntést meghozni. A gazdasági élet szereplői pedig számoltak, előnytelen beruházásokba nem akartak belefogni. A kevés kivétel közé számít a Ganz-gyár olaszországi sikere. A főváros, Róma közvilágításának elkészítésére kaptak megrendelést. Egy évvel a transzformátor sikeres budapesti bemutatkozása után, 1886-ban készült el a római hőerőmű.
A gőzgéppel hajtott generátorok 2000 voltos feszültségét a transzformátor-állomásokon a lámpák számára megfelelő 105 voltra csökkentették le. Nem ilyen csillogó siker, de más szempontból talán még értékesebb egy – szintén 1886-os – svájci munka. Egy Luzernben lévő malom tulajdonosa kis vízerőművet rendelt, ahová három Ganz gyártmányú generátort telepítettek. Itt is 2000 voltos feszültséget alkalmaztak, ezt vezették el 6 km távolságra a malomhoz. Ott a villamos motorok működtetése mellett 100 voltos szekunder feszültséget világítási célra használtak; részben a malomban, részben a környező házakban.Az Egyesült Államokban is terjedt a váltakozó áramú rendszer. Ugyancsak 1886-ban, Massachusetts államban az amerikaiak egy 1000 voltos rendszert helyeztek üzembe. Ismerték az európai eredményeket, szabadalmakat is vásároltak, és kiváló saját szakembereik is voltak.
Többek között Nikola Tesla, aki 1884-ben hagyta el Európát, és hajózott át az Újvilágba.Németországban is voltak, akik az egyenáram terjedését szorgalmazták, de nagyon jelentős eredmények születtek a váltakozó áramú technika fejlesztése terén is. Látva a két rendszer viszonyában kialakult szerencsétlen patthelyzetet, felmerült egy nagy elektrotechnikai seregszemle gondolata.
Ez lehetőséget adhat, hogy a szakemberek meggyőző módon mutathassák be legújabb, legjobb fejlesztéseiket. A Majna menti Frankfurtban 1891-ben megszerveztek egy nemzetközi elektrotechnikai kiállítást. Ekkor már az AEG szakemberei elkészítették az első háromfázisú berendezéseiket, motorjaikat, transzformátoraikat. Az első eredmények már jelezték, hogy az ipari alkalmazások nem egy-, hanem többfázisúak lesznek. Megszületett az elhatározás: legyen a kiállítás a háromfázisú villamos- energia-ellátás sikeres bemutatója.
Partnerekre találtak svájci mérnökökben is, akik az Oerlikon cégnél már számos kísérletet végeztek az akkor rendkívül nagynak számító feszültségtartományban. Köztük volt az a Charles Brown, aki később társalapítója lett Brown–Boveri cégnek. Nevéből már csak egy B betű maradt, hiszen ma az utódcéget ABB-nek hívják.
A terv a következő elemeket tartalmazta: a Neckar folyó partján fekvő Lauffen városban egy vízerőmű, onnan Frankfurtig egy 175 km hosszú távvezeték légvezetékkel, végük pedig a kiállítás látnivalói, ezer lámpa, valamint egy mesterséges vízesés. A háromfázisú, 32-pólusú generátor műszaki adatai: fázisfeszültség 55 V, fordulatszám 150/perc, frekvencia 40 Hz, teljesítmény 200 kVA. A távvezeték az akkor rendkívülinek tekinthető 15 kV-os vonali feszültséggel dolgozott; kísérletképpen kipróbálták 25 kV-tal is.
A 4 mm átmérőjű rézhuzalokat porcelánszigetelők tartották. 15 kV esetén a hálózati veszteség 25%, 25 kV mellett csak 4% volt. A kiállításon telepített transzformátorok szekunder feszültsége 100 V volt. A rendszer a kiállítás alatt zavartalanul működött, de a rendezvény bezárása után leállították. A távvezeték eredeti funkciójában megszűnt, a vízerőmű azonban helyben tovább termelt. A német posta egy emlékbélyeget bocsátott ki a 100 éves évforduló alkalmából.
Egy évvel a kiállítás után egy magyar műszaki alkotás vonta magára a figyelmet. Róma városa úgy döntött, hogy bővíti a pár évvel korábban létrehozott közvilágítási rendszert. Ezt a beruházást is a Ganz-gyárra bízták. Már nem szén, hanem vízenergia lett az erőforrás. Róma közelében, Tivoliban az Aniene folyón vízerőművet építettek. Az így termelt villamos energiát a világ első üzemszerűen működő, nagyfeszültségű – 5 kV-os – távvezetékén juttatták el az olasz fővárosba, 26 km távolságra. Az utókor egy szép emlékkő felavatásával emlékezett meg a nevezetes eseményről. Mi akkor is büszkék lehetünk erre az 1892-ben készült magyar műszaki alkotásra, ha egy évvel később Amerikában már egy ennél is nagyobb villamosenergia-ellátó rendszert avattak fel. A Niagara-vízesésnél épített vízerőmű és Buffalo között 43 km-es hosszban 11 kV-os távvezetéket építettek ki.
Pókháló acélból és rézből
Sok évtized telt el azóta, a villamosenergia-termelés is a sokszorosára nőtt. Az egyedi rendszerek összeértek, hálózattá kapcsolódtak. Egy idő után már nem nagyon lehet arról beszélni, hogy a villamos energiát még nagyobb távolságra szállítjuk. De a műszaki, gazdasági megfontolások azt mutatták, hogy a távvezetékek feszültségét még érdemes fokozni.
Ha a hazai helyzetet nézzük, a következő kép bontakozik ki. 1930-ban a Budapest– Hegyeshalom vasútvonal villamosításakor építették meg a Bánhida–Budapest, illetve a Bánhida– Horvátkimle távvezetéket 100 kV-os feszültségre. 1959-ben helyezték üzembe Gödön az első 220 kV-os transzformátort, majd 1968-ban ugyanitt a 400 kV-osat. 1979-ben adták át a Szovjetunióból importált villamos energia továbbítására a keleti országhatár és Albertirsa között a 750 kV-os távvezetéket.
Jelenleg ez a vezeték nincs használatban. Szomorú adalék a közállapotokra nézve, hogy a lopások megakadályozása végett feszültség alá kellett helyezni. Az országos alaphálózat és a határkeresztező nemzetközi kapcsolatok névleges feszültsége ma is 400 kV.Egyes vélemények szerint a jelenlegi rendszer pazarló, nagy a hálózati veszteség. Sokkal jobb lenne a szükséges villamos energiát helyben előállítani.
Van azonban két nehezen cáfolható érv a nagy, összekapcsolt, együttműködő villamosenergia-rendszer mellett. Berendezéseink megbízhatósága nem százszázalékos, amint Murphy óta tudjuk: „ami elromolhat, az el is romlik”. Tartalékokra szükség van. A tartalék berendezések száma azonban arányaiban csökken, ha sok berendezés működik együtt. Valószínűségi alapon kiszámítható, hogy ugyanolyan megbízhatósági szintet tartva a tartalékkapacitás százalékosan csökken a teljes kapacitás (darabszám) növekedésével.A másik érv a hálózatok topológiájával függ össze. Ha a villamos energia nem csak egy, hanem több lehetséges útvonalon is eljuthat az erőműtől a fogyasztóhoz, akkor egy szakasz (hurok) kiesése még nem okoz áramszünetet.
A tényleges hálózatok megtervezése, az egyes szakaszok átviteli kapacitásának megválasztása természetesen ennél bonyolultabb és komoly matematikai eszköztárat igénylő műszaki–gazdasági feladat. A lényeg az, hogy a jelenlegi ellátási színvonal garanciája Európában a határokon átnyúló, nagyon aprólékosan kidolgozott szabályok szerint működtetett villamosenergia-rendszer. Kockázatok ebben is vannak, hiszen fordultak elő jelentős üzemzavarok. De az elemzések azt mutatták, hogy nem az elvvel van a baj, hanem az együttműködés kisebb hiányosságai és a rendkívüli helyzetek szerencsétlen egybeesése okozza az ellátás megszűnését. Az új dolgok nem csak helyeslést, de félelmet is keltenek; okkal vagy ok nélkül.
Amikor az első villamos távvezetékeket kiépítették, egyes földtulajdonosok kikötötték, hogy csak abban az esetben vehetik igénybe a földjüket, ha ők is csatlakozhatnak a hálózatra. Mások viszont idegenkedtek, mondván, a villanyoszlopok vonzzák a villá- mokat. Azóta sok minden változott, de egyfajta kettősség megmaradt. Vannak, akik nagyszerű műszaki létesítményként tekintenek a villamos távvezetékekre. Mások inkább elutasító hozzáállással tekintenek a rendszerre, a környezetre, az emberi egészségre ártalmasnak tartva az energiaellátás ezen módját.
Az jó, ha a „konnektorból jön az áram”, de… Különösen a hálózat bővítése ad okot a vitákra. Elvileg az élet minden vonatkozásában a jog igazít el minket, de ez néha furcsa jelenségeket szül. Az alapelv, hogy minden érintett személynek és közösségnek legyen lehetősége az őket érintő változásokhoz hozzászólni, érdekeik szerint véleményt mondani. Adott esetben jogorvoslati lehetőség is van. Ez persze a beruházások előkészítését némileg nehézkesebbé teszi. Németországban sajátos helyzet alakult ki. Sok szélerőművet helyeztek üzembe északon, a szeles tengerpartokon. Emiatt bővíteni kellene a villamos távvezeték-hálózatot, hogy az így termelt áram eljusson az ország belsejébe. A beruházást előkészítő cég munkatársa arról számolt be a sajtónak, hogy a regionális tervezési folyamatban az engedélyezéshez szükséges iratokat 14 raklapon adták át az illetékes szervnek, az iratok össztömege 4,8 tonna volt. Remélhetőleg nem kérnek további kiegészítéseket.
