Století páry pokračuje. Ani to nevíte

Josef Myslín  |  Technika

Princip parního stroje ani v dnešní době rozhodně nepatří do muzea. Výroba elektrické energie se bez páry neobejde.

Přestože parní stroj byl jedním z vynálezů, které odstartovaly průmyslovou revoluci, dnes je pokládán za cosi archaického, co má své místo pouze v muzeu jako exponát ukazující zaostalou a primitivní minulost.

Dnes přece nepotřebujeme páru jako zdroj energie pro pohon našich strojů, přístrojů a zařízení. Dnešním hitem je elektrická energie, ne pára. Ale při bližším zkoumání poznáme, že zavrhnout páru by bylo přinejmenším šílené. Pára má totiž v našich životech stále své místo; místo velmi čestné a důležité. Jediné, co se změnilo, je fakt, že páru již běžně nevidíme. Ale vzduch také nevidíme a nikdo nepochybuje o jeho absolutní důležitosti.

Jak funguje parní stroj?

Parní stroj je zařízení, které přeměňuje energii vodní páry na mechanický pohyb. V podstatě veškerá činnost, která se v přírodě děje, je přeměnou jedné formy energie na jinou. U parního systému máme k dispozici kotel, ve kterém ohříváme vodu. Při tom se spaluje palivo, jako je například uhlí. Voda při určité teplotě vře a mění své skupenství z kapalného na plynné, vzniká tedy pára. Tato pára svým tlakem způsobuje pohyb dalšího zařízení, nejčastěji pístu.

Pohyb pístu sám o sobě by většinou nebyl užitečný, máme však možnost pomocí dalších prvků převést jej například na otáčivý pohyb, což se hodí například u vozidel. Tyto další operace jsou však pouze transformací, základním principem je využití síly páry, která je schopna rozpohybovat nějaké zařízení.

Dnes se parní stroje v této podobě nepoužívají, většinou využíváme elektrické či spalovací motory. Ale jak je to vlastně s elektřinou? Opravdu se obejdeme bez páry?

Elektřina bez páry

Většina elektrické energie se u nás vyrábí v tepelných či jaderných elektrárnách. Ostatní zdroje jsou dnes jen doplňkem v portfoliu možných způsobů, jak elektřinu vyrobit. V tepelné elektrárně se spaluje uhlí a na konci celého procesu je vyrobená elektřina. Ale co je mezi tím?

Nákres tepelné elektrárny. Zdroj CC: FDominec
Nákres tepelné elektrárny. Zdroj CC: FDominec

Na obrázku je vidět systém tepelné elektrárny. Zjednodušeně můžeme říct, že: spalováním uhlí se zahřívá voda až do stavu, kdy dojde ke změně skupenství a voda se promění v páru. Tato pára se pod tlakem žene na turbínu, kterou roztáčí. Roztočená turbína pak umožňuje generovat elektrickou energii procesem zvaným elektromagnetická indukce.

Všimli jste si? Turbína je poháněná parou pod tlakem. Jde tedy fyzikálně o naprosto stejný proces, který se děje v parním stroji.

A jak je to u jaderné elektrárny

Možná si řeknete, že tepelná elektrárna je již poměrně staré zařízení, proto využívá starých principů. Podívejme se, jak funguje moderní jaderná elektrárna. Ta jako palivo využívá jednu z forem uranu a využívá jeho radioaktivitu. Těžké jádro uranu se štěpí, při štěpení se vytváří dvě či více lehčích jader, ale především se uvolňuje velké množství energie. A co se s energií stane? Podívejte se na obrázek se schématem provozu jaderné elektrárny:

Schéma nejběžnějšího typu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem. Zdroj CC: Steffen Kuntoff
Schéma nejběžnějšího typu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem: 1. Reaktorová hala, uzavřená v nepropustném kontejnmentu; 2. Chladicí věž; 3. Tlakovodní reaktor; 4. Řídící tyče; 5. Kompenzátor objemu; 6. Parogenerátor. V něm horká voda pod vysokým tlakem vyrábí páru v sekundárním okruhu; 7. Aktivní zóna; 8. Turbína – vysokotlaký a nízkotlaký stupeň; 9. Elektrický generátor; 10. Transformační stanice; 11. Kondenzátor sekundárního okruhu; 12. Plynný stav; 13. Kapalný stav; 14. Přívod vzduchu do chladicí věže; 15. Odvod teplého vzduchu a páry komínovým efektem; 16. Řeka; 17. Chladící okruh; 18. Primární okruh (voda pouze kapalná pod vysokým tlakem); 19. Sekundární okruh (červeně značena pára, modře voda); 20. Oblaka vzniklá kondenzací vypařené chladicí vody; 21. Pumpa. Zdroj CC: Steffen Kuntoff

Energie uvolněná při štěpení uranových jader nedělá nic jiného, než že ohřívá vodu a mění ji na páru. A tato pára, stejně jako u tepelné elektrárny, roztáčí turbínu. Dále už příběh známe.

Takže jaderná elektrárna využívá páru, stejně jako její tepelná sestra, stejně jako parní stroj. Když se podíváte na schémata obou typů elektráren, zjistíte, že fyzikálně se liší pouze způsob výroby páry, ne však způsob výroby samotné elektřiny.

A co budoucnost?

Zavržení páry by nám způsobilo nemalé potíže. Jen vodní, fotovoltaické či větrné elektrárny, které navíc vyrábí energii velmi draze, by nám dostatek energie určitě nezajistily.

Jako svatý grál energetiky je vnímáno zkrocení termojaderné fúze. Prozatím dokážeme vytvořit jen experimentální zařízení, kde sice dokážeme fúzi řídit, nicméně tato zařízení nesplňují podmínku samoudržení. Jinými slovy – spotřebují více energie, než kolik jí vyrobí.

Jakmile bychom však dokázali vytvořit takové zařízení, které by podmínku samoudržení splnilo, získali bychom levný a prakticky neomezený zdroj energie. Palivem je vodík, který lze celkem snadno separovat z vody. Ale i zde se počítá s tím, že fúze by uvolňovala energii pro zahřívání vody na páru a tato pára by poháněla turbíny.

Parní stroje jsou opravdu minulostí a setkáme se s nimi jen v muzeu. Ale pára a fyzikální princip, na kterém parní stroje fungovaly, je s drobnými úpravami neustále pevnou součástí našich životů.

Nejčtenější