Výroba elektrické energie

Ben Franklin začal zkoumat elektřinu pomocí kovového klíče připevněného k drakovi během bouřky – což podle dnešních zdravotních a bezpečnostních norem není bezpečná činnost.  

Domníval se, že bouřkové mraky obsahují statickou elektřinu a blesky jsou výboji statické elektřiny. Do klíče udeřil blesk a elektrizoval ho, což dokazovalo, že blesk a elektřina jsou výsledkem stejného jevu. Uvažoval správně, že blesk je výsledkem pohybu elektronů z mraků na zem, ale chyběly mu vědecké pojmy, které by tuto myšlenku plně vyjádřily.  

Jeho odkaz měl následovníky a v 19. století došlo k rychlému pokroku v elektrotechnice a technologii výroby elektrické energie.  

Průkopníci elektřiny jako Alexander Graham Bell, Nicolas Tesla, Werner von Siemens a mnozí další pomohli přeměnit elektřinu z vědecké kuriozity v nezbytnou součást života. Někteří z těchto průkopníků při tom vytvořili průmyslová impéria. Patří mezi ně Thomas Edison a George Westinghouse. Edison a Westinghouse byli také hlavními aktéry jedné z nejzajímavějších epizod v dějinách techniky: války proudů. Ale k tomu se ještě vrátíme. 

Elektřina je forma energie a spočívá v toku elektronů ve vodivém materiálu.  

Elektrony jsou záporně nabité částice, které obklopují atom. Jádro atomu obsahuje kladně nabité částice zvané protony a částice bez náboje zvané neutrony. Za normálních okolností může mít atom pouze tolik elektronů, kolik má protonů. Když tedy proud elektřiny vrazí elektron do jiného atomu, má přijímající atom o jeden elektron více. Další elektron je pak odražen do dalšího atomu. Takto elektřina proudí. 

Jak se elektřina vyrábí? 

Elektřina se vyrábí ve přístrojích, které jsou navrženy tak, aby uváděly tok elektronů do pohybu a udržovaly jej. To se obvykle děje právě pomocí elektrických generátorů. Existují i jiné způsoby výroby elektřiny. Jsou to například solární panely a baterie.  

Generátor vyžaduje otáčivý pohyb, který obvykle zajišťuje nějaký druh turbíny nebo motoru. Otáčivý pohyb je přenášen na rotor generátoru. Uvnitř generátoru vytváří rotor magnetické pole. Když se rotor otáčí, otáčí se i magnetické pole. Rotující magnetické pole budí elektrony v měděných vodičích, které se nacházejí ve statické části generátoru, a tím vzniká tok elektřiny. Můžete si to představit tak, že magnetické pole šťouchá elektrony ve statoru, dokud se nezačnou pohybovat. Tok elektřiny je veden měděnými vodiči z generátoru do elektrických vodičů a z elektrárny ven.

Pojďme si tuto otázku odpovědět pozpátku.  

Když doma cvaknete vypínačem, světlo se rozsvítí. Děláme to spoustakrát denně, aniž bychom přemýšleli o tom, co se přesně děje, nebo o tom, jaké elektrické zařízení to umožňuje.  

Vraťme se na chvíli k toku elektřiny. Elektřina vstupuje do vašeho domu elektrickým rozvaděčem přes servisní vstup. Servisní vstup je připojen ke kabelům nízkého napětí na nadzemním elektrickém vedení, které se připojuje k transformátoru umístěnému na sloupu. Sloupové transformátory jsou připojeny k nadzemnímu vedení středního napětí a k tzv. distribuční síti, která spojuje místní uživatele elektřiny v určité oblasti.  

Přepravní síť je připojena k rozvodné síti prostřednictvím rozvodny. Přepravní síť se skládá z vedení vysokého a velmi vysokého napětí, která jsou určena k přenosu velkého množství elektřiny na velké vzdálenosti. Tato vedení vedou do elektráren, kde se vyrábí elektřina.  

Představte si elektrický proud jako vodu protékající potrubím. Na začátku potrubí, možná stovky mil daleko, je tlak vody extrémně vysoký. Jakmile se voda dostane do sousedství a k obydlím, tlak je zmírněn. Proto jsou na každém kroku vedení rozvodny a transformátory, které snižují napětí elektřiny.

Co je to obnovitelná elektřina?

Obnovitelná elektřina je jednoduše elektřina vyrobená pomocí obnovitelných zdrojů energie. Solární, větrná a vodní energie jsou tři nejoblíbenější způsoby výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů.  

Poptávka po elektřině z obnovitelných zdrojů roste ze dvou hlavních důvodů. Prvním z nich je cenová dostupnost. Solární panely a větrné turbíny se v průběhu let zdokonalily a zlevnily. Druhým důvodem jsou obavy o životní prostředí. Tolerance emisí spojených s elektrárnami na fosilní paliva se rychle snižuje. To podporuje trend nahrazování elektráren na fosilní paliva obnovitelnými zdroji energie.  

Co je to střídavý a stejnosměrný proud? 

Střídavý proud (AC) a stejnosměrný proud (DC) jsou dva různé způsoby, kterými může v obvodu protékat elektrický proud.  

Stejnosměrný proud proudí konstantní rychlostí a vždy stejným směrem. Střídavý proud proudí proměnlivou rychlostí a směr jeho proudění se často mění.  

Když řekneme, že naše dodávky elektřiny v Severní Americe mají 60 Hz, znamená to, že směr proudění střídavého proudu se změní 60krát za sekundu. Představte si střídavý proud jako klikovou hřídel v rychlém závodním autě. Má několik válců, které tlačí na klikovou hřídel, aby se vůz pohyboval, ale válce na klikovou hřídel netlačí současně. Společně pohánějí vůz a tento pohyb působí jako neustálý pohyb.  

Nyní si představte stejnosměrný proud jako ruční vrtačku. Vrtačka přináší neustálý pohyb, neustálý výkon pro nějakou práci.  

V dobách počátku elektrifikace byly stejnosměrný i střídavý proud považovány za platné způsoby výroby, přepravy, distribuce a spotřeby elektřiny. Tím se dostáváme zpět k Edisonovi a Westinghousovi.  

Edison si představoval elektrickou soustavu založenou na stejnosměrném proudu. Společnost Westinghouse podporovala vývoj soustavy střídavého proudu. Problémem pro ně bylo, že soustavy střídavého a stejnosměrného proudu se vzájemně vylučují, takže jeden musel zvítězit a druhý musel prohrát. To vyústilo v tvrdou rivalitu, která se zapsala do historie.  

Střídavý proud se nakonec stal dominantním typem elektřiny, protože jej bylo mnohem snazší efektivně přepravovat a distribuovat z elektráren do rozvoden, domácností a podniků.  

Fragmenty Edisonova stejnosměrného elektrického systému zůstaly v New Yorku i v 20. století a sloužily například starým budovám, které měly výtahy na stejnosměrný proud, nebo soustavě metra, jehož vlaky jezdily také na stejnosměrný proud. Poslední zákazník se stejnosměrným proudem na Manhattanu, budova na 40. ulici, byl odpojen až v roce 2007.  

Je zajímavé, že v některých použitích se stejnosměrné přenosové vedení vrací. Jsou například běžnou volbou pro podmořské kabely, které přenášejí elektřinu vyrobenou větrnými elektrárnami na moři zpět na pevninu. Stejnosměrné vedení může být připojeno do střídavé sítě díky tomu, že máme dnes elektroniku pro energetiku, která dokáže převádět elektřinu mezi stejnosměrným a střídavým proudem s minimálními ztrátami – elektronika pro energetiku ještě nebyla v 19. století vynalezena, takže Edison a Westinghouse tuto možnost neměli.

Zajímavé je, že vzestup obnovitelné energie ze solárních a větrných zdrojů vede k opětovnému nárůstu zájmu o stejnosměrnou elektřinu. Má to několik důvodů.

Prvním důvodem je, že stejnosměrný proud bývá vhodnou volbou pro podmořské kabely, které přenášejí elektřinu vyrobenou větrnými elektrárnami na moři zpět na pevninu. Tato stejnosměrná spojení se někdy označují jako vedení HVDC (stejnosměrné vedení vysokého napětí).  

Dalším důvodem je skutečnost, že fotovoltaické panely mohou vyrábět pouze stejnosměrnou elektřinu.

Třetí důvod je důsledkem zvýšeného používání bateriových systémů pro ukládání energie, které jsou často budovány společně s fotovoltaickými panely, aby se zmírnila jejich kolísavost, a stejně jako fotovoltaické panely mohou vyrábět pouze stejnosměrnou elektřinu. Všechny tyto stejnosměrné prvky jsou připojeny k širší elektrické síti se střídavým proudem pomocí elektroniky pro energetiku, která dokáže převádět elektřinu mezi stejnosměrným a střídavým proudem s minimálními ztrátami.

Elektronika pro energetiku nebyla v 19. století ještě vynalezena a bohužel pro Edisona a Westinghouse nebyla tato možnost k dispozici, aby se díky ní mohli smířit.