Ledová ochrana proti zkratům

Kvůli decentralizaci zdrojů a jejich nestabilnímu výkonu musí síť čelit podstatně větším výkyvům, než v případě produkce elektřiny několika velkými elektrárnami, jež mají jasně definovaný výstup. K nejzávažnějším poruchám, které jsou s nestabilitou v síti spojeny, pak patří tzv. zkratové proudy.

Masivní ztráty na úkor stability

Ke vzniku zkratového proudu dochází v okamžicích, kdy velikost proudu v síti výrazně překročí hodnotu, na kterou je vedení koncipováno (tzv. jmenovitý proud). Takové zvýšení proudu je poměrně rychlé (řádově do několika stovek milisekund), způsobuje však výrazné tepelné i mechanické namáhání všech prvků v síti, což významně negativně ovlivňuje jejich životnost.

Klasický způsob mírnění účinků zkratového proudu spočívá v instalaci dalších síťových prvků, například tlumivek či transformátorů s vysokou reaktancí. Toto řešení má však řadu nevýhod. Jednou z nich je například relativně dlouhá reakční doba na vzniklý zkrat. Podstatně závažnější jsou poměrně velké ztráty, které na těchto součástkách vznikají, jelikož z tohoto pohledu působí v podstatě jako další spotřebiče. Celosvětově je takovýchto omezovačů zkratových proudů v provozu odhadem kolem 44.000, což v součtu představuje ztrátový výkon 1100 MW (pro srovnání jde přibližně o stejný výkon, jako má jeden reaktor elektrárny Temelín).

Čím chladnější, tím lepší

Ideální omezovač zkratových proudů by měl výše zmíněné neduhy co nejvíce eliminovat – tedy nezanášet do sítě žádné nadbytečné ztráty a reagovat na vznik zkratu okamžitě. Takových vlastností pravděpodobně nikdy žádné zařízení nedosáhne, ale s využitím supravodivosti lze zkratové proudy krotit podstatně efektivněji, což umožňuje alespoň částečné přiblížení k ideálu. Supravodiče jsou obecně materiály, jejichž vnitřní struktura klade pohybujícímu se proudu elektronů jen minimální, až téměř nulový odpor. Zpravidla je toho dosahováno prostým ochlazením vodivého materiálu, čímž dojde k omezení tepelného pohybu částic materiálu, a tím pádem i ke snazšímu pohybu elektronů (tedy i ke snížení odporu).
Háček spočívá v tom, že teplota, na kterou je třeba materiál ochladit, aby začal mít supravodivé vlastnosti, dosahuje extrémně nízkých hodnot. Vidina téměř nulového odporu je však pro použití v omezovačích zkratového proudu velmi lákavá. Tuto technologii proto vědci zkoumají již několik desetiletí a konstruktéři společnosti Siemens nejsou v tomto ohledu nijak pozadu.

Supravodivý omezovač zkratového proudu vyvíjený konstruktéry společnosti Siemens bude testován po dobu jednoho roku, kdy bude čelit nárazově výkonům až 15 MW. Na snímku je jedna z fází konstrukce zařízení, výroba supravodivých cívek.

Propojení technologií

Smysl supravodivého omezovače zkratových proudů spočívá v tom, že materiál je supravodivý jen pro proud do určité kritické hodnoty. V normálním stavu tak nevnáší do sítě prakticky žádný zbytečný odpor. V okamžiku výskytu zkratu, kdy hodnota proudu překročí určitou kritickou hodnotu, materiál přestane být supravodivý a začne se chovat jako rezistor, který začíná klást proudu odpor. Prototyp vyvíjený inženýry společnosti Siemens je navíc doplněn o sériově zapojený prvek s vysokou reaktancí, do nějž je zkratový proud následně přesměrován. Díky tomu může být supravodivý prvek znovu rychle zchlazen a je tak během okamžiku připraven čelit dalšímu zkratu. Ačkoliv je omezovač nutno chladit na teplotu kapalného dusíku (-196 °C), jeho vysoká efektivita kompenzuje náklady na chlazení. Ve srovnání s klasickými omezovači jsou totiž jeho ztráty jen zhruba poloviční.

Supravodivost patří mezi nejintenzivněji zkoumané jevy současné fyziky a uplatňuje se v technologiích, které ještě před pouhými pár lety působily jako sci-fi. Kromě výše zmíněných omezovačů jde například o technologii levitujících vlaků (zkráceně maglevy), magnetickou rezonanci či vybavení urychlovače LHC v CERNu.