Stejně jako ve většině vyspělých zemí i ve Švýcarsku rychle roste počet vozidel, která zcela, nebo alespoň z části pohání elektřina. Stejně tak se zvyšuje i podíl elektřiny, který se v této alpské zemi získává z obnovitelných zdrojů. Mladá švýcarská start-upová firma sun2wheel se rozhodla spojit oba tyto vývojové trendy a vyvinula nabíjecí stanici, která umožňuje použít baterie elektrických vozidel i jako úložiště energie.

Je dobře známou skutečností, že vozidla po většinu času nikam nejedou, nehýbají se, ale jsou někde zaparkovaná – doma v garáži, na parkovišti v místě zaměstnání, u supermarketu či leckde jinde. To samozřejmě neplatí jen pro auta na fosilní paliva, ale i pro elektromobily. Jejich baterie mají přitom mnohem větší úložnou kapacitu, než jaká je potřeba pro každodenní ježdění. Zakladatelé společnosti sun2wheel si tento fakt uvědomili a vytkli si za cíl využít potenciál této velké kapacity k domácímu nebo i firemnímu skladování energie.

Tento švýcarský start-up vyvinul nabíjecí stanici, pomocí které lze elektromobily nejen nabíjet, ale také z nich uloženou energii jednoduše získávat zpět. Elektřina vyrobená například s pomocí fotovoltaických panelů umístěných na střeše domu tak může být po určitou dobu uložena v elektromobilu parkujícím v garáži a následně znovu použita přímo v tomto domě. Takto uloženou solární energii lze použít například v noci, kdy fotovoltaické panely nepracují, k provozu důležitých elektrických spotřebičů, které musejí být neustále v činnosti, nebo třeba i k vytápění budovy tepelným čerpadlem.

Přednosti nabíjecího systému sun2wheel zde ale nekončí. Jeho dalším zajímavým rysem je jeho modularita. Lze jej totiž rozšířit o další baterie, které již třeba svou službu elektromobilitě splnily a nyní čekají na likvidaci. Systém lze v podstatě neustále rozšiřovat. Tuto možnost zvláště ocení například větší bytové domy nebo kancelářské budovy. Pro ně vyvinula sun2wheel speciální novou technologii V2G, aby rezidenti či firmy mohli vlastními silami vyrobenou solární energii co nejlépe využít a zvýšit tak svou energetickou soběstačnost. V komerčním kontextu skýtá tento ukládací systém ještě další výhodu: tzv. peak shaving. Díky němu je možné v jisté míře korigovat výkyvy v síti, resp. zátěžové špičky, a přispět tak k usměrňování ceny elektřiny.

Ke svému nabíjecímu systému vyvinula firma sun2wheel i vlastní software, který umožňuje optimalizovat všechny energetické toky mezi vozidlem, fotovoltaickým systémem, akumulátorem, budovou a veřejnou elektrickou sítí. Celý systém tak lze ovládat, jak je to dnes obvyklé, i prostřednictvím mobilu.

Ve Švýcarsku dosáhl v polovině letošního roku podíl elektromobilů a plug-in hybridů na veškerém tamním vozovém parku 23 procent. Je však třeba mít na paměti, že přesun k elektromobilitě má smysl pouze tehdy, když budou elektromobily využívat především energii získanou z obnovitelných zdrojů. A právě o to společnosti sun2wheel jde. Díky svému novému nabíjecímu/vybíjecímu řešení navíc rozšiřuje možnosti využití elektromobilních baterií, což v kontextu stále rostoucích nároků na energetickou infrastrukturu hraje a bude hrát nemalou roli.    

Podle aktuálních statistik se budovy na celém světě na spotřebě energií podílejí více než 40 %. Z tohoto množství se pak přes 50 % vyplýtvá, protože budovy jsou řízeny neefektivně. Snížit jejich energetickou náročnost, resp. zvýšit energetikou účinnost je tedy jedním z velkých úkolů dnešní doby. Lidé navíc tráví uvnitř budov velkou část života, a proto je velmi důležité vytvářet pro ně v budovách komfortní prostředí. K tomu, aby bylo možné dosáhnout vysoké míry energetické efektivity a současně i uživatelského komfortu, je nezbytně nutné celou budovu integrálně řídit.

Tento tlak na majitele či provozovatele budov je ještě umocněn tím, že ve stále více digitalizovaném světě rostou očekávání, že budovy se budou tomuto vývoji průběžné přizpůsobovat. Je proto zřejmé, že na neustále se měnící požadavky může reagovat adekvátně pouze vysoce flexibilní a škálovatelný systém automatizace budov, označovaný též BMS (Building Management System). Cesta k němu však nebyla úplně přímočará a trvala několik desetiletí, možná spíše staletí.

Hledání standardu

První skutečné řídicí systémy budov fungovaly na pneumatické bázi a řídila se jimi vzduchotechnika, tedy to, co je dnes součástí systémů označovaných HVAC (heating, ventilation and air conditioning). V západním světě, zejména pak v metropolitních oblastech, se začaly výrazněji šířit v 60. letech minulého století.

Osmdesátá léta se nesla ve znamení nástupu analogových elektronických řídicích zařízení. Ta oproti svým pneumatickým předchůdcům poskytovala rychlejší odezvu a vyšší přesnost. O skutečné automatizaci řízení však můžeme hovořit až v 90. letech, kdy se na scéně objevily první digitální systémy označované jako Direct Digital Control (DDC). V polovině 90. let také začalo docházet k připojování řídicích systémů k rychle expandujícímu internetu. Protože však pro digitální komunikaci tohoto typu tehdy ještě neexistovaly žádné standardy, vytvořili si výrobci své vlastní komunikační metody. Automatizační systémy tak postrádaly interoperabilitu a nedokázaly propojovat produkty od různých výrobců. To pak často znamenalo, že budova byla de facto daným technologickým dodavatelem „uzamčena“.

Na konci 90. let, a zejména pak v prvním desetiletí nového milénia, proto sílily snahy o standardizaci otevřených komunikačních systémů. Americký Svaz inženýrů pro vytápění, chlazení a klimatizaci (ASHRAE) tehdy vyvinul komunikační protokol BACnet, který se celosvětově prosadil a stal průmyslovým otevřeným standardem. Na vývoji tohoto protokolu se ale začalo pracovat již od roku 1987, kdy se v americkém Nashvillu konalo první zasedání výboru ASHRAE sestaveného speciálně pro přípravu BACnet. V americkém standardizačním systému ANSI/ASHRAE je standardem od roku 1995 (Standard 135), v ISO od roku 2003 (ISO 16484-5).

Pro vyšší bezpečnost

V současné době se pracuje na vývoji nového standardu BACnet Secure Connect (BACnet/SC), který by měl stávající BACnet/IP nahradit. Půjde o zabezpečenou, šifrovanou spojovou vrstvu, která je navržena tak, aby splňovala nároky na moderní komunikační platformu propojující automatizační a řídicí úroveň managementu budovy a současně vyhovovala i veškerým požadavkům na kybernetickou bezpečnost. Vývoj tohoto nového standardu si vynutila rostoucí potřeba používat standardizovaných a často již existujících síťových IP infrastruktur pro komunikaci přes BACnet. Nový protokol s možností šifrované komunikace by tedy měl být klíčovým bezpečnostním prvkem v síťových technologiích budov, resp. v rodícím se internetu věcí budov (Building Internet of Things – BIoT).

Vedle BACnet však v současné době existují i další velmi používané protokoly, například Modbus, LONTalk, M-Bus nebo EIB/KNX. Poslední z uvedených protokolů stojí na základech Evropské instalační sběrnice (European Installation Bus – EIB), která, jak název napovídá, již byla brána jako celoevropský standard. Vznikla z elektroinstalační sběrnice Instabus, vyvinuté firmou Siemens, a jejím prostřednictvím již mohla být bez problémů propojována zařízení různých výrobců. Následné vytvoření standardu KNX znamenalo, že se původně ryze evropská sběrnice EIB stala mezinárodně uznávanou technologií.

Řídit vše z jedné platformy

Vedle informačních technologií se však v poslední době výrazně proměnilo i stavebnictví. Po řadě let zateplování tak jsme dnes v situaci, že u domů s kvalitní a neprostupnou obálkou se poměrně výrazně mění koncept celé regulace. Přehřívání domů se stává větší výzvou než jeho vytápění, přičemž velmi výraznou roli v udržování příjemného vnitřního klimatu hrají kromě samotné technologie chlazení také venkovní žaluzie a další zastiňovací prvky. Naprostou nezbytností je pak instalace vzduchotechnických jednotek se zpětným získáváním tepla (rekuperací), které zajišťují energeticky efektivní provětrávání. Budovy také bývají stále častěji vybaveny fotovoltaickými elektrárnami.

Všechny tyto systémy, které samy o sobě bývají ve větších budovách velmi složité, je třeba patřičně sladit. A není to ladění nikterak jednoduché, vždyť ve hře může být i několik desítek tisíc proměnných. To je třeba případ nové budovy banky ČSOB v pražských Radlicích, jejímž „mozkem“ je řídicí systém Siemens Desigo CC. Ten ovládá kromě jiného například systémy tepelných čerpadel, všech oken, otvírek a vzduchotechniky či rekuperace tepla – dohromady pracuje se zhruba 90 000 proměnnými.

Využívání jedné řídicí platformy ke správě všech technologií v budově tak přináší její výrazné zjednodušení – jak v oblasti jednotlivých pracovních postupů, tak analýzy dat či optimalizace provozu celého objektu. Není nutné příliš zdůrazňovat, že díky jednotnému a unifikovanému přístupu ke všem technologiím je možné dosáhnout značných časových a finančních úspor.

Systémy řízení a automatizace budov zpravidla integrují tyto segmenty:  

Vytápění, větrání, chlazení – Primární regulace zdrojů tepla, zdrojů chladu a vzduchotechnických jednotek, pokojová (IRC) regulace. 

Osvětlení, stínění – Regulace osvětlení a stínění v jednotlivých místnostech (IRC).

Energetický management – Management výroby, ukládání, distribuce a spotřeby energie. Díky získaným datům, sledování trendů a pokročilým reportům lze optimalizovat procesy vyvažování spotřeby energie při zachování komfortu.

Bezpečnostní systémy – Součinnost dílčích bezpečnostních systémů, jako je detekce vniknutí, kontrola vstupu nebo videodohled.

Požární bezpečnost – Kombinace detekce požáru, vyhlašování poplachu, organizace evakuace, hašení a grafických nadstavbových systémů.

Klimatizace pro kuřata

Ponořme se však ještě jednou do historie, tentokrát ještě hlouběji, protože prvopočátky automatizace správy budov mají něco společného i s českými zeměmi. Za první historicky doložený pokus o mechanizaci řízení budovy se totiž považuje vynález primitivního rtuťového termostatu Cornelia Drebbela. Ten se ovšem zabýval také alchymií a v letech 1610–1612 pobýval na pozvání císaře Rudolfa II., známého podporovatele alchymistů, v Praze. Tento jinak v Londýně žijící Nizozemec vynalezl kolem roku 1600 regulační zařízení se zpětnou vazbou, které dokázalo udržovat konstantní teplotu v kuřecí líhni. Kromě toho Drebbel vyvinul také první klimatizační systém.

Dalším milníkem byl rok 1883, kdy Warren Seymour Johnson, učitel z amerického Milwaukee, vynalezl termostat, který již nesl určité rysy toho, co dnes označujeme za systém řízení budovy. Johnson byl frustrován z toho, že ve třídách nešlo regulovat výkyvy teploty. Vynalezl proto automatický vícezónový pneumatický řídicí systém, kterým problém vyřešil.

Systém obsahoval bimetalový termostat ke kontrole průchodu vzduchu tryskou, a tím řídil pilotní regulátor. Zesílený vzduchový signál z regulátoru následně ovládal parní nebo horkovodní ventil na tepelném výměníku nebo řídil klapku klimatizačního systému. Johnson si tento systém nechal v roce 1895 patentovat.

Jeho řešení se postupně rozšířilo a vedle škol našlo uplatnění i v kancelářských budovách, nemocnicích nebo hotelech. Zakázek začalo rychle přibývat a Johnson, aby je dokázal uspokojit, založil společnost Johnson Electric Service Company, z níž se posléze stal koncern Johnson Controls.

Bílá barva se v barevné paletě naší planety objevuje na mnoha místech, od ledových tunder až po oblaka. Díky této barvě se sluneční světlo přirozeně odráží od zemského povrchu zpět do vesmíru. Tento efekt – známý jako albedo – má obrovský vliv na průměrnou globální teplotu.

Představte si svět celý pokrytý oceány. Ačkoli tato představa může vyvolávat osvěžující pocit chladu, absence bílých odrazivých ploch by ve skutečnosti vedla ke zvýšení průměrné teploty povrchu Země na téměř 30 °C. Tedy na dvojnásobek současné průměrné teploty, která se pohybuje kolem 15 °C.

Pokračující úbytek ledové a sněhové pokrývky na naší planetě je nejen důsledkem klimatických změn způsobených lidskou činností, ale také vede k dalšímu zvyšování povrchové teploty. Nejhorší scénáře klimatických modelů předpovídají, že pokud se emise CO₂ do roku 2050 výrazně nesníží, mohou být průměrné teploty v roce 2100 o 1,5 °C vyšší než v současnosti, mimo jiné díky snížené odrazivosti Země. Barva našeho světa má důležitou vliv na jeho budoucnost.

Slavné bílé budovy na ostrovech, jako je řecký Santorini, nejsou jen na parádu: lidé již stovky let vědí, že bílá barva nejlépe odráží teplo. Tradičně se k pokrytí takových budov používá barvy vyrobené ze sádrovce, minrálu, který obsahuje síran vápenatý (CaSO₄). Nedávná studie zveřejněná v časopis American Chemical Society naznačuje, že alternativní barva obsahující síran barnatý (BaSO₄) by mohla být ještě účinnější při odrážení slunečního záření dopadajícího na budovy zpět do vesmíru.

Klíčem k účinnosti této nové barvy na bázi síranu barnatého jsou v ní obsažené nanočástice. Ty nejen poměrně účinně odrážejí sluneční energii. Důležité přitom je, že vyzařují teplo na specifických infračervených vlnových délkách v rozmezí 0,008-0,013 milimetru. Tyto vlnové délky odpovídají části atmosféry, která je vysoce průhledná, známé jako “atmosférické okno”.

To znamená, že mnohem více odražené sluneční energie se může odrazit přímo tímto “oknem” zpět do vesmíru, místo aby zůstala zachycena v zemské atmosféře a přispívala ke globálnímu oteplování. Podle autorů studie se při dopadu slunečního záření na barvu ze síranu barnatého odrazí téměř 10 % záření právě na těchto vlnových délkách.

Použití tohoto typu nátěru na budovy v oblastech s teplým podnebím pomůže udržet budovy chladnější – velký problém zejména v městských oblastech, kde hustota lidí a budov může v letních měsících vyhnat teploty do nesnesitelných výšek.

Studie ukazuje, že natírání budov barvou na bázi síranu barnatého může snížit teplotu uvnitř budov o 4,5 °C oproti teplotě venkovního vzduchu. Tato technologie má potenciál výrazně snížit náklady na chlazení budov tím, že sníží závislost na klimatizaci.

Nicméně tento bělejší než bílý nátěr má i svou temnější stránku. Kvůli energetické náročnosti těžby surové barytové rudy k výrobě a zpracování siřičitanu barnatého, který tvoří téměř 60 % barvy, má tato barva značnou uhlíkovou stopu. Široké používání barvy by znamenalo dramatický nárůst těžby barya.

Bílé střechy provozoven obchodního řetězce Walmart pomáhá šetřit energií (foto Walmart)
Bílé střechy provozoven obchodního řetězce Walmart pomáhá šetřit energií (foto Walmart)

Přírodní chladicí triky

Barva na bázi siřičitanu barnatého je jen jeden způsob, jak zlepšit odrazivost budov. Posledních několik let jsem strávil výzkumem bílé barvy v přírodě, od bílých povrchů po bílá zvířata. Zvířecí chlupy, peří a motýlí křídla poskytují různé příklady toho, jak příroda reguluje teplotu ve struktuře. Napodobení těchto přírodních technik by mohlo pomoci udržet naše města chladnější s nižšími náklady pro životní prostředí.

Křídla jednoho intenzivně bílého druhu brouka Lepidiota stigma vypadají nápadně jasně bílá díky nanostrukturám v šupinách, které velmi dobře rozptylují dopadající světlo. Tuto přirozenou vlastnost rozptylování světla lze využít při navrhování ještě lepších barev: například použitím recyklovaného plastu k vytvoření bílé barvy obsahující podobné nanostruktury s mnohem nižší uhlíkovou stopou. Pokud jde o inspiraci z přírody, nebe je neomezené.

Autorem textu ke Andrew Parnell, fyzik a astronom na Sheffieldské univerzitě. Tento článek byl přetištěn z The Conversation pod licencí Creative Commons. Originál najdete zde.

V předchozí části našeho článku jsme popsali princip „superchladivých“ materiálů, které se dokáží uchladit i na přímém slunečním světle. Také jsme popsali práci týmu, který dal nakonec vzniknout společnost SkyCool Systems.

V tomto díle se budeme věnovat jejich jiež existující i potenciální konkurenci.

V jednoduchosti je síla

Zajímavý byl především projekt skupiny z Coloradské univerzity, jehož výsledky byly zveřejněny v roce 2017. Jejich materiál byl za prvé účinnější, protože z jednoho metru čtverečního povrchu dokázal během praktického pokusu vyzářit více energie, a tedy účinněji chladil: místo 40 W/m2 vyzářil i během poledne 93 W/m2.

Především však byl použitý materiál levný, a lze ho poměrně jednoduše tisknout (roll-to-roll) s nízkými náklady. Skupina totiž pracovala s levnými materiály, plastem a skleněnými kuličkami o průměru jednotek mikrometrů, protože ty při této velikosti silně září v oblasti 8–13 mikrometrů.

Tento i další pokusy ukazují, že materiál, který sálá proti obloze i během dne, lze vytvořit z levných ingrediencí. Je to dané tím, že v žádoucí oblasti infračerveného spektra sálá molekul s relativně běžnými chemickými vazbami (například uhlík-uhlík či uhlík-fluor), které jsou běžnou součástí řady polymerů, tedy velký molekul, tzv. makromolekul.

Stejný objem dřeva v přirozeném stavu (vlevo) a po přepracování na "chladivé dřevo"
Stejný objem dřeva v přirozeném stavu (vlevo) a po přepracování na “chladivé dřevo” (foto: Liangbing Hu InventWood)

Coloradský tým toho využil k vytvoření „superchladivého“ dřeva. I to obsahuje makromolekuly, které vyzařují ve vhodné části spektra. Bylo ho „pouze“ nutné zbavit klíčové molekuly, ligninu, jež mu dává barvu, vzniklo bílé dřevo, které se ani na slunci téměř nezahřívá.

Ovšem lignin zajišťuje mimo jiné rovněž pevnost dřeva, a pak materiál je nutné ještě stlačit, aby došlo ke srovnání vláken ve dřevě a zvýšila se jeho schopnost zářit v infračerveném spektru (tj. zbavovat se přebytečného tepla).

Kdo to postaví

Hned několik výzkumných skupin v současné době spolupracuje s firmami na možné komercializaci nápadu v různých podobách, od hliníkových panelů po nátěry, které také ve zvýšené míře odrážejí světlo. Vědci dokonce založili malou firmu, která chce prosadit do praxe „superchladivé“ dřevo.

Jedním problémem „superchladivých“ materiálů na budovách je, že v chladnějším klimatu by během zimy mohly zvyšovat náklady na topení. Existují různé nápady, jak tomu čelit. Jeden start-up navrhuje vyplnit póry v materiálu izopropanolem, což v důsledku zcela změní vlastnosti materiálu, a ten začne teplo naopak pohlcovat. Ale problém i jeho řešení zatím existují pouze na papíře.

Další velkou neznámou je přístup možných zákazníků, kteří jsou leckdy k možným úsporám energie nečekaně hluší. Ani v teplém klimatu není všeobecným zvykem důsledně využívat na budovy reflexních bílých barev, které odrážejí přicházející sluneční záření. Nemluvě o případné pravidelné obnově nátěru. Pravda, sálavé materiály použitelné i v přímém slunečním světle mohou možné úspory výrazně navýšit, to samo o sobě úspěch nezaručuje.

Ovšem fyzikové mají čas. „Superchladivé“ materiály jsou stále ještě velmi mladé a nezralé. Možná že nakonec najdou zcela jiné využití, než jejich autoři původně předpokládali, ale je těžké si představit, že tak šikovný „trik“ si nenajde vůbec žádné.

Druhý, závěrečn část textu. První díl najdete na této stránce.

Na střeše obchodu Howarda Bisla v kalifornském Sacramentu už téměř tři roky stojí fyzikální zvlášnost: panely, které zůstávají chladnější než jejich okolí, dokonce i pod planoucím horkým sluncem, aniž spotřebovávají energii.

Jsou potažené tenkou chladicí fólií, pod nimi se pak táhnou desítky metrů trubek s chladicí kapalinou, kterou rozvádí do obchodu. „Ani v horkém dni nejsou horké,“ řekl Bisla na sklonku roku 2019 časopisu Nature.

Panely vznikly díky práci vědců ze Stanfordské univerzity v Kalifornii. V roce 2014 tamní tým oznámil, že vytvořil nový materiál s vlastnostmi, které v přírodě nenajdete (někdy se pro takové materiály používá označení metamateriál). Dva členové původního týmu, Shanhui Fan a Aaswath Raman, pak s dalším kolegou Elim Goldsteinem založili start-up SkyCool Systems – firmu, která nakonec Bislovi dodala jeho panely. Od té doby firma ve spolupráci s dalšími vědci vytvořila celou řadu dalších materiálů, jež s původním vzorkem sdílejí neobyčejnou vlastnost, že zůstávají v chladu i na přímém světle: speciálních „chladných“ nátěrů, barev i speciálně ošetřeného dřeva.

Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)
Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)

Všechny tyto materiály se spoléhají na již dlouho známý mechanismus, známý jako sálání proti obloze. Každý člověk, budova a objekt na Zemi vyzařuje teplo, ale naše atmosféra se chová jako deka, záření z velké části zachycuje, a teplo tedy zadržuje. Ovšem ne zcela všechno: Infračervené paprsky o vlnové délce 8 až 13 mikrometrů procházejí zemskou atmosférou lépe než záření v jiných oblastech. Naše atmosféra je pro ně velmi dobře průhledná, a tak snadno unikají do chladného vesmíru.

Praktické využití jevu omezuje fakt, že sálání je v případě běžných materiálů možné pouze v noci. Ve dne na povrch dopadá mnohem více slunečního světla, než kolika je možné se zbavit sáláním, a tak celková bilance vychází nepříznivě: běžné materiály se prostě na slunečním světle zahřívají.

To u nových nových – někteří vědci říkají „superchladivých“ – materiálů neplatí. Jejich podstata je přitom jednoduchá: v podstatě jde o materiály, které odrážejí co nejvíce světla ve všech oblastech spektra mimo 8–13 µm části infračerveného spektra. To jen proto, aby se na běžném světle tento materiál nezahříval příliš. Ve vybrané oblasti naopak teplo z okolí přímo „hltá“. Ovšem pouze proto, aby ho pak mohl vyzářit přímo do vesmíru, samozřejmě za podmínky, že panely jsou pod širým nebem a namířeny do vesmíru.

Díky tomu mohou zůstávat i během dne o několik stupňů chladnější než okolní vzduch (v noci je efekt je větší). V suchých a horkých oblastech může být rozdíl až 10 °C. V oblastech s vyšší vzdušnou vlhkostí (tedy třeba i v České republice) je rozdíl teplot menší, protože část unikajícího tepla zachycuje vodní pára v atmosféře.

Z opačného konce

Hledání sálavých materiálů použitelných i ve dne začalo v hlavě Aaswatha Ramana v roce 2012. Pracoval na své dizertaci o materiálech vhodných pro získávání energie ze slunce, když narazil na práce o této problematice. Když zjistil, že se tématu nikdo příliš nevěnoval, rozhodl se alespoň přibližně spočítat, jaké by musely být vlastnosti materiálu, který by dokázal vyzařovat teplo i během dne.

Zjistil, že aby více tepla ztrácel než vyzařoval, musí pohlcovat méně tepla než běžná bílá barva a odrážet alespoň 94 % dopadajícího slunečního záření v rozsahu od 200 nanometrů do 2,5 mikrometrů. Ve „vyzařovacím“ pásmu 8–13 mikrometrů musí být účinnost pohlcování i vyzařování téměř stoprocentní. Stačí jen o něco méně a materiál se bude ohřívat.

Po diskuzi s dalším budoucím kolegou ze start-upu, Shanhuiem Fanem, dospěli oba mladíci k závěru, že takový materiál je možné vyrobit. Musí být ovšem být pečlivě navržený na mikroskopické úrovni: musí mít totiž „nanostruktury“ takových rozměrů, aby umožnily průchod jen světla těch vlnových délek, které má materiál pohlcovat. Skupina teoreticky spočítala, jak by povrch takového materiálu mohl vypadat, a v roce 2013 své výsledky publikovala v odborném časopise Nano Letters.

Vědci se pokusili získat prostředky na praktický pokus a podali si projekt k agentuře ARPA-E. Jde o malou americkou státní agenturu na podporu „šílených“ nápadů v oblasti energetiky. ARPA-E nemá na poměry amerického státního rozpočtu k dispozici velké prostředky, cca kolem 360 milionů dolarů (9 mld. korun) ročně. Je ovšem ochotna financovat i velmi riskantní projekty, pokud se zdá, že by mohly mít v budoucnosti značný ekonomický či technologický dopad.

Raman a Fan narazili v agentuře na pochopení a dostali 400 tisíc dolarů a rok na to, aby materiál sestrojili. Aby se vešli do rozpočtu, vědci materiál proti původního návrhu výrazně zjednodušili a sáhli po osvědčených materiálech. Složili do sendviče materiály silně odrazivé (z oxidu hafničitého) a méně odrazivé vrstvy (ze skla). Jejich pořadí i tloušťka a množství byly nastaveny tak, aby materiál odrážel co nejvíce světla mimo danou oblast.

Prototyp skutečně fungoval: při slunečním příkonu kolem 850 W/m2 byl o 5 °C chladnější než okolní vzduch. Nejde o nijak úžasné hodnoty, protože 850 W/m2 je méně, než kolik dopadá na povrch v našich zeměpisných šířkách během letního poledne; na povrch totiž může dopadat až zhruba 1000 W/m2. Přesto šlo o důkaz, že v principu je chlazení sáláním možné i ve dne, a ARPA-E tak v následujících letech financovala ještě další podobné projekty.

O těch si můžete přečíst více v další části článku. Konec I. části.

Bez dluhů to dnes nejde. Bez sítě úvěrů současná ekonomika fungovat nemůže a lze si ho vzít na cokoliv. A tak by vlastně nemělo být překvapením, že na popularitě získává i úvěr na to, co hýbe dnešní dobou: na úspory.

Nástroj označovaný jako EPC (Energy Performance Contracting) vám nabízí, že neutratíte nic navíc, a přitom vás hřeje vědomí, že začínáte šetřit. A brzy to poznáte i na svém účtu.

Jeho podstata je jednoduchá. Odborníci vám na klíč bez předchozí platby dodají úsporné řešení speciálně vytvořené pro vaši budovu. Obvykle zahrnuje jen malé stavební úpravy, především ale výměnu různých zařízení a montáž zařízení nových, zajišťujících úsporné fungování budovy.

Za účinnost řešení se zaručí dodavatelé. Jako honorář za odvedenou práci si ovšem vezmou jen tu část původního účtu za energie, kterou už nemusíte posílat distributorovi. Když se pak obě strany po několika letech rozloučí, zákazník dál využívá pozitivní efekty vyplývající z instalovaných úsporných opaření a veškeré finanční benefity zůstávají v jeho kapse.

Hlavně hlavou

Budovy, které projdou EPC kúrou, nebývají tepleji zabalené, ale chytřejší. Klíčovým krokem zde totiž bývá zavedení inteligentního systému sledování toku energií budovou. V reálném čase tak může vlastník sledovat, kde a kolik se spotřebovává, a samozřejmě také vlastní spotřebu řídit z jednoho nebo více „velínů“.

Obměny se obvykle dočká i samo technické zázemí. Dochází však i k náhradě celých technologií. Aby se budova stala „chytřejší“, objeví se v ní například řada nových senzorů a také rozvody, které lze dálkově ovládat a řídit tak tok energie budovou. Často po jednotlivých místnostech.

Zavedení chytrých systémů má i jednu psychologickou výhodu. Snadno přístupné a jasně čitelné informace o spotřebě obvykle vedou samy o sobě k úsporám, což potvrzují i zkušenosti experimentálních psychologů. Plýtvání totiž nemá rád téměř nikdo.

Zvyšování energetického IQ budovy doprovází samozřejmě i změny hardwaru. Někde mohou výrazně ušetřit prosté výměny světel za úspornější. V případě dodávek tepla, u kterých bývají úspory největší, se zase vyměňují staré zdroje energie za novější. Například moderní typy plynových kotlů mají obvykle výrazně lepší účinnost. V některých případech se sáhne i po zajímavějších technologiích. V pražském Národním divadle například využívají tepelné čerpadlo, které využívá odpadní teplo z hydraulického systému k vytápění jiné části budovy.

Rozvody energií (kredit DoE)

Nebalit, prosím

Pro laiky překvapivě zde téměř nikdy nehraje roli fyzické zateplování budov, které je u starších bytů a obytných domů tak populární. Samozřejmě jde o peníze. Cena zateplení několikanásobně přesahuje cenu zbylých opatření, která se obvykle vrátí v rozmezí pěti až sedmi let, jak ukazuje pohled na seznam současných EPC projektů v České republice.

Změna systému vytápění a zateplení může ušetřit maximálně – a to spíše výjimečně – polovinu nákladů na teplo, obvykle ale spíše o něco méně. Bez zateplování se úspory tepla většinou pohybují od pětiny do třetiny ročních nákladů. Rozdíl ceny je však podstatně vyšší než rozdíl v efektu.

Metodu EPC dovedli k dokonalosti američtí byrokraté. V 80. letech se v USA řešila otázka, jak zaplatit energetické úspory košaté federální administrativy. Kdyby si na ně stát měl půjčovat, jeho dluhy by byly ještě bolavější, a kdyby se na ně mělo naopak spořit postupně z rozpočtu, změny by byly pomalé.

Řešením byla přeměna spotřebovávaných energií na peníze. V součinnosti s firmami vznikla metoda, jejíž kouzlo spočívá v tom, že by se nemělo platit za to, co nevidíte. Investice se totiž splácí jen z reálných úspor ve spotřebě energie.

V České republice se první moderní projekty úspory energií objevují již od 90. let. Jejich celkový objem se blíží třem miliardám korun a úspory za energie přesáhly vloni tři sta milionů korun. Protože se ovšem trh rozběhl hlavně v posledních několika letech, hodnota úspor by se měla v blízké době poměrně rychle zvyšovat.

Těžko si koneckonců představit opak. České teplárny v nejbližší době čeká nejprve lobbistický a pak možná i fyzický boj o uhlí. Ceny ropy a v teplárenství důležitějšího zemního plynu jsou nevyzpytatelné jako dubnové počasí. V návrat „láce“ z doby před deseti lety se však odváží doufat jen málokdo.

Šetření metodou EPC se může týkat úspor tepla, elektřiny či vody. Společné je to, že se jeho financování realizuje postupně z úspor, které majiteli objektu přinesou zavedená opatření. Ten tedy platí projekt průběžně, jako by platil za energie, ovšem ne distributorovi, ale realizátorovi projektu.

Na střechách rodinných a bytových domů v Praze a okolí by se vešly solární panely s celkovým výkonem možná až 675 megawattů (MW). Takový je alespoň závěr analýzy, kterou vypracovala společnost EkoWATT na zakázku Aliance pro energetickou soběstačnost (analýza je ke stažení v PDF) .

Praha má klimatický plán, podle kterého by v roce 2030 měla pokrývat polovinu svých energetických potřeb z obnovitelných zdrojů energie (ne nutně ze zdrojů na svém území, samozřejmě). Studie má za ambici ukázat, jaký je potenciál lokálních zdrojů energie.

Podle výsledků by se na vhodné střechy obytných domů v hlavním městě a v okresech Praha-západ a Praha-východ dalo instalovat 472 až 675 megawattů (MW) výkonu. „Bilančně to pak vychází, že každá čtvrtá až pátá pražská domácnost může během roku spotřebovávat “jen” solární energii,“ prezentoval výsledky výpočtů Jiří Beranovský z konzultační společnosti EkoWATT a spoluautor Manuálu.

Studie počítá s omezeními, jako je orientace střechy, zastínění nebo neochota vlastníků bytových jednotek ke společné investici. Také zatím nepočítá s nasazením méně obvyklých technologií, jako je využití solárních fasád nebo solárních střešních tašek v místech, kde současné památkové předpisy nedovolují instalaci běžných solárních panelů.

Vypočítaný potenciál se vztahuje pouze na rodinné a bytové domy a nezahrnuje ostatní typy budov, jako jsou kancelářské, průmyslové a veřejné budovy (např. budovy státních orgánů nebo škol). Mnohé z nich přitom čekají zásahy spojené s adaptací na změnu klimatu, ať už v podobě zateplení, výměny oken nebo zelených střech.

Instalace fotovoltaických panelů
Instalace fotovoltaických panelů (foto UK Gov.)

Města dostávají nové impulsy

Analýza je součástí Manuálu pro využití lokální energetiky, který zmiňuje příklady dobré praxe ze zahraničních metropolí. Společným znakem měst, jako je Vídeň, Freiburg, Berlín nebo Řím je, že si pro sebe stanovily konkrétní a ambiciózní cíle v oblasti solární energetiky a vypracovaly plány k jejich naplnění.

V Římě se jedná o interaktivní mapu 157 městských fotovoltaických zařízení, z nichž většina je instalována na střechách školních budov. Ve Vídni budou masivně rozšiřovat solární panely na celkem 120 000 metrů čtverečních. Ve Freiburgu se jedná například o projekt Das Sonnenschiff (Sluneční loď), což je první komerční energeticky plusová stavba tohoto druhu. Město Berlín má v plánu zajistit značné rozšíření solárních panelů na střechách města s cílem dodat do roku 2050 solární energii, která pokryje přibližně 25 % potřeby města. Průvodní studie Fraunhofer ISE zjistila, že Berlín by mohl do roku 2050 ve městě využívat 4,4 gigawattů sluneční energie.

Podobnou cestou chce vyzkoušet i Brno. To by rád vybudovalo lokální obnovitelné zdroje propojené do jedné velké virtuální elektrárny, jejíž provoz bude mít na na starosti městský podnik. Zapojit se do ní podle plánů má 120 tisíc metrů čtverečních střech na 120 městských budovách, které pokryjí solární panely. K dispozici by mělo být i společné úložiště energie.

Českým a moravským městům pomůže k investicím do nových projektů obnovitelných zdrojů připravovaný Modernizačním fond nebo post-covidový Fond obnovy a odolnosti. Města přitom nebudou jedinými beneficienty programu.

Načíst další