Как рождались электростанции

В 70-х годах позапрошлого столетия люди ещё не умели передавать электроэнергию на дальние расстояния. Производить её приходилось там же, где использовали: рядом со зданиями-потребителями. Прошли годы, прежде чем инженеры поняли, что выгоднее строить электростанции ближе к источнику энергии, и главное – создали технологии для централизованного производства электричества.

Домовые станции

Во второй половине XIX века изобретателям удалось создать первые генераторы, способные непрерывно вырабатывать электрический ток. Одновременно начал возникать спрос на электроэнергию: одна за другой появились русская дуговая лампа Яблочкова и лампа накаливания Эдисона, перевернувшие представление о системах освещения. Это, в свою очередь, породило потребность в специальных фабриках, которые могли бы снабжать электричеством сразу несколько устройств.

Однако такие фабрики были далеки от электростанций в современном их понимании. Дело в том, что в 70-х – начале 80-х годов позапрошлого столетия не существовало технологий по передаче электроэнергии на дальние расстояния, и место производства электроэнергии не было отделено от места потребления. Станции по выработке электроэнергии называли «домовыми», что соответствовало их назначению: обеспечивать электричеством несколько ближайших домов. По сути, это были блок-станции. Впервые они появились во Франции для освещения Парижской оперы. В России первой установкой подобного рода стала станция для освещения Литейного моста в Петербурге, созданная в 1879 году при участии Яблочкова.

На пути создания первых «электрических фабрик» стояли сложности как технического, так и общественно-политического характера. К первым относилась необходимость отдельно устанавливать генераторы для дуговых ламп, требовавших точной регулировки, и отдельно – для ламп накаливания. Оба типа осветительных приборов часто встречались в пределах одной улицы и требовали электричества разного качества. А вторая проблема состояла в том, что общественность протестовала против прокладки воздушных линий, портивших городской пейзаж. Из-за этого власти многих городов требовали ограничиваться кабелями, что, в свою очередь, создавало неудобства при перекапывании улиц. Все эти сложности с радостью подхватывали и сильно преувеличивали газовые компании, стремительно терявшие свои позиции в сфере уличного освещения.

Строить множество блок-станций было не только хлопотно, но и дорого. Всё более целесообразной казалась организация централизованного производства электричества. Единственными массовыми потребителями на тот момент были системы освещения, в основном представленные лампами накаливания Эдисона, и это определило тот факт, что первые электростанции работали на постоянном токе.

Первая Нью-Йоркская

Коммерческую привлекательность централизованной выработки первыми оценили американские предприниматели. В начале 1880-х годов несколько финансистов США, вдохновлённые ажиотажем вокруг ламп накаливания, приняли решение о строительстве первой электростанции на постоянном токе. Они заключили соглашение с Edison Illuminating Company и в кратчайшие сроки возвели электростанцию на Пёрл-стрит в центре Нью-Йорка. На станции было установлено шесть генераторов мощностью около 90 кВт, электроэнергия подавалась потребителям на площади 2,5 квадратных километра.

В 1890 году станция полностью сгорела, от её здания ничего не осталось. Но конструкция первой ТЭС ещё не раз воспроизводилась при сооружении новых станций – настолько хорошо и практично она была спроектирована. Генераторы станции соединялись непосредственно с двигателем и имели искусственное охлаждение; напряжение регулировалось автоматически; подача топлива в котельную обеспечивалась механизмами; удаление золы и шлака также было автоматизированным.

В России первые городские электростанции появились во второй половине 1880-х годов. В Петербурге было основано «Общество электрического освещения 1886 года», объединившее несколько маленьких электростанций в центре российской столицы и построившее две новые – у Казанского собора и на Инженерной площади. У каждой из этих станций мощность едва превышала 200 кВт.

В Москве городская центральная электростанция впервые была построена в 1888 году и получила название Георгиевской в честь переулка, в котором располагалась (сейчас на этом месте, в том же здании, находится Новый Манеж). Мощность станции составляла всего 100 кВт, вырабатываемая на ней электроэнергия направлялась по подземным кабелям к ближайшим улицам, к Большому и Малому театрам, к зданию МГУ на Моховой. В 1897 году Георгиевская станция была закрыта, так как не могла обеспечить в разы увеличившийся спрос; её заменила более мощная Центральная электростанция на Раушской набережной.

Как увеличить радиус

Установив больше генераторов и проложив толстые провода, инженеры первых электростанций всё же не смогли решить проблему территориальной привязки выработки к потребителю. Уровень допустимых потерь для сетей постоянного тока обеспечивался только при достаточно высоком напряжении и, как следствие, на небольшом радиусе передачи. Это заставляло строить станции непосредственно в центре городов, что, в свою очередь, порождало новые проблемы – затруднялось обеспечение электростанций топливом и водой. Кроме того, участки земли в центре города были дороги, а как только компания заявляла о намерении построить электростанцию, их цена и вовсе взлетала до небес. Производство электроэнергии становилось слишком затратным.

Иногда электрическим компаниям приходилось идти на нестандартные решения. Например, в Петербурге станции, снабжавшие электроэнергией Невский проспект, размещались на закреплённых у причалов Мойки и Фонтанки баржах.

Способ увеличить расстояние между станцией и потребителем искали сразу по нескольким направлениям. Сначала была предпринята попытка изменить потребителя, а именно – понизить напряжение электрических лампочек. Это давало слишком незначительный эффект, и идея распространения не получила. Затем пробовали изменить схему сети – перейти от двухпроводной системы передачи электроэнергии к многопроводной. Наиболее востребованной оказалась схема с тремя проводами, предложенная одновременно английским физиком Гопкинсоном и Эдисоном. Она позволила увеличить радиус энергоснабжения до 1,2 км при сохранении уровня напряжения в сети. Дополнительным положительным эффектом была экономия меди за счёт уменьшения сечения проводов. Известный немецкий изобретатель Сименс предложил пятипроводную схему, но она не прижилась, так как напряжение в ней вырастало до опасных пределов.

Третьим вариантом стало использование аккумуляторных батарей – они устанавливались непосредственно рядом с потребителем и позволяли несколько увеличить число принимающих устройств. Такой вариант был выбран, например, для энергоснабжения ГУМа (на тот момент – Верхние торговые ряды), до которых Георгиевская ТЭС без аккумуляторов «недотягивала».

От постоянного к переменному

Несмотря на все ухищрения инженеров, рост спроса на электроэнергию значительно опережал возможности электростанций, работавших на постоянном токе. Вскоре стало очевидно, что решить задачу централизованного электроснабжения под силу только переменному току. Осуществить передачу электроэнергии в сети переменного тока на расстояние позволило создание трансформатора.
Первая городская электростанция переменного тока появилась в Лондоне в 1884 году, на ней были установлены два генератора и два трансформатора Голяра и Гиббса. В России крупнейшие станции переменного тока были построены в конце 1880-х – начале 1890-х годов. Первую из них ввели в Одессе в 1887 году, и она снабжала потребителей на расстоянии 2,5 км. Оборудование этой станции было настолько совершенным по тем временам, что даже с учётом поставок угля из Англии она вырабатывала электроэнергию в разы дешевле, чем более поздние станции Москвы и Петербурга.

Царскосельская ТЭС была введена чуть позже одесской станции, также в 1887 году, и протяжённость её сетей составила уже 64 км. Царское Село считается первым европейским городом, полностью перешедшим на электрическое освещение.

Первые электростанции переменного тока были однофазными, что ограничивало их применение только системами освещения. Подлинное развитие централизованное производство электроэнергии получило с созданием полноценных трёхфазных схем. В 1889 году русский изобретатель Доливо-Добровольский запатентовал конструкцию трёхфазного трансформатора и уже в 1891 году на Международной технической выставке во Франкфурте-на-Майне продемонстрировал, как переменный ток может преодолеть десятки километров. От небольшой ГЭС в местечке Лауфен, отстоящем от Франкфурта на 170 км, электроэнергия, дважды трансформируясь, передавалась по трёхпроводной сети к принимающим устройствам на Международной выставке. Опыт поразил современников и окончательно утвердил пальму первенства за переменным током. День, когда Доливо-Добровольский осуществил лауфен-франкфуртскую передачу, считается началом всемирной электрификации.

Дальше и мощнее

Создание высоковольтных сетей переменного тока дало толчок к стремительной централизации выработки. Расчёты показывали, что строить мощные электростанции вблизи угольных месторождений либо источников воды и затем передавать электроэнергию по сетям высокого напряжения гораздо выгоднее, чем создавать множество мелких ТЭС и ГЭС в городах. Крупные станции, снабжавшие электричеством промышленный и густонаселённые районы, стали называть районными (русская аббревиатура – ГРЭС).

Первая районная электростанция, так же как некогда первая городская, была построена в США. Ею стала Ниагарская ГЭС мощностью 37 МВт, запущенная в 1896 года. Россия ввела первую относительно мощную ГЭС в 1903 году; станция располагалась на реке Подкумок недалеко от Ессентуков и обеспечивала электроэнергией основные города района Минеральных Вод. Крупная тепловая районная станция появилась в России в 1914 году в Ногинске, она работала на торфе и снабжала электричеством московских потребителей.
Дальнейшее развитие электроэнергетики в стране шло по пути всё большей централизации: мощные электростанции вытесняли менее эффективные блок-станции. Так постепенно образовалась привычная нам энергосистема, основу которой составляют крупные ГРЭС, ТЭС, ГЭС и АЭС.

Источники:
Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А. Очерки по истории электротехники.
Шухардин С. Техника в её историческом развитии.