Na samém konci roku 2018 padl další zajímavý technický rekord. Podle informace na stránkách státního provozovatele elektrické sítě začala 31. prosince 2018 fungovat rekordní linka pro přenos elektrické energie.
Vedení přímo spojuje dva 3 293 kilometrů vzdálené body: jeden v severozápadní provincie Sin-ťiang s uhelnými a větrnými elektrárnami, druhý v průmyslové a hustě osídlené provincie An-chuej na východě Číny. A na rozdíl od vodičů u nás doma jím teče stejnosměrný proud.
Stejnosměrných vedení není na světě mnoho a linka ze Sin-ťiangu je v mnoha parametrech překonává. Je zhruba o 900 kilometrů delší než jeho zatím nejdelší předchůdce (také v Číně). Pracuje s rekordním napětím 1 100 kilovoltů (kV) a dokáže také najednou přenášet nejvíce energie: zhruba 12 gigawattů (GW). Pro srovnání, celá Česká republika, od domácností po podniky, odebírá během líných letních rán méně než 5 GW, během nejvyšších zimních denních špiček v posledních letech pak zhruba 11,7 GW.
Že rekordní stejnosměrné vedení slouží k dopravě elektřiny na velmi dlouhé vzdálenosti je historická ironie. Právě problémy s dodávkami na větší vzdálenosti totiž vedly k jeho porážce ve „válce proudů“ s proudem střídavým.
Když to na dálku nešlo
Přitom na konci 19. století to byl ještě vyrovnaný spor. Na straně stejnosměrné stál například Thomas Alva Edison, a právě díky jeho vedení většina amerických měst poprvé poznala světlo elektrických žárovek. Stejnosměrný „tábor“ měl zpočátku i tu výhodu, že spotřebiče byly právě na tento proud. Navíc Edison rychle obsadil americká města, kde elektrifikace probíhala nejrychleji.
Ovšem technická výhoda postupně přešla na stranu jeho názorových i podnikatelských soků, jako byli Nikola Tesla či George Westinghouse. Největším problémem stejnosměrného proudu se totiž ukázaly být ztráty drahocenné elektřiny ve vedení, které neumožňovaly přenos na vzdálenosti byť i jen několika kilometrů. Což například znamenalo, že Edisonovy elektrárny musely být přímo v centrech měst a obtěžovaly jejich obyvatele.
U střídavého proudu šel tento problém jednoduše obejít, protože i s tehdejší technologií bylo jednoduché změnit jeho napětí. A když zvýšíme napětí, sníží se proud a klesnou ztráty. Stačí desetkrát zvýšit napětí (třeba z 220 V na 2,2 kV), hodnota proudu klesne na desetinu a ztráty způsobené odporem už jen na pouhou setinu původního množství (ztráty stoupají s druhou mocninou proudu). U stejnosměrného proudu tato klíčová technologie nebyla k dispozici, navíc paličatý Edison nebyl přístupný kompromisům, a tak svůj boj prohrál.
Stejnosměrný proud ale samozřejmě zůstal a jak demonstruje i nově spuštěné čínské vedení, jeho význam zřejmě do budoucna spíše poroste. Především právě v přenosech na delší vzdálenosti. Má své nezanedbatelné výhody.
Pohled do nitra transformátorové stanice na jednom konci dálkového stejnosměrného vedení. Tento snímek ovšem není z Číny, pochází francouzského Baixàs, kde končí zhruba 65 kilometrů dlouhý podzemní kabel, který zlepšuje možnosti výměny mezi francouzskou a španělskou sítí.
Stejnosměrné vedení pak lze postavit jednodušeji a levněji než vedení střídavého proudu: už například proto, že není zapotřebí přenášet tři fáze. Velmi jednoduše řečeno, ušetří se na kabelech i stožárech - a často třeba i na bojích s těmi, kdo je nechtějí „za humny“. Zároveň má stejnosměrné vedení na stejnou vzdálenost zhruba o třetinu menší ztráty než stejné vedení se střídavým proudem.
Hlavní nevýhodou tedy byly a jsou náklady na přeměnu stejnosměrného proudu a do jisté míry i s tím spojené technické obtíže. Protože dnes už je problém efektivně technicky vyřešený, volba mezi AC (altering current, tedy střídavý proud) a DC (direct current) vedením je do značné míry otázkou „kupeckých počtů“.
Ano, musíte sice postavit drahé transformátorové stanice a vedení spojuje pouze dva vybrané body a nic jiného, ale nad určitou vzdálenost se prostě a jednoduše vyplatí. Podle odborníků dnes zhruba platí, že nižší náklady na vedení a menší ztráty převáží nad nevýhodami v případě vzdáleností 600 až 800 kilometrů. Pokud stavíte podmořský kabel, volba je jasná už při délkách nad 50 kilometrů (hlavně proto, že ponořené vodiče se střídavým proudem mají mnohem větší ztráty).
Renesance
Prvním projektem s dodávkami stejnosměrného proudu na větší vzdálenosti byl zhruba stokilometrový podmořský kabel spojující švédský ostrov Gotland s pevninou, který začal fungovat v roce 1954. Ten pracoval s napětím „jen“ 100 kV (od 70. let 150 kV). Protože ovšem výhody většího napětí jsou jasné (menší ztráty), postupně se začaly rodit sítě tzv. „ultra vysokého napětí“ (používá se často anglická zkratka UHVDC), tedy nad 800 kilovoltů.
Dnes jich na světě stojí řádově desítky a prakticky všechny jsou v Číně. Země svou první UHVDC linku zprovoznila roku 2010. Spojuje velkou vodní elektrárnu Siang-ťia-pa v jihozápadní provincii Jün-nan se Šanghají a maximální přenosový výkon je 6,4 GW. Dnes jich fungují necelé dvě desítky a další se chystají.
Velká část bude pracovat s napětím 800 kV, ale linka ze Sin-ťiangu nemá zůstat rozhodně jediná. Jak již bylo řečeno, zvýšení napětí výrazně omezuje ztráty, a tak 1 100 kV umožní ekonomicky výhodný přenos na ještě větší vzdálenosti. U staršího UHVDC vedení se mluvilo o přenosech na vzdálenosti maximálně kolem 2 000 kilometrů, s vyšším napětím by se hranice měla posunout na zhruba 3 000 km.
Zvýšení napětí nepředstavovalo ovšem jen ekonomickou příležitost, ale i technický problém. Rozhodně nešlo postavit vše „stejně, jen větší“, řekli čínští účastníci projektu serveru IEEE Spectrum. Vývoj začal zhruba před deseti let, a inženýři uvažovali využití ještě vyšších hladin napětí, například 1 200 kV. Což by ovšem znamenalo další výrazné zvyšování velikosti klíčových komponentů, tedy především transformátorových měničů, a to do té míry, že by je z výrobního závodu nešlo údajně vůbec odvézt. Ani pro 1 100 kV nejsou malé: jeden transformátor pro tento systém váží cca 800 tun při délce zhruba 37 metrů.
Se zvyšováním napětí obecně velikost řady dílů neroste lineárně. Při přechodu z 800 na 1 100 kV například významně narostla nutná velikosti tzv. transformátorových průchodek, což jsou laicky řečeno nevodivé, obvykle keramické, „trubky“ (odborníci prominou), které mají bezpečně vyvést proud z prostoru transformátoru beze ztrát a nebezpečí pro okolí. U 800 kV systému měly průchodky průměr zhruba 80 centimetrů a délku kolem 20 metrů, v případě 1 100 kV proudu už měří více než 30 metrů a průměr mají zhruba 1,3 metru.
Pro cizí i vlastní
Do budoucna ovšem Čína zřejmě i přes technické „výzvy“ počítá s rozvojem stejnosměrných vedení s ještě vyšším napětím. Důvody jsou ekonomické i politické. Technologie by měla být důležitou součástí mezinárodního rozvojového programu „Nová Hedvábná stezka“, který Peking „prodává“ jako svou vizi světového politického rozvoje a vývoje. Součástí programu je i vize budování velmi dlouhých vedení stejnosměrného ultra vysokého napětí pro přenos energie z „čistých“ zdrojů na velké vzdálenosti.
Snad ještě důležitější je domácí politický aspekt. Čínští představitelé přislíbili obyvatelům znečištěním sužovaných velkých čínských měst na východu země doslova modré z nebe, přesněji znovu modrou oblohu nad hlavou. Od roku 2013 běží program, který se emise snaží snížit několika přístupy najednou, od omezování vjezdu vozidel do měst po omezování podpory a rozvoje uhelných zdrojů (které ovšem stále jsou základem čínské energetiky). Výsledky několikaleté kampaně nejsou zanedbatelné, množství prachových částeček v ovzduší v posledních letech kleslo v některých oblastech i o 40 procent (na druhou stranu v důsledku zvýšilo množství přízemního ozónu).
Program ovšem stále nekončí a jeho klíčovou součástí má být právě další koncentrace výroby energie do méně obydlených oblastí - a k tomu je zapotřebí efektivní technologie přenosu elektřiny na dlouhé vzdálenosti.
Stejná technika také může zvýšit využití obnovitelných zdrojů nainstalovaných v odlehlejších částech Číny, které dnes kvůli nedostatečným přenosovým kapacitám často nemohou dostat vyrobenou elektřinu ke spotřebitelům, a běží tedy naprázdno. Třeba v Sin-ťianu, kde nové vedení začíná, se do sítě nedostala zhruba čtvrtina z celkové energie vyrobené větrnými elektrárnami - a pětina elektřina vyrobené „soláry“.
Zkušební komora společnosti ABB, ve které se testovala velká část vybavení pro 1 100 kV linku ze Sin-ťiangu.
Už v příštím roce by podobné ztráty v celé Číně měly být do pěti procent - a to bez nových vedení nejde. Není tedy divu, že plány s využitím stejnosměrného vedení jsou velkolepé. Čína už nyní provozuje více než 20 takových vedení a v příštím desetiletí by měly další desítky přibýt.
Konec sjednocování?
Každá podobná změna s sebou přináší samozřejmě i obtíže, a ty se nevyhnuly ani Číně. Především jde samozřejmě o peníze: podle odhadů Mezinárodní agentury pro energii vyjde proces modernizace čínské elektrické sítě během prvních několika dekád 21. století na zhruba čtyři biliony dolarů.
Změny mají někde nečekané důsledky. V roce 2016 došlo k nucenému rozdělení jihočínského rozvodné sítě, která dodávala elektřinu pro čtvrt miliardy lidí, na dvě menší. Nově postavená stejnosměrná vedení během několika let rychle vyrostla v klíčový zdroj: dodávala až čtvrtinu celkové spotřeby (v číslech to bylo přes 25 GW).
Simulace ukazovaly, že za určitých - zatím pouze hypotetických - okolností by příliv stejnosměrného proudu z těchto vedení mohl způsobit vážné komplikace a kolaps celé sítě se střídavým proudem. V provozu se tedy nikdy nic nestalo, ale provozovatel se preventivně rozhodl rozdělit síť na dva menší a „zvladatelnější“ celky.
Jde o ojedinělý krok: na celém světě se v posledních desetiletích sítě spíše spojují do větších celků. Obecně se předpokládá, že ve větších sítí je jednoduše řečeno více možností spolupráce a výměny elektřiny, a z logiky věci by tedy měla být stabilnější a bezpečnější (tedy pokud je stabilita a bezpečnost cílem všech účastníků, samozřejmě).
Dálková stejnosměrná vedení ovšem mohou do jisté míry situaci změnit. Nejen, že umožňují efektivní výměnu mezi velmi vzdálenými oblastmi, mohou také (pokud jsou dobře navržena a postavena) posloužit jako „pojistky“ proti šíření velkých black-outů, kterých se provozovatelé i veřejnost oprávněné bojí (byť obavy z nedávného zatmění Slunce byly přehnané).
Čínští inženýři doufají, že se jim podaří změny zvládnout s pomocí podobných spíše organizačních opatření typu rozdělení větších sítí na menší (o tom se údajně rozhodne především podle praktických výsledku z jižní Číny), ale také nový technologií. Země totiž hodlá v mnohem větší míře využívat také vedení střídavého proudu s velmi vysokým napětí, v jejím případě konkrétně s napětím 1 000 kV (připomínáme, že u nás je nejvyšší napětí ve vedení 400 kV).
Podobná napětí se už používala i v minulých desetiletích v jiných zemích, například bývalém SSSR a Japonsku (v obou případech 1 100 kV), Čína si samozřejmě vyvinula či nechala vyvinout vlastní standard a techniku. Měla by umožnit rychlou distribuci proudu ze stejnosměrných dálkových vedení v rámci střídavé sítě, aby ani ve skutečnosti nedošlo k problémům, které předpovídaly simulace v jižní Číně.
