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.

Čína představila první datové centrum nového typu, který se má stát páteří její IT infrastrukutury v následujících letech. nové datacentrum bude ležet pod hladinou moře v přístavu Ču-chaj. Podvodní datacentra nebudou čínskou specialitou, výhody jsou příliš veliké.

Ponorná datacentra by totiž měla mít výrazně nižší spotřebu energie: “Největší překážkou rozvoje datových center je spotřeba energie. Spotřebovává příliš mnoho energie a nelze ji zastavit ani na vteřinu. Mořskou vodu lze využít ke snížení spotřeby energie přibližně o 30 procent,” uvádí se ve zprávě státní zpravodajské agentury China News Service, která cituje Xu Tana, viceprezidenta společnosti Highlander, která má první podmořské čínské datacentrum provozovat.

Nižší účet za elektřinu

Byť naše data se zdají být nehmotná, jejich fyzický protějšek je hmotný více než dost. Datacentra se dnes podílejí zhruba necelými dvěma procenty na celosvětové spotřebě energie. A je to vlastně veliký technologický ústav, protože ještě nedávno se zdálo, že to může být mnohem více.

První generace velkých datacenter spotřebovávala i 40 % energie na chlazení počítačového vybavení – to znamená, že chlazení vlastně spotřebovávalo téměř stejně energie jako provoz samotných počítačů. Všechny velké společnosti ovšem postupně začaly zavádět různá opatření, která měla spotřebu snížit.

Opatření byla někdy téměř humorná. Například Google změnil svůj dress-code a dovolil technikům chodit do práce v krátkých rukávech a šortkách – a i díky tomu si mohl dovolit zvýšit teplotu v centrech o několik stupňů, a ušetřit několik procent na elektřině. Důležitější byly ovšem technologické změny. Začalo se například používat tzv. volné chlazení (i v češtině se často používá anglický výraz free-air cooling), při kterém se k chlazení využívá nižší teploty vnějšího vzduchu.

Energetická úspora je daná tím, že se v takovém systému nepoužívají kompresory, ale vzduch volně proudí přes výměník s od počítačů ohřátou chladicí kapalinou a odvádí přebytečné teplo pryč. Tento postup samozřejmě je podstatně úspornější. Podle zkušeností společnosti Microsoft umožňuje snížit náklady na chlazení na 10 až 30 procent z celkových provozních nákladů – rozptyl je daný z velké části tím, v jakém podnebí provoz stojí.

V tom také může být kámen úrazu. Datová centra by v řadě případů měla stát blízko uživatelům, aby se zrychlila jejich odezva. Ne vždy je to samozřejmě nutné, v některých případech je to uživateli vlastně jedno, za kolik milisekund dokáže jeho počítač navázat spojení s „cloudem“, ale přibývá aplikací, u kterých to roli může hrát (jednou z nich mohou být i různé „umělé inteligence“ typu virtuálních asistentek). A stejně tak je stále více náročných uživatelů, kteří prostě pomalou odezvu nevidí rádi. Pokud ale máte postavit provoz s volným chlazením v horkém podnebí, může to být velký technický problém.

Pokud se postaví datacentrum v horkém podnebí, jeho provoz pak může často vyžadovat poměrně hodně vody, která se používá k ochlazení venkovního vzduchu na vstupu. Voda ovšem obvykle něco stojí, v některých místech pak úřady či místní obyvatelé na podobné využití koukají vysloveně nelibě. To je třeba případ samotného Silicon Valley, protože Kalifornie má dlouhodobě problém najít pro všechny uživatele tolik vody, kolik by si přáli. (Nemluvě o tom, že provozovatelé se ochlazeného vzduchu, který má vyšší vlhkost, dosti obávají kvůli zvýšenému riziku koroze.)

Pokusný server společnosti Microsoft, který v rámci projektu Natick byl ponořený více než dva roky u Orknejí (foto Microsoft)
Pokusný server společnosti Microsoft, který v rámci projektu Natick byl ponořený více než dva roky u Orknejí (foto Microsoft)

Vzhůru pod vodu

Tento a další problémy mají možná jedno společné řešení, uvědomila si skupina výzkumníků z Microsoftu. Šéfům se jejich nápad natolik líbil, že jim poskytli čas a prostředky, a vznikl tak „Projekt Natick“. Jeho základem je systém standardizovaných hermetických buněk uložených na dno moře. Měly by obsahovat v podstatě standardní vybavení, ale měly by se chladit v podstatě téměř výhradně pasivně díky okolní vodě.

Nápad má hned několik pozitiv. Za prvé mohou být velmi blízko spotřebitelům, protože necelá polovina světové populace žije méně než sto kilometrů od pobřeží některého z moří nebo oceánů. Samozřejmě, pro Čechy to není to nejlepší řešení, ale polovina světa, to už je zajímavý trh.

Navíc teplota vody je od určité hloubky velmi podobná, ať jste kdekoliv na světě. Mluvíme samozřejmě o hloubkách řádově stovek metrů, ne těsně pod hladinou. Prakticky všechna voda pod tisíc metrů (a tedy 90 procent veškeré mořské vody) má teplotu mezi 0–3 °Celsia. Dataservery mají být blíže hladině, ovšem i v tropických oceánech už nějakých 200 metrů pod povrchem mají vody teploty kolem 15 °C.

Méně papírování

Další výhodou je, že oceán nemá stavební vyhlášky. Pozemské stavby se musí řídit celou řadou předpisů, které se místo od místa liší. A byť velké firmy používají v provozech na různých místech světa v podstatě identické vybavení, stejně musí každý projekt připravovat zvlášť. Microsoft také tvrdí, že různé požadavky a předpisy vedou k tomu, že v podstatě identický hardware pracuje na různých místech světa s různou mírou spolehlivosti. Podmořské „serverovny“ by ovšem měly být úplně identické, a tak by se daly nejen vyrábět jako pověstné housky na krámě, ale také by měly mít v podstatě identické výkony a provozní vlastnosti.

Nemluvě samozřejmě o tom, že v některých částech světa, například v Evropě, může být problematické (nebo prostě příliš drahé) sehnat vhodné místo a také vyřídit úřední proces před zahájením stavby. Samozřejmě, ani stavba pod mořem nemusí být nic jednoduchého, ale Microsoft podle všeho tak trochu tiše doufá, že „co oči nevidí, to srdce nebolí“, a ubude minimálně opozice těch, kdo nechtějí velké datacentrum za plotem.

Zjednodušené „stavební řízení“ by spolu s výhodami masové výroby mělo společnosti umožnit, aby dokázala dodat nutné výpočetní kapacity na dané místo během šesti měsíců – takový je alespoň plán. Asi je zbytečné dodávat, že je to podstatně rychlejší než běžná stavba.

Podmořské prostředí se může zdát pro počítače dokonale nevhodné, ve skutečnosti by mělo být podle konstruktérů možné v ochranném obalu připravit elektronice snad lepší podmínky než na povrchu. Na místě nemusí být žádná obsluha, a tak nemusí atmosféra jednotlivých „buněk“ obsahovat kyslík – což znamená, že se minimalizují problémy s oxidací, tedy i korozí. Stejně tak se dá z umělé atmosféry odstranit prakticky veškerý prach a vodní pára.

Jdeme do toho

Šéfy v Microsoftu koncept zaujal a firma ho začala ověřovat. Vývojáři z Microsoftu nejprve v roce 2015 potopili jednu pokusnou jednotku na 105 dní zhruba deset metrů pod hladinu Pacifiku, kousek od kalifornského San Luis Obispo. Ponořená jednotka pojmenovaná Leona Philpot podle postavy z počítačové hry (koneckonců projekt si vymysleli „ajťáci“) během této doby spotřebovala na chlazení jen zhruba 3 procenta z celkové spotřeby elektřiny.

Výsledky byly v každém případě dost dobré na to, aby se pokus opakoval ve větším měřítku. V roce 2018 společnost potopil na mořské dno u Orknejí speciální kontejner. Ukrýval 864 serverů a podpůrné vybavení, hlavně napájení, datové síťové prvky a chlazení.

Prototyp ponorného serveru čínské společnosti Highlander (foto Highlander)
Prototyp ponorného serveru čínské společnosti Highlander (foto Highlander)

Na povrch se podíval v září 2020. Ukázalo se, že toto prostředí serverům a dalším IT technologiím velmi vyhovuje. Zařízení uchovávané v inertní dusíkové atmodféře pracovalo s výrazně nižší poruchovostí, než bývá obvyklá u datacenter na souši. Samotný nápad umístit servery pod vodu ovšem Microsoft patentovaný mít nemůže, a tak není divu, že po něm sáhnou právě i v Číně.

Síťová infrastruktura je dnes strategickou záležitostí a mnohamiliardovým obchodem. Levnější a spolehlivější servery jsou výhodou, kterou si tak ambiciózní stát jako Čína nemůže nechat ujít. V principu je ovšem čínské zařízení podobné jako to od Microsoftu. Vzduchotěsná tlaková nádoba bude obsahovat stojany se servery, napájena bude kompozitním kabelem z pobřeží, který ji zároveň připojí k internetu.

Společnost Highlander tvrdí, že v příštích pěti letech plánuje vybudovat řadu projektů podmořských datových center v pobřežních vodách, včetně přístavu volného obchodu Hainan, oblasti Velkého zálivu, ve kterém leží mimo jiné Hongkong a Macao, či oblasti delty řeky Jang-c’-ťiang.

V srpnu společnost Highlander oznámila plán na vybudování podvodních datových center v rámci rozvoje přístavu volného obchodu Hainan (FTP). Hainan FTP plánuje přeměnit celý ostrov Hainan v Jihočínském moři o rozloze 35 000 km² na největší čínskou zvláštní ekonomickou zónu s politikou nulových cel na zboží a zvláštním zaměřením na cestovní ruch a odvětví špičkových technologií. Podle projevu Dong Xuegenga, tajemníka stranického výboru a ředitele správy velkých dat provincie Hainan, ji osobně naplánoval a podpořil čínský generální tajemník Xi Jinping.

FTP bude mít velkou potřebu datových center a její tropické klima by mohlo být nevýhodou. Velká datová centra nejlépe fungují při nízkých teplotách a Hainan leží 19 stupňů severně od rovníku, má nízko položenou zemi a vysoké teploty. Datová centra na pevnině by spotřebovala mnoho energie na chlazení, zatímco teplota místní vody se pohybuje kolem 24 °C, což je pro chlazení datových center naprosto dostačující.

V současné době se podílí na výběru místa instalace pro test, který bude probíhat od června 2021 do května 2022. Systém má být do té doby nabízeným státním úřadům, vědecko-výzkumným a finančním institucím a podle informací čínských médií plně komercializován v druhé polovině roku 2023, alespoň podle informací serveru Zaotech.

Novináři, bloggeři i influenceři vědí, že svému publiku se musí zavděčit. Platí to i o těch technologických – možná ještě ve větší míře než obvykle. Když tedy Apple v říjnu 2020 představoval novou generaci svých mobilních telefonů, iPhone 12, jako vždy se hledala jakákoliv zajímavost. V záplavě spekulací a (ne)zaručených úniků možná trochu zaniklo, že tentokrát bylo skutečně o čem psát. Apple je skutečně široce dostupný příklad technologie, kterou v příštích letech téměř určitě oceníme všichni.

Řeč je o jádru telefonů iPhone 12, čipu A14 Bionic. Tyto mobilní čipy a brzy po nich Applem představené čipy M1 pro počítače totiž využívají extrémně malých základních „dílů“: tranzistorů o tloušťce 5 nanometrů. Taková vrstva je tlustá přesně 25 atomů křemíku. A byť jde do značné míry o marketingový název, protože neexistuje jednotná norma a velmi záleží na jejich konstrukci, je celkem jasné, že nové čipy Applu jsou začátkem větší vlny.

Jak ukazuje test za testem, nové čipy nabízejí výkony minimálně srovnatelné s konkurencí, ale s výrazně nižší spotřebou energie. Menší rozměry tranzistorů znamenají totiž nejen to, že na stejný čip jich dostanete více – a tím pádem dostanete větší výkon – ale také to, že k provádění operací s nimi je zapotřebí méně elektřiny. Rozdíl je v řádu nízkých desítek procent podle toho, které čipy se konkrétně srovnávají a při jaké činnosti. Jako průměr se uvádí hodnota nárůstu výkonu o cca 15 procent při stejné spotřebě.

Čip M1 společnosti Apple (foto Apple)
Čip M1 společnosti Apple (foto Apple)

Jak se to povedlo

To, že se povedlo sestoupit do rozměrů, kde už záleží už téměř na každém atomu, není rozhodně zásluha pouze Applu. Klíčovým hráčem byla především společnost ASML, kterou už před pár lety znalci označovali za „nejdůležitější technologickou firmu, o níž jste nikdy neslyšeli“. ASML je nizozemská společnost, ve které postupně zakoupily podíl všechny velké firmy v oboru výroby čipů. Podíl v ní vlastní Intel, Samsung i tchajwanská TSMC (dodavatel čipů právě pro Apple, ale zdaleka nejen pro něj).

Společnost se od svého založení v polovině 80. let věnuje výhradně jednomu jedinému oboru: fotolitografii, tedy „kreslení světlem“. Právě tak se tisknou dnešní čipy. Proces zjednodušeně řečeno probíhá tak, že se na křemíkovou „oplatku“ (wafer) soustředěným ultrafialovým světlem vykreslí obvod, který chce vyrobit.

Pro větší rozměry se tento proces podařilo zvládnout téměř dokonale. Ale přechod na tranzistory s nejmenšími rozměry v řádech nanometrů se dlouho nedařil. Hlavní důvod je jednoduché pochopit: vlnová délka používaného UV světla už je výrazně větší než rozměr součástek, jež takto chcete vyrábět. Na litografii se dlouho používala osvědčená technologie s vlnovou délkou 193 nanometrů, ale ta i přes nesmírná vylepšení prostě přestávala stačit. Byť výrobci přišli na spoustu chytrých „triků“, jak limity této technologie posunout.

To byl jeden z hlavních důvodů jisté stagnace v růstu výkonu výpočetní techniky v posledních letech. Moorův zákon sice nepřestal platit úplně – výkon stále rostl – ale růst se zpomaloval. Už neplatilo, že počet tranzistorů v čipech (a tedy výkon) se zdvojnásobuje každých 18 měsíců. Perioda se postupně prodlužovala na více než dva a půl roku.

Pomalý nástup

ASML i další výrobci se tak věnovali vývoji nové technologie fotolitografie „extrémním“ UV zářením (zkráceně EUV). Při něm se používají vlnové délky zhruba od 30 do 1 nanometru. Výhledově je tak možné vyrábět tranzistory menší než 5 nm. Dnes se už poměrně konkrétně mluví o technologii 3 nm. Ještě relativně nedávno situace tak nadějně vůbec nevypadala.

Nasazení EUV v minulosti slibovali mnozí v dobách, kdy tranzistory byly mnohonásobně větší než dnes. S EUV se počítalo podle některých odhadů již pro 45nm proces, tedy zhruba před 15 lety. Nadšení však opadalo a řada velkých firem (svého času např. IBM) nad vývojem zlomila hůl. Ještě po roce 2010 se tak v odborných kruzích poměrně čile debatovalo o tom, zda EUV litografie vůbec někdy bude k dispozici.

Především právě z ASML ovšem začaly postupně přicházet nadějné zprávy. V roce 2015 společnost ve svých výhledech uvedla, že by do roku 2020 reálně mohla prodat několik desítek svých EUV zařízení. A zhruba od konce roku 2017 to skutečně dělá.

Že byl vývoj obtížný, to znalce nijak nepřekvapilo. Práce se zářením takových vlnových délek je extrémně náročná na přesnost. Výroba čipů i dnes probíhá ve vakuu, ovšem v případě EUV musí být vakuum skutečně velmi kvalitní.

Pohled do nitra jedné z výrobních platforem od ASML (foto ASML)
Pohled do nitra jedné z výrobních platforem od ASML (foto ASML)

K soustředění a odrážení vznikajícího světla se využívá zrcadel s přesností, kterou téměř žádné jiné aplikace nevyžadují. ASML nemluví úplně rádo o přesných parametrech, jeho PR oddělení si tak pomáhá příměrem. Pokud by se jedno ze zrcadel zvětšilo na velikost Německa (cca 360 tisíc km2), nejvyšší výčnělek na celé této obrovské ploše by měl měřit maximálně jeden milimetr.

Přesnost přitom není jediný požadavek. Dnes lze v laboratořích dosáhnout úžasných výsledků a pracovat s jednotlivými atomy. Ale ASML vyrábí průmyslová zařízení, která musí i s cenovkou cca 120 milionů dolarů (3 mld. Kč) za kus svým majitelům vydělávat. Na přesnost náročné procesy tak v něm musí probíhat neustále a s vysokou mírou spolehlivosti a co nejmenšími odstávkami.

UV záření požadovaných délek vzniká ve stroji z plazmatu. To se vytváří z kapek rozžhaveného cínu, které silný laser změní v zářící obláček plynu. V jednom zařízení, jež vidíte na obrázku, probíhá tento proces podle ASML 50tisíckrát za sekundu.

Vzniklé světlo zachytávají zmíněná zrcadla a soustředí ho na připravenou křemíkovou plochu přes tzv. „masku“, vlastně inverzní obraz vznikajícího obvodu. Jednalo se de facto o jednoduchou konstrukci: neprůhlednou vrstvu chromu v požadovaném tvaru na skleněné podložce. Ale to pro EUV litografii použít nelze. Masky pro EUV se skládají z několika desítek vrstev křemíku a molybdenu, kterou jsou ještě překryty vrstvou sloučeniny bohaté na ruthenium a další vrstvou tantalu. Maska je tak složitá, že jedním z velkých problémů nové technologie byla její příprava, přesněji řečeno velmi vysoký podíl zmetků.

Drahota, ta drahota

Skutečnost, že novou, výrazně vylepšenou generaci čipů představil právě Apple, je ilustrativní v ještě jednom důležitém ohledu – a ten se týká ceny. EUV fotolitografie je nejen náročná, ale celkem pochopitelně také ve všech ohledech drahá.

ASML do jejího vývoje investovala doslova desetiletí práce a značné prostředky. A také počet firem, které ji mohou zakomponovat do své produkce, je velmi, velmi omezený. Na celém světě jsou v tuto chvíli pouze tři firmy, které o takovém kroku uvažují. Ještě v roce 2010 bylo pět společností, které měly ambice vyrábět novou generaci čipů. Na přelomu 20. a 21. století bylo výrobců zhruba 25. Je to naprosto pochopitelné, protože problémy, které před výrobci stojí, jsou čím dál obtížnější.

Zhruba dva roky starý odhad ekonomů z MIT uvádí, že stejné zvýšení výkonu dnes vyžaduje 13krát více prostředků než v roce 1971. Tedy pár let poté, co Gordon Moore přišel se svou slavnou předpovědí. Koncentrace do rukou několika velikých společností je tedy přirozeným důsledkem obtížnosti problému, nese v sobě ovšem reálné riziko dalšího zpomalení. Zpomalení, které by bylo dáno ani ne tak technologickými, ale ekonomickými faktory.

Macbook s procesorem M1 (kredit Apple)
Macbook s procesorem M1 (kredit Apple)

Nejde o žádné plané varování, něco podobného jsme mohli sledovat i v posledních letech. Před skutečně masovým nástupem mobilních telefonů s odlišnou čipovou architekturou vládl výrobě čipů jednoznačně americký Intel. Měl de facto monopol především na trhu s obchodními počítači. Jedinou konkurencí mu byla společnost AMD, jejíž procesory ale svými výkony za Intelem zřetelně zaostávaly.

Intel ovšem usnul na vavřínech. Od roku 2010 se právě kvůli nedostatku inovací především v segmentu procesorů, kterému americká firma roky vládla, nárůst výkonu hlavně u tradičních PC výrazně zpomalil. Nikdo samozřejmě nemůže stoprocentně dokázat, že to bylo v důsledku monopolizace trhu, ale tato hypotéza se jasně nabízí.

Intel se v každém případě nechal dohnat, a nakonec i předehnat konkurencí. Dnes se zpožděním připravuje rozjezd výroby tranzistorů s rozměry v řádech jednotek nanometrů. Procesory nedávno věčně druhého AMD ho však válcují ve všech testech. A rozdíl je ještě o něco málo větší při srovnání s Applem, který představením již zmíněného čipu M1 jasně ukončuje dlouholeté partnerství se svým bývalým exkluzivním dodavatelem. Monopoly svědčí zisku, pokroku méně.

Do roku 1805 se datuje objev fyzikálního jevu, který vám nejspíše do dnešního dne unikal, ale přitom si ho můžete snadno vyzkoušet sami. Vděčíme za něj obyčejné gumě; v době prakticky zcela novému materiálu, který v průběhu 19. století přispěl k technickému a ekonomickému pokroku podobně jako třeba ocel nebo bavlna.

Na samém začátku století, v podstatě v době prvních experimentů s ním, si fyzikové všimli nečekané zvláštnosti: pokud gumu dostatečně natáhnete, ideálně na sedminásobek její klidové délky, tak se ohřeje. Změna sice není nijak ohromná, v podstatě o jednotky stupňů, ale je zcela jasně měřitelná.

Samozřejmě platí i opak: pokud nataženou gumu pustíte, zase vychladne. Při troše snahy si to můžete vyzkoušet sami, doporučujeme přitom přikládat gumičku na ret, ten je na rozdíly teplot extrémně citlivý.

Co se to děje?

Fyzikové děj nazývají elastokalorický proces. Je poměrně dobře známý, popsaný, ale v praxi nepříliš důležitý – i materiáloví vědci přiznávají, že ho znají spíše z učebnic. Většině laiků je zcela neznámý a nejspíše je pro jejich intuici poněkud matoucí: vždyť všichni víme, že stlačovaný plyn se zahřívá. Proč se gumička naopak při natahování zahřívá, a když ji pustíte, tak se ochladí?

Zdánlivě protichůdné jevy mají stejné vysvětlení: jde o projev změny entropie. To je dnes stále trochu módní a vágní slovo, ve fyzice má ovšem samozřejmě přesný význam. V podstatě se tím označuje, jak v daném místě (systému, řečeno fyzikálním žargonem) rozložená energie. Když je energie „rozpuštěná“ po okolí zcela rovnoměrně, je takzvaná termodynamická entropie vysoká. Když je energie rozložená nerovnoměrně, je entropie nízká.

Pokud tedy, dejme tomu, vezmete kompresor a část vzduchu z vašeho okolí natlačíte to nějaké nádoby, entropie ve vašem okolí se sníží. Část plynu jste totiž „srovnali“ do tlakové nádoby – což si ovšem vesmír nechce nechat líbit. Snížení entropie si vykompenzuje tím, že se zvýší teplota plynu – všechno proto, aby celková energie systému zůstala zachována.

V natažené gumičce se děje totéž, co ve stlačeném plynu – snižuje se „chaos“, tedy entropie. Molekuly gumy za běžného stavu jsou zamotané a míří všemi směry. Po natažení se srovnají ve směru natažení, „chaos“, tedy řečeno entropie, se sníží. Stejně jako v případě stlačeného plynu se v kompenzaci zvýší teplota. Při puštění gumy se situace obrátí: entropie se zvýší, teplota tedy sníží.

Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)
Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)

Nebudeme zabíhat na tomto místě do fyzikálních podrobností, a tak nám musíte bohužel prostě věřit, že to tak je. Existují různá přirovnání, která entropii přibližují, ale žádné ji nevystihuje úplně dobře. Entropii také nemůžete zažít na vlastní kůži; nemá žádný fyzický ekvivalent; není jako teplota ani tlak, a tak je těžko představitelná.

V rovnicích ovšem vychází zcela přirozeně, funguje skvěle a výsledky měření v reálném světě pak dávají výsledky přesně podle nich. (Ostatně, s tím, že svět prostě není pochopitelný jen „selským rozumem“ bez nějaké snahy navíc, jste se asi už smířili.)

Teď se asi ovšem již ptáte, co má toto poučování společného s ledničkou z titulku. Dovolte, abychom vám předem poděkovali za trpělivost a přešli konečně k věci.

Kroucené chlazení

V tuto chvíli je vám asi jasné, jak je možné využít natahování materiálu k chlazení (či naopak zahřívání, ale to nechejme stranou). Představte si pro jednoduchost například ledničku: umísíte do ní gumičku, která se při smrštění ochladí. Tím „vytáhne“ teplo z chladící kapaliny, která pak zamíří do chladícího prostoru. „Guma“ se pak může znovu natáhnout, nechat natažená, až zchladne (a zahřeje tedy vzduch v kuchyni, jak chladící mřížka na vaší dnešní ledničce). Pak můžete cyklus opakovat: načerpáte chladící kapalinu ke gumě, pustíte ji, aby se ochladila, a tak dále. Velmi podobně může fungovat například i klimatizace, či jiné systémy.

Pokud byste si dali tu práci a takový systém postavili, není to ovšem žádné terno. Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici: elastokalorický proces.

Pokud ovšem někdo nepřijde s nějakým zajímavým novým nápadem či zlepšením. Přesně to se mělo povést mezinárodnímu (převážně ovšem čínskému) týmu vědců, kteří v září v v časopise Science vydali článek popisující chladicí zařízení založené na elastokalorickém principu s rekordní účinností.

Výzkum je to opravdu hodně raný. Mohli bychom to přirovnat k pokusům o hledání nejvhodnějšího vlákna pro tepelnou žárovku. Na přelomu 19. a 20. století vynálezci, například v Edisonových laboratořích, žhavili nejrůznějších materilů od vousů (opravdu) přes různé kovy, až po nakonec úspěšné uhlíkaté materiály, z nichž se nakonec nejvíce osvědčila bambusová vlákna. Až po několika desetiletích je postupně vytlačila kovová vlákna, která pak převládala až do konce 20. století.

Stejně tak autoři nového výzkumu elastokalorického procesu zkoušeli různé materiály od gumy přes nylon a polyetylenový vlasec až po zinkovo-titanové dráty – a především, nový způsob jejich „pohonuů. Chtěli zjistit, zda není vhodnější (energeticky, ale i také třeba z čistě prostorových důvodů) „gumou“ kroutit, než ji natahovat.

Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici: elastokalorický proces.

Zvláště u některých materiálů byl rozdíl dosti významný: zdá se, že pokud má elastokalorické chlazení nějakou budoucnost, bude zřejmě právě v kroutivém pohybu. Změna teploty na povrchu gumového vlákna byla zhruba 20krát vyšší než při natažení stejnou silou. V případě nylonu byla teplotní změna na povrchu vlákna při kroucení 50krát větší než při natahování. Nylon ovšem není nijak „výkonný“ materiál, jde tedy o významný relativní nárůst, ne ovšem absolutní rekord – ten drží právě gumová vlákna.

Z hlediska praktického využití pak dávaly zajímavé výkony zinkovo-titanové dráty, které jsou velmi odolné a mají vysokou životnost. A navíc mohou rychle předávat teplo okolnímu materiálu.

Co z toho bude?

Ovšem přes nespornou zajímavost je zatím těžko předpokládat, že by vaše příští lednice byla na „gumičku“ – byť některá média tak výzkum minimálně v titulku „prodávala“ (včetně samotného časopisu Science v jeho zpravodajském článku).

Účinnost je sice z hlediska dosavadních výsledků v oboru zajímavá, ale nedosahuje úrovně dnešních kompresorových systémů. Navíc systém chlazení založený na elastokalorickém jevu by z podstaty musel obsahovat celou řadu pohyblivých dílů a lze tedy předpokládat, že by se sotva obešel bez poruch. Což by samozřejmě případnou údržbu jen prodražilo a zkomplikovalo.

Jak si asi také dokážete představit, problém může snadno představovat i únava materiálu. Chladicí dráty by musely za dobu životnosti lednice projít ohromným počtem cyklů „zamotávání“ a uvolňování. Autoři nového výzkumu použili sice slitinu s příměsí titanu, který se za vhodných podmínek téměř „neunavuje“. Ale je otázkou, zda systém s takovým materiálem může cenově konkurovat. A zda lze případně za titan najít vhodnou náhradu.

Zajímavé by mohlo být ovšem použití, které zmiňují autoři v samotné práci. Jev by se podle nich mohl využívat v „chytrých“ textiliích, ve kterých by změna teploty zakroucených vláken mohla například vyvolat změnu barvy.

Ovšem velkou revoluci v chladicí technice těžko předpokládat. Což neznamená, že se naše ledničky nebudou měnit a do budoucna nebudou využívat nějakých nových, pro nás laiky „exotických“ jevů. V posledních několika letech se třeba zvyšuje počet prodaných ledniček a mrazáků, které využívají takzvaného magnetického chlazení (magnetokalorický jev).

Magnety vedou

Podstata je podobná jako u jevu elastokalorického. Teplota materiálu se však nemění při kroucení či natahování, nýbrž v závislosti na okolním magnetickém poli. Nějaké změny teplot se projevují prakticky na všech magnetech, ale postupně se daří objevovat nové látky, ve kterých jsou změny výraznější.

V roce 2014 byl například oznámen objev třídy materiálů, u kterých jsou změny teplot obří (to je v tomto případě terminus technicus, hovoří se o takzvaném obřím či gigantickém magnetokalorickém jevu). Jde o některé slitiny gadolinia, tedy kovu ze skupiny kovů vzácných zemin (patří mezi lanthanoidy).

Nyní se zdá v podstatě jisté, že tento typ chlazení bude stále rozšířenější a nakonec převládne. Má jasné výhody: chladicí systémy na tomto principu mohou být malé, účinné a jednoduché. To zatím „gumičkové“ chlazení o sobě rozhodně říci nemůže.

Ovšem právě příklad „magnetického chlazení“ také ukazuje, že objev nové skupiny látek s novými vlastnostmi může počty poměrně výrazně změnit, a tak v tuto chvíli nedokážeme říci, zda lednička na pružinu skutečně zůstane spíše vědeckou kuriozitou, nebo si nakonec v nějaké podobě najde do praxe.

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.

Rok 2020 byl z pohledu trhu energetických služeb se zárukou úspor (EPC) rekordní. Aktivní projekty ušetřily zákazníkům, kterými jsou převážně města, kraje a jejich příspěvkové organizace, elektřinu, plyn, teplo a vodu za téměř 400 milionů korun. Jedná se o největší roční úsporu od roku 1994, kdy byly v ČR realizovány první EPC projekty. Množství uspořené energie v těchto projektech stouplo oproti předloňsku o 15 %.

Trh dále roste. Loňská investice do nových projektů řešených metodou EPC, které budou spořit peníze v budoucnu, se vyšplhala na 523 milionů korun. I toto číslo je nejvyšší v historii.

Důležitým impulsem byla také nová možnost kombinovat výhody EPC s dotacemi z programů ministerstva životního prostředí a ministerstva průmyslu. Odstartovalo to realizaci řádově větších projektů než doposud, uvádí ve své zprávě Asociace poskytovatelů energetických služeb (APES).

První projekty podpořené z Operačního programu životní prostředí (OPŽP) již byly dokončeny. Od listopadu 2020 běží také dotační výzva na snížení energetické náročnosti objektů v průmyslu z programu OPPIK. Dotace zkracuje návratnost investic, což činí podobné investice přitažlivějšími i pro soukromou sféru.

Do budoucna bude realizaci energeticky úsporných projektů bude možné hradit i z dalších fondů. Například z Modernizačního fondu nebo Národního plánu obnovy, který počítá s investicemi ve výši několika miliard korun na energetickou rekonstrukci státních budov.

EPC projekt pro ČVUT se týká několika kolejních objetů v Praze
EPC projekt pro ČVUT se týká několika kolejních objetů v Praze (foto ČVUT)

Největší je technika

Největším novým loňským projektem byla investice 232 milionů korun do energetické modernizace 9 areálů kolejí a menz ČVUT Praha, kde opatření s delší dobou návratnosti byla realizována právě díky dotaci.

Projekty EPC jsou efektivní ve školách, ale i v nemocnicích. Jeden z největších každoročně šetří v břeclavské nemocnici téměř 13 milion korun. Nejčastějším zákazníkem je však stále komunální sféra.

Na jaře 2021 bude například spuštěn do provozu energeticky úsporný projekt ve dvanáctitisícovém Vrchlabí. Vlastní realizaci předcházela analýza stavu a spotřeby v jednotlivých městských objektech. Z ní vyplynulo, že nejvyšších úspor lze dosáhnout ve dvou základních a jedné mateřské škole, zámku a radnici. „Dříve se roční náklady na energie těchto pěti objektů pohybovaly okolo 5,5 miliony korun s DPH. Od letošního roku to bude o 1 milion korun méně,“ vysvětluje starosta Jan Sobotka. Z těchto úspor se bude postupně splácet 8 nových kotlů, 700 LED svítidel, modernizace systému měření a regulace a také energetický management.

„Komplexní technologická řešení zahrnující inovativní řešení s prvky čidel, měřicích a řídicích systémů na veřejných budovách, ve firmách, v průmyslu i v domácnostech jsou klíčovým nástrojem. Osobně jsem pevně přesvědčen, že tohle je cesta k rekonstrukci a modernizaci celého českého hospodářství v příštích minimálně 15-20 letech,“ dodává Martin Boruta, ředitel Národního centra energetických úspor.

Navíc modernizace budov v majetku obcí a krajů pomocí metody EPC, kde se náklady splácí z úspor může být dobrým řešením výpadku způsobeného daňovým balíčkem schváleným na konci roku 2020.

Snižování energetické náročnosti v soukromých, veřejných i komerčních budovách může mít velmi pozitivní přínos i pro postcovidový restart ekonomiky a boj s nezaměstnaností. „Investice do renovace budov se již jednou v Česku osvědčily. Po propadu ekonomiky před 12 lety pomohly zachránit české stavebnictví. Nyní mají osvědčené recepty z balíčku opatření energetických úspor v budovách opět šanci nastartovat českou ekonomiku a jako bonus snížit emise a zajistit snížení účtů za energie,” dodává Martin Sedlák, programový ředitel Svazu moderní energetiky. “Renovace budov spolu s investicemi do obnovitelných zdrojů jsou základem naplnění českých cílů v oblasti snižování emisí. Vytvoří desítky tisíc pracovních míst a přinesou investice v řádu stovek miliard. Jde o příležitost, která posílí konkurenceschopnost české ekonomiky, a tak bychom jejich rozvoj neměli minout,“ uzavírá Martin Sedlák.

TRH EPC 2020 v číslech:
Celková roční úspora energie ve všech EPC projektech: 399 mil. Kč
Investice do EPC projektů realizovaných v roce 2020: 523 mil. Kč

VÝVOJ TRHU S EPC 2016 – 2020:
Průměrná výše ročních úspor ve všech EPC 2016 – 2020: 351 mil.
Průměrná roční výše investic do EPC 2016 – 2020: 255 mil. Kč

Načíst další