Eletrificação - Electrification

Eletrificação de uma ferrovia

Eletrificação é o processo de energização por eletricidade e, em muitos contextos, a introdução de tal energia pela troca de uma fonte de energia anterior.

O significado amplo do termo, como na história da tecnologia , história econômica e desenvolvimento econômico , geralmente se aplica a uma região ou economia nacional. Em termos gerais, a eletrificação foi a construção dos sistemas de geração e distribuição de energia elétrica que ocorreram na Grã-Bretanha, nos Estados Unidos e em outros países agora desenvolvidos de meados da década de 1880 até cerca de 1950 e ainda está em andamento nas áreas rurais de alguns países em desenvolvimento . Isso incluiu a transição na fabricação de eixo de linha e acionamento por correia usando motores a vapor e energia hidráulica para motores elétricos .

A eletrificação de setores específicos da economia é denominada por termos como eletrificação de fábricas , eletrificação doméstica , eletrificação rural ou eletrificação ferroviária . Também pode se aplicar à mudança de processos industriais, como fundição, fusão, separação ou refino de carvão ou aquecimento de coque, ou processos químicos para algum tipo de processo elétrico, como forno elétrico a arco , indução elétrica ou aquecimento por resistência , ou eletrólise ou separação eletrolítica.

A eletrificação foi considerada "a maior conquista da engenharia do século 20" pela Academia Nacional de Engenharia .

História da eletrificação

Os primeiros usos comerciais da eletricidade foram a galvanoplastia e o telégrafo .

Desenvolvimento de magnetos, dínamos e geradores

Disco de Faraday, o primeiro gerador elétrico. O ímã em forma de ferradura (A) criou um campo magnético através do disco (D) . Quando o disco foi girado, isso induziu uma corrente elétrica radialmente para fora do centro em direção à borda. A corrente fluía através do contato de mola deslizante m , através do circuito externo e de volta para o centro do disco através do eixo.

Nos anos de 1831 a 1832, Michael Faraday descobriu o princípio de funcionamento dos geradores eletromagnéticos. O princípio, mais tarde chamado de lei de Faraday , é que uma força eletromotriz é gerada em um condutor elétrico que está sujeito a um fluxo magnético variável , como por exemplo, um fio que se move através de um campo magnético. Ele também construiu o primeiro gerador eletromagnético, chamado de disco de Faraday , um tipo de gerador homopolar , usando um disco de cobre girando entre os pólos de um ímã em forma de ferradura . Produziu uma pequena voltagem DC.

Por volta de 1832, Hippolyte Pixii melhorou o magneto usando uma ferradura de arame enrolado, com as bobinas extras de condutor gerando mais corrente, mas era AC. André-Marie Ampère sugeriu um meio de converter a corrente do magneto de Pixii em DC usando um interruptor oscilante. Posteriormente, os comutadores segmentados foram usados ​​para produzir corrente contínua.

William Fothergill Cooke e Charles Wheatstone desenvolveram um telégrafo por volta de 1838-40. Em 1840, Wheatstone estava usando um magneto que desenvolveu para alimentar o telégrafo. Wheatstone e Cooke fizeram uma melhoria importante na geração elétrica usando um eletroímã alimentado por bateria no lugar de um ímã permanente, que patentearam em 1845. O dínamo de campo magnético autoexcitado acabou com a bateria para alimentar eletroímãs. Este tipo de dínamo foi feito por várias pessoas em 1866.

O primeiro gerador prático, a máquina Gramme , foi feito por ZT Gramme, que vendeu muitas dessas máquinas na década de 1870. O engenheiro britânico REB Crompton melhorou o gerador para permitir um melhor resfriamento do ar e fez outras melhorias mecânicas. O enrolamento composto, que deu tensão mais estável com a carga, melhorou as características de operação dos geradores.

As melhorias na tecnologia de geração elétrica no século 19 aumentaram muito sua eficiência e confiabilidade. Os primeiros magnetos convertiam apenas uma pequena porcentagem da energia mecânica em eletricidade. No final do século 19, as maiores eficiências eram de mais de 90%.

Iluminação elétrica

Iluminação de arco

A demonstração de Yablochkov de suas brilhantes luzes de arco na Exposição de Paris de 1878 ao longo da Avenue de l'Opéra desencadeou uma forte venda de estoques de serviços de gás.

Sir Humphry Davy inventou a lâmpada de arco de carbono em 1802 ao descobrir que a eletricidade poderia produzir um arco de luz com eletrodos de carbono. No entanto, não foi usado em grande extensão até que um meio prático de geração de eletricidade foi desenvolvido.

As lâmpadas de arco de carbono foram iniciadas fazendo contato entre dois eletrodos de carbono, que foram então separados em um espaço estreito. Como o carbono foi queimado, a lacuna teve que ser reajustada constantemente. Vários mecanismos foram desenvolvidos para regular o arco. Uma abordagem comum era alimentar um eletrodo de carbono pela gravidade e manter a lacuna com um par de eletroímãs, um dos quais retraiu o carbono superior depois que o arco foi iniciado e o segundo controlou um freio na alimentação da gravidade.

As lâmpadas de arco da época tinham uma saída de luz muito intensa - na faixa de 4000 velas (candelas) - e liberavam muito calor, e eram um perigo de incêndio, o que as tornava inadequadas para iluminar residências.

Na década de 1850, muitos desses problemas foram resolvidos pela lâmpada de arco inventada por William Petrie e William Staite. A lâmpada usava um gerador magnetoelétrico e tinha um mecanismo de autorregulação para controlar o vão entre as duas hastes de carbono. A luz deles serviu para iluminar a National Gallery de Londres e foi uma grande novidade na época. Essas lâmpadas de arco e designs semelhantes a ela, alimentados por grandes magnetos, foram instalados pela primeira vez em faróis ingleses em meados da década de 1850, mas as limitações de energia impediram que esses modelos fossem um sucesso adequado.

A primeira lâmpada de arco bem-sucedida foi desenvolvida pelo engenheiro russo Pavel Yablochkov e usou o gerador de Gramme . Sua vantagem residia no fato de que não exigia o uso de um regulador mecânico como seus antecessores. Foi exibido pela primeira vez na Exposição de Paris de 1878 e foi fortemente promovido pela Gramme. O arco de luz foi instalado ao longo de 800 metros de comprimento da Avenue de l'Opéra , Place du Theatre Francais e ao redor da Place de l'Opéra em 1878.

O engenheiro britânico REB Crompton desenvolveu um design mais sofisticado em 1878, que produzia uma luz muito mais brilhante e estável do que a vela Yablochkov. Em 1878, ele formou a Crompton & Co. e começou a fabricar, vender e instalar a lâmpada Crompton. Sua preocupação era uma das primeiras empresas de engenharia elétrica do mundo.

Lâmpadas incandescentes

Várias formas de lâmpadas incandescentes tiveram numerosos inventores; no entanto, as primeiras lâmpadas de maior sucesso foram aquelas que usaram um filamento de carbono selado em alto vácuo. Eles foram inventados por Joseph Swan em 1878 na Grã-Bretanha e por Thomas Edison em 1879 nos Estados Unidos. A lâmpada de Edison teve mais sucesso do que a de Swan porque Edison usou um filamento mais fino, dando-lhe maior resistência e, portanto, conduzindo muito menos corrente. Edison começou a produção comercial de lâmpadas de filamento de carbono em 1880. A luz de Swan começou a produção comercial em 1881.

A casa de Swan, em Low Fell , Gateshead, foi a primeira do mundo a ter lâmpadas funcionando. A Lit & Phil Library, em Newcastle , foi a primeira sala pública iluminada por luz elétrica, e o Savoy Theatre foi o primeiro prédio público do mundo totalmente iluminado por eletricidade.

Centrais de energia e sistemas isolados

Rede elétrica simples - América do Norte

Acredita-se que a primeira estação central fornecendo energia pública seja em Godalming , Surrey, Reino Unido, outono de 1881. O sistema foi proposto depois que a cidade não conseguiu chegar a um acordo sobre a tarifa cobrada pela companhia de gás, então o conselho municipal decidiu usar eletricidade . O sistema acendeu lâmpadas de arco nas ruas principais e lâmpadas incandescentes em algumas ruas secundárias com energia hidrelétrica. Em 1882, entre 8 e 10 residências foram conectadas, com um total de 57 luzes. O sistema não foi um sucesso comercial e a cidade voltou ao gás.

A primeira planta de abastecimento de distribuição central em grande escala foi inaugurada no Viaduto Holborn em Londres em 1882. Equipada com 1000 lâmpadas incandescentes que substituíram a antiga iluminação a gás, a estação iluminou Holborn Circus incluindo os escritórios do Correio Geral e a famosa igreja City Temple . O fornecimento era uma corrente contínua em 110 V; devido à perda de energia nos fios de cobre, isso chegava a 100 V para o cliente.

Dentro de semanas, um comitê parlamentar recomendou a aprovação da histórica Lei de Iluminação Elétrica de 1882, que permitia o licenciamento de pessoas, empresas ou autoridades locais para fornecer eletricidade para fins públicos ou privados.

A primeira usina central de grande escala na América foi a Pearl Street Station de Edison em Nova York, que começou a operar em setembro de 1882. A estação tinha seis dínamos Edison de 200 cavalos, cada um movido por uma máquina a vapor separada. Ele estava localizado em um distrito comercial e de negócios e fornecia corrente contínua de 110 volts para 85 clientes com 400 lâmpadas. Em 1884, a Pearl Street fornecia a 508 clientes 10.164 lâmpadas.

Em meados da década de 1880, outras empresas elétricas estavam estabelecendo centrais elétricas e distribuindo eletricidade, incluindo a Crompton & Co. e a Swan Electric Light Company no Reino Unido, a Thomson-Houston Electric Company e a Westinghouse nos Estados Unidos e a Siemens na Alemanha . Em 1890, havia 1.000 estações centrais em operação. O censo de 1902 listou 3.620 estações centrais. Em 1925, metade da energia era fornecida por estações centrais.

Fator de carga e sistemas isolados

Esquemático da rede elétrica em inglês

Um dos maiores problemas enfrentados pelas primeiras empresas de energia era a demanda variável por hora. Quando a iluminação era praticamente o único uso de eletricidade, a demanda era alta nas primeiras horas antes do dia de trabalho e à noite, quando a demanda chegava ao pico. Como consequência, a maioria das primeiras empresas de eletricidade não fornecia serviço durante o dia, com dois terços não fornecendo serviço durante o dia em 1897.

A relação entre a carga média e a carga de pico de uma estação central é chamada de fator de carga. Para que as empresas elétricas aumentassem a lucratividade e diminuíssem as tarifas, era necessário aumentar a taxa de ocupação. A forma como isso foi finalmente realizado foi por meio da carga do motor. Os motores são mais usados ​​durante o dia e muitos funcionam continuamente. (Consulte: Produção contínua .) As estradas de ferro elétricas eram ideais para o balanceamento de carga. Muitas ferrovias elétricas geravam sua própria energia e também vendiam energia e operavam sistemas de distribuição.

A taxa de ocupação ajustada para cima na virada do século 20 - em Pearl Street, a taxa de ocupação aumentou de 19,3% em 1884 para 29,4% em 1908. Em 1929, a taxa de ocupação em todo o mundo era superior a 50%, principalmente devido ao motor carga.

Antes da distribuição generalizada de energia das estações centrais, muitas fábricas, grandes hotéis, prédios de apartamentos e escritórios tinham sua própria geração de energia. Freqüentemente, isso era economicamente atraente porque o vapor de exaustão podia ser usado para aquecimento de edifícios e processos industriais, </ref> que hoje é conhecido como cogeração ou calor e energia combinados (CHP). A maior parte da energia autogerada tornou-se antieconômica à medida que os preços da energia caíam. Ainda no início do século 20, os sistemas de energia isolados superavam em muito o número de estações centrais. A cogeração ainda é comumente praticada em muitas indústrias que usam grandes quantidades de vapor e energia, como papel e celulose, produtos químicos e refino. O uso continuado de geradores elétricos privados é denominado microgeração .

Motores elétricos de corrente contínua

O primeiro motor elétrico DC comutador capaz de girar máquinas foi inventado pelo cientista britânico William Sturgeon em 1832. O avanço crucial que isso representou sobre o motor demonstrado por Michael Faraday foi a incorporação de um comutador . Isso permitiu que o motor de Sturgeon fosse o primeiro capaz de fornecer movimento giratório contínuo.

Frank J. Sprague aprimorou o motor DC em 1884, resolvendo o problema de manter uma velocidade constante com carga variável e reduzindo a centelha das escovas. Sprague vendeu seu motor através da Edison Co. É fácil variar a velocidade com os motores DC, o que os tornou adequados para uma série de aplicações, como estradas de ferro elétricas, máquinas-ferramenta e certas outras aplicações industriais onde o controle de velocidade era desejável.

Corrente alternada

Embora as primeiras usinas fornecessem corrente contínua , a distribuição de corrente alternada logo se tornou a opção mais favorecida. As principais vantagens do AC são que ele pode ser transformado em alta tensão para reduzir as perdas de transmissão e que os motores AC podem funcionar facilmente em velocidades constantes.

A tecnologia de corrente alternada foi enraizada na descoberta de Michael Faraday de 1830-31 de que uma mudança no campo magnético pode induzir uma corrente elétrica em um circuito .

Trifásico de rotação do campo magnético de um motor de corrente alternada . Cada um dos três pólos está conectado a um fio separado. Cada fio carrega uma corrente de 120 graus em fase. As setas mostram os vetores de força magnética resultantes. A corrente trifásica é usada no comércio e na indústria.

A primeira pessoa a conceber um campo magnético giratório foi Walter Baily, que deu uma demonstração viável de seu motor polifásico operado por bateria auxiliado por um comutador em 28 de junho de 1879 para a Sociedade Física de Londres. Quase idêntico ao aparelho de Baily, o engenheiro elétrico francês Marcel Deprez em 1880 publicou um artigo que identificava o princípio do campo magnético giratório e o de um sistema AC bifásico de correntes para produzi-lo. Em 1886, o engenheiro inglês Elihu Thomson construiu um motor CA expandindo o princípio de indução-repulsão e seu wattímetro .

Foi na década de 1880 que a tecnologia foi desenvolvida comercialmente para geração e transmissão de eletricidade em grande escala. Em 1882, o inventor e engenheiro elétrico britânico Sebastian de Ferranti , trabalhando para a empresa Siemens, colaborou com o distinto físico Lord Kelvin para ser o pioneiro na tecnologia de energia AC, incluindo um dos primeiros transformadores.

Um transformador de potência desenvolvido por Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs foi demonstrado em Londres em 1881 e atraiu o interesse de Westinghouse . Eles também exibiram a invenção em Torino em 1884, onde foi adotada para um sistema de iluminação elétrica. Muitos de seus projetos foram adaptados às leis específicas que regem a distribuição elétrica no Reino Unido.

Sebastian Ziani de Ferranti entrou neste negócio em 1882, quando abriu uma loja em Londres, projetando vários dispositivos elétricos. Ferranti acreditou no sucesso da distribuição de energia por corrente alternada desde o início e foi um dos poucos especialistas neste sistema no Reino Unido. Com a ajuda de Lord Kelvin , Ferranti foi o pioneiro do primeiro gerador e transformador de energia CA em 1882. John Hopkinson , um físico britânico , inventou o sistema de três fios ( trifásico ) para a distribuição de energia elétrica, pelo qual recebeu um patente em 1882.

O inventor italiano Galileo Ferraris inventou um motor de indução CA polifásico em 1885. A ideia era que duas correntes fora de fase, mas sincronizadas, poderiam ser usadas para produzir dois campos magnéticos que poderiam ser combinados para produzir um campo rotativo sem a necessidade de comutação ou para peças móveis. Outros inventores foram os engenheiros americanos Charles S. Bradley e Nikola Tesla , e o técnico alemão Friedrich August Haselwander . Eles conseguiram superar o problema de partida do motor CA usando um campo magnético giratório produzido por uma corrente polifásica. Mikhail Dolivo-Dobrovolsky apresentou o primeiro motor de indução trifásico em 1890, um projeto muito mais eficiente que se tornou o protótipo usado na Europa e nos Estados Unidos. Em 1895, a GE e a Westinghouse tinham motores CA no mercado. Com a corrente monofásica, um capacitor ou bobina (criando indutância) pode ser usado em parte do circuito dentro do motor para criar um campo magnético giratório. Os motores CA de várias velocidades que possuem pólos com fios separados estão disponíveis há muito tempo, sendo o mais comum o de duas velocidades. A velocidade desses motores é alterada ligando ou desligando os conjuntos de pólos, o que foi feito com uma partida de motor especial para motores maiores ou uma chave de velocidade múltipla simples para motores de potência fracionada.

Estações de energia AC

A primeira usina AC foi construída pelo engenheiro elétrico inglês Sebastian de Ferranti . Em 1887, a London Electric Supply Corporation contratou Ferranti para o projeto de sua estação de energia em Deptford . Ele projetou o prédio, a usina geradora e o sistema de distribuição. Foi construído em Stowage, um local a oeste da foz de Deptford Creek outrora usado pela Companhia das Índias Orientais . Construído em uma escala sem precedentes e pioneiro no uso de corrente CA de alta tensão (10.000 V), gerou 800 quilowatts e abasteceu o centro de Londres. Ao ser concluído em 1891, foi a primeira estação de energia verdadeiramente moderna, fornecendo energia CA de alta tensão que foi então "reduzida" com transformadores para uso do consumidor em cada rua. Este sistema básico continua em uso hoje em todo o mundo.

Na América, George Westinghouse, que se interessou pelo transformador de potência desenvolvido por Gaulard e Gibbs, começou a desenvolver seu sistema de iluminação AC, usando um sistema de transmissão com tensão de aumento de 20: 1 com redução de intensidade. Em 1890, Westinghouse e Stanley construíram um sistema para transmitir energia por vários quilômetros a uma mina no Colorado. Foi tomada a decisão de usar CA para transmissão de energia do Niagara Power Project para Buffalo, Nova York. As propostas apresentadas por fornecedores em 1890 incluíam sistemas DC e de ar comprimido. Uma combinação de DC e sistema de ar comprimido permaneceu em consideração até o final do cronograma. Apesar dos protestos do comissário do Niágara, William Thomson (Lord Kelvin), foi tomada a decisão de construir um sistema AC, que havia sido proposto pela Westinghouse e pela General Electric. Em outubro de 1893, a Westinghouse obteve o contrato para fornecer os três primeiros geradores de 5.000 HP, 250 rpm, 25 Hz e duas fases. A hidrelétrica entrou em operação em 1895 e foi a maior até então.

Na década de 1890, o CA monofásico e polifásico estava passando por uma introdução rápida. Nos EUA em 1902, 61% da capacidade de geração era CA, aumentando para 95% em 1917. Apesar da superioridade da corrente alternada para a maioria das aplicações, alguns sistemas CC existentes continuaram a operar por várias décadas depois que CA se tornou o padrão para novos sistemas .

Turbinas a vapor

A eficiência dos motores primários a vapor na conversão da energia térmica do combustível em trabalho mecânico foi um fator crítico na operação econômica das estações geradoras centrais de vapor. Os primeiros projetos usavam motores a vapor alternativos , operando em velocidades relativamente baixas. A introdução da turbina a vapor mudou fundamentalmente a economia das operações da estação central. As turbinas a vapor podiam ser feitas em classificações maiores do que os motores alternativos e geralmente tinham maior eficiência. A velocidade das turbinas a vapor não oscilou ciclicamente durante cada revolução; viabilizando a operação paralela de geradores CA e melhorando a estabilidade de conversores rotativos para produção de corrente contínua para tração e uso industrial. As turbinas a vapor operavam em velocidades mais altas do que os motores alternativos, não sendo limitadas pela velocidade permitida de um pistão em um cilindro. Isso os tornou mais compatíveis com geradores CA com apenas dois ou quatro pólos; nenhuma caixa de câmbio ou aumento de velocidade com correia foi necessário entre o motor e o gerador. Era caro e, em última análise, impossível fornecer uma transmissão por correia entre um motor de baixa velocidade e um gerador de alta velocidade nas classificações muito grandes exigidas para o serviço da estação central.

A moderna turbina a vapor foi inventada em 1884 pelo britânico Sir Charles Parsons , cujo primeiro modelo foi conectado a um dínamo que gerava 7,5 kW (10 HP) de eletricidade. A invenção da turbina a vapor de Parson tornou possível a eletricidade barata e abundante. As turbinas Parsons foram amplamente introduzidas nas estações centrais inglesas em 1894; a primeira empresa de fornecimento de eletricidade no mundo a gerar eletricidade usando turbo geradores foi a própria empresa de fornecimento de eletricidade da Parsons, Newcastle and District Electric Lighting Company , criada em 1894. Durante a vida de Parson, a capacidade de geração de uma unidade foi aumentada em cerca de 10.000 vezes .

Uma turbina a vapor Parsons de 1899 ligada diretamente a um dínamo

As primeiras turbinas americanas foram duas unidades De Leval na Edison Co. em Nova York em 1895. A primeira turbina US Parsons estava na Westinghouse Air Brake Co., perto de Pittsburgh .

As turbinas a vapor também tinham custo de capital e vantagens operacionais em relação aos motores alternativos. O condensado de motores a vapor estava contaminado com óleo e não podia ser reutilizado, enquanto o condensado de uma turbina é limpo e normalmente reutilizado. As turbinas a vapor eram uma fração do tamanho e peso de um motor a vapor alternativo de classificação comparável. As turbinas a vapor podem operar por anos quase sem desgaste. Os motores a vapor alternativos exigiam alta manutenção. As turbinas a vapor podem ser fabricadas com capacidades muito maiores do que quaisquer motores a vapor já feitos, proporcionando importantes economias de escala .

As turbinas a vapor podem ser construídas para operar com vapor de alta pressão e temperatura. Um princípio fundamental da termodinâmica é que quanto mais alta a temperatura do vapor que entra no motor, maior a eficiência. A introdução das turbinas a vapor motivou uma série de melhorias nas temperaturas e pressões. O aumento da eficiência de conversão resultante reduziu os preços da eletricidade.

A densidade de potência das caldeiras foi aumentada usando ar de combustão forçada e usando ar comprimido para alimentar carvão pulverizado. Além disso, o manuseio do carvão foi mecanizado e automatizado.

Rede elétrica

Esta fotografia em preto e branco mostra trabalhadores da construção civil erguendo cabos de energia próximos aos trilhos da ferrovia de Toledo, Port Clinton e Lakeside Railroad em uma área rural.  Os trabalhadores estão usando um vagão como veículo para transportar suprimentos e eles próprios pela linha.  Foi tirada aproximadamente em 1920.
Trabalhadores da construção civil construindo linhas de transmissão, 1920

Com a realização da transmissão de energia de longa distância foi possível interligar diferentes estações centrais para equilibrar as cargas e melhorar os fatores de carga. A interconexão tornou-se cada vez mais desejável à medida que a eletrificação cresceu rapidamente nos primeiros anos do século XX.

Charles Merz , da parceria de consultoria Merz & McLellan , construiu a Neptune Bank Power Station perto de Newcastle upon Tyne em 1901, e em 1912 havia se tornado o maior sistema integrado de energia da Europa. Em 1905, ele tentou influenciar o Parlamento para unificar a variedade de tensões e frequências na indústria de fornecimento de eletricidade do país, mas foi só na Primeira Guerra Mundial que o Parlamento começou a levar essa ideia a sério, nomeando-o chefe de uma Comissão Parlamentar para tratar do problema . Em 1916, Merz apontou que o Reino Unido poderia usar seu pequeno tamanho a seu favor, criando uma densa rede de distribuição para alimentar suas indústrias de forma eficiente. Suas descobertas levaram ao Relatório Williamson de 1918, que por sua vez criou a Conta de Fornecimento de Eletricidade de 1919. A lei foi o primeiro passo para um sistema elétrico integrado no Reino Unido.

A mais significativa Lei de Eletricidade (Fornecimento) de 1926, levou à criação da Rede Nacional. O Conselho Central de Eletricidade padronizou o fornecimento de eletricidade do país e estabeleceu a primeira rede CA sincronizada, operando a 132 quilovolts e 50 Hertz . Este começou a operar como um sistema nacional, o National Grid , em 1938.

Nos Estados Unidos, tornou-se um objetivo nacional após a crise de energia durante o verão de 1918, em meio à Primeira Guerra Mundial, consolidar o abastecimento. Em 1934, o Public Utility Holding Company Act reconheceu as concessionárias de energia elétrica como bens públicos importantes, juntamente com as empresas de gás, água e telefone e, portanto, receberam restrições definidas e supervisão regulatória de suas operações.

Eletrificação doméstica

A eletrificação de residências na Europa e América do Norte começou no início do século 20 nas principais cidades e em áreas servidas por ferrovias elétricas e aumentou rapidamente até cerca de 1930, quando 70% das residências foram eletrificadas nos Estados Unidos

As áreas rurais foram eletrificadas primeiro na Europa e, nos Estados Unidos , a Administração Elétrica Rural , estabelecida em 1935, levou a eletrificação às áreas rurais.

Custo histórico da eletricidade

A geração de energia elétrica da estação central forneceu energia de forma mais eficiente e a um custo menor do que os pequenos geradores. O capital e o custo operacional por unidade de energia também eram mais baratos com estações centrais. O custo da eletricidade caiu drasticamente nas primeiras décadas do século XX devido à introdução das turbinas a vapor e ao fator de carga aprimorado após a introdução dos motores CA. À medida que os preços da eletricidade caíram, o uso aumentou drasticamente e as estações centrais foram ampliadas para tamanhos enormes, criando economias de escala significativas. Para o custo histórico, veja Ayres-Warr (2002) Fig. 7.

Benefícios da eletrificação

Benefícios da iluminação elétrica

A iluminação elétrica era altamente desejável. A luz era muito mais brilhante do que lâmpadas de óleo ou gás, e não havia fuligem. Embora a eletricidade inicial fosse muito cara em comparação com a de hoje, era muito mais barata e mais conveniente do que a iluminação a óleo ou a gás. A iluminação elétrica era tão mais segura do que a óleo ou gás que algumas empresas conseguiram pagar pela eletricidade com as economias do seguro.

Energia pré-elétrica

"Uma das invenções mais importantes para uma classe de trabalhadores altamente qualificados (engenheiros) seria uma pequena força motriz - variando talvez da força de meio homem até a de dois cavalos, que tanto poderia começar como cessar sua ação em um momento de aviso, não exige nenhum gasto de tempo para sua administração e tem um custo modesto tanto em custo original quanto em despesas diárias. " Charles Babbage, 1851

Máquina debulhadora em 1881.

Para serem eficientes, os motores a vapor precisavam ter várias centenas de cavalos de força. Motores a vapor e caldeiras também exigiam operadores e manutenção. Por essas razões, os menores motores a vapor comerciais tinham cerca de 2 cavalos de potência. Isso estava acima da necessidade de muitas pequenas lojas. Além disso, uma pequena máquina a vapor e uma caldeira custam cerca de US $ 7.000, enquanto um velho cavalo cego que poderia desenvolver 1/2 cavalo-vapor custava US $ 20 ou menos. A maquinaria para usar cavalos para gerar energia custa US $ 300 ou menos.

Muitos requisitos de energia eram menores do que os de um cavalo. As máquinas da oficina, como tornos para carpintaria, costumavam ser acionadas por uma manivela de um ou dois homens. As máquinas de costura domésticas eram movidas a pedal; no entanto, as máquinas de costura de fábrica eram movidas a vapor de um eixo de linha . Os cães às vezes eram usados ​​em máquinas como uma esteira, que podia ser adaptada para bater manteiga.

No final do século 19, edifícios de energia especialmente projetados alugavam espaço para pequenas lojas. Esse prédio fornecia energia aos inquilinos por meio de uma máquina a vapor por meio de eixos de linha .

Os motores elétricos eram várias vezes mais eficientes do que os pequenos motores a vapor porque a geração da estação central era mais eficiente do que os pequenos motores a vapor e porque os eixos das linhas e correias tinham grandes perdas por atrito.

Os motores elétricos eram mais eficientes do que a energia humana ou animal. A eficiência de conversão da alimentação animal para o trabalho está entre 4 e 5%, em comparação com mais de 30% para a eletricidade gerada a partir do carvão.

Impacto econômico da eletrificação

Eletrificação e crescimento econômico estão altamente correlacionados. Em economia, a eficiência da geração elétrica tem se mostrado correlacionada com o progresso tecnológico .

Nos Estados Unidos, de 1870 a 1880, cada homem-hora foi fornecido com 0,55 cv. Em 1950, cada homem-hora era fornecido com 5 hp, ou um aumento anual de 2,8%, diminuindo para 1,5% de 1930-50. O período de eletrificação de fábricas e residências, de 1900 a 1940, foi de alta produtividade e crescimento econômico.

A maioria dos estudos de eletrificação e redes elétricas concentrou-se em países com núcleos industriais na Europa e nos Estados Unidos. Em outros lugares, a eletricidade com fio era frequentemente transportada através dos circuitos do domínio colonial. Alguns historiadores e sociólogos consideraram a interação da política colonial e o desenvolvimento das redes elétricas: na Índia, Rao mostrou que a política regional baseada na lingüística - não considerações tecno-geográficas - levou à criação de duas redes separadas; no Zimbábue colonial (Rodésia), Chikowero mostrou que a eletrificação era baseada em raça e servia à comunidade de colonos brancos, enquanto excluía os africanos; e no Mandato Palestina, Shamir afirmou que as concessões elétricas britânicas a uma empresa de propriedade sionista aprofundaram as disparidades econômicas entre árabes e judeus.

Extensão atual de eletrificação

Mapa mundial mostrando a porcentagem da população em cada país com acesso à rede elétrica , a partir de 2017.
  80% –100%
  60% -80%
  40% -60%
  20% –40%
  0-20%

Embora a eletrificação de cidades e residências já exista desde o final do século 19, cerca de 840 milhões de pessoas (principalmente na África) não tiveram acesso à rede elétrica em 2017, ante 1,2 bilhão em 2010.

O progresso mais recente na eletrificação ocorreu entre as décadas de 1950 e 1980. Vastos ganhos foram observados nas décadas de 1970 e 1980 - de 49% da população mundial em 1970 para 76% em 1990. Os ganhos recentes foram mais modestos - no início da década de 2010, 81 a 83% da população mundial tinha acesso à eletricidade.

Eletrificação para energia sustentável

O transporte eletrificado e o aquecimento são partes essenciais do investimento para a transição das energias renováveis

Como a energia limpa é gerada principalmente na forma de eletricidade, como energia renovável ou nuclear , uma mudança para essas fontes de energia exige que os usos finais, como transporte e aquecimento, sejam eletrificados para que os sistemas de energia do mundo sejam sustentáveis.

Eletrificação de transporte

É mais fácil produzir eletricidade de forma sustentável do que produzir combustíveis líquidos de maneira sustentável. Portanto, a adoção de veículos elétricos é uma forma de tornar o transporte mais sustentável. Os veículos a hidrogênio podem ser uma opção para veículos maiores que ainda não foram amplamente eletrificados, como caminhões de longa distância. Muitas das técnicas necessárias para reduzir as emissões do transporte marítimo e da aviação ainda estão no início de seu desenvolvimento.

Eletrificação de aquecimento

Uma grande fração da população mundial não tem recursos para refrigeração suficiente para suas casas. Além do ar condicionado , que requer eletrificação e demanda adicional de energia, o projeto de construção passivo e o planejamento urbano serão necessários para garantir que as necessidades de refrigeração sejam atendidas de forma sustentável. Da mesma forma, muitas famílias no mundo em desenvolvimento e desenvolvido sofrem com a falta de combustível e não conseguem aquecer suas casas o suficiente. As práticas de aquecimento existentes costumam ser poluentes.

Uma solução sustentável chave para o aquecimento é a eletrificação (bombas de calor ou o aquecedor elétrico menos eficiente ). A IEA estima que as bombas de calor atualmente fornecem apenas 5% do espaço e das necessidades de aquecimento de água em todo o mundo, mas podem fornecer mais de 90%. O uso de bombas de calor de fonte subterrânea não apenas reduz as cargas totais anuais de energia associadas ao aquecimento e resfriamento, mas também achatam a curva de demanda elétrica, eliminando os requisitos de suprimento elétrico de pico extremo no verão.

Transição do gás natural

A fim de reduzir as emissões de gases de efeito estufa, os defensores do meio ambiente propõem a transição totalmente do gás natural para cozinhar e aquecimento, substituindo-o por eletricidade gerada a partir de fontes renováveis. Algumas cidades nos Estados Unidos começaram a proibir conexões de gás para novas casas, com leis estaduais aprovadas e em consideração para exigir eletrificação ou proibir requisitos locais. O governo do Reino Unido está fazendo experiências com eletrificação para aquecimento doméstico para atender às suas metas climáticas. Cerâmica e aquecimento por indução para cooktops, bem como aplicações industriais (por exemplo, crackers a vapor) são exemplos de tecnologias que podem ser usadas para fazer a transição do gás natural.

Resiliência energética

Sistema Híbrido de Energia

A eletricidade é uma forma "pegajosa" de energia, na medida em que tende a permanecer no continente ou ilha onde é produzida. Também é multi-sourced; se uma fonte sofrer escassez, a eletricidade pode ser produzida a partir de outras fontes, incluindo fontes renováveis . Como resultado, a longo prazo é um meio relativamente resiliente de transmissão de energia. No curto prazo, como a eletricidade deve ser fornecida no mesmo momento em que é consumida, ela é um tanto instável, se comparada aos combustíveis que podem ser entregues e armazenados no local. No entanto, isso pode ser mitigado pelo armazenamento de energia da rede e geração distribuída .

Gerenciando fontes de energia variáveis

Solar e eólica são fontes de energia renováveis ​​variáveis que fornecem eletricidade de forma intermitente, dependendo do clima e da hora do dia. A maioria das redes elétricas foi construída para fontes de energia não intermitentes, como usinas movidas a carvão. À medida que maiores quantidades de energia solar e eólica são integradas à rede, mudanças devem ser feitas no sistema de energia para garantir que o fornecimento de eletricidade corresponda à demanda. Em 2019, essas fontes geraram 8,5% da eletricidade mundial, uma parcela que cresceu rapidamente.

Existem várias maneiras de tornar o sistema elétrico mais flexível. Em muitos lugares, a produção eólica e solar são complementares em uma escala diária e sazonal: Há mais vento durante a noite e no inverno, quando a produção de energia solar é baixa. Conectar diferentes regiões geográficas por meio de linhas de transmissão de longa distância permite um cancelamento adicional da variabilidade. A demanda de energia pode ser alterada no tempo por meio do gerenciamento da demanda de energia e do uso de redes inteligentes , correspondendo aos momentos em que a produção de energia variável é mais alta. Com o armazenamento, a energia produzida em excesso pode ser liberada quando necessário. Construir capacidade adicional para geração eólica e solar pode ajudar a garantir que eletricidade suficiente seja produzida, mesmo durante mau tempo; durante o tempo ideal, a geração de energia pode ter que ser reduzida . A incompatibilidade final pode ser coberta pelo uso de fontes de energia despacháveis, como energia hidrelétrica, bioenergia ou gás natural.

Armazenamento de energia

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Construção de tanques de sal para armazenamento de energia térmica

O armazenamento de energia ajuda a superar as barreiras da energia renovável intermitente e, portanto, é um aspecto importante de um sistema de energia sustentável. O método de armazenamento mais comumente usado é a hidroeletricidade por bombeamento , que requer locais com grandes diferenças de altura e acesso à água. Baterias , e especificamente baterias de íon de lítio , também são amplamente utilizadas. Eles contêm cobalto , que é em grande parte extraído no Congo , uma região politicamente instável. Fontes geográficas mais diversificadas podem garantir a estabilidade da cadeia de abastecimento e seus impactos ambientais podem ser reduzidos por downcycling e reciclagem. As baterias normalmente armazenam eletricidade por curtos períodos; a pesquisa está em andamento em tecnologia com capacidade suficiente para durar temporadas. O armazenamento hidrelétrico bombeado e energia para gás com capacidade para uso por vários meses foi implementado em alguns locais.

A partir de 2018, o armazenamento de energia térmica normalmente não é tão conveniente quanto a queima de combustíveis fósseis. Os altos custos iniciais constituem uma barreira para a implementação. O armazenamento sazonal de energia térmica requer grande capacidade; foi implementado em algumas regiões de alta latitude para aquecimento doméstico.

Veja também

Referências

Notas

Bibliografia

links externos