Kde se vzala dánská obliba větrných elektráren? Jen z větru to nebylo

V červenci 2017 redakce portálu TZB-info společně s Břetislavem Kočem navštívila Dánsko. Tamní energetika je z velké části postavená na obnovitelných zdrojích energie a zahrnuje řadu zajímavých zařízení a institucí. Mezi ně patří i dánské Muzeum energetiky a muzeum Poul la Coura, kde jsme se blíže seznámili se dvěma osobnostmi, které měly na výrobu elektřiny z větru zásadní vliv.

Navzdory rozšíření větrných mlýnů v 19. století větrné elektrárny v této době prakticky neexistovaly. Ne, že by nikoho nenapadlo připojit dynamo na vrtuli, ale kolísavý a nízký výkon bylo těžké využívat a vyrobenou elektřinu nebylo jak uskladnit. Olověné akumulátory již v té době existovaly, ale byly velmi drahé. Z těchto důvodů byly větrné elektrárny až na pár výjimek nahlíženy jako prakticky nepoužitelné. Jedna z těchto výjimek pochází z Dánska.

Poul la Cour, „dánský Edison“

V 90. letech 19. století působil v Dánské vesničce Askov meteorolog a učitel na místní střední odborné škole Poul la Cour. Jako meteorolog znal dobře dánské větrné poměry a usoudil, že musí být možné udělat z větru použitelný zdroj elektřiny. Zbývalo přijít na to, jak.

Kratostat umožňoval pomocí závaží udržovat konstantní otáčky generátoru při proměnlivé rychlosti větru.

Stavba elektrárny se stabilním výkonem

V roce 1891 postavil v Askově za drobné finanční podpory dánské vlády pokusnou větrnou elektrárnu. Rotor měřící 11 metrů byl opatřený plachtovými lopatkami se samoregulačními závěsnými závěrkami, které se při příliš silném větru otevíraly a mlýn brzdily. Pohon z vrtule byl sveden vertikální hřídelí do budovy, kde poháněl DC generátor. Z tohoto prvotního experimentu hned vyplynuly další úkoly.

První z nich byla stabilizace výkonu. Rychlost větru je proměnlivá a Poul la Cour potřeboval mít pro generátor ustálený pohon. Vyvinul tedy stabilizátor otáček zvaný kratostat. Skládal se z provazů, řemenů, závaží a několika kladek. Podle předpovídané rychlosti větru se kratostat opatřil závažími a přesně ustálil otáčky generátoru nezávisle na síle větru a otáčkách rotoru. Jelikož se na financování podílela dánská vláda, byl vynález dostupný za symbolický poplatek každému. Jedinou podmínkou bylo opatřit jej cedulkou „La Courův kratostat“. Díky tomu se rychle rozšířil nejen v rámci Dánska, ale i do ostatních evropských zemí. Kromě větrných mlýnů pomáhal řídit otáčky i u parních strojů.

Skladování elektřiny pomocí vodíku

Díky kratostatu bylo již možné elektřinu z větru standardně vyrobit, ale zatím ji nebylo jak uskladnit. Olověné baterie, které by zvládly pojmout potřebné množství elektřiny, byly příliš drahé. Proto se Poul la Cour rozhodl vydat jinou cestou a využít stejnosměrný proud z generátoru na elektrolýzu vody. Sestrojil elektrolyzér s možností odděleného jímání vodíku a kyslíku, oba plyny uskladnil v nádržích mimo budovu a následně využil ke svícení v nedaleké škole. Vezmeme-li v úvahu, že ani dnes (rok 2017) není energetické využívání vodíku běžně rozšířené, o to více můžeme obdivovat jeho praktickou a plně funkční aplikaci v roce 1895.

První elektrolyzér sestrojený Poul la Courem byl velice jednoduchý, ale zcela funkční. V jednotlivých žebrech se vytvářel střídavě vodík a kyslík, obojí pak bylo jehlanovitými trychtýři jímáno do oddělených nádob.

Pro názornost je v muzeu Poul la Coura v Askově umístěn i malý fukční model elektrolyzéru a palivového článku.

Vylepšení aerodynamiky větrných mlýnů

V roce 1897, již proslulý svými vynálezy, Poul la Cour získal finance na stavbu plnohodnotné energetické laboratoře. Nová cihlová budova v Askově měla na střeše větrný mlýn o šesti lopatkách se speciálními konickými plachtami od konstruktéra větrných mlýnů Christiana Sørensena. Ve sklepě budovy byly umístěny elektrolyzéry s nádržemi na vodík a kyslík a také baterie olověných akumulátorů o maximálním výstupu 110 V.

V pozdější fází používal Poul la Cour ke skladování elektřiny vedle vodíku také olověné baterie.

Muzeum Poul la Coura v Askově. Ve vitríně je vidět model šestilistého větrného mlýna, který stál na téže budově v roce 1897, v popředí je jeden z testovacích modelů rotoru. Na stěně visí podobizna samotného vynálezce.

Cílem celé laboratoře bylo získat z větru tolik elektřiny, kolik jen půjde. Ale Poul la Cour brzy narazil na limity větrného mlýna na střeše budovy. Konstrukce rotoru neumožňovala využít vyšší rychlosti větru a větrný mlýn se tak zastavoval v nejlepších větrných podmínkách. Aby mohl mlýn vylepšit, pustil se do hlubšího studia aerodynamiky.

Větrné tunely a regulátor otáček zvaný kratostat v muzeu Poul la Coura

Začal s větrným tunelem ve své laboratoři. Díky kratostatu v něm mohl dosahovat stálých rychlostí proudění vzduchu a provádět přesná měření. Poul la Cour ve větrném tunelu testoval modely větrných mlýnů a experimentoval s různými počty i druhy lopatek. Se svými experimenty však docházel k podivným závěrům. Dosavadní teorie říkaly, že otáčení větrného mlýna je způsobeno tlakem větru na listy. Podle této hypotézy bylo nejlepší používat rotor s mnoha lopatkami, které mají velkou plochu, aby zachytily co nejvíce větru. Jenže při testech ve větrném tunelu dostával Poul la Cour lepší výsledky, když naopak použil modely s méně lopatkami a s menší plochou lopatek. Pokračoval v testování i s různě zakřivenými lopatkami a nakonec formuloval vlastní revoluční hypotézu: lépe než tlak na listy otáčí rotorem vztlak způsobený prouděním větru kolem lopatek. Pro účinné využití síly větru je tedy výhodnější mít v rotoru méně lopatek s co nejmenší plochou, aby mohl vzduch mezi nimi proudit rychleji. Zakřivené lopatky navíc vykazovaly lepší výsledky, než lopatky rovné. Poul la Cour tak pochopil princip aerodynamického vztlaku, několik let před prvním letem bratří Wrightů.

Na základě svého výzkumu sestavil nový čtyřlopatkový rotor pro svou elektrárnu a dosáhl dvojnásobné účinnosti oproti předchozí verzi se šesti lopatkami. Zároveň formuloval řadu pouček pro konstrukci ideálního větrného mlýna, na něž mohly navázat jeho následovníci. A postaral se i o samotné následovníky.

Vychování nástupců

V 90. letech 19. století vznikaly ve větších městech v Dánsku centrální elektrárny, které vyráběly stejnosměrný proud. Nevýhodou bylo, že odlehlé venkovské oblasti zůstávaly bez elektřiny. Jako jedna z možností se nabízelo počkat, až se střídavý proud více rozmůže a elektřina díky němu dosáhne i mimo města a nebo postavit na dánském venkově malé větrné zdroje.

Poul la Cour v té době již se svou větrnou elektrárnou vyráběl elektřinu pro Askov. Usoudil tedy, že není důvod čekat na střídavý proud a se skupinou dánských techniků a inženýrů založil v roce 1903 Dánskou asociaci větrné elektřiny (Danish Wind Electricity Association). Jejím cílem bylo poskytovat poradenství při plánování větrných elektráren a prostřednictvím výuky, textů a kurzů rozvíjet vzdělání v této oblasti.

Z  bývalé Poul la Courovy energetické laboratoře v Askově je dnes jeho muzeum. Větrný mlýn se už na jeho střeše nenachází, ale bohatá expozice nabízí řadu možností, jak si jeho objevy nejen prohlédnout, ale v mnoha případech i vyzkoušet (elektrolýza, větrný tunel a další). A to vše s nadšenými průvodci.

Od roku 1904 do roku 1918 se pod záštitou asociace konal každý rok v Askově kurz „venkovských elektrikářů“ („rural electricians“). Studenti absolvovali základy fyziky, elektrotechniky, technického kreslení a dalších oborů a v rámci praxe se pak uplatňovali na projektech, které asociace pomáhala připravovat. Kurzem úspěšně prošlo 230 absolventů, mezi nimi i Johannes Juul, k němuž se dostaneme níže.

Ač byl ve vzdělání kladen důraz na větrnou energii, činnost asociace se záhy rozšířila nad rámec větrných elektráren a zahrnovala obecně malé zdroje včetně vodních, parních, plynových a dieselových. Elektřina se používala zejména na svícení a pohon farmářských a výrobních strojů. Zkušenosti s instalací větrných zdrojů se v Dánsku osvědčily zejména během první světové války, kdy stoupla cena paliv. Během let 1917 a 1918 bylo nainstalováno 100 nových větrných elektráren a zdálo se, že elektřina z větru bude jasným trendem.

Konec větrného začátku

Navzdory pokrokům z přelomu století a první světové války se větrná energie na konci druhé dekády 20. století podílela na dánském instalovaném výkonu jen jedním procentem. Se svým nízkým výkonem nemohly větrné elektrárny konkurovat centrálním zdrojům a na pozici malých farmářských elektráren je nahradily spalovací motory. To byl důvod i k ukončení činnosti Asociace v roce 1917. Ač si na svou renesanci dánská větrná energetika ještě téměř 70 let počkala, do roku 1960 vzniklo několik projektů, které lze označit za milníky v oblasti větrné energetiky.

Větrná elektrárna Agricco (r. 1919)

Krátce po první světové válce dva dánští inženýři Johannes Jensen a Poul Vinding postavili větrnou elektrárnu s pětilistým rotorem a lopatkami tvarovanými podobně, jako křídla letadla. S touto konstrukcí dokázal větrník využít až 43 % energie větru. To byl téměř dvojnásobek oproti turbíně Poul la Coura (23 %), nemluvě o klasických vícelistých větrných růžicích (17,5 %). Elektrárna zvládla vyrobit 40 kW střídavého proudu. S těmito parametry se v roce 1919, kdy byla elektrárna vyrobena, jednalo o zcela nadčasový stroj.

FLS Aeromotor (1940 – 1944)

Strojírenská společnost F. L. Smidth & Co (FLS) začala experimentovat s větrnými turbínami v roce 1940. Testování šlo dobře a první prototypy modelu Aeromotor byly uvedeny do provozu ještě téhož roku. Dvoulistý rotor o průměru 17,5 m přes převodovku vlastní konstrukce poháněl DC generátor s výkonem 60 kW. V roce 1942 byly postaveny první elektrárny s rotorem o průměru 23 metrů a výkonem 70 kW AC. Do roku 1944 bylo v Dánsku postaveno celkem 19 Aeromotorů a to jak dvojlisté, tak trojlisté konstrukce. Některé vydržely v provozu velmi dlouho, jedna z prvních turbín u obce Ullerslev vyráběla elektřinu od roku 1941 až do roku 1969.

Větrná elektrárna Agricco, zdroj: Poul la Cour Foundation 2009

FLS Aeromotor u obce Fjerristlev, zdroj: Poul la Cour Foundation 2009

V obou případech doba větrné energii nepřála. Období po první i druhé světové válce znamenalo zlevnění a dostatek fosilních paliv a větrné elektrárny se nevyplatilo rozvíjet.

Johannes Juul a větrná elektrárna v Gedseru

Johannes Juul, zdroj: Poul la Cour Foundation 2009

Velký krok k dnešnímu typu větrných elektráren učinil Johannes Juul, přímý žák Poul la Coura a absolvent jeho kurzu pro vesnické elektrikáře. Během druhé světové války se zabýval metodami těžby rašeliny, která v době nedostatku klasických paliv v Dánsku představovala alternativní zdroj energie. Použitelná rašelina však byla v Dánsku rychle vyčerpána a při hledání nových zdrojů energie Juul „na stará kolena“ obrátil svou pozornost k oboru, v němž získal své první technické vzdělání – k větrné energii.

Znalosti získané v Poul la Courových kurzech nyní mohl značně rozšířit – měl k dispozici poznatky vycházející z půl století pokroku jak v letectví, tak v projektech svých kolegů (Agricco, Aeromotor, viz výše). Elektrárna podle jeho koncepce se regulovala sama, tentokrát to však nebylo díky kratostatu, ale zásluhou speciálního designu lopatek vybavených stall regulací a sladěním parametrů rotoru s nastavením generátoru. Pro případ velmi silného větru byla elektrárna navíc vybavena aerodynamickými brzdami na špičkách lopatek. Pečlivý výzkum v oblasti vztahů rotoru a generátoru stejnosměrného proudu umožňoval zvyšovat účinnost celého zařízení a připojovat výkonnější generátory, aniž by bylo nutné zároveň zvětšovat průměr rotoru.

Teoretické závěry své práce ověřil na nové elektrárně v Bogø v roce 1952, která s výkonem 65 kW AC a průměrem rotoru pouhých 13 metrů potvrdila výhodnost třílisté konstrukce. Zásadním milníkem v dějinách moderních větrných elektráren však byla až větrná elektrárna v Gedseru.

Ve spolupráci s dánskými energetickými firmami a za přispění peněz z Marshallova plánu byla v roce 1957 vztyčena větrná elektrárna s rotorem o průměru 25 metrů a s výkonem 200 kW. Pro srovnání, komerční elektrárny s těmito parametry přišly na trh až o 30 let později. Ač se svou robustní konstrukcí a  kovovými výztuhami vypadá ve srovnání s dnešními stroji trochu nemotorně, dodávala elektřinu spolehlivě 10 let až do roku 1967. V tento rok byla větrná energie v Dánsku opět odmítnuta jako ekonomicky nevýhodná. Johannes Juul tomuto rozhodnutí oponoval v pěti bodech. Větrná energie podle něj znamenala:

Turbína Johannese Juula je nyní umístěna v dánském Muzeu energetiky v Bjerringbro

1. finanční úsporu za nákup paliv,
2. energetickou rezervu v zimních obdobích,
3. vyšší zaměstnanost,
4. ekonomickou výhodu při spolupráci s norskými vodními elektrárnami,
5. vývoz a prodej dánského know how do zbytku Evropy a do rozvojových zemí.

Jsou to argumenty, které jsou pro rozvoj větrné energie předkládány dodnes. Čas větrných elektráren však nastal až o mnoho let později. Proč tomu tak bylo?

Po celé 20. století to vypadalo, že větrná energie přichází v nepravou chvíli. K pokrokům v technologii větrných elektráren docházelo zejména během obou světových válek, které byly provázeny nedostatkem fosilních paliv. Poválečná léta a snadná dostupnost ropy, plynu a uhlí výzkum větrné energetiky utlumila. Nadto se po druhé světové válce objevil příslib levné a spolehlivé dodávky elektřiny z nových jaderných zdrojů. Započaté období „fosilní a jaderné pohody“ však netrvalo dlouho.

Třetím impulzem pro rozvoj obnovitelné energetiky byla ropná krize v 70. letech. Opětovný nedostatek základního zdroje energie znamenal vzkříšení zájmu o výrobu elektřiny z větru. A protože na světě nebylo mnoho zkušeností s dlouhodobým provozem větších větrných elektráren, obrátila se pozornost na Gedserskou větrnou elektrárnu. Po 10 letech nečinnosti tak byla za přispění americké rozvojové agentury opravena a v roce 1978 začala opět dodávat elektřinu. Tentokrát byl její provoz podroben mnoha měřením a testům, které navázaly na výzkum v 50. letech a zjištěné poznatky dláždily cestu k vývoji moderních větrných elektráren.

Zdroje:

• NISSEN, Povl-Otto, Therese QUISTGAARD, Jytte THORNDAHL, Benny CHRISTENSEN, Preben MAEGAARD, BIRDER T. MADSEN a KRISTIAN HVIDTFELT NIELSEN. Wind power: the Danish way, from Poul la Cour to modern wind turbines. Askov, Denmark: Poul la Cour Foundation, 19uun. l. ISBN 9788799318803.
• Poul la Cour. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2017-08-23]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Poul_la_Cour