1891 - Wystawa we Frankfurcie

 

Międzynarodowa Wystawa Elektrotechniczna 1891 była dużym wydarzeniem, wzorowanym na paryskiej Wystawie Światowej, dającym wielu producentom dopiero raczkującego przemysłu elektrotechnicznego okazję do pokazania światu tych wszystkich wynalazków. Chciano zachwycać zwiedzających i pokazać choćby w zabawkowej formie wszystkie ewentualne możliwości urządzeń elektrycznych, jakie potencjalnie mogłyby nabrać znaczenia w przyszłości. Czego więc tam nie było - goście mogli objechać teren wystawy elektryczną kolejką wąskotorową, popłynąć elektryczną łodzią, pościgać na torze z poruszanymi elektrycznie figurami koni. Ze wszystkich stron migały różnego typu żarówki i lampy próżniowe. Centralnym punktem wystawy był natomiast zasilany elektryczną pompą dziesięciometrowy wodospad. Rzeczą mniej oczywistą dla zwiedzających było natomiast zaprezentowanie przez europejskie firmy sposobów przesyłu i generowania prądu, co stawało się w tym czasie problemem coraz bardziej palącym.

Dotychczas znane prądnice produkowały prąd stały, którym zasilano jednobiegunowe silniki i który przechowywano w stałoprądowych akumulatorach. Głównym problemem prądu stałego były natomiast straty podczas przesyłu. Aby nie spalić urządzeń trzeba było używać niezbyt wysokich napięć. Dla odmiany jednak prąd o niskim napięciu dużo silniej odczuwał opór przewodnika. Lepiej było przesyłać prąd wysokonapięciowy z elektrowni i potem obniżać jego napięcie dzielnikami, co dawało jednak kolejne straty energii. Z kolei elektrownie miały problem z wydajnym energetycznie generowaniem prądu o bardzo wysokich napięciach. Przesłanie prądu na odległość większą niż kilometr czy dwa stawało się kłopotliwe i bardzo stratne, elektrownie musiały być więc tworzone dosłownie w centrach miast, będąc jednak dość uciążliwe dla sąsiedztwa. *

Znany był już w tym czasie prąd przemienny i prądnice umożliwiające jego produkcję. Gdy odkryto także transformatory, w głowach co lepszych inżynierów zaczęło migać, że może jednak przesył prądu przemiennego będzie lepszy. Można prąd o niskim napięciu, produkowany w elektrowni, przetransformować na prąd o bardzo wysokim napięciu, który doznaje w trakcie transportu bardzo małych strat. Po dotarciu do miejsca przeznaczenia prąd zostaje przetransformowany ponownie na niskie napięcie bez generowania dużej straty na zmniejszenie napięcia. I tu pojawiał się problem, bo silniki prądu przemiennego nie były wtedy zbyt dobrze opracowane technicznie. Wydawało się, że bez prostowania prądu znów na stały, taka przesłana daleko elektryczność zasili najwyżej żarówki albo lampy łukowe.

I faktycznie początkowy rozwój elektryczności przemiennej był dość powolny. Na małą skalę tworzono sieci przesyłu prądu jednofazowego i dwufazowego. Teoretycznie opisano, że zwiększenie ilości faz powinno polepszyć właściwości prądu i wykorzystanie energii przez silniki.  Przełom nastąpił w momencie wymyślenia trójfazowych prądnic z indukowanym wirującym polem magnetycznym. To, kto był tym odkrywcą, nie jest jasne. Pierwszą publikację na ten temat przedstawił Galileo Ferraris z Włoch z 1888 roku; wkrótce potem patent na urządzenie działające na tej zasadzie dostał w USA Nikola Tesla, wniosek patentowy złożył jednak wcześniej, więc na pewno oboje pracowali nad tym równolegle nie wiedząc o sobie. Ferraris twierdził, że eksperymentował nad swoim alternatorem od 1885 roku, gdy to pierwszy raz zbudował eksperymentalny model. Na wieść o tym Tesla rozgłaszał, że on eksperymentował z trójfazową prądnicą od 1884 roku, tylko nikomu nie mówił. Idąc dalej, gdy jasne stało się, że system przesyłu prądu trzema przewodami z różnymi fazami opisał pierwszy Hopkinson z 1882 roku, który łączył ze sobą kilka prądnic, Tesla zaczął twierdzić, że on projektował takie systemy jeszcze wcześniej - tylko nikomu nie mówił.

W tym czasie technologią opanowania prądu przemiennego w Niemczech zajmował się Michał Doliwo-Dobrowolski. Urodzony w Rosji syn polskiego włościanina, który z powodu represji wobec obcego (polskiego) pochodzenia studentów po zamachu bombowym na Cara musiał wyjechać do Prus, gdzie dał się poznać jako pojętny student. Zaczął pracować dla firmy AEG, która w tym czasie produkowała urządzenia elektryczne prądu stałego. Zainteresował się wykorzystaniem prądu przemiennego i silnika asymetrycznego i dostał od zarządu wolną rękę do prac w tym kierunku. Szybko zaczął ogłaszać kolejne wynalazki dotyczące prądnic i silników. Jednym z opatentowanych pomysłów był silnik z pierścieniem ślizgowym, umożliwiającym przekazanie prądu do części wirującej.

Gdy już technologia zarówno wytwarzania trójfazowego prądu jak i jego wykorzystania w silnikach wydawała się opracowana, AEG wpadła na pomysł pokazania wszystkim jak dobry jest to system. Akurat w tym czasie miała odbyć się wystawa elektrotechniczna. Plan był taki - prądnica oparta o układ trójfazowy zostanie zamontowana na odpowiednio silnej turbinie w zaporze wodnej, następnie powstały prąd zostanie przesłany na dużą odległość do Frankfurtu, aby tam zasilić jakieś urządzenie oparte o trójfazowy silnik. Równocześnie miano więc zaprezentować zarówno zalety elektrowni trójfazowej, trójfazowego przesyłu prądu na duże odległości i trójfazowych silników. 

Prądnica w Laffer

Prądnica została zamontowana w turbinie wodnej cementowni w Laffer, koło Heilbronn, miała moc 300 koni mechanicznych. Wytworzony prąd o napięciu 55 V przetransformowano na 25 kV i przesłano do linii przesyłowej o długości 170 km prowadzącej do Frankfurtu. Na miejscu transformator obniżał napięcie wedle potrzeb, zaś przesłany prąd zasilał silnik elektryczny 100 KM napędzający pompę sztucznego wodospadu, trzy mniejsze silniki pokazowe i tysiąc żarówek.

Straty energii podczas przesyłu oceniono na 25%, co było w tym czasie wartością wyjątkowo małą. 

Wystawa okazała się wielkim sukcesem. Trwała od 16 maja do 19 października i przez tych kilka miesięcy obejrzało ją 1,2 mln zwiedzających.
We Frankfurcie planowano w tym czasie budowę elektrowni na lokalne potrzeby i należało zdecydować na jaki właściwie prąd będzie działać. Prezentacja AIG i wynalazków Dobrowolskiego przeważyła szalę i ostatecznie nowa elektrownia działała od początku w układzie trójfazowym. Przyczyniło się to też do zaakceptowania takiej metody przesyłu w innych krajach i dziś ostatecznie prąd trójfazowy to najpopularniejszy system w sieciach krajowych.

W międzyczasie Tesla najpierw wpadł w łapy Edisona, który nie widział przyszłości dla prądu przemiennego, a zwłaszcza takiego trójfazowego (ponoć jego zdolności matematyczne były niskie i dlatego nie ogarniał jak to działa fizycznie), potem po kłótniach i sporach o temat badań, finanse i kwestie umieszczania nazwisk w patentach odszedł. Zaczął szukać współpracy z inwestorami i udało mu się znaleźć współpracę z firmą techniczną. Jako jeden z inżynierów opracował dynama do elektrowni wodnej na rzece Niagara, która zaczęła pracę w 1896 roku. Od tego czasu przestawianie sieci z prądu stałego na przemienny trójfazowy bardzo przyspieszyło. 

Dziś Tesla i jego udział w stworzeniu tej elektrowni stały się tak bardzo znane, że błędnie twierdzi się nie tylko, że jego elektrownia wodna była pierwszą w ogóle, ale też że wymyślił on prąd trójfazowy w genialnym przebłysku, na co nikt wcześniej nie wpadł, pierwszy przesłał prąd trójfazowy z elektrowni na dużą odległość, i że wszystko co trójfazowe to amerykańskie osiągnięcia. Wygląda na to, że akurat w kwestii elektrowni wodnej i linii dalekiego przesyłu wyprzedził go Dobrowolski.

-----
* Dziś znamy już bardzo wydajne metody obniżania napięcia i zamiany prądu stałego w zmienny, dlatego do przesyłu dużego prądu na duże odległości używany jest przesył prądem stałym o gigantycznym natężeniu, który w takim zastosowaniu jest bardziej wydajny. Tym sposobem przesyła się prąd ze Szwecji do Polski przy pomocy kabla na dnie morza.