Od větru k vodíku

První větrnou elektrárnu na území Evropy sestrojil s vládní podporou 4000 tehdejších dánských korun roku 1891 v osadě Vejen u dánského městečka Askov v centru jutského poloostrova „dánský Edison“ Poul la Cour.  Podoba stavby i rotor této první větrné elektrárny nezapřel  inspiraci v podobě klasického větrného mlýna. Stojí za připomenutí, že první větrná elektrárna na světě však vznikla již o dva roky dříve v Clevelandu (Ohio, USA). Její konstruktér, Charles Brush šel při konstrukci rotoru jinou cestou – mnohalopatkovým kolem, k němuž byly inspirací spíš větrná kola tehdy v USA velmi rozšířených větrných čerpadel.

Poul la Cour nezůstal u jediného prototypu. Roku 1897 byla vedle prvních provizorních dřevěných objektů postavena kamenná budova, přímo určená pro výzkum větrných elektráren. Na její částečně ploché střeše byl navržen a postaven větrný mlýn holandského typu, původně  s netypickým počtem dvanácti lopatek, který však nesloužil k mletí obilí, ale od počátku poháněl dynamo k výrobě elektrického proudu. Na jeho místě později vznikla zkušební plošina  pro další typy větrných  elektráren.  Pozoruhodné je, že tuto ryze industriální stavbu projektoval jeden z nejvýznamnějších dánských architektů P. V. Jensen – Klint, který o třicet let později postavil i jednu z ikon Kodaně, Grundtvigův kostel ve čtvrti Bispebjerg.

Praxe i teorie

Když se propojení větrného rotoru s dynamem ukázalo provozuschopné,   začal v novém objektu Poul la Cour postupně vyvíjet a zdokonalovat další větrné elektrárny a jejich komponenty a i po jeho smrti roku 1908 tato větrná laboratoř fungovala. Poslední a nejdokonalejší větrná elektrárna vystřídala  na plošině původní zařízení s podobou větrného mlýna roku 1929. Její rotor se čtyřmi křídly, stále ještě připomínající lopaty klasického větrného mlýna, byl uložen na přibližně 20 m vysoké ocelové příhradové konstrukci, která byla pro korozi demontována až roku 1968.

Poul la Cour experimentoval i s tvarem a počtem lopatek rotoru pro větrné elektrárny. Používal k tomu tehdy unikátní zkušební zařízení – větrný tunel, před jehož ústím instaloval postupně různé modely větrných kol s různým počtem lopatek a ověřoval jejich vlastnosti. Na základě svých experimentů a měření pak formuloval i základní rovnici pro výkon větrného rotoru. Aby eliminoval při pohonu elektrického dynama výkyvy v rychlosti větru a zajistil dynamu co nejstálejší otáčky, sestrojil Poul la Cour i další unikátní mechanické zařízení, tzv. kratostat, který samočinně udržoval otáčky pohonu dynama.

O tom, že Poul la Cour byl všestranným badatelem i zdatným konstruktérem a zručným realizátorem svých myšlenek, svědčí i jeho další vynálezy - například sestrojení zařízení, které umožňovalo posílat po jednom telegrafním vedení současně i několik telegramů.V současnosti je v autentickém objektu Poul la Courovy větrné laboratoře s částečně dochovaným vybavením instalováno Muzeum Poul la Coura. Na jeho vzniku se podíleli místní nadšenci a finančně přispěli také výrobci větrných elektráren.

Vodík jako uschovaný vítr

Nevýhodou větrné energie je její nepravidelnost. Ani v Dánsku nevane vítr stále a pro překonání bezvětří  hledal Poul la Cour už na přelomu 19. a 20. století vhodný způsob akumulace energie. Ač to po více než 100 letech zní takřka neuvěřitelně, našel řešení v akumulaci energie prostřednictvím vodíku, vyráběného elektrolýzou vody stejnosměrným elektrickým proudem z větrné elektrárny. V zařízení, na jehož bezpečnost by dnes nikdo nevsadil ani příslovečnou zlámanou grešli, vyráběl vodík, který uschovával v jednoduchém kovovém zvonu ve sklepení svého výzkumného objektu. Pro vodík také našel praktické (z dnešního pohledu spíš kaskadérské až sebevražedné) využití: vodík byl trubkami veden do 300 metrů vzdálené školy, kde sloužil v letech 1895  za časných zimních večerů a před pozdním ranním svítáním ke svícení otevřeným plamenem ve speciálních lampách a v zimě i k topení! Světe div se, a s údivem to konstatují i publikace o muzeu, objekty i jejich obyvatelé tento vodíkový experiment ve zdraví přežili.

Je však více než zadostiučiněním významu Poul la Coura pro vývoj větrné energetiky to, že teprve nedávno dospěla Evropa k oprášení stejné myšlenky – využití elektrické energie z větrných elektráren k výrobě vodíku jako prostředku akumulace energie a k náhradě výkonu „větrníků“ při bezvětří. I když zatím spíš jen teoreticky. Na obálce několika publikací věnovaných výzkumným programům v oboru vodíkových technologií totiž grafika klade vedle sebe právě větrné elektrárny a využití vodíku. Prošel jsem desítkami stránek s popisy konkrétních projektů z rámcových programů výzkumu a vývoje v EU za uplynulé roky, leč žádný konkrétní projekt řešící propojení větrných elektráren s elektrolýzou vodíku jsem nenašel.

Lidoví badatelé na vodík nezapomněli

V severní části pevninské části Dánska leží  na podivuhodném geografickém útvaru, poloostrově Thy  na severozápadním pobřeží Jutského poloostrova u města Hurup „Nordisk Folkecenter“ jako neziskové lidové středisko pro výzkum v oboru obnovitelných zdrojů energie.  Od devadesátých let minulého století tu více či méně intenzivně (a i v bohatém Dánsku také v závislosti na více či méně otevřeném dotačním měšci vrchnosti) vyvíjí různé technologie pro využívání obnovitelných zdrojů energie – od produkce olejnatých rostlin k lisování oleje a jeho využití pro pohon motorových vozidel, přes solární techniku a větrné elektrárny až k využití energie mořských vln.  Jedním z programu je od roku 1994 i produkce vodíku elektrolýzou z vody při využití elektrické energie z větrných elektráren pro pohon automobilů. V areálu střediska byl postaven objekt elektrolýzy vody dvěma zařízeními s výkonem 1,5 a 20 kW a samo středisko využívá vodíkového pohonu u osobního automobilu Ford Focus.

V září uplynulého roku byla u areálu centra otevřena první dánská vodíková čerpací   stanice, která by se měla stát součástí „vodíkové trasy“ od hranic s Německem přes Dánsko až po Stavanger v Norsku. Na tomto projektu spolupracují tři skandinávské zeně – Dánsko, Švédsko a Norsko, které vytvořily pod názvem Hydrogen Link síť pracovišť a institucí, zabývajících se výzkumem, vývojem a realizacemi demonstračních projektů pro využití vodíku, především v dopravě.

Utsira – ostrůvek, který vejde do dějin

Další pátrání po opravdu reálné instalaci výroby vodíku elektrolýzou proudem z větrné elektrárny s energetickým potenciálem alespoň ve stovkách kW se už už zdálo být beznadějné, když – a mohlo mne to napadnout dřív  – se po zadání termínů „hydrogen“ a „wind energy“ do internetového vyhledávače  objevil odkaz na konkrétní instalaci v reálných podmínkách doslova „ostrovního provozu“, který je od roku 2004 ověřován na norském ostrůvku Utsira, asi 20 km západně od Haugesundu v Severním moři. K realizaci se spojily dvě firmy, které jsou ve svých oborech světovými lídry. Německý Enercon se podílí dvěma větrnými elektrárnami po 600 kW, norská firma Hydro řešila elektrolýzu, skladování a využití vodíku.

Větrné elektrárny Enercon s výkonem 2 x 600 kW dodávají proud do sítě ostrůvku s 250 obyvateli. Zajímavé je i řešení krátkodobých výkyvů v produkci elektřiny „z větru“ pomocí setrvačníku s „zásobou“ kinetické energie 5 kWh.  Při „nadvýrobě“ elektrické energie jsou přebytky používány v zařízení, které elektrolyticky rozkládá vodu a vznikající vodík je jímán a po kompresi uložen v zásobníku s kapacitou odpovídající  2400 m³ vodíku při běžném tlaku. Výkon elektrolyzéru je 10 m³ vodíku za hodinu příkonem 48 kW elektrické energie. Elektrická energie je pak v případě potřeby získávána v jednotce se spalovacím motorem a generátorem se špičkovým výkonem 55 kW, případně vodíkovými palivovými články s celkovým výkonem 10 kW.

Je pravděpodobné, že norský ostrůvek Utsira, na němž byla v podobě odpovídající začátku 21. století znovu po sto letech realizována myšlenka dánského Edisona, Poula la Coura, vejde do historie techniky. Právě konverze „větru na vodík“ může zejména při aktuálně rostoucích cenách surové ropy (v čase finalizace tohoto článku byla překonána cenová hranice 100 USD za barel) pomoci řešit dva problémy najednou – čistou produkci vodíku s využitím nefosilních zdrojů a energií a také akumulaci energie při její nepravidelné produkci větrnými elektrárnami.  Právě tyto možnosti vodíkových technologií zmiňují i dva články, publikované v poslední době. Speciální číslo amerického časopisu Scientific Američan (existuje i jeho česká mutace)  bylo před rokem věnováno  problematice energetiky budoucnosti, mj. právě vodíkovým technologiím, a v magazínu RTDinfo zabývajícím se problematikou evropského výzkumu,  byl rovněž ve zvláštním vydání v červenci 2007 otištěn článek  Jeremy Rifkina „Hydrogen revolution – The Next great European project“.  

Texty k foto a ilustracím:

(1) ASKOV P-L-Cour badatelka

Výzkumný areál Poulla Coura v Askově (Dánsko) – stav kolem roku 1900.  V budově vlevo je v současnosti expozice Muzea Poul la Coura. (Foto archiv muzea Poul la Coura, Askov)

(2) ASKOV P-L-Cour museum

Poul - Otto  Nissen, jeden z iniciátorů vzniku muzea Poul la Coura provází zájemce expozicí v autentické budově. Poul la Cour vše bedlivě sleduje z portrétu na obraze…

(3) ASKOV P-L-Cour elektrolyza

Demonstrace procesu elektrolýzy v Muzeu Poul la Coura

(4) FC elektrolyza

Objekt elektrolýzy a skladování vodíku ve Folkecentre for renevable energy nedaleko města Hurup  v Dánsku

(5) FC hydrogen auto

Folkecenter používá osobní vůz Ford Focus upravený na pohon vodíkem

(6) WIND HYDROGEN Utsira schema

Schéma instalace využívající větrné energie k výrobě vodíku a jeho využití na norském ostrůvku Utsira

(7) WIND HYDROGEN zařízení

Zařízení pro elektrolýzu vody, skladování vodíku a výrobu elektrické energie spalovacím motorem s pohonem na vodík u paty jedné ze dvou větrných elektráren Enercon 600 kW

na ostrůvku Utsira (foto HYDRO, Norsko)

Autor: Břetislav Koč

Zdroj: Časopis Alternativní energie - www.alen.cz