Energetika

Energetika se zabývá hospodařením s energií, především úspornými přeměnami energií, jejich přenosem s co nejmenšími ztrátami, popř. i vytvářením zásob energie. První elektrárna na světě byla vodní, postavená v roce 1881 firmou Pulman na řece Way v anglickém Godalmingu. Přetlaková turbína poháněla přímo dynamo, dodávající stejnosměrný proud. Část vyrobené elektrické energie využívalo i město k osvětlení ulic. Elektrárna fungovala pouhé tři roky, díky vysokým nákladům a nehospodárnosti.

Elektrárna kolem roku 1904.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.

Brzy se objevila myšlenka přenášet elektrickou energii na velkou vzdálenost. Tuto myšlenku naznačil Werner Siemens v dopisu svému bratrovi v prosinci 1866. Stejnou myšlenku napsal do své diplomové práce Galileo Ferraris, kterou předložil v září 1869. Na realizaci si svět pár let počkal. V roce 1880 Marcel Deprez na přednášce pařížského Spolku civilních inženýrů francouzských dokázal svou myšlenku, že se elektrická energie může přenášet na libovolnou vzdálenost obyčejným vedením, jestliže je napětí dost velké. Jeho myšlenky byly zamítnuty. Mezitím v roce 1882 v Americe zřídil Thomas Alva Edison první městskou elektrárnu na výrobu stejnosměrného proudu pro osvětlení New Yorku. První elektrárny vyrábějící stejnosměrný proud v Čechách i ve světě sloužily k napájení osvětlení – obloukovek i žárovek. Po čase se začaly uplatňovat i v dopravě.

Skutečné vedení stejnosměrného proudu postavil v letech 1882 a 1883 Marcel Deprez. Na žádost Oskara Millera přenášel elektrický proud o napětí 2000 V z Miesbachu do Mnichova (57 km), kde osvětloval elektrotechnickou výstavu. Proud se vedl po telegrafních drátech. První pokusy byly provedeny v noci a zdařily se. Jejich radost byla předčasná, jejich úspěch byl odbornou veřejností přijat velmi chladně až skepticky. Ztráty jeho vedení přesahovaly 50 %. Jeho pokusy ukázaly možnost převádění elektrické energie, která brzy vytěsnila stlačený vzduch, vodu a lanové převody v té době používané k přenosu energie. Ztráty při přenosu stejnosměrného proudu byly i tak menší.

Při přenosu elektrické energie dochází ke ztrátám díky Jouleovu teplu, které závisí na druhé mocnině proudu. Výkon přenášený ve vedení se skládá ze součinu P = UI. Názorně si celou situaci představíme na příkladu, kdy potřebujeme přenést výkon 500 W. Při napětí 100 V, bude vedením procházet proud 5 A, vznikne Jouleovo teplo – ztráta 2500 J. Budeme–li přenášet 100 000 V, bude vedením procházet proud jen 0,005 A, a vznikne Jouleovo teplo 2,5 J. Při tisícinásobném napětí jsou ztráty tisíckrát menší. Je tedy daleko lepší vysoké napětí. Výroba stejnosměrného proudu o vysokém napětí je technicky náročná. Naopak napětí střídavého proudu můžeme snadno měnit v transformátoru. Můžeme tedy přenášet vysoké napětí při nízkém proudu a vhodné tloušťce vodiče.

Spor mezi střídavým a stejnosměrným proudem propukl mezi dvěma významnými továrníky a vynálezci – Thomasem Alva Edisonem (stejnosměrný proud), Georgem Westinghousem a Nikolou Teslou (střídavý proud). Ve sporu mezi Westinghousem a Edisonem šlo o velké peníze. Každý z nich se snažil dostat zákazníky na svou stranu. Edison zkoušel různé reklamní triky. Mimo jiné vyzval Westinghouse na souboj, ve kterém by se ukázalo, který z proudů je nebezpečnější. Edison by nechal svým tělem procházet stejnosměrný proud a Westinghouse střídavý. Kdo nevydrží vyšší napětí a vykřikne „dost“, ten prohrál – jeho proud je nebezpečnější. Dalším reklamním trikem Edisona byl návrh zákona z roku 1887. Navrhl, aby se popravy zločinců ve státě New York prováděly střídavým proudem o vysokém napětí, na „elektrickém křesle“. Edison doufal, že lidé pak budou podvědomě spojovat střídavý proud se smrtí. Žádná reklama nemohla změnit to, že rozvod střídavého proudu byl lepší a že stejnosměrný proud se mohl rozvádět jen na kratičké vzdálenosti.

František Křižík. 
Zdroj: GUTWIRTH, V. Příklad Františka Křižíka. Praha: Nakladatelství Fr. Borový, 1941.

V Evropě byl zastáncem stejnosměrného proudu Werner Siemens a František Křižík, zastáncem střídavého proudu Emil Kolben, firma AEG a její šéfinženýr Michail Doliwo–Dobrowolski, který společně s Oskarem von Millerem navrhl první třífázovou přenosovou soustavu z Lauftenu do Frankfurtu nad Mohanem (175 km), která byla uvedená do provozu 25. srpna 1891. V roce 1893 v Chicagu úspěšně provozovali dvojfázovou soustavu Tesla s Westinghousem. Jejich úspěch jim zaručil rozhodující zakázku na stavbu tehdy největší elektrárny světa na Niagarských vodopádech.

V současné době se elektrický výkon získává v elektrárnách tepelných, vodních, jaderných (např. Dukovany o výkonu 2040 MW, Temelín o výkonu při plném provozu 2 x 981 MW), slunečních a větrných. V různých částech rozvodné sítě je různé napětí. Velmi vysoké napětí (tj. nad 38 kV) tvoří tzv. primární vedení spojující elektrárny. Na toto vedení navazuje sekundární vedení rozvádějící elektrickou energii v jednotlivých částech republiky s tzv. vysokým napětím (300 V do 38 kV). V domácnostech navazuje terciální síť s nízkým napětím (50 V do 300 V). Různá zařízení mohou pracovat i s malým napětím (do 50 V). Všechna tato napětí se měří mezi vodičem a zemí. Z toho důvodu patří sdružené napětí 400 V mezi nízká napětí, protože mezi vodičem a zemí je pouze fázové napětí 230 V. V průběhu dne je rozvodná síť nerovnoměrně zatížena. Největší výkon se odebírá v ranních a večerních hodinách, v tzv. energetické špičce, kdežto v noci je odběr menší. Proto se do výroby zapojují v různou denní dobu různé druhy elektráren. Tepelné a jaderné elektrárny pracují stále. Jejich odstavení a znovu zpuštění je velmi nákladné. Pokud je v rozvodné síti přebytek energie, pak se uskladňuje v elektrárně přečerpávací. Rychlý náběh mají elektrárny vodní a větrné, které se využívají v období energetických špiček. V závislosti na ročním období pracují elektrárny sluneční. V jiných zemích pracují ještě elektrárny geotermální. Rozhodující význam pro energetiku mají elektrárny tepelné, jaderné a vodní.

Jednotlivé zdroje elektrické energie můžeme rozlišit tzv. výkonovou hustotou (jednotka kWh/m²). Následující tabulka ukazuje, že z tohoto hlediska (a tím i z hlediska ekonomického) jsou na tom obnovitelné zdroje velmi špatně.

Spotřeba elektrické energie se mění v průběhu jednoho dne i celého týdne, odběry energie se liší i v různých ročních obdobích. Největší je v zimním období, nejmenší v letních měsících. V roce 2012 bylo minimální zatížení 12. srpna, kdy spotřeba elektrické energie byla v rozmezí 4 až 6 tisíc MW. Naopak maximální zatížení bylo 7. února a spotřeba se pohybovala v rozmezí 9 až 11 tisíc MW.