Válka proudů 1

Elektrická energie, která je krví ekonomiky, se rozvádí složitým a velmi zranitelným systémem. Střídavý proud pulzující tímto systémem byl zpočátku šťastným řešením. Zůstane jím nadále?

Trochu historie

Na konci osmdesátých let 19. století vypukla takzvaná ‘Válka proudů’. Edison, jako uznávaný a bohatý podnikatel, budoval v Americe jedny z prvních elektráren spolu s elektrickým vedením využívajícím stejnosměrný proud. Tehdejší stav techniky však neumožňoval vytvářet stromovou strukturu, kde by základem byla silně dimenzovaná vedení, ze kterých by se vedly k jednotlivým domácnostem individuální přípojky. A tak se domácnosti připojovaly přímo k elektrárně, každá vlastním vedením. To způsobilo, že z ulic amerických měst nebylo přes dráty téměř vidět nebe. 

S mnohem lepším řešením přišel vynálezce srbského původu Nikola Tesla. Jeho generátor vyráběl střídavý proud, který se dal přenášet vedeními o vyšším napětí do transformoven, ze kterých se teprve rozváděl k uživatelům. 

Propojování elektráren

Jako cyklisté na tandemovém kole musejí šlapat stejnou kadencí, protože propojení jejich pedálů jim nic jiného neumožňuje, tak i střídavé elektrárny musejí mít stejný kmitočet a pracovat ve fázi. Když se cyklista na tandemu “ulejvá”, nejvýš mu spolujezdec vynadá. Když se dvě elektrárny neshodnou, tečou mezi nimi vyrovnávací proudy, které by způsobily velkou havárii a zmobilizovaly hasičské sbory široko daleko. Naštěstí zafunguji příslušné proudové ochrany, proud přeruší a elektrický tandem se rozpadne. A když je propojeno těch elektráren více, je situace ještě náročnější. Je třeba dodržet správnou frekvenci sítě, i když se mění zátěž jednotlivých elektráren různě. Když má některá z elektráren problémy s udržením tempa, musí být ze sítě odpojena. Tato problematika je pěkně popsána v článku o hrozbě blackoutu. 

Co zkusit stejnosměrný proud?

Domácnosti mají zavedený standardně střídavý proud známých parametrů, ale mnoho spotřebičů potřebuje ke své činnosti napájení stejnosměrné o daleko menším napětí než to dodávané z přípojky. Radiopřijímače i televizory to musely řešit objemným a těžkým transformátorem a usměrňovacími obvody, dnešní elektronika se napájí přes maličké krabičky, které to dokáží bez transformátoru. Potřebná konverze se dá zvládnout dokonce i v patici úsporné žárovky. Pokročilá polovodičová technika to umožňuje, a to nejen v malém měřítku, ale i pro tisíciampérové proudy. 

Ostatně i drtivá většina elektromotorů v domácnosti spadá do kategorie ‘univerzální’, tedy schopné provozu jak na střídavý, tak i stejnosměrný proud. 

Jde to i opačně

V dnes populárních elektromobilech se používají v zásadě elektromotory dvojího typu. Jeden z nich funguje na principu vymyšleném vynálezcem Teslou: je to indukční motor, jehož stator vytváří točivé magnetické pole. Baterie dodává proud stejnosměrný a výkonová elektronika z něj udělá proud střídavý o třech či více fázích. Ještě k tomu se frekvence pružně mění podle jízdních podmínek a potřeb. Pro moderní silovou elektroniku je to hračka.  

O něco náročnější na elektroniku je druhý typ motoru používaný v elektromobilech: motor reluktanční. I s tím si chytrá a ‘svalnatá’ elektronika snadno poradí.

Je vidět, že už jsme se naučili prohánět elektrony po drátech rovně i ‘cukavě’, jak je libo. A není to zrovna vymoženost poslední doby. Už v dobách předlistopadových se propojovaly energetické soustavy některých zemí přes hranice stejnosměrně, například tehdejší ČSSR s Rakouskem a Západním Německem. Jenže tehdy byly náklady na konverzi tak vysoké, že se používala jen tam, kde nebylo zbytí. Země východního bloku, tzv. RVHP, byly propojeny přímo střídavě do jednotné elektrizační soustavy, což byla asi bezkonkurenčně nejrozlehlejší energetická soustava na světě.

Ekonomika stejnosměrného přenosu

Přestože se cena silnoproudé elektroniky a tím i konvertorů stále snižuje, nejsou náklady na takové zařízení zanedbatelné a je potřeba vážit jeho přínosy oproti ceně. 

Přínosy je možno rozdělit podle použití - účelu.

Propojení nesourodých soustav

Za nesourodé soustavy považujme ty, které z nějakých důvodů není vhodné či dokonce vůbec možné propojit přímo. Může se jednat o sítě s velmi rozdílnými kvalitativními parametry (např. stabilitou kmitočtu) nebo dokonce o sítě s rozdílným jmenovitým kmitočtem. Extrémním případem nesourodosti je, když jedna ze sítí má “klasický” kmitočet 50 Hz a druhá má kmitočet nulový, je tedy sama stejnosměrná. Přínosem propojení je faktické rozšíření sítě, které umožňuje lepší vyrovnávání výkyvů spotřeby a produkce energie než v oddělených menších sítích.

Přenos na velkou vzdálenost

Jednou z nevýhod přenosu energie střídavým proudem je působení tzv. skin-efektu. Střídavý elektrický proud neteče celým průřezem vodiče rovnoměrně, ale je elektromagnetickým polem “vytlačován” k povrchu vodiče. V okolí osy vodiče je intenzita proudu nejnižší, směrem k okraji narůstá. S tím rostou ztráty přenosu a při velkých vzdálenostech lze poměrně snadno spočítat úspory energie oproti ceně konverze.

Nároky na prostředí

Zatímco střídavá vedení se z řady důvodů stavějí jako třífázová, stejnosměrné vedení má jen dva vodiče - plus a mínus. Popřípadě jen jeden a druhý je nahrazen zemí. Střídavá vedení od určité výšky napětí se vedou jedině vzduchem, kabel stejnosměrného vedení se může vést po mořském dně nebo zakopat do země i pro velmi vysoká napětí. 

Požadavky na vlastníky pozemků

Elektrické vedení potřebuje takzvané ochranné pásmo, ve kterém jsou omezeny určité aktivity, jako stavební činnost, pohyb vozidel či jiných pohyblivých strojů, atd. Nejtvrdší omezení představují ochranná pásma nadzemního vedení velmi vysokého napětí (nad 400 kV). Půjde-li o podzemní kabel stejnosměrného napětí o stejné kapacitě, budou omezení podstatně menší. 

Vlastníkům pozemků je potřeba způsobenou újmu kompenzovat, což se promítne do ekonomických kalkulací. 

OZE a stejnosměrný proud

Obnovitelné zdroje, vyznačující se spíše Občasností než Obnovitelností, mají coby přispěvatel do elektrické přenosové sítě řadu vrtochů, které je potřeba řešit. Nejméně vrtošivé jsou ty nejstarší - vodní elektrárny. Ty se svou kompatibilitou s přenosovou sítí blíží těm nejvhodnějším zdrojům, tedy elektrárnám tepelným a jaderným. Proto se jimi v tomto článku nebudeme zvlášť zabývat a soustředíme se na zdroje nejvíce protežované.

Fotovoltaika

Solární panely produkují stejnosměrný proud. Ten je nutné pro připojení do distribuční sítě konvertovat na střídavý, a to tak, aby byly splněny požadavky konkrétního distributora. Čím vyšší instalovaný výkon, tím jsou požadavky přísnější. Kromě toho se mohou požadavky lišit od distributora k distributorovi. Při generování velkého výkonu v době, kdy to může ohrozit stabilitu distribuční sítě, má distributor právo dodávaný výkon omezit či odpojit.

Větrné elektrárny

Nejjednodušší využití je dát do větrníku stejnosměrné dynamo a rovnou jím nabíjet baterku. To není nijak náročné, jen je potřeba ohlídat, aby nabíjecí proud nepřesáhl přípustnou hodnotu. Radost tato mikroelektrárna udělá, ale zázraky nečekejme.

Elektrárny vyšších kategorií již produkují vesměs střídavý proud a jejich připojení do distribuční sítě je možné za splnění požadavků distributora. Vyžaduje pořízení dodatečné techniky.

Malé elektrárny jsou schopny zásobovat elektrickou energií velká zařízení, farmy nebo stavení. Staví se v místech častého výskytu větru. K natáčení systému do směru větru slouží boční pomocné rotory. Většinou asynchronní generátor dává střídavé napětí 230 V, případně 400 V, s výkonem do 15 kW. Ani tyto elektrárny nedodávají energii do sítě. Dražší provedení malé větrné elektrárny však už bývá vybaveno synchronním generátorem, čímž se zvýší její účinnost.

Velké elektrárny slouží pro napájení celých vesnic a městských aglomerací. Výstupní napětí je v řádu kV s výkonem až několik jednotek MW na jednu věž. Dodávají střídavé napětí 660 V a vyšší, a tudíž nemohou pracovat jako autonomní zdroje do rozvodné sítě. Většina těchto elektráren má konstantní otáčky regulované natáčením listů a proměnným převodovým poměrem převodovky. Regulace výkonu využívající natáčení celého listu rotoru podle okamžité rychlosti větru tak, aby celkový náběh větrného proudu byl v daném okamžiku optimální, se nazývá regulace aktivní. Výhodou je vyšší účinnost i při nižších rychlostech větru. Nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady. Velké větrné elektrárny dodávají energii vždy do rozvodné sítě. 

Úložiště energie

V souvislosti s podporou OZE se stále častěji mluví o energetických úložištích. Ta mají vyrovnat nepravidelnou dodávku těchto zdrojů. Chytré hlavy vymýšlejí efektivní způsoby, jak čerpat energii do úložišť a dotace na konta, využívajíce různých fyzikálních principů. V našich podmínkách dávají největší smysl přečerpávací vodní elektrárny. Protože však se v článku jedná o válku proudů elektrických, nikoli vodních, budeme se věnovat úložištím elektrickým. 

V současné době se jedná hlavně o skladování elektrické energie přeměnou na energii chemickou v akumulátorech, v budoucnosti možná přijde ke slovu ukládání elektrické energie přímo do super-hyper-ultra-kondenzátorů s gigantickými kapacitami. 

Akumulátorová úložiště

Ta vyžadují určitou silovou elektroniku jak na straně přispívajících zdrojů, tak i na straně výdajové. Pro využití v domácnostech by se uplatnila silová elektronika při konverzi na parametry distribuční sítě nebo přímo na “domácích” 220V, 50Hz. 

Ale stejnosměrný proud lze konvertovat na napětí požadované velikosti. Zajímavá by byla taková úložiště ve městech pro podporu tramvajové či trolejbusové trakce. Obě trakce jsou stejnosměrné, mají obvykle i stejné napětí - 600V. Rozdíl je v tom, že zatímco tramvajová trakce je zemněná, trolejbusová je od země izolovaná. Pro ilustraci: jestliže se všetečný člověk dotkne vodivou tyčí trolejbusového vedení, nejspíš mu to nic neudělá. Pokud se rozhodne pokus opakovat s tramvajovým vedením, tak mu to důrazně rozmluvte, a když vás neposlechne, rychle od něj utečte.

Závěr

Je zřejmé, že nějakou dobu budou žít odkazy dvou velikánů, Tesly i Edisona, ruku v ruce. Střídavý i stejnosměrný proud bude mít v energetice i nadále své uplatnění. 

Potichu dodám, že tomu stejnosměrnému fandím o trochu více.