VÍTĚZSTVÍ STŘÍDAVÉHO PROUDU

Budování elektráren vedlo brzy k využívání elektřiny i mimo osvětlovací účely. Vedle dopravy (tramvaje a elektrické lokomotivy) měly možnost kupovat elektrickou energii i průmyslové závody. Podniky tak mohly využívat elektřinu, aniž by musely investovat velké peníze do nákladných zařízení na její výrobu. Tato spolupráce byla výhodná i pro elektrárny, protože, jak jsme se již zmínili, se jim vyrovnal odběr mezi dnem a nocí a odpadlo tak jejich nestejnoměrné zatížení. Přitom jim celodenní odběr zvyšoval samozřejmě i zisk. Zavedením elektřiny do průmyslu stoupalo zatížení elektráren a současně se začaly objevovat potíže spojené s vlastnostmi stejnosměrného proudu. Tento proud bylo totiž nutno rozvádět v takovém napětí, v jakém jej vyžadoval spotřebič. Toto napětí bylo většinou nízké, a rozvod elektrické energie byl tudíž na větší vzdálenost nehospodárný. Docházelo bud k velkým ztrátám kvůli odporu vodičů, nebo bylo naopak pro rozvod zapotřebí velkých průřezů vodičů - to vedlo k vysoké spotřebě poměrně drahých kovů. Problém byl vyřešen ve druhé polovině osmdesátých let minulého století objevením vlastností střídavého proudu, který dovoluje transformaci napětí. Pak bylo možno pro přenos elektrické energie využít vysokého napětí a v místě potřeby napětí transformovat na požadovanou hodnotu. Další význam pro využití elektrické energie měl objev principu točivého magnetického pole, vytvořeného působením několika střídavých magnetických polí prostorově i časově posunutých. Hlavním objevitelem tohoto vícefázového systému, který využíváme dodnes, byl Nikola Tesla.

Nikola Tesla

Nikola Tesla (1856-1943) se narodil v rodině chorvatského kněze. Již za studií na technice ve Štýrském Hradci přišel na myšlenku sestrojit motor na střídavý proud, kterou ale jeho učitelé jednoznačně odmítali. Tesla se však nápadu nevzdal ani při dalších studiích v Praze, ani při práci v telegrafní ústředně v Budapešti, a protože svůj vynález z roku 1883 v Evropě nemohl uplatnit, odcestoval do Ameriky. Tam se spřátelil s Edisonem a po nějaký čas pracoval v jeho laboratoři. Ale roku 1887 již zakládá vlastní společnost pro obloukové osvětlení a ve své laboratoři pak dokončuje práce na dvoufázových a vícefázových elektrických soustavách. Téhož roku přihlašuje patent na dnes nejrozšířenější třífázový indukční motor. Aby získal peníze na další výzkum, prodal za milion dolarů patentová práva americké firmě Westinghouse. Mezi jeho další objevy a vynálezy patří například objev vlnových jevů vysokých kmitočtů při vysokém napětí, tzv. Teslovo světlo ve výbojkách. Zabýval se rovněž bezdrátovým přenosem elektrické energie (neúspěšně), bezdrátovou telegrafií a zkonstruoval řadu dalších strojů a přístrojů, z nichž je vysoce ceněn i Teslův transformátor.

Nejslavnějším Teslovým vynálezem je kromě třífázového motoru zejména rozvod proudu soustavou tří fází. Do té doby totiž docházelo ve vodičích vlivem zmatené směsi kmitočtů k vyvolávání tak rušivých jevů, že proudem přeneseným na větší vzdálenost nebylo možné napájet žádný motor. Anglický inženýr John Hopkinson nalezl způsob, jak přenášet tři navzájem fázově posunuté střídavé proudy pomocí tří samostatných párů vedení. Tesla tento třífázový systém roku 1885 dále zlepšil a dokázal jej i obchodně využít. Využívá se takto dodnes.

První elektrárna u Niagarských vodopádů

 

Výhody střídavého proudu byly tak výrazné, že když se v roce 1892 rozhodovalo o stavbě v té době největší vodní elektrárny světa na Niagarských vodopádech, Westinghousův vícefázový systém zcela přesvědčivě zvítězil nad Edisonovým projektem spoléhajícím na stejnosměrný proud. Dva obří alternátory s tehdy ohromujícím výkonem 3 750 kW zásobovaly po dostavbě elektrárny v roce 1896 padesát kilometrů vzdálené město Buffalo vedením o napětí 11000 V.

 

Kolbenovo vítězství

Pokrok se nedal zastavit ani u nás. Na sklonku devatenáctého století byla projektována velká tepelná elektrárna pro Prahu. Inženýr František Křižík byl zastáncem stejnosměrného proudu. Nebylo divu, vždyť s tímto systémem získal řadu úspěchů při osvětlení měst, ale i při konstrukci stejnosměrných tramvají a elektrických lokomotiv. Mužem, který se postavil proti Křižíkovu projektu, byl další vynikající český elektroinženýr Emil Kolben (1862-1943).

Emil Kolben

Po studiích německé techniky v Praze odcestoval díky stipendiu do Ameriky, kde se v New Yorku seznámil s Nikolou Teslou a záhy nato nastoupil u firmy Edison Machine Co. Během pouhopouhého roku se stal šéfinženýrem a brzy si díky sérii standardních typů dynam a motorů, jejichž byl konstruktérem, získal respekt odborné veřejnosti. S Edisonem se ale záhy rozešel a v roce 1896 se vrátil do Prahy, kde založil s finančníkem K. Bondym továrnu na výrobu elektrických strojů. Kolben na rozdíl od Křižíka razantně prosazoval třífázové střídavé motory, které se velmi rychle staly světoznámými. Ve své továrně Elektrotechnická a.s., dříve Kolben a spol. v Praze, se věnoval nejen produkci střídavých motorů, ale i třífázových alternátorů pro elektrárny. Technický pokrok na sklonku minulého století znamenal totiž bouřlivý rozvoj celého elektrárenství a s ním spojeného energetického strojírenství. Zejména definitivní vítězství střídavého proudu nad stejnosměrným vyžadovalo nové hnací stroje s velkými výkony, ať už parní stroje, či parní turbíny. Objevila se poptávka i po velkých vodních turbínách Francisových, Peltonových či Kaplanových. K ještě většímu rozvinutí výroby elektrické energie a průmyslu s ní spojeného bránila zpočátku nejednotnost volby napětí a různé kmitočty, ale už v roce 1905 byl přijat kmitočet 50 Hz a změnil se i počet používaných napětí. Tato skutečnost umožnila velkovýrobu motorů a jejich další zdokonalování.

Montáž oběžného kola francisovy turbíny přečerpávací vodní elektrárny.

S největšími zahraničními konkurenty obstály při rozvoji elektrizace i naše firmy. Kolbenem vybudovaná Českomoravská strojírna v Praze vyráběla od roku 1905 parní i vodní turbíny, dynama, alternátory a transformátory, Škodovy závody v Plzni se věnovaly výrobě parních turbín už od roku 1904, známé byly výrobky Ringhofferovy strojírny v Praze na Smíchově či protitlaké turbíny První brněnské, která zahájila výrobu turbín už v roce 1903, protitlakých o tři roky později. Velké zásluhy o rozvoj turbín patří profesoru Janu Zvoníčkovi z brněnské techniky, profesoru curyšské techniky Aurelu Stodolovi a rakouskému rodákovi působícímu v Brně dr. Viktoru Kaplanovi, který navrhl konstrukci nové vrtulové vodní turbíny.

Instalace Kaplanovy turbíny.

Elektrárna Holešovice

Dne 7. dubna 1900 byla uvedena do provozu největší pražská tepelná elektrárna v Holešovicích. Uhlí bylo do ní dopravováno přímo z Holešovického nádraží zvláštní vlečkou. S Vltavou byla spojena přívodním a odpadním kanálem. Kotelna byla původně vybavena šestnácti kotli a ve strojovně pracovalo pět pístových parních strojů. Generátory pro výrobu střídavého proudu o výkonu 100 kW vyvinul a zkonstruoval Emil Kolben. Podle statistik z roku 1918, tedy v roce vzniku Československa, byla elektrárna města Prahy naší největší elektrárnou. Ve zmíněném roce vyrobily elektrárna Holešovice spolu s vodní elektrárnou na ostrově Štvanice 43 milionů kWh elektrické energie, kterou zásobovaly čtyři sta sedmnáct tisíc obyvatel Prahy a okolí. Druhou největší elektrárnou byla parní elektrárna v Trmicích o výkonu 22 000 kW, která zásobovala elektrickou energii severní Čechy od Litvínova až po Liberec. Další velkou elektrárnou byla Východočeská elektrárna v Poříčí (s polovičním výkonem Trmické elektrárny, tedy 11 000 kW), dodávající elektřinu devadesáti osmi tisícům obyvatel severovýchodních Čech. Parní elektrárna Andělská Hora o výkonu 15 000 kW zásobovala Liberecko a elektrárna v Novém Sedle s výkonem 7 000 kW oblast Sokolovska, a ještě menší elektrárna v Aši západní Čechy. Největší vodní elektrárnou v Čechách byla v té době Spirova elektrárna ve Vyšším Brodě, jejíž výkon byl 8 500 kW. Mimo to pracovaly ještě menší elektrárny pro větší průmyslová města (Chomutov, Plzeň, Žatec, Ústí nad Labem, Pardubice a České Budějovice) a několik stovek malých dynam u mlýnů a pil. Zajímavostí je, že z větších elektráren (s výkonem nad 4 000 kW) byla jediná pražská v českých rukou, majitelé všech ostatních byli Němci.

Elektrárna Holešovice zprovozněná roku 1898.

V Německu zahájila výrobu elektrické energie v roce 1916 i největší evropská elektrárna Zschornewitz, zásobující proudem sto třicet kilometrů vzdálený Berlín. V elektrárně se denně pod čtyřiašedesáti kotli spálilo stopadesát vagonů hnědého uhlí. Parní turbíny spotřebovaly tehdy na výrobu 1 kWh dva kilogramy uhlí, celkový výkon elektrárny byl 128 MW.
Nové elektrárny dodávaly výhradně střídavý proud, který mohl být pomocí vysokonapěťového vedení přenášen na značné vzdálenosti. Širokému využití střídavého proudu předcházel vynález německého fyzika Pollaka, který dokázal najít způsob, jak usměrnit střídavý proud na pulzující stejnosměrný. Jeho usměrňovač byl založen na rotačním mechanismu, který přepojoval směr polarizace každé druhé půlvlny střídavého proudu. Stejnosměrným proudem se nabíjely akumulátory a značnou část ho spotřebovala železnice a elektrické tramvaje.