AC nebo DC?

Téma otevřel Georg Stawowy, technický ředitel (CTO) společnosti Lapp Holding, exkurzem do historie. Připomněl Thomase Edisona, jenž je považován za jednoho z největších vynálezců všech dob. Na konto vynálezce fonografu a elektrické žárovky šlo celkem 1 093 patentů. Dějiny rozvodu elektřiny však začal velkým omylem: geniální vynálezce vsadil na přenos stejnosměrného proudu – a tím na špatného koně. Roku 1882 uvedl Edison do provozu svou první elektrárnu, která zásobovala proudem mimo jiné Wall Street v New Yorku. Elektrárna pracovala se stejnosměrným proudem a Edisonův spolupracovník Nikola Tesla měl pro ni vyvinout dynamo – což také s úspěchem udělal. Ovšem rodilý Chorvat měl ještě jiný nápad: místo stejnosměrným proudem se Tesla zabýval technikou střídavého proudu, kterou začal po hádce s Edisonem dále rozvíjet u jeho konkurenta George Westinghouse. Edison zůstal zarputilý: místo aby rovněž vsadil na očividné výhody střídavého proudu, který umožňuje jednoduchou změnu napětí prostřednictvím transformátorů a tím i přenos proudu vysokým napětím na velké vzdálenosti pomocí slabších, a tedy cenově výhodnějších kabelů, pokoušel se tento renomovaný vynálezce oba své konkurenty diskreditovat. Edison prosadil, aby se právě vynalezené elektrické křeslo provozovalo technikou konkurence. „Střídavý proud je mrtev,“ mělo vyznít poselství této akce. Převrat se zdařil, přesto však Edisonovi radost nevydržela dlouho. Světová výstava v Chicagu roku 1893 byla celá osvícená střídavým proudem a uvedla ho na vítěznou cestu do 20. století. Thomas Edison později přiznal svému synovi: „Myslím, že největší chybou mého života bylo, že jsem se nepřeorientoval na střídavý proud.“

Dnes, 86 let po Edisonově smrti, se začíná ukazovat, že velký vynálezce svou podporou stejnosměrného proudu možná neměl tak úplnou nepravdu, jak se dlouho myslelo. Edison by mohl být rehabilitován, protože stejnosměrný proud znovu získává na atraktivitě díky aktuálnímu vývoji, a to hned na několika frontách.

Výroba energie

Většina elektrické energie se dnes vyrábí v podobě střídavého proudu v generátorech velkých uhelných a jaderných elektráren, případně ve vodních turbínách. Z nich se rozvádí energie sítěmi střídavého napětí. Pomocí transformátorů lze napětí zvýšit na hodnoty kolem 100 000 voltů, které udržují proud v kabelech na nízkých hodnotách a tím snižují náklady. Přibývá však dodavatelů do sítě, kteří energii získávají jako stejnosměrný proud. Typickým příkladem jsou fotovoltaické soustavy, které stále častěji podporují baterie nebo chemické akumulátory. Přeměna stejnosměrného proudu na střídavý s sebou ovšem přináší ztráty – stejnosměrná síť by byla pro tyto producenty výhodnější volbou.

Rozvod energie

Rozvodné síti dlouho dominovaly velké elektrárny, které rozdělovaly energii hvězdicovitě do okolních regionů. S vítězným tažením obnovitelných zdrojů energie se rozvodná síť decentralizuje, zmenšuje a proud se často spotřebovává tam, kde se vyrobí. Přitom se nemohou projevit přednosti střídavého proudu. Ale ani na velké vzdálenosti není střídavý proud ideální, neboť zde výrazně narůstají přenosové ztráty. Z tohoto důvodu staví třeba Čína nákladné vysokonapěťové sítě pro přenos stejnosměrného proudu (anglická zkratka HVDC – high-voltage direct current, německy v podobném významu HGÜ – Hochspannungs-Gleichstromübertrgung), které přivedou velké množství energie z vodních elektráren ve vnitrozemí do aglomerací na pobřeží. Také v Německu plánuje spolková vláda dvě takové trasy, které mají vést přebytečnou energii z větrných elektráren na pobřeží na jih. Přenosové soustavy HVDC – ačkoli je jejich výstavba asi dvakrát dražší – se vyplatí díky sníženým přenosovým ztrátám energie od délky zhruba 400 kilometrů, u podmořských kabelů napojujících například příbřežní větrné elektrárny už od 60 kilometrů. Soustavy HVDC jsou v současnosti již velmi spolehlivé. Především díky pokroku v oblasti výkonové elektroniky je dnes možné měnit stejnosměrné napětí až do 800 000 voltů – zcela bez transformátorů.

Spotřeba energie

V domácnostech nebo v továrnách se proud rozvádí nízkonapěťovými sítěmi, buď přes uzemněné zásuvky, nebo přes přípojky na třífázový proud. Přitom stále více elektrických přístrojů potřebuje stejnosměrný proud: počítače a další elektronické přístroje nebo LED svítidla pracují se stejnosměrným proudem, a proto potřebují napájecí obvod ke změně proudu. V příštích letech k tomu přibydou ještě elektromobily. U pohonných jednotek v průmyslu se pro regulaci otáček stále častěji používají měniče kmitočtu se stejnosměrným meziobvodem. U stejnosměrných sítí s centrální přeměnou napětí by odpadla potřeba značného množství měničů. V automobilovém průmyslu už existují pilotní projekty na zásobování celých výrobních jednotek pouze stejnosměrným proudem, které zahrnují rovněž baterie pro krátkodobou akumulaci energie.

Nejpřesvědčivějším argumentem pro změnu je hodnota dosažené účinnosti. Jestliže uhelné a jaderné elektrárny napájejí střídavým proudem sítě a vysavače a žárovky ho také přímo zhodnocují, dosahovaná účinnost u odběratele proudu je zhruba 65 procent. Jinak řečeno: asi jedna třetina elektrické energie přichází vniveč, například tepelnými ztrátami. Dnes se situace očividně přiostřuje, protože fotovoltaická zařízení a elektrárny a rostoucí objem instalovaných solárních akumulátorů dodávají do sítě stále více proudu, který se musí nejprve měnit ze stejnosměrného na střídavý. Při tom vznikají další ztráty. Stejně tak je tomu na straně spotřebitele. Tím celková účinnost energetických sítí v Německu poklesla na odhadovaných 56 procent – musíme tedy zásadně změnit myšlení.

Alternativou je využití stejnosměrného proudu při přenosu na velké vzdálenosti pomocí vysokonapěťového přenosu stejnosměrného proudu (HVDC) a také nízkonapěťových sítí se stejnosměrným proudem v domácnostech a v průmyslu, na které by bylo možné přímo – bez napájecího obvodu nebo měniče – připojit například notebook nebo nějakou průmyslovou pohonnou jednotku. S fotovoltaickou sestavou na střeše a elektromobilem v garáži by byla efektivita nepřekonatelná. Energetická síť, důsledně založená na stejnosměrném proudu, by dosahovala stupně účinnosti 90 procent. Při zvýšení stupně účinnosti o deset procent by se mohly utlumit dva největší hnědouhelné revíry v Německu, což by ušetřilo 63 milionů tun CO2 – 12 procent imisí německých elektráren –, u oxidů dusíku by to bylo dokonce 29 procent.

Zatímco přenos stejnosměrného proudu v oblasti vysokého napětí se osvědčil a etabloval, na straně nízkého napětí čeká na vyřešení ještě několik technických a ekonomických otázek. Vystřídají sítě stejnosměrného proudu frontálním útokem střídavý proud? Budou existovat obě technologie paralelně? A jak bude vypadat jejich soužití? Jaké technické a ekonomické překážky bude nutné překonat? Jaká bezpečnostní opatření jsou pro zacházení se stejnosměrným proudem nutná a smysluplná? Jaké změny by byly při přechodu na stejnosměrný proud nezbytné nejen v samotných sítích, ale také u spotřebičů včetně jejich komponent? Výhody přechodu jsou dnes již tak očividné, že sotva kdo zapochybuje o tom, že změna paradigmatu přijde.

Na úvodní přednášku navázal profesor Frank Berger, vedoucí oboru elektrických přístrojů a zařízení na technické univerzitě Ilmenau, a zaměřil se na fyzikální a technické aspekty zavedení stejnoměrné sítě. Tým jeho katedry se zabývá převážně výzkumem v oblasti spínacích přístrojů pro elektroinstalaci a izolačních hmot, který by zodpověděl některé otázky vyvstávající v souvislosti s aplikacemi ve stejnosměrných sítích.

To se týká například vypínačů. Pokud doma vypneme vypínač, světlo zhasne. To funguje spolehlivě, jelikož elektrický oblouk mezi rozpojenými kontakty vždy zhasne díky skutečnosti, že u střídavého proudu během jedné 50Hz periody projde hodnota napětí dvakrát nulou. Ne tak ovšem u stejnosměrného proudu – zde po vypnutí vypínače pochází proud nadále, neboť tu není žádný průchod nulou, který by zhasl hořící oblouk. Jsou zde tedy nutná technická opatření, která vynutí zhasnutí oblouku – jinak dojde ke zničení vypínače a zahoření. Proto vědci z Ilmenau pracují na nových konceptech vypínačů pro stejnosměrné nízko- i vysokonapěťové sítě. Jelikož následnou součástí programu tiskové konference byla exkurze do univerzitních laboratoří, mohli jsme se s některými – pro někoho možná nečekanými – vlastnostmi stejnosměrného proudu seznámit v praktických ukázkách.

U vysokonapěťových kabelů je elektrické pole u stejnosměrného napájení diametrálně odlišné než u střídavého. Proto jsou izolace pro vysokonapěťové stejnosměrné kabely výrazně dražší, ale vyplatí se díky nízkým ztrátám energie při přenosu na dlouhé vzdálenosti.

A jak to vypadá v oblasti nízkého napětí? Zde dosud není k dispozici žádné vědecké vyjádření a praktických zkušeností je málo. Bergerův tým proto prováděl ve spolupráci se skupinou Lapp na TU Ilmenau experimenty s kabelem Ölflex Classic 110, jenž je pro stejnosměrný proud principiálně vhodný, a podrobil jej laboratorním testům na speciálním zařízení.

Výrobci kabelů se přirozeně zajímají, zda jejich kabely pro střídavé sítě budou použitelné i v sítích stejnosměrných. V principu to možné je, je tu však jedno velké ale: první laboratorní zkoušky ukazují, že tentýž kabel je v případě stejnosměrného proudu namáhán jinak než u proudu střídavého. Příčinou je závislost elektrické pevnosti (odolnost izolantu vůči průrazu) na teplotě. Ta se při vysokých teplotách při zatížení stejnosměrným proudem znatelně snižuje.

Guido Ege, produktový manažer a vedoucí vývoje ve společnosti Lapp potvrdil, že společnost ve stejnosměrných sítích vidí s ohledem na dosažitelné úspory energie značný potenciál. V Německu je 48 % vyrobené energie spotřebováno průmyslem, z toho 70 % připadá na pohony. Místo obvyklých usměrňovačů pro stejnosměrné meziobvody, které obvykle pracují s napětím 350–400 V, by tak pohony mohly být napájeny přímo ze stejnosměrné sítě s napětím 380 V. Tím by odpadly ztráty z individuálních usměrňovačů, bylo by dosaženo větší stability energetické sítě, uspořily by se zmíněné komponenty i příslušné místo, zjednodušilo by se využití decentralizovaných zdrojů (např. fotovoltaických) a byla by možná rekuperace energie z brzdění a nabíjení baterií. Zatím však pro stejnosměrné sítě nejsou k dispozici všechny potřebné normy, ale německá elektrotechnická asociace (Verband der Elektrotechnik) již na jejich zavedení pracuje.

Další otázkou jsou vhodné kabely. Skupina Lapp může nabídnout například produktovou řadu Ölflex Solar pro fotovoltaická zařízení nebo Helix pro elektromobilitu. Novinkou je kabel Ölflex DC 130H, jenž je základem programu kabelů pro stejnosměrné sítě do napětí 600 V.

Posledním přednášejícím byl Tilo Püschel ze společnosti Bachmann, jenž představil koncept kancelářské budovy se stejnosměrnou sítí a využití stejnosměrné sítě v datacentrech.

Skupina Lapp je přidruženým partnerem v projektu DC-Industrie, jehož se účastní významní němečtí výrobci a výzkumné organizace. Projekt je podporován v 6. programu energetického výzkumu Spolkového ministerstva pro ekonomiku a energetiku a zabývá se otázkou, jak formou centrální změny etablovat sítě stejnosměrného napětí jako energeticky úspornou alternativu zejména u pohonných jednotek ve výrobě a jak lépe začlenit obnovitelné energie. Jak uvedl Georg Stawowy, možný vliv na kabely v nízkonapěťových sítích není ještě dostatečně prozkoumán, přičemž skupina Lapp v této oblasti vkládá do projektu své široké know-how.

Pavel Marek, Ilmenau

pavel.marek@mmspektrum.co