Století vynálezů v české energetice

Průmyslově založené české země přivítaly koncem 19. století elektřinu s velkým nadšením a začaly ji rychle využívat v osvětlování soukromých i veřejných prostor, v dopravě i ve výrobě. Češi nebyli jen pasívními příjemci překotného rozvoje energetiky, ale sami se na něm aktivně podíleli. Některé vynálezy či postupy se přitom staly vzorem i pro zbytek světa. Příkladem mohou být Kaplanova turbína, která se dnes používá ve vodních elektrárnách na celém světě, vývoj a výroba parních kotlů nebo zavádění hromadného dálkového ovládání (HDO). Mluvíme-li o umu českých rukou a hlav, musíme zdůraznit, že v počátcích rozvoje jaderné energetiky bylo jen 9 zemí na celém světě, které byly schopné ovládnout řetězovou štěpnou reakci a postavit a provozovat vlastní jadernou elektrárnu. Československo bylo jednou z nich!

František Křižík

Slavný český vynálezce a podnikatel František Křižík sice vsadil na nyní méně využívaný stejnosměrný proud, přesto jeho vliv můžeme vysledovat dodnes v napájecích systémech železniční dopravy. Severní síť elektrizovaných tratí v České republice (tedy více než polovina) stále používá stejnosměrnou soustavu 3 kV, podobně jako Belgie, jižní část Francie, Itálie, Španělsko nebo Polsko. Křižíkovy pokusy se stejnosměrnou soustavou s vysokým a následně i velmi vysokým napětím na počátku 20. století totiž byly nejen mezi prvními na světě, ale zároveň přinesly vynikající výsledky a inspirovaly výstavbu v dalších zemích Evropy a v Americe.

Viktor Kaplan

Vodní elektrárny po celém světě využívají vynález Viktora Kaplana – Kaplanovu turbínu. Kaplan byl sice původem Rakušan, většinu svých velkých objevů, včetně této turbíny, však uskutečnil v Brně, jako profesor zdejší Německé vysoké školy technické. Originální typ vrtulové vodní turbíny navrhl a sestrojil již před první světovou válkou. Lopatky vytvořil užší a v menším počtu, aby snížil tření, díky natáčení lopatek oběžného kola navíc zachoval vysokou účinnost i při nižším průtoku. Zatímco tehdy běžné Francisovy turbíny dosahovaly rychlosti kolem 400 otáček za minutu, Kaplanova uměla až dvojnásobek. První byla uvedena do provozu v roce 1919 v přádelně v rakouském Velmu, v českých zemích se poprvé využila v elektrárně v Poděbradech v roce 1921. Dnes je Kaplanova turbína nejpoužívanějším typem ve velkých vodních elektrárnách na řekách s velkým průtokem a (většinou) nízkým spádem. Vůbec největší hltnost, tedy průtok vody za určitých podmínek, mají Kaplanovy turbíny na jihoslovenské vodní elektrárně Gabčíkovo: 636 m³/s, při spádu 12,88 až 24,20 metrů. (Biografie zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/biografie/186-viktor-kaplan-vyroci)

František Pochylý

Necelé století po Kaplanovi rozčeřil hladiny vodních elektráren další vynález brněnské provenience: vícestupňová vírová turbína z dílny Františka Pochylého a jeho týmu z Odboru fluidního inženýrství Viktora Kaplana Energetického ústavu na strojní fakultě VUT v Brně. Na vývoji se podílela i společnost ČEZ a v roce 2016 se vírové turbíny roztočily na malé vodní elektrárně Želina, jako doplněk tamních Francisových turbín. Vírová turbína je ideální pro řeky menších spádů od jednoho do tří metrů, ve srovnání s klasickou Kaplanovou turbínou je konstrukčně jednodušší a náklady na instalaci jsou zhruba poloviční. Tím se stává dostupnější pro investory při výstavbě malých vodních elektráren. (Psali jsme o ní v Třípólu již několikrát: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/1919-virova-turbina-na-zeline, https://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/964-vut-brno-vyvinulo-novou-virovou-turbinu, https://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/986-virova-turbina)

Miroslav Sedláček

Další český zářez do pažby turbínových vynálezů představuje odvalovací turbína Miroslava Sedláčka ze Stavební fakulty ČVUT, určená pro pomalu tekoucí řeky, potoky nebo pro výrobu elektřiny z mořského přílivu a odlivu. (Psali jsme o ní zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/966-zrodila-se-turbina-nazvali-ji-setur)

Topiči elektrárenští

Československo patřilo také k evropským průkopníkům v zavádění vysokých tlaků a teplot páry v parních elektrárnách, vynikalo i ve využívání nových technologií. V elektrárně Poříčí I se již v roce 1925 testovalo práškové topení, kdy se uhlí namele na prach (zrnka menší než 1 mm), čímž se až 100násobně zvětší jeho měrný povrch. Díky tomu se spálí během několika sekund, což zvyšuje výkon. O pět let později spustili v Brně nejmodernější teplárnu v Evropě s práškovými kotli, což přispělo k jejich následnému rozšíření do světa. Respektované know-how si Češi vydobyli i v oblasti automatizace a měření.

Zlatou éru uhelných elektráren v období 60. až 80. let provázel postupný nárůst jednotkových výkonů – nejprve na 100 a následně na 200 MW. Unikátem své doby pak byla první "pětistovka" vybudovaná v Mělníku (a osazená svého druhu první 500MW turbínou) v letech 1976-1980: EMĚ III. Chladicí okruh kombinující oteplenou chladicí vodu z technologických celků EMĚ I a II tak, aby nebylo nutné čerpat další vodu z Labe, byl ve své době ojedinělý v celé Evropě. Kombinace průtočného chlazení s chladicí věží tak vyřešila koexistenci tří rozdílných zdrojů v jedné elektrárně.

Hromadné dálkové ovládání (HDO)

Češi rovněž jako jedni z prvních rozvinuli využívání principu chytrých sítí (smart grids) – a to již více než před půl stoletím! Jde o hromadné dálkové ovládání (HDO), tedy regulaci odběru elektřiny na dálku. Pomocí HDO se vyrovnává spotřeba elektřiny během dne a pro spotřebitele přináší výhodnější ceny energie. Využívá se u domácností, které elektřinou topí nebo ohřívají vodu: výměnou za výhodnější tarif umožňují zákazníci distributorovi, aby na dálku zapínal či vypínal například jejich akumulační kamna nebo bojlery. Vodu je v těchto případech možné předehřát a byt předtopit, takže zákazník nemusí pociťovat žádné nevýhody oproti tomu, kdyby bojler či kamna zapínal sám. Technologie hromadného dálkového ovládání představuje první předzvěst chytrých sítí. Komplexní řídicí a komunikační systém sleduje křivku spotřeby elektřiny a podle výkonu, který jde do sítí z výrobních zdrojů, zapíná nebo naopak vypíná spotřebiče tak, aby křivka byla co nejrovnoměrnější. Tím zajišťuje spolehlivý provoz distribuční soustavy i elektrizační soustavy ČR jako celku, předchází stavům nouze, popřípadě je řeší. Jde zároveň o jeden z nejrychlejších způsobů nastolování rovnováhy v síti – od vyslání impulsu dojde k odpojení nebo zapojení spotřebičů zhruba za minutu. U zdrojů podobně rychle reagují jen vodní elektrárny.

První pokusy s HDO probíhaly v Československu již ve 30. letech minulého století

Pro pražskou síť byl připraven projekt nasazení HDO již v roce 1936. Pokračovalo se na konci 50. let, k prvnímu nasazení vysílače do hladiny 22 kV o výkonu 10 kVA došlo v rámci Západočeských energetických závodů v květnu 1960 v Chebu. Začínalo se s výstavbou vysílačů malých výkonů, na ně navázal vývoj systémů pro vyšší napětí. Dnes mají distribuční společnosti v ČR mimo vysílačů vysokého napětí celkem 26 vysílačů velmi vysokého napětí. Vysílače československé výroby byly stavěny i v zahraničí – v Bulharsku, bývalé NDR a bývalé Jugoslávii. Zařízení používané při HDO bylo tuzemské produkce a díky neustálé inovaci vykazovalo vynikající technické parametry a spolehlivost provozu. Systém tohoto ovládání se nyní využívá i v řadě jiných zemí.

V poslední době se HDO mj. uplatňuje i při dálkovém ovládání výkonu malých elektráren včetně jejich úplného odstavení. To umožňuje při nestabilních dodávkách elektrické energie ze solárních a větrných elektráren zachovat stabilitu distribučních soustav i přenosové soustavy. Prvky chytrých sítí včetně systému pokročilého řízení měřidel (AMM) se do budoucna budou nadále rozšiřovat. Dlouholeté zkušenosti českých energetiků s HDO se proto budou velmi hodit. (O HDO jsme psali zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/fyzika-a-klasicka-energetika/753-take-vas-rozciluje-hdo a zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/fyzika-a-klasicka-energetika/693-pulstoleti-hdo)

Jaderná špička

Světový respekt má Česko i v oblasti jaderné energetiky a výzkumu. První výzkumný reaktor byl spuštěný v ÚJV Řež již v roce 1957, čímž se Československo stalo v pořadí teprve devátou zemí, která zvládla štěpnou reakci. Český jaderný výzkum přitom kráčí s dobou i nadále. Díky dobré pověsti výzkumných pracovníků a konstruktérů ÚJV i dceřiné společnosti Centrum výzkumu Řež (CVŘ), získala Česká Republika možnost projektovat a realizovat montáž unikátních horkých komor  výzkumného reaktoru Jules Horowitz ve Francii. Většině výzkumných reaktorů provozovaných v rámci Evropské unie končí životnost po roce 2020 (reaktory v Řeži budou odstavovány kolem roku 2027) a Jules Horowitz převezme část jejich výzkumů. Výměnou za dodávku horkých komor získala ČR přístup k části jeho výzkumné měřicí kapacity.

Studna energie

Další významnou aktivitu ÚJV, zejména CVŘ, představuje vývoj vlastního malého modulárního vysokoteplotního reaktoru s nízkým výkonem (cca 20 MW), chlazeného tekutými solemi. Jeho design je založen na unikátních znalostech tří generací českých jaderných inženýrů a bohatých výsledcích experimentů s roztavenými solemi. Kombinace dlouhé životnosti, snadného transportu (všechny tři okruhy - primární, sekundární i terciární - lze přepravovat jako oddělené jednotky) a jednoduché konstrukce reaktoru s velkým důrazem na bezpečnost má potenciálně široký rozsah použití. Například pro odsolování a čištění vody, zajištění dodávek energie pro odlehlá místa nebo pro systémy ukládání energie prostřednictvím výroby vodíku. Český koncept s pracovním názvem Energy Well (Studna energie) budí na odborných konferencích oprávněnou pozornost a řada firem projevila zájem o účast na jeho dalším vývoji.

Alice Horáková

Více na www.cez.cz/100let