Dolivo - Dobrovolskij a počátky přenosu elektrické energie

Před sto lety zemřel dnes již málo známý ruský fyzik, elektrotechnik a vynálezce M. O. Dolivo-Dobrovolskij. Jako jeden z prvních fyziků a techniků teoreticky i prakticky odhalil možnosti využití trojfázového střídavého proudu.

Dnes bereme výrobu elektrické energie, její přenos na velké vzdálenosti a rozvod k jednotlivým spotřebitelům jako samozřejmost, cesta k této technické vymoženosti však byla dlouhá a klikatá. Ve druhé polovině 19. století již existoval dostatek teoretických i empirických poznatků o elektromagnetických jevech, takže se dalo reálně uvažovat o jejich praktickém využití v průmyslové výrobě i v běžném každodenním životě lidí - k pohonu různých strojů, dopravních prostředků a osvětlování. Až do 90. let 19. století se používaly výhradně stejnosměrné elektrické stroje a stejnosměrný rozvod elektrické energie. Teprve poté se začínají uplatňovat střídavé elektromotory a generátory, a přenos elektrické energie se provádí střídavými dvoufázovými a později trojfázovými soustavami. Všechny tyto úkoly začíná plnit nově se rodící elektrotechnický a energetický průmysl.

Stejnosměrný proud

Stejnosměrný proud sice postačoval pro Křižíkovy obloukovky, Edisonovy žárovky nebo provoz výtahů, ale jeho přenos na dálku provázely obrovské ztráty. Proto si tehdejší provozovatelé prvních elektrických „spotřebičů“ vozili své energetické zdroje s sebou, jak o tom svědčí například naše slavná zemská Jubilejní průmyslová výstava v Praze roku 1891. Její celkové osvětlení (220 obloukovek pro venkovní prostory a 1 400 žárovek pro interiéry a restaurace), včetně osvětlení Křižíkovy fontány a obřího majákového světlometu, bylo napájeno proudem devíti dynam poháněných parní lokomobilou. Současně se však už téhož roku poprvé v Evropě uskutečnil přenos elektrického proudu o vysokém výkonu na velkou vzdálenost.

Točivý proud

V řadě vědců a techniků, kteří posunuli hranice lidského poznání v oblasti elektrických strojů a ekonomickém přenosu elektrické energie, zaujímá významné místo ruský fyzik a elektrotechnik M. O. Dolivo-Dobrovolskij. Ačkoliv v historii silnoproudé elektrotechniky již vstoupil do stínu zapomnění nejen v široké, ale i odborné veřejnosti, odhalil jako jeden z prvních možnosti třífázového střídavého proudu (sám jej pojmenoval jako „točivý proud“) a výraznou měrou se podílel na vybudování teorie moderní vysokonapěťové přenosové třífázové soustavy a na jejím zavádění do praxe. Měl ovšem několik předchůdců i vrstevníků, jejichž poznatků mohl využít - což se také stalo.

Ferrarisův motorek

Poprvé naznačil myšlenku přenášet elektrickou energii na velkou vzdálenost německý elektroinženýr, vynálezce a podnikatel Ernst Werner von Siemens (1816–1892) v dopisu svému bratru Carlovi již v roce 1866. O tři roky později stejnou myšlenku napsal do své diplomové práce budoucí italský profesor fyziky a elektrotechniky Galileo Ferraris (1847–1897). Svoje představy tehdy vyjádřil slovy: „...soustředit energii a rozvádět ji na vzdálenosti několika set a snad i tisíců metrů, aniž by ztráty ve vedení byly neekonomické - to je problém, jehož rozřešení by vedlo k radikálním změnám ve výrobě.“ Byl pravděpodobně také prvním, který realizoval točivé magnetické pole stacionárním budicím systémem. O výsledcích svých výzkumů referoval v roce 1888 na jednání turínské Akademie věd s tím, že princip točivého magnetického pole mu byl znám již v roce 1885. Objevu svého „motoru“ nepřikládal žádný praktický význam; dodnes se však „Ferrarisův motorek“ používá jako pohon počítadla elektroměru.

Nízká účinnost přenosu

Francouzský elektrotechnik Marcel Deprez (1843–1918) se v roce 1873 na vídeňské světové výstavě úspěšně pokusil přenést elektrickou energii stejnosměrným proudem na vzdálenost asi jednoho kilometru. Použil k tomu stejnosměrného Grammova dynama s prstencovým vinutím (sestrojeného v roce 1873 belgickým fyzikem T. Grammem), poháněného parním strojem, a elektromotoru, který poháněl čerpadlo. Se svým návrhem přenosu energie elektrickou cestou vystoupil v roce 1880 na schůzi Spolku francouzských civilních inženýrů, ale nesetkal se s velkým ohlasem. Jediný, kdo ocenil Deprezovy pokusy, byl tehdejší vůdčí duch německé elektrotechniky, majitel inženýrské kanceláře, která od roku 1890 pracovala v Mnichově na projektech využití elektrické energie, zakladatel mnichovského technického muzea (1903), konstruktér a vynálezce, původně stavební inženýr Oskar von Miller (1855–1934). Díky jeho pozvání, uskutečnil Deprez v roce 1882 na technické výstavě v Mnichově přenos výkonu asi 2 HP (Horse Power, koňská síla) – opět stejnosměrným proudem o napětí 2 kV na vzdálenost 57 km. Dynamo umístil v uhelném dole v Miesbachu a propojení s motorem na mnichovském výstavišti zajišťoval jednoduchým telegrafním vedením, přičemž ztráty činily okolo 40 %. O rok později svůj pokus zopakoval hned dvakrát: mezi Paříží a Grenoblem a Paříží a Czeil-La-Chapelle. Přenesený výkon byl asi 7 HP, použité napětí 6 kV. Účinnost přenosu byla opět nízká a pokusy – doprovázené mnoha improvizacemi a poruchami – vyzněly nepřesvědčivě. Navíc se setkaly s mnoha odmítavými pokusy tehdejších autorit s poukazem právě na příliš velké ztráty.

Friedrich Engels

Dosti pozoruhodně dalším, kdo projevil zájem o Deprezovy pokusy s dálkovými přenosy elektrické energie, byl německý politický filozof (spoluzakladatel marxismu) a ekonom Friedrich Engels (1820–1895), jeden z „vůdců mezinárodního proletariátu“ (jak jsme se to my starší učili), podle kterého „...tento objev definitivně osvobodil průmysl téměř od všech omezení daných místními poměry, umožňuje využít i nejvzdálenějších zdrojů vodní energie a bude-li z počátku užitečný jen pro města, stane se později mohutnou pákou k odstranění protikladu mezi městem a venkovem… je zcela jasné, že tím vzrostou výrobní síly tak, že je buržoasie nebude již s to déle zvládnout“, mínil Engels.

Nikola Tesla

Jedním z prvních, kdo se zabývali myšlenkou přenosu elektrické energie vícefázovým střídavým proudem, byl geniální elektrotechnik Nikola Tesla (1856–1943), jehož nekonvenční život a pozoruhodné dílo jsou obsahem mnoha odborných a beletristických publikací. Sám Tesla ve své autobiografii uvádí, že k myšlence točivého magnetického pole dospěl již v roce 1882 a o rok později sestrojil první funkční asynchronní motor, který postupně v dalších letech zdokonaloval. V roce 1888 získal patent na dvoufázový a trojfázový asynchronní motor a ve třech následujících letech přihlásil sérii dalších významných patentů (většinou postoupených americké firmě Westinghouse), mimo jiné také na přenos elektrické energie vícefázovou soustavou.

Přenos energie v carském Rusku

V tendenčně napsané populárně-naučné literatuře, vydávané v českém překladu v době existence bývalého Sovětského svazu, jsou uváděny pokusy několika vědců o přenos elektrické energie v carském Rusku. Jedním z prvních elektrotechniků, kteří dokázali možnost přenosu elektrické energie na dálku, byl inženýr F. A. Pirockij, který již v letech 1874–1875 postavil v Petrohradě elektrické vedení ze železa v délce jednoho kilometru. V pojednání „Přenos práce vody jako hybné síly na každou vzdálenost s pomocí galvanického proudu“ napsal: „Veliké výdaje, nutné k udržování parních strojů velkých závodů a továren, přivedly nás na myšlenku možností práce vody jako nejlevnější hybné síly na určitou vzdálenost s pomocí galvanického proudu, získaného dynamoelektrickým strojem. Nutno využít levné energie řek, přimět vodní turbíny, aby dávaly sílu generátorům a přenášet tuto energii i na velké vzdálenosti do průmyslových středisek… nejtěžším úkolem je přimět elektřinu, aby překonávala prostor.“ V roce 1880 naznačil další vědec D. A. Lačinov (1842–1902) v ruském časopise „Elektřina“, v údajně nejstarším elektrotechnickém časopise vůbec, pozoruhodnou cestu k vyřešení otázky hospodárného přenosu silného proudu: navrhl použít proudu o vysokém napětí, ale malé intenzitě. Tento způsob byl úspěšně uskutečněn použitím střídavého proudu a transformátorů, které vynalezl I. F. Usagin (1855 -1919). Svého transformátoru použil v létě roku 1882 k osvětlování Všeruské průmyslové a umělecké výstavy v Moskvě. Kromě všech již uvedených fyziků a techniků významně přispěl k rozvoji silnoproudé elektrotechniky hlavní protagonista našeho vyprávění M. O. Dolivo-Dobrovolskij, jehož málo známé jméno si připomínáme v letošním kalendáři historie světové vědy a techniky.

Životopis Dolivo-Dobrovolského

Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolskij se narodil 2. ledna 1862 v Gatčině nedaleko Petrohradu v rodině starého rusko-polského šlechtického rodu, studoval na reálce v Oděse a na technice v Rize. Již od mládí měl problémy se svými politickými názory, takže po atentátu na cara Alexandra III. byl pro podezření ze spojení s revolučními kruhy „jen“ vyloučen (s ohledem na zásluhy příslušníků rodu v carské armádě) ze všech ruských vysokých škol. V devatenácti letech proto emigroval do Německa, kde v letech 1881 až 1887 studoval na Vysoké škole polytechnické v Darmstadtu. Po absolvování studií zde zůstal jako asistent, poté krátkou dobu pracoval u švýcarské firmy Oerlikon a nakonec získal zaměstnání u berlínské „Německé Edisonovy společnosti pro rozvod elektřiny“  – která se v roce 1877 přetransformovala na dodnes známou firmu „Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft“ (AEG AG) - kde se záhy stal jejím šéfkonstruktérem. Věnoval se zde především výzkumu vícefázových systémů a jimi vyvolanými točivými poli. Na základě předchozích objevů G. Ferrarise a N. Tesly, sestrojil v roce 1888 první trojfázový indukční motor s rotorem (tzv. kotvou) nakrátko, a v následujícím roce získal na tento typ stroje patent. Dodnes je to jednoduchý, spolehlivý a výrobně nejlacinější motor s největší účinností.

Frankfurtský experiment

Jako již známý odborník byl Dobrovolskij v roce 1891 pověřen již zmíněným Oskarem von Millerem, tehdy ředitelem Frankfurtské elektrotechnické výstavy, aby celý její areál zásoboval elektrickou energií. Avšak alternátor vodní turbíny (300 HP) byl k dispozici v Lauffenu na řece Neckar ve vzdálenosti 180 km od místa pořádání akce. Kromě toho poskytoval napětí jen 55 V (1 400 A, 4O Hz). Jako zastánce střídavé energetické soustavy - přes odmítavé posudky tehdejších největších autorit T. A. Edisona, W. Siemense i našeho F. Křižíka - sice využil dosažených zkušeností francouzského elektrotechnika Marcela Depreze s přenosem elektrické energie stejnosměrným proudem, avšak celý projekt vybudoval jinak. Napětí alternátoru transformoval na 3 × 8 500 V a výkon (asi 75 kW) přenášel třívodičovou sítí měděnými vodiči o průměru 4 mm na stožárech s dvojitými, olejem plněnými izolátory. Elektrický proud se na výstaviště dostal jen s minimálními ztrátami (účinností asi 75 %). Ve Frankfurtu se napětí transformovalo na 100 V a vedle zajištění osvětlení zde proud poháněl vystavované obráběcí stroje, mlátičky obilí a zejména divácky atraktivní obří čerpadlo, vytlačující vodu na umělou skálu. Tento pokus se poprvé uskutečnil 28. srpna 1891 a byl přijat s velkým světovým ohlasem. Model přenosového systému je dnes k vidění v Technickém muzeu v Mnichově (Deutsches Museum von Meisterwerken der Naturwissenschaft und Technik), které vlastní unikátní sbírky více než 30 tisíc originálů, funkčních modelů a vyobrazení z asi 50 oblastí přírodních věd a techniky. Teprve tento úspěšný „frankfurtský experiment“ M. O. Dobrovolského znamenal zvrat v silnoproudé elektrotechnice, potvrzení jak Deprezových, tak Teslových myšlenek, a definitivně obrátil pozornost ke střídavému proudu a moderní přenosové trojfázové soustavě. Představoval v Německu a záhy v ostatních evropských státech vítězství střídavé koncepce nad stejnosměrnou koncepcí rozvodu elektrické energie. Velký ruský vědec, konstruktér a vynálezce, působící po celý svůj plodný život v Německu, zemřel před sto lety 15. listopadu 1919 v Heidelbergu.

Literatura:

Bolchovitinov, V. a kol.: Vyprávění o ruských vynálezcích a objevitelích. Svět sovětů, Praha 1954.

Heřman, J.: Od jantaru k tranzistoru. PCC Public, Praha 2006.

Mayer, D.: Pohledy do minulosti elektrotechniky. Nakladatelství Kopp, České Budějovice 1999.

Štoll, I.: Dějiny fyziky. Prometheus, Praha 2009.

(tes): Z historie „drátěných cest“. Elektrotechnika v praxi, č. 6/2006.

Tesařík, B.: Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolskij. Elektro, č. 11/2006.

Tesařík, B.: Z historie přenosové trojfázové soustavy. 3pól.cz, 7. 3. 2012.

Tesařík, B.: Osobnosti energetiky. Nákladem Asociace energetických manažerů, Praha 2018.

https://edu.techmania.cz