Elektros energijos gavimas, perdavimas ir šaltinių vertinimas

Mokymosi tikslai

Sudaryti elektrinės energijos virsmų grandinę nuo pirminio šaltinio iki vartotojo.
Paaiškinti generatoriaus ir idealaus transformatoriaus principus.
Apskaičiuoti perdavimo linijos $I^2R$ nuostolius ir įtampos didinimo naudą.
Skirti energijos šaltinį, energijos nešiklį ir kaupimo technologiją.
Vertinti energijos sistemą pagal kiekybinius, aplinkos, patikimumo ir socialinius kriterijus.

Prisimink

Elektrinė energija nėra pirminis gamtos šaltinis: ją reikia gauti verčiant mechaninę, cheminę, branduolinę ar spinduliuotės energiją. Akumuliatorius energiją kaupia chemine forma, o vandenilis dažniausiai yra energijos nešiklis, kurį reikia pagaminti.

Sąvokos ir simboliai

Generatorius – mechaninę energiją elektromagnetine indukcija verčiantis elektros energija.
Transformatorius – kintamąją įtampą ir srovę elektromagnetine indukcija keičiantis įrenginys.
Perdavimo nuostoliai $P_{loss}=I^2R_{line}$ .
Vardinė galia – numatytomis sąlygomis tiekiama ar vartojama galia.
Vardinės galios panaudojimo koeficientas – faktinės energijos ir energijos, kuri būtų pagaminta visą nurodytą laikotarpį veikiant vardine galia, santykis. Jo nereikia painioti su kintamosios srovės galios koeficientu.
Gyvavimo ciklas – žaliavų gavyba, gamyba, eksploatacija ir sutvarkymas.
Galia ploto vienetui $P_A=P/S$ , W/m² – aiškiai apibrėžtos sistemos vidutinės arba vardinės galios ir jos užimamo ploto santykis.

Pirminiai šaltiniai, energijos nešikliai ir kuras

Pirminė energija paimama iš gamtoje esančio srauto ar atsargos: Saulės spinduliuotės, vėjo bei vandens judėjimo, geoterminės šilumos, cheminių iškastinio ar biogeninio kuro ryšių, branduolių skilimo arba sintezės reakcijų. Antrinė energija arba energijos nešiklis pagaminamas iš pirminės energijos, pavyzdžiui, elektros energija ar elektrolize pagamintas vandenilis. Akumuliatorius energiją kaupia, bet jos nesukuria.

Energijos gamybai naudojami skirtingi kurai:

kietasis, skystasis ir dujinis iškastinis kuras, pavyzdžiui, anglys, naftos produktai ir gamtinės dujos;
atsinaujinantis biokuras ir biodujos, kurių poveikis priklauso nuo žaliavos, žemėnaudos bei viso anglies ciklo;
branduolinis skilusis kuras, kurio branduolių skilimo energija šildo darbinę terpę;
termobranduolinės sintezės kuras, kurio lengvųjų branduolių susijungimo energija būsimoje elektrinės schemoje turėtų būti paversta šiluma ir elektra.

„Kuras“ ne visada yra pirminis: vandenilis ar sintetinis kuras gali būti pagamintas naudojant elektrą, todėl jų poveikį lemia ir gamybos grandinė.

Teorija: generavimas ir transformavimas

Sukant ritę magnetiniame lauke arba magnetinį lauką ritės atžvilgiu, kinta srautas ir indukuojama elektrovara. Turbinos mechaninė energija gali būti gaunama iš tekančio vandens, vėjo, garo ar kitų šaltinių. Saulės fotoelemente spinduliuotės energija verčiama elektrine be sukamo generatoriaus.

Hidroelektrinėje generatorių suka vandens mechaninė energija, vėjo elektrinėje – oro srautas. Šiluminėse elektrinėse turbiną suka garas ar kitas darbinis srautas: pradinė energija gali būti cheminė deginant kurą, branduolinė vykstant kontroliuojamam skilimui arba Saulės šiluma. Geoterminėse sistemose naudojama Žemės gelmių šiluma. Skirtingi pavadinimai nereiškia vienodos konstrukcijos ar vienodo poveikio, todėl lyginami konkretūs duomenys ir tos pačios sistemos ribos.

Elektrinių energijos virsmų grandinės skiriasi:

iškastinio ar biokuro elektrinė: kuro cheminė energija → šiluma → darbinio srauto ir turbinos mechaninė energija → generatoriaus elektrinė energija;
branduolinė skilimo elektrinė: branduolių skilimo energija → šiluma → turbina → generatorius;
termobranduolinės sintezės elektrinės projektinis modelis: lengvųjų branduolių sintezės produktų energija → šiluma darbinėje terpėje → turbina → generatorius. Plazmai sukurti ir palaikyti reikia energijos, o deuterio ir tričio reakcijos schemoje didelę energijos dalį perneša neutronai; ši mokomoji grandinė apibūdina fizikinį modelį, ne veikiančios elektrinės faktą;
vėjo elektrinė: oro srauto kinetinė energija → rotoriaus mechaninė energija → generatorius;
hidroelektrinė: aukščio ir srauto mechaninė energija → turbina → generatorius;
hidroakumuliacinė elektrinė: elektros energija siurblio režimu → vandens gravitacinė potencinė energija → turbina ir generatorius iškrovos režimu. Tai kaupimo bei tinklo balansavimo sistema, ne naujas pirminis energijos šaltinis;
geoterminė elektrinė: Žemės gelmių šiluma → darbinis srautas → turbina → generatorius;
saulės fotoelektrinė: spinduliuotės energija → elektrinė energija puslaidininkyje, be šiluminės turbinos.

Saulės elementas yra vienas puslaidininkinis fotoelektrinis įtaisas. Saulės modulis – elektriškai sujungtų ir nuo aplinkos apsaugotų daugelio elementų gaminys su nurodyta vardine galia. Moduliai jungiami į grandines ir masyvus; vieno elemento bei viso modulio įtampa, srovė ir galia nėra tas pats dydis.

Idealiam transformatoriui sinusiniame nusistovėjusiame režime:

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1},$

$U_1I_1=U_2I_2,$

todėl

$\frac{I_2}{I_1}=\frac{N_1}{N_2}.$

Realūs transformatoriai turi apvijų kaitimo, sūkurinių srovių, histerezės ir sklaidos nuostolių. Nuolatinei srovei nusistovėjus įprastas transformatorius įtampos nekeičia.

Formulės ir SI: aukštos perdavimo įtampos nauda

Tai pačiai perduodamai galiai ir, paprastumo dėlei, vienetiniam galios koeficientui:

$P=UI,\qquad I=\frac PU.$

Linijos šiluminiai nuostoliai:

$P_{loss}=I^2R_{line}=\frac{P^2R_{line}}{U^2}.$

Padidinus įtampą $k$ kartų, srovė sumažėja $k$ kartų, o to paties laidininko nuostoliai – $k^2$ kartų. Aukšta įtampa reikalauja izoliacijos, atstumų ir apsaugos, todėl įtampa parenkama inžineriniu kompromisu.

Atsakingas šaltinių vertinimas

Vieno rodiklio neužtenka. Reikia nurodyti sistemos ribą ir lyginti bent:

išmetimus bei kitą poveikį per visą gyvavimo ciklą;
tiekiamos energijos ir galios valdomumą;
geografinį bei laikinį prieinamumą;
žemės, medžiagų ir vandens poreikį;
saugos, atliekų ir avarijų riziką;
tinklo, kaupimo, rezervinių galių ir paklausos valdymo poreikį;
kainą pagal tą pačią metodiką ir laikotarpį.

Naudingumo koeficientas, galia ir galia ploto vienetui atsako į skirtingus klausimus. $P_A$ privalo nurodyti, ar naudojama vardinė, vidutinė ar garantuota galia ir kokia ploto riba: tik įrenginio pagrindas, visa aikštelė, tarp įrenginių paliekama teritorija ar kuro gavybos plotas. Skirtingų ribų skaičių lyginti negalima.

Datuotas Lietuvos ir pasaulio duomenų pjūvis

Toliau pateikti skaičiai yra istorinis 2024 m. pjūvis, ne „dabartinis“ nekintantis mišinys.

Lietuvos energetikos agentūros galutinės „Lietuvos energetikos duomenų apžvalgos 2024 m.“ §3.1.2.1 diagramoje „Lietuvos elektros energijos gamyba pagal rūšis ir vartojimas 2014–2024 metais“ (šaltinis – „Litgrid“ gamybos ir vartojimo balansas) pateikta:

Lietuvos gamyba 2024 m.	TWh
vėjo elektrinės	3,49
saulės elektrinės	1,27
hidroelektrinės, įskaitant Kruonio HAE	0,97
šiluminės elektrinės	1,80
kitos elektrinės	0,23
vietinė gamyba, sumuojant kategorijas	7,76
bendrasis elektros vartojimas	12,36

Iš šių reikšmių apskaičiuotas santykis yra $7{,}76/12{,}36\approx62{,}8\%$ ; tai dera su šaltinio tekste suapvalintais 63 %. Kruonio HAE gamybos negalima be pataisos laikyti pirminės hidroenergijos gamyba, nes siurblio režimu vandeniui pakelti anksčiau sunaudota elektros energija.

IEA „Global Energy Review 2025“ 2024 m. pasaulio elektros gamybos suvestinėje nurodyta: anglys sudarė 35 %, gamtinės dujos – daugiau kaip 20 %, atsinaujinantieji šaltiniai kartu – 32 %, arba maždaug trečdalį (hidroenergija 14 %, vėjas 8 %, saulės PV 7 %, bioenergija ir atliekos 3 %), branduolinė energija – 9 %, o nafta – kelis procentus. Procentai suapvalinti, todėl jų suma neprivalo būti tiksliai 100 %.

Dvi aiškiai datuotos energijos diagramos: Lietuvos 2024 metų vietinės elektros gamybos kategorijos TWh pagal LEA ir pasaulio 2024 metų pagrindinių elektros gamybos šaltinių dalys procentais pagal IEA; diagramos nenaudoja spalvos kaip vienintelio kodo

Lietuvos lentelė rodo absoliučią vietinę gamybą, o pasaulio lentelė – procentines dalis, todėl prieš lyginant reikia Lietuvą normalizuoti pagal vietinės gamybos sumą ir išlaikyti kategorijų apibrėžimus. Nei vienas mišinys pats savaime neatsako į saugumo, kainos ar poveikio klausimą: tam reikia vienodų gyvavimo ciklo, patikimumo, ploto, atliekų, emisijų ir laikotarpio duomenų.

Audituotų palyginimo duomenų rinkinio sudarymas

Vienos universalios „geriausio šaltinio“ lentelės nėra: ekonomikos, saugos, gyvavimo ciklo ir ploto tyrimai naudoja skirtingus funkcinius vienetus bei sistemos ribas. Todėl kiekvienam kriterijui pirmiausia parenkamas jam tinkamas oficialus duomenų rinkinys, o tik tada lyginami bent du aiškiai įvardyti elektrinių tipai. Šaltinių paskirčių negalima sukeisti:

Kriterijus	Audituotas pradinis rinkinys	Ką galima iš jo imti	Privaloma riba arba įspėjimas
ekonomiškumas	PHY-SRC-IEA-GEC-2025-TECHNO-ECONOMIC	to paties regiono, metų ir scenarijaus kapitalo, eksploatavimo, kuro ir vardinės galios panaudojimo prielaidas	tai modelio įvestys bei projekcijos, ne konkrečios veikiančios elektrinės sąskaitos; LCOE nėra visa visuomeninė kaina, o vėjo ir saulės įrašuose kaupimo kaina neįtraukta
šiluminių elektrinių neto NK	PHY-SRC-EIA-PLANT-EFFICIENCY-FAQ ir PHY-SRC-EIA-EPA-2024-HEAT-RATES	tų pačių 2024 m. JAV imties ribų anglių ir gamtinių dujų elektrinių šilumos sąnaudų rodiklius bei NK skaičiavimo taisyklę	tai agreguotos utility ir independent power producer elektrinės; CHP, komercinės ir pramoninės elektrinės neįtrauktos, o gamtinių dujų eilutė nėra vien kombinuotojo ciklo technologija
sunkių avarijų sauga	PHY-SRC-OECD-NEA-FULL-COSTS-2018, 6 skyrius ir 6.2 pav.	sunkių avarijų dažnio bei didžiausių pasekmių pjūvį	tai ne visos normalios eksploatacijos sveikatos rizika; 1970–2008 m. istorija, PSA ir modeliavimas nėra vienodos kilmės duomenys, OECD ir ne OECD rezultatai neskiedžiami į vieną vidurkį
ekologiškumas per gyvavimo ciklą	PHY-SRC-UNECE-LCA-2022, 3 lentelė ir §4.5	tik tą patį funkcinį vienetą ir visą gyvavimo ciklą turinčius poveikio rodiklius	g CO₂ ekv./kWh nėra vien kamino emisijos; skirtingų sistemos ribų ar vienetų skaičiai nejungiami
vardinė ir vidutinė galia	PHY-SRC-NREL-TECHNICAL-POTENTIAL-2012, 12 lentelė	PV ir sausumos vėjo techninio potencialo instaliuotą galią bei metinę gamybą; iš jos vienodai skaičiuojama $P_{vid}=E/(8760\ \text{h})$	tai JAV techninio potencialo, o ne dviejų konkrečių elektrinių ar rinkos plėtros palyginimas; kiekvienai technologijai plotas modeliuotas atskirai
vienodai apibrėžto ploto modelinis galios tankis	PHY-SRC-NREL-TECHNICAL-POTENTIAL-2012, A priedas	kaimiškos didelės PV sistemos 48 MW/km² ir sausumos vėjo 5 MW/km² modelio prielaidas	tai techniniam potencialui tinkamo ploto prielaida, ne tiesioginis įrenginių pėdsakas ir ne gyvavimo ciklo žemėnauda; tas pats neatmestas plotas gali būti atskirai skaičiuotas abiem technologijoms
tiesioginio ploto galios ar energijos tankis	PHY-SRC-DOE-LBNL-PV-LAND-2022, §II.B ir 3–4 pav.	JAV didelių antžeminių saulės elektrinių tiesioginio masyvo ploto MW/acre ir MWh/metus/acre apibrėžimus bei duomenis	tai 736 JAV elektrinių iki 2019 m. imtis, ne viso gyvavimo ciklo žemėnauda ir ne kitų technologijų palyginimo rinkinys

Pildoma ne „bendro balo“, o provenance lentelė. Kiekvienai reikšmei privalomi stulpeliai: technologija; rodiklis; skaitinė reikšmė ir vienetas; metai; regionas; scenarijus; funkcinis vienetas; sistemos arba ploto riba; source ID; lentelė / paveikslas / skiltis; neapibrėžties ar palyginamumo pastaba. Jei antros technologijos duomuo turi kitą ribą arba jo patikimame rinkinyje nėra, langelyje rašoma „nepalyginama / duomens nėra“, o ne įrašomas spėjimas.

Trys atkartojami palyginimai

1. Neto naudingumo koeficientas. EIA 2024 m. 8.1 lentelėje anglių elektrinių agreguotas šilumos sąnaudų rodiklis yra $10\,777\ \text{Btu/kWh}$ , o gamtinių dujų elektrinių – $7\,754\ \text{Btu/kWh}$ . Pagal EIA taisyklę $\eta=3412/H$ :

$\eta_{anglių}=\frac{3412}{10777}=0{,}3166\approx31{,}7\%,\qquad \eta_{dujų}=\frac{3412}{7754}=0{,}4400\approx44{,}0\%.$

Tad šioje vienodai apribotoje 2024 m. JAV imtyje dujų elektrinių agreguotas neto NK yra didesnis. Tai nėra teiginys apie kiekvieną atskirą bloką ar apie vėjo ir Saulės energijos „kuro NK“.

2. Instaliuota ir vidutinė galia. NREL 12 lentelėje kaimiškos didelės PV techninio potencialo instaliuota galia yra $153\,000\ \text{GW}$ , metinė gamyba – $280\,600\ \text{TWh}$ , o sausumos vėjo – atitinkamai $11\,000\ \text{GW}$ ir $32\,700\ \text{TWh}$ . Iš tos pačios lentelės:

$P_{vid,PV}=\frac{280600\cdot1000\ \text{GWh}}{8760\ \text{h}}\approx32\,000\ \text{GW},$

$P_{vid,vėjo}=\frac{32700\cdot1000\ \text{GWh}}{8760\ \text{h}}\approx3730\ \text{GW}.$

Išvestiniai vardinės galios panaudojimo santykiai yra apie 20,9 % ir 33,9 %. Tai visos JAV modelinis techninis potencialas su skirtingais kiekvienai technologijai tinkamais plotais, o ne „tipinė elektrinė“ ir ne prognozė, kiek bus pastatyta.

3. Vienodo modelinio ploto galia. To paties NREL modelio A priede didelės PV galios tankis yra $48\ \text{MW/km}^2$ , o sausumos vėjo – $5\ \text{MW/km}^2$ . Todėl tam pačiam modeliškai tinkamam $10\ \text{km}^2$ plotui būtų priskirta:

$P_{PV}=48\cdot10=480\ \text{MW},\qquad P_{vėjo}=5\cdot10=50\ \text{MW},$

o modelinių galios tankių santykis $48/5=9{,}6$ . Šis skaičius galioja tik NREL techninio potencialo žemės atrankos apibrėžčiai; jo negalima vadinti faktiniu parko pėdsaku ar viso gyvavimo ciklo žemėnauda.

Ploto kriterijui toliau pasirenkama viena iš dviejų skirtingų užduočių:

Vienos technologijos duomenų analizė. DOE/LBNL imtyje nagrinėjama, kaip tiesioginio saulės masyvo ploto $P_n/S$ ir metinės energijos $E_{metų}/S$ rodikliai kito pagal metus bei konstrukciją. Šios reikšmės nepervadinamos gyvavimo ciklo žemėnauda.
Dviejų technologijų palyginimas. NREL techninio potencialo PV ir vėjo pora lyginama tik pagal to paties modelio galios tankio prielaidas. Kitas šaltinis priimamas tik tada, kai plotas apibrėžtas taip pat. Jei vienur matuojamas tik aptvertas sklypas, o kitur – kuro gavyba arba $\text{m}^2\!\cdot\text{metai}/\text{kWh}$ per gyvavimo ciklą, tiesioginis skaitinis palyginimas draudžiamas.

Galutinėje diskusijoje pateikiamos atskiros išvados: ką duomenys leidžia pasakyti apie ekonomiką, sunkių avarijų saugą, gyvavimo ciklo poveikį, NK, galią ir plotą; ko jie neleidžia pasakyti; kaip 2024 m. Lietuvos ir pasaulio gamybos mišinys keičia klausimo kontekstą. Nepalyginamų rodiklių negalima sudėti į vieną tariamai objektyvų balą.

Išspręsti pavyzdžiai

1. Idealus transformatorius

Duota. $N_1=500$ , $N_2=50$ , $U_1=230\ \text{V}$ .

Rasti. Idealaus transformatoriaus antrinę įtampą $U_2$ ir pirminę srovę $I_1$ , kai $I_2=2{,}0\ \text{A}$ .

Modelis ir sąlygos. Transformatorius idealus, veikia nusistovėjusia kintamąja srove, visas abiejų apvijų vijas kerta tas pats kintantis srautas, nuostolių nėra.

Vienetai. Vijų skaičių santykiai bemačiai, o V ir A jau yra SI.

Skaičiavimas.

$U_2=U_1\frac{N_2}{N_1}=230\cdot\frac{50}{500}=23\ \text{V}.$

Jei antrinėje $I_2=2{,}0\ \text{A}$ , idealiai $I_1=I_2N_2/N_1=0{,}20\ \text{A}$ .

Atsakymas. $U_2=23\ \text{V}$ , $I_1=0{,}20\ \text{A}$ idealiu modeliu.

Patikra. Įtampa sumažėja 10 kartų, srovė padidėja 10 kartų. Galios $U_1I_1=230\cdot0{,}20=46\ \text{W}$ ir $U_2I_2=23\cdot2{,}0=46\ \text{W}$ sutampa, todėl energijos tvermė idealiame modelyje tenkinama.

2. Perdavimo nuostoliai

Duota. Perduodama $P=1{,}0\ \text{MW}$ , linijos varža $R=2{,}0\ \Omega$ . Palyginti $U=10\ \text{kV}$ ir $100\ \text{kV}$ , laikant $P=UI$ .

Rasti. Abiejų režimų linijos sroves, šiluminius galios nuostolius ir jų santykį.

Modelis ir sąlygos. Perduodama aktyvioji galia vienoda, galios koeficientas laikomas 1, linijos varža nekinta, transformatorių ir reaktyviųjų dėmenų nepaisoma.

Vienetai. $P=1{,}0\cdot10^6\ \text{W}$ , įtampos $1{,}0\cdot10^4$ ir $1{,}0\cdot10^5\ \text{V}$ , varža omais.

Skaičiavimas. Esant 10 kV, $I=100\ \text{A}$ ir

$P_{loss}=100^2\cdot2{,}0=20\ \text{kW}.$

Esant 100 kV, $I=10\ \text{A}$ ir

$P_{loss}=10^2\cdot2{,}0=0{,}20\ \text{kW}.$

Atsakymas. Esant $10\ \text{kV}$ gauname $I=100\ \text{A}$ ir $P_{loss}=20\ \text{kW}$ ; esant $100\ \text{kV}$ – $I=10\ \text{A}$ ir $P_{loss}=0{,}20\ \text{kW}$ . Pakėlus įtampą 10 kartų, modelio nuostoliai sumažėja 100 kartų.

Patikra. $I^2R$ vienetai yra W, o abiem atvejais $UI=1{,}0\ \text{MW}$ . Srovės santykis 10, todėl nuostolių santykis privalo būti $10^2=100$ ; gautos 20 kW ir 0,20 kW tai atitinka.

3. Pagaminta energija

Duota. Modelinis $3{,}0\ \text{MW}$ vardinės galios įrenginys per 24 h pagamina 40 % energijos, kurią pagamintų visą laiką veikdamas vardine galia; visos lyginamos aikštelės plotas $S=0{,}60\ \text{km}^2$ .

Rasti. Paros energiją $E$ , vidutinę galią $P_{vid}$ ir vidutinę galią ploto vienetui $P_A$ .

Modelis ir sąlygos. 40 % yra tik šio nurodyto 24 h intervalo panaudojimo rodiklis, ne universalus technologijos faktas; aikštelės ploto riba aiškiai pateikta sąlygoje.

Vienetai. $S=0{,}60\ \text{km}^2=0{,}60\cdot10^6\ \text{m}^2$ ; energijai naudojame MWh, galiai W ir W/m².

Skaičiavimas.

$E=3{,}0\ \text{MW}\cdot24\ \text{h}\cdot0{,}40=28{,}8\ \text{MWh}.$

$P_{vid}=\frac{E}{24\ \text{h}}=1{,}20\ \text{MW},$

$P_A=\frac{1{,}20\cdot10^6}{0{,}60\cdot10^6}=2{,}0\ \text{W/m}^2.$

Atsakymas. $E=28{,}8\ \text{MWh}$ , $P_{vid}=1{,}20\ \text{MW}$ , $P_A=2{,}0\ \text{W/m}^2$ pagal nurodytą ploto ribą.

Patikra. Vidutinė galia yra 40 % vardinės ir jos neviršija. $\text{W}/\text{m}^2$ matmenys teisingi; pakeitus aikštelės ribą rezultatas keistųsi, todėl skaičius nėra perkeliamas kitai technologijai.

4. Kaupimo grandinės efektyvumas

Duota. Į kaupiklį perduota $50\ \text{kWh}$ , įkrovimo efektyvumas 92 %, iškrovimo 90 %.

Rasti. Į tinklą grąžintą energiją ir viso ciklo naudingumo koeficientą.

Modelis ir sąlygos. Įkrovimo ir iškrovimo koeficientai apima visus nurodytų etapų nuostolius, papildomo stovėjimo nuotėkio nėra.

Vienetai. Procentus paverčiame bemačiais koeficientais 0,92 ir 0,90; energija lieka kWh.

Skaičiavimas. Nuoseklių etapų koeficientai dauginami:

$E_{out}=50\cdot0{,}92\cdot0{,}90=41{,}4\ \text{kWh}.$

Bendras ciklo efektyvumas $0{,}828=82{,}8\%$ .

Atsakymas. Grąžinama $41{,}4\ \text{kWh}$ , o viso ciklo naudingumo koeficientas yra $\eta=82{,}8\%$ .

Patikra. Abu koeficientai mažesni už 1, todėl $E_{out}<50\ \text{kWh}$ . $50-41{,}4=8{,}6\ \text{kWh}$ nuostolis ir $41{,}4/50=0{,}828$ atkuria bendrą efektyvumą.

Konceptualūs ir eksperimentiniai pavyzdžiai

Transformatorius nekuria galios. Idealiai padidinus įtampą, srovė sumažėja tokiu pačiu santykiu. Realiame įrenginyje išėjimo galia dar ir mažesnė dėl nuostolių.

„Atsinaujinantis“ nereiškia „be poveikio“. Vėjo ar Saulės energijos srautas atsinaujina, tačiau įrenginiams reikia medžiagų, žemės, tinklo ir utilizavimo. Lygiai taip pat vien eksploatacijos emisijos neaprašo viso iškastinio ar branduolinio ciklo. Išvada turi remtis vienodomis sistemos ribomis.

Praktinė veikla: modelinė perdavimo linija

A. Kilmė: BP_REQUIRED (§30.5.6). Darbą sudaro dvi susietos dalys.

Gamybos diagramos. Skaičiuoklėje perrašykite aukščiau pateiktas LEA 2024 m. TWh reikšmes, patikrinkite jų sumą, apskaičiuokite kiekvienos kategorijos dalį vietinėje gamyboje ir nubraižykite stulpelinę diagramą su pavadinimu, metais, ašių dydžiais bei vienetais. Atskirai nubraižykite IEA pasaulio 2024 m. procentines dalis, išlaikydami „apie“, „daugiau kaip“ ir suapvalinimo žymas. Negalima vienoje ašyje maišyti TWh ir procentų ar Lietuvos vartojimo vadinti gamyba.
Šaltinių palyginimas. Pasirinkite bent du elektrinių tipus ir pagal skiltį „Audituotų palyginimo duomenų rinkinio sudarymas“ užpildykite provenance lentelę. Ekonomikos, sunkių avarijų saugos, gyvavimo ciklo ir ploto duomenis imkite tik iš ten nurodytų jų paskirčiai tinkamų rinkinių. Patikrinkite vienetus, metus, regioną, scenarijų, funkcinį vienetą ir sistemos ribą. Trūkstamą ar nesuderinamą rodiklį pažymėkite, o ne pakeiskite spėjimu. Išvadoje atskirai aptarkite saugumą, ekonomiškumą, ekologiškumą, NK, vardinę bei vidutinę galią ir $P_A$ ; nurodykite, kurioms poroms palyginimas galioja ir kur duomenų nepakanka.

Prie kiekvienos diagramos ir lentelės nurodykite duomenų leidėją, leidinio datą, source ID, lentelę / skyrių ir prieigos datą. LEA ir „Global Energy Review“ gamybos mišinio lentelės pačios savaime neturi kainų, emisijų ar avarijų duomenų, todėl jų negalima naudoti šioms reikšmėms išgalvoti.

B. Kilmė: EDITORIAL. Su žemos įtampos kintamosios srovės mokomaisiais transformatoriais ir vienodais ilgais rezistoriais kaip linija perduokite tą pačią apkrovos galią dviem įtampos lygiais. Išmatuokite linijos srovę, įtampos kritimą ir $I^2R$ nuostolius, pateikdami prietaisų neapibrėžtis ir galios balanso neatitiktį. Naudokite tik izoliuotą žemos įtampos įrangą, ne tinklo įtampą, ir neviršykite rezistorių galios.

Dažnos klaidos

Elektrą vadinti pirminiu energijos šaltiniu.
Idealų transformatoriaus įtampos santykį taikyti nusistovėjusiai nuolatinei srovei.
Padidinus įtampą tikėtis tokios pačios srovės tai pačiai galiai.
Galios MW ir energijos MWh laikyti tuo pačiu dydžiu.
Nuoseklių virsmų procentinius nuostolius tiesiog sudėti vietoje koeficientų daugybos.
Šaltinius vertinti vienu skaičiumi arba be datos, sistemos ribų ir patikimo šaltinio.

Kraunama pamokos praktika…

Santrauka

Elektros energija gaunama verčiant kitų formų energiją; generatorius remiasi indukcija.
Transformatorius keičia kintamąją įtampą ir srovę, bet nekuria energijos.
Aukšta perdavimo įtampa mažina srovę ir $I^2R$ nuostolius.
Energijos šaltiniai vertinami pagal vienodas sistemos ribas, daug kriterijų ir datuotus duomenis.

Savikontrolė

Iš kur generatoriuje gaunama elektrinė energija?
Kaip idealiame transformatoriuje susiję įtampos ir srovės santykiai?
Kodėl perdavimo nuostoliai mažėja kaip $1/U^2$ tai pačiai galiai?
Kuo energijos šaltinis skiriasi nuo kaupiklio ar nešiklio?
Kokios sistemos ribos būtinos sąžiningam dviejų technologijų palyginimui?

Šaltiniai

PHY-SRC-BP-V1269 – Fizikos bendrosios programos 25 priedo §30.5 elektros energijos gavimo, perdavimo ir šaltinių vertinimo reikalavimai.
PHY-SRC-BP-V861-2024 – 2024 m. Fizikos bendrosios programos 25 priedo pakeitimas, taikomas aktyviai redakcijai.
PHY-SRC-BP-25-V861-DOCX – galiojančios suvestinės 25 priedo §30.5.6 pažodinis normatyvinis tekstas.
PHY-SRC-EMOKYKLA-BP – oficialus elektros energijos temos turinio atvaizdavimas.
Lietuvos energetikos agentūra, „Lietuvos energetikos duomenų apžvalga 2024 m.“, §3.1.2.1 – 2024 m. Lietuvos gamybos ir bendrojo vartojimo galutinė diagrama, paskelbta 2025 m., žiūrėta 2026-08-21.
PHY-SRC-IEA-GER-2025-ELECTRICITY – International Energy Agency, „Global Energy Review 2025“ PDF – 2024 m. pasaulio elektros gamybos dalys, paskelbta 2025-03-24, žiūrėta 2026-08-21.
PHY-SRC-IEA-GEC-2025-TECHNO-ECONOMIC – IEA GEC 2025 technoekonominės įvestys – to paties regiono, metų ir scenarijaus sąnaudų, efektyvumo bei vardinės galios panaudojimo prielaidų rinkimo metodika.
PHY-SRC-OECD-NEA-FULL-COSTS-2018 – OECD NEA „The Full Costs of Electricity Provision“, 6 skyrius ir 6.2 pav. – tik aiškiai apribotas sunkių avarijų rizikos pjūvis.
PHY-SRC-UNECE-LCA-2022 – UNECE integruotas elektros šaltinių gyvavimo ciklo vertinimas, 3 lentelė ir §4.5 – vienodų funkcinių vienetų bei sistemos ribų ekologiniams rodikliams.
PHY-SRC-DOE-LBNL-PV-LAND-2022 – DOE/LBNL didelių saulės elektrinių ploto tyrimas, §II.B ir 3–4 pav. – tiesioginio masyvo ploto galios ir energijos tankiui, ne viso gyvavimo ciklo žemėnaudai.
PHY-SRC-EIA-PLANT-EFFICIENCY-FAQ – EIA elektrinių NK metodika – neto NK skaičiavimui iš 3412 Btu/kWh ir šilumos sąnaudų rodiklio.
PHY-SRC-EIA-EPA-2024-HEAT-RATES – EIA „Electric Power Annual 2024“, 8.1 lentelė – 2024 m. anglių ir gamtinių dujų elektrinių agreguotiems šilumos sąnaudų rodikliams bei imties riboms.
PHY-SRC-NREL-TECHNICAL-POTENTIAL-2012 – NREL JAV atsinaujinančios energetikos techninio potencialo GIS analizė, p. 3–5, A priedas ir 12 lentelė – PV ir sausumos vėjo modelinei galiai, gamybai bei galios tankiui vienodame tyrime; ne faktinių elektrinių ar rinkos plėtros palyginimui.