Mokslas už pasaulinės apšvietimo sistemos: kaip veikia mūsų šviesos tinklai

Moksliniai principai už pasaulinės apšvietimo sistemos

Elektrinis apšvietimas yra vienas pagrindinių šiuolaikinės civilizacijos pasiekimų, apšviečiantis namus, miestus ir visą infrastruktūrą. Dauguma šviesos šaltinių naudoja elektrą – universalų energijos tipą, gaminamą elektrinėse, naudojant įvairius energijos šaltinius, tokius kaip anglis, gamtinės dujos, branduolinė energija (urano pagrindu), hidroenergija, vėjas ir saulės energija. Ši elektra tarp gamintojų ir vartotojų keliauja išplėtotais elektros tinklais (elektros tinklai), kurie užtikrina nepertraukiamą energijos tiekimą visame pasaulyje.

Kiekvieną kartą įjungdami šviesą, imame energiją iš šio bendro tinklo. Ypač svarbu, kad elektros tiekimo ir paklausos balansas išliktų tobulas kiekvieną sekundę. Jeigu prietaisai sunaudoja daugiau energijos, nei pagamina elektrinės, sistema patiria nestabilumą arba net masinį elektros tiekimo sutrikimą (blackout). Todėl elektros tinklų operatoriai naudojasi pažangiais jutikliais, realaus laiko duomenų analizės įrankiais ir sudėtingais algoritmais, kad nuolat reguliuotų elektros gamybą ir suvartojimą. Toks procesas vadinamas apkrovos valdymu. Elektros sunaudojimas skiriasi drastiškai – pavyzdžiui, tipiniai namų ūkiai karštą vasaros dieną suvartoja daug daugiau elektros negu rudens naktimis.

Kas nutiktų, jei visi pasaulio žmonės įjungtų šviesą tuo pačiu metu?

Jeigu visi žmonės staiga įjungtų visas šviesas, elektros paklausa pasiektų neregėtas aukštumas. Šis staigus šuolis stipriai apkrautų elektrines ir paskirstymo tinklus. Ar mūsų energetinė infrastruktūra pajėgtų susitvarkyti su tokia apkrova?

Elektrinių tipai ir jų reakcija į apkrovos šuolius

Anglies ir branduolinės elektrinės gali patikimai tiekti pagrindinę energijos dalį, tačiau jų galia keičiasi lėtai, o įjungimas po remonto ar priežiūros užtrunka daug laiko. Priešingai – dujinės elektrinės gali greitai padidinti gamybą, tad jos itin svarbios dengiant elektros poreikio pikas, pavyzdžiui, didelio vartojimo metu. Atnaujinantys energijos ištekliai – saulė, vėjas, hidroenergija – tiekia švaresnę elektros energiją, tačiau jų tiekimas priklauso nuo gamtos sąlygų. Saulės panelės veikia tik dienos metu, o vėjo turbinos – tik pučiant vėjui. Kaupiamosios baterijos ir hidroakumuliacinės elektrinės padeda išlaikyti tinklo balansą, tačiau dabartinės technologijos negali akimirksniu sukaupti ir išduoti tiek daug energijos, kad atlaikytų staigų pasaulinį šviesos įjungimo šuolį.

Kodėl visiška pasaulinė elektros krizė mažai tikėtina

Laimei, pasaulinis elektros tinklas nėra vienas darinys – jį sudaro daugybė nacionalinių ir regioninių tinklų, kuriuose gausu saugiklių ir galimybė nepriklausomai atsijungti problemų metu. Net tarptautiniu mastu sujungti tinklai (pvz., Šiaurės Amerika ir Europa) yra sukurti taip, kad išvengtų grandininio elektros tiekimo sutrikimo. Regioninių elektros tiekimo sutrikimų gali pasitaikyti, bet sinchronizuotas globalus elektros išjungimas – labai mažai tikėtinas.

LED revoliucija: kaip taupome energiją ir išvengiame perkrovų

Pastaraisiais dešimtmečiais šviesos diodų (LED) apšvietimas greitai išstūmė kaitrines ir fluorescencines lemputes. LED lemputės daug našesnės – suteikia daugiau šviesos sunaudodamos mažiau elektros, tausoja tinklą ir mažina bendrą energijos suvartojimą. JAV Energetikos departamento duomenimis, plataus masto LED lemputių naudojimas kasmet sutaupo namų ūkiui apie 225 JAV dolerius energijos sąnaudų. Jau 2020-aisiais beveik pusė JAV namų pagrinde naudojo LED, taip mažindami galimus elektros naudojimo šuolius – ypač, jeigu vienu metu įjungiama daug šviestuvų.

Nematomi padariniai: šviesos tarša ir nakties dangaus praradimas

Be tiesioginio tinklų apkrovimo, masinis šviesų įjungimas smarkiai padidintų šviesos taršą. Ryškiausias šio reiškinio padarinys – padidėjęs nakties švytėjimas (sky glow) – atmosferoje išsibarstanti dirbtinė šviesa, kuri užtemdo žvaigždes ir tamsų dangų.

Šviesos tarša jau dabar labai didelė didmiesčiuose – atskiros žvaigždynų dalys visiškai nematomos, miestai šviečia net iš kosmoso. Pernelyg intensyvus apšvietimas iš tuščių biurų, stovėjimo aikštelių ar netaisyklingai nukreiptų gatvių žibintų prisideda prie problemos. Be to, dirbtinė šviesa trikdo laukinius gyvūnus – klaidina migruojančius paukščius, vabzdžius, jūrinius vėžlius. Ji taip pat veikia žmogaus sveikatą, trikdydama natūralius cirkadinius ritmus ir galimai blogindama miego kokybę.

Jei kiekvienas pasaulio gyventojas vienu metu apšviestų savo aplinką, kai kur nakties dangus visiškai išnyktų – toks rezultatas žalingas tiek astronomijai, tiek mūsų gerovei.

Išvada

Visuotinis elektrinių šviesų įjungimas galėtų padidinti pasaulinę elektros paklausą, tačiau dėl išmanių tinklų ir efektyvių sprendimų, tokių kaip LED technologijos, tai greičiausiai būtų suvaldoma. Regioniniai elektros tiekimo sutrikimai ar sutrumpinti išjungimai galimi, bet visuotinis elektros blackout – mažai tikėtinas. Vis tik akivaizdus neigiamas padarinys būtų staigus šviesos taršos šuolis, visiškai ištrinsiantis žvaigždes ir natūralią naktį, o tai paveiktų ir žmogų, ir gyvūniją, ir mūsų ryšį su kosmosu. Tobulėjant technologijoms, išliekantis iššūkis – atrasti pusiausvyrą tarp šviesos poreikio ir nakties dangaus išsaugojimo. Tai svarbus uždavinys mokslui, energetikos politikai ir visuomenei.