Více než 90 % veškeré elektřiny vyráběné v České republice pochází z parních turbín – ať už jsou instalovány v tepelných, anebo v jaderných elektrárnách. Podobný poměr uvádějí statistiky také třeba ve Spojených státech. Jak vidno, parní turbína je pořádně užitečný stroj, i když není svým principem úplně nejnovější. Je dokonce starší, než by se na první pohled mohlo zdát.
Zní to až neuvěřitelně: Na základy jejího principu přišel už v prvním století našeho letopočtu řecký myslitel Hérón Alexandrijský, o němž bychom dnešními pojmy řekli, že to byl matematik, vynálezce a konstruktér. Sestrojil zařízení, kterému se dnes obvykle říká Hérónova baňka – šlo o uzavřený kotel s vodou, v němž se tvořila pára a trubkami odcházela do duté koule uložené v ložiscích. V ní se postupně zvyšoval tlak. Z koule vedly dvě zahnuté trysky na protilehlých stranách, jimiž byla vytlačována pára, takže koule začala rotovat. Toto zařízení bylo vlastně postaveno na stejném základním východisku, který využívají některé parní i vodní turbíny, ale také proudové a raketové motory. Ze zachovalých zpráv se zdá, že Hérónova baňka byla používán jenom jako zábavná hračka. V antických historických pramenech se objevují i jiné narážky na znalost využití páry, ale pravděpodobně nikomu se nepodařilo dosáhnout víc, než dokázal Hérón.
Tak jako je neuvěřitelné, před jak dávnou dobou lidé na možnost využití páry pro pohyb stroje přišli, tak je těžké pochopit, že muselo uběhnout více než půl druhého tisíciletí, než vynálezci a konstruktéři dokázali myšlenku, že pára se dá zapojit do práce, prosadit do reálného života. Otců parního stroje se dá napočítat mnoho, ale v našem povědomí asi zůstali oprávněně zapsáni především dva. Ve Francii narozený a později v Anglii působící Denis Papin, který myšlenku sestrojení parního stroje oživil. Na přelomu 17. a 18. století sestrojil nízkotlaký parní stroj a parní čerpadlo, bohužel hodně poruchové. Běžně známý je ovšem dodnes hlavně proto, že jeho jméno nese tlakový hrnec, který Papin vymyslel při cestě za parním strojem. „Papiňák“ využívá při vaření tlaku páry a jeho moderní varianty najdeme v kuchyních dodnes.
Druhým slavným jménem je pak samozřejmě Skot James Watt. V druhé polovině 18. století vylepšil už existující konstrukce parních strojů. Kondenzac páry například umístil mimo prostor parního válce tím, že vyrobil zvláštní kondenzátor. Odpadla tak nutnost pravidelného ochlazování silnostěnného parního válce, čímž se uspořily tři čtvrtiny tepelné energie. Watt také vložil – po vyzkoušení různých technických mezistupňů – do stroje klikový mechanismus s planetovým ozubeným soukolím a setrvačníkem, což umožnilo rotační pohyb strojů. Původní hřibovitý tvar parního kotle nahradil kotlem ve tvaru skříně, a tak podobně. Díky Jamesi Wattovi se technicky zdokonalený parní stroj stal univerzálně použitelným v různých odvětvích průmyslu a mohl pohánět první průmyslovou revoluci. Na parní turbínu si svět musel počkat ještě další století. Jde o točivý stroj vybavený lopatkami, který převádí tlakovou a kinetickou energii páry přicházející z parního kotle na energii mechanického rotačního pohybu hřídele. Za její hlavní tvůrce se považují Švéd Gustaf de Laval a v Irsku narozený a v Anglii působící Charles Algernon Parsons. První představil svou parní turbínu v roce 1883, druhý o rok později svou přetlakovou verzi. Parní turbína v průběhu 20. století postupně nahradila parní stroj, který svou účinností předčila. Charles Parsons se projevil i jako schopný průmyslník. V roce 1889 založil společnost C. A. Parsons and Company, která vyráběla jeho turbíny. Existuje dodnes, po několika akvizicích je nyní součástí Siemens Energy.
V Jänschwaldské elektrárně, ležící jižně od Berlína, uvedl Siemens Energy do provozu první parní turbínu SST-600 s levitujícím rotorem.
Siemens se samozřejmě začal výrobou parních turbín zabývat mnohem dřív, před více než stoletím. Od té doby jeho továrny vyrobily a zákazníkům dodaly více než 120 000 parních turbín s výkonem od méně než 10 kW do 1 900 MW. Široké spektrum průmyslových parních turbín dodává i brněnská továrna Industrial Turbomachinery, která je odštěpným závodem Siemens Energy. Za svou historii dodala téměř 4 500 parních turbín do 68 zemí světa. Dnes se dají najít v energetice stejně jako v průmyslových závodech, používají se třeba i v pumpách pro zásobování vodou. A občas najdou i docela nečekané uplatnění. Obyvatelé města Holland v americkém státě Michigan zažívají v průměru 32 dní v roce, kdy u nich sněží. Celkově při tom napadne téměř 180 cm sněhu. Aby na ulicích dlouho nepřekážel, vybudovalo město už v roce 1988 systém vyhřívání komunikací a chodníků – pod povrchem některých ulic v centru bylo nataženo potrubí, kterým prochází voda ohřátá odpadním teplem z výroby elektřiny. V roce 2017 město renovovalo starou uhelnou elektrárnu a městští radní pro další spolupráci vybrali společnost Siemens Energy. Nová strojovna elektrárny, která je mimochodem umístěna uprostřed parku přístupného veřejnosti, je nyní vybavena parní turbínou SST-400 z brněnského závodu Industrial Turbomachinery společnosti Siemens Energy a ještě doplněna kombinovaným cyklem dvou spalovacích turbín SGT-800 vyrobených v Berlíně. Celý systém teď místo uhlí využívá zemní plyn, energii ze spalování odpadů, a ještě je doplněn energií z větru. Elektrárna je díky kombinované výrobě tepla a elektřiny výkonnější a ekologičtější, produkuje o polovinu míň emisí oxidu uhličitého a i nadále při sněhu vyhřívá chodníky. „Naše turbíny se běžně využívají ve městech po celém světě pro centrální zásobování teplem. Vyhřívání chodníků je ale v naší více než stoleté historii premiéra,“ okomentovalo zakázku vedení brněnského závodu.
Přestože je parní turbína dávno známou konstrukcí, pořád se dá vylepšovat. V Jänschwaldské elektrárně, ležící jižně od Berlína, uvedl Siemens Energy do provozu první parní turbínu SST-600 s levitujícím rotorem. Slouží tam jako jedna z dvanácti turbín pohánějících vodní pumpy. Má výkon 10 MW a pracuje při 5 700 otáčkách za minutu. Nejzajímavější je však na ní právě zmíněný rotor. Běžný rotor je pěkně těžké srdce turbíny – váží několik tun. Je umístěn na ložiskách, a aby se turbína nepoškozovala třením, ložiska se důkladně promazávají olejem. Je k tomu zapotřebí promyšlený mazací systém, od olejového čerpadla přes zásobník až po rozvody. Vývojáři společnosti Siemens Energy však všechny tyto součástky dokázali odstranit. Představili technologii, díky níž už mazací médium není zapotřebí. Rotor turbíny totiž není ve fyzickém kontaktu s žádnou nehybnou částí, kde by docházelo ke tření – celý se vznáší působením silného magnetického pole. Systém magnetické levitace, známý pod zkratkou maglev, se už ve světě používá na několika málo vysokorychlostních železničních tratích. Vlaky na nich nemají kola a nepohybují se po kolejích. V trati a v podvozku vozů jsou zabudovány supravodivé magnety, které vytvářejí magnetický polštář, po němž vlak klouže a vznáší se při tom několik centimetrů nad tratí. V případě turbíny dosáhli konstruktéři magnetické levitace rotoru tím, že do již existující turbíny instalovali aktivní elektromagnetická ložiska. Polohu rotoru v ložiscích přesně sleduje sestava senzorů a síla magnetického pole se upravuje tak, aby byl rotor při činnosti ve stabilní poloze. Senzory zároveň nabízejí i širší možnosti pro on-line monitorování chodu turbíny. Chlazení turbíny, jež je nutné i přes absenci tření, obstarává místo oleje patentovaný systém vzduchového chlazení. Nižší tření navíc může teoreticky vést ke zvýšení účinnosti turbíny až o 1 %, což už slušně navyšuje produkci energie. Obecně lze technologií pro levitaci rotoru vybavit turbíny s rotory vážícími až 10 t – tomu odpovídá výkon až 40 MW.
Nová strojovna elektrárny, která je mimochodem umístěna uprostřed parku přístupného veřejnosti, je nyní vybavena parní turbínou SST-400 z brněnského závodu´Industrial Turbomachinery.
Samostatnou kapitolu v historii turbín píše turbína spalovací zvaná také plynová. Přestože její princip v průběhu dějin nastínili různí myslitelé, včetně třeba Leonarda da Vinciho, do praxe se začala prodírat až na přelomu 19. a 20. století. Švédský vynálezce Nils Gustaf Dalén popsal ideu plynové turbíny v roce 1897 v dopise takto: „Jestliže foukáš dírou v peci vzduch, odchází komínem. Zajímavé je, že odtud vycházejí 3 m3, když dole zavedeš jen 1 m3. Pumpa nahoře ve výfuku by mohla pohánět jinou pumpu dole v přívodu čerstvého vzduchu. A když se pumpy nahradí turbínami...“ Dnes je to tak, že kompresor spalovací turbíny nasává atmosférický vzduch, stlačí jej a vede do spalovací komory, kam se průběžně vstřikuje palivo, které se v stlačeném vzduchu spaluje. Spalovací komora pak vede spaliny, jejichž objem se teplem několikanásobně zvětšil, na lopatky turbíny. Část vytvořené mechanické energie se odvede hřídelí, část se použije na pohon turbokompresoru. Plynové turbíny se používají v průmyslu, ale také pohánějí třeba turbovrtulová a proudová letadla či námořní lodě. A mohou mít nadějnou budoucnost i ve světě, který usiluje o bezuhlíkovou energetiku. Palivem v nich totiž může být vodík.
Továrny Siemens Energy vyrobily a zákazníkům dodaly více než 120 000 parních turbín s výkonem od méně než 10 kW do 1 900 MW.
Expertkou na výzkum vodíkových turbín je Jenny Larfeldtová. Vystudovala Královský technologický institut ve Stockholmu, a ještě než v roce 2000 získala doktorát (Ph.D.), pracovala v ekologické organizaci Greenpeace se zaměřením na energetiku. Po doktorátu se rozhodla, že se už nebude tomuto tématu věnovat jako aktivistka, která poukazuje na problémy, ale jako konstruktérka, která se je snaží řešit. Posledních deset let se v závodě Siemens Energy ve švédském městě Finspĺng zabývá výzkumem spalovacích turbín. Už čtyři roky je také mimořádnou profesorkou na univerzitě v Lundu. Za zmíněné desetiletí ve Finspĺngu úspěšně zvyšovala podíl vodíku v palivové směsi pro spalovací turbíny. Zatím však jde o tzv. modrý vodík, který je složkou odpadních plynů z průmyslové výroby. „Ve Finspĺngu však chceme vyrobit spalovací turbínu poháněnou jenom vodíkem, a to vodíkem vyrobeným za pomoci energie z obnovitelných zdrojů, a to do roku 2030,“ říká profesorka Larfeldtová. Tento tzv. zelený vodík se získává z vody elektrolýzou s využitím elektřiny z obnovitelných zdrojů ve chvíli, kdy je jí právě přebytek. Nejlehčí plyn se tak stává „skladištěm“ energie, která pak může být použita, kdykoli je jí třeba. Vodík je ovšem velmi reaktivní palivo, proto je potřeba přizpůsobit pro něj design spalovací komory. Siemens Energy vyvinul postupy, které umožní nejenom konstruovat nové turbíny na vodík, ale díky aditivní výrobě (3D tisku) také upravit vnitřek spalovací komory v už existujících spalovacích turbínách. „Díky tomu je možné turbíny upravit tak, aby fungovaly na ekologický vodík, aniž by přitom bylo nutné nějak měnit jejich osvědčené vnější uspořádání,“ popisuje Jenny Larfeldtová.
Vypravte se s námi do historie české energetiky, společně ale nahlédneme i do její budoucnosti. Hostem podcastu je Tomáš Hüner, ředitel divize chytré infrastruktury v českém Siemensu, který se oblasti energetiky věnuje již více než 30 let.
Průmyslové metaverzum – nový svět, který zrcadlí a simuluje skutečné stroje, továrny, města, dopravní sítě a ostatní i velmi složité systémy – nabídne svým aktérům interaktivní reprezentace a simulace skutečného světa v reálném čase. V dějinách průmyslu představuje zcela novou kapitolu, kterou začínáme společně psát.
Reprezentativní budova Opery v Dubaji, hlavním městě stejnojmenného emirátu, v sobě skrývá špičková zařízení Siemens, která symbolizují pronikání moderních technologií této společnosti nejenom do exkluzivních koncertních sálů. Jsou také příkladem pro budování inteligentních měst.
Budoucím trendem zemědělství je udržitelné pěstování plodin s méně zdroji a bez použití chemických přípravků. Aby zemědělci mohli vyhovět těmto novým nárokům a požadavkům, musejí úzce spolupracovat s průmyslem, který jim dokáže poskytnout potřebné nástroje. Jak dobře může taková spolupráce fungovat, názorně předvádí FRAVEBOT – robot, který na brněnské rodinné farmě Ráječek monitoruje a sklízí jahody.
