Lepší města? Podle sloganu „dva v jednom“

Byť ideál života na venkově či přímo v divoké přírodě jen tak nezemře, motorem moderního světa jsou města. Jsou líhní nejrychlejších inovací, hlavním trhem pracovních příležitostí a místy, kdy má život nejrychlejší tempo. Není divu, že jsou i žrouty energie – budovy spotřebovávají dvě pětiny veškeré energie, kterou dnes lidstvo využívá.

Někdy však naše „městské ostrovy“ nejsou nejpohostinnějším místem pro život, jak si i Češi mohli během letních vln veder v posledních letech vyzkoušet na vlastní kůži. Je tedy trochu paradox, že nejoblíbenější místa pro život – ve městech již žije většina obyvatel Země – nejsou úplně nejpohodlnější a šetrná k přírodě, která je stále naším ideálem.

Nikde ovšem není psáno, že to nejde jinak. V dohledné době se těžko podaří vyřešit všechny potíže a nedostatky, ale řadu z nich ano. Třeba tím, že naše města trochu „ožijí“.

Počítačové technologie konečně vstupují do té fáze, že začíná být prakticky uskutečnitelné mít počítače téměř všude. „Internet věcí“ nám – zprostředkovaně přes „chytré“ systémy, které se chovají podle našich instrukcí – umožní ovládat svět kolem nás novým způsobem. A města jsou tím nejlepším místem, kde začít.

Více s méně

Jedním dobrým způsobem, jak města učinit pro budoucnost lepšími, je stát se úspornějšími. Proti dnešnímu stavu mohou být úspory přímo ohromné, jak dokládají některé příklady. Jeden takový demonstrační projekt postavila společnost Siemens. Je jím její nová centrála pro Střední východ v Abú Zabí. V pouštním klimatu se podařilo kombinací architektonického přístupu a moderních technologií od chytrého řízení stínění po rekuperaci tepla a pasivní chlazení dosáhnout provozních charakteristik, které plní německé požadavky na nízkoenergetickou budovu.

Budova je navržena v podstatě jako krabice v krabici. Vnější plášť se skládá z kovových panelů, které se po celý den vyrovnávají s měnící se polohou slunce a zajišťují dostatečný stín. Až pod ním se skrývá vzduchotěsná vnitřní fasáda budovy, která snižuje tepelnou vodivost. Zasklená nádvoří odrážejí sluneční světlo do veřejných prostorů budovy a do kanceláří, aby byly dostatečně (ale ne příliš) světlé. Atrium budovy slouží zároveň jako komín, který umožňuje únik ohřátého vzduchu z budovy. Myslelo se i na využití kondenzované vody z klimatizačního systému, která slouží k zavlažování některých květin v budově.

Mírné klimatické pásmo samozřejmě klade na budovy jiné požadavky, na druhou stranu na „tepelných ostrovech“ velkých měst nejsou zkušenosti z Perského zálivu k zahození. Fyzika ale funguje na všech místech Země stejně. Podobné projekty také ukazují, jak pokročilo počítačové modelování budov a řídicí technologie, i to, že s určitou dávkou péče lze s energiemi opravdu zacházet chytřeji, než jsme zvyklí.

Budova Siemens v Abú Zabí
Kredit: Sheppard Robson

Neviditelné změny

Klíčové přitom je, co se děje za fasádami budov, v té části infrastruktury, která není tak dobře viditelná a běžnému uživateli zůstává v ideálním případě zcela skryta. I ta se musí měnit: jedním takovým příkladem jsou transformátory v trafostanicích, tedy zařízení zodpovědná za to, že koncoví zákazníci dostávají správné napětí. To bylo jednoduché, ale pružnější sítě s menšími ztrátami, které mají vyjít provozovatelům i spotřebitelům vstříc, mají jiné nároky.

Proto přichází nová generace regulovatelných distribučních transformátorů, například Siemens FITformer REG. Ty umožňují sledování a ovládání sítě vysokého a nízkého napětí v reálném čase, protože jejich převodový poměr se může díky třístupňové regulaci na straně nízkého napětí měnit pod zatížením. Bez toho se skutečně chytrá síť budoucnosti neobejde.

Velká novinka

Nejde ale jen o inovace, do hry se dostávají postupně prvky, které zatím v podstatě nebyly v praxi dostupné, třeba systémy na skladování elektřiny. Teplo (či naopak „chlad“) už dokážou architekti a technici skladovat například ve hmotě budovy, ale elektřinu jsme zatím smysluplně v prostředí městských sítí skladovat neuměli. Nová zařízení pro ukládání energie přitom mají hrát klíčovou roli, protože pohltí případnou přebytečnou elektrickou energii a v případě potřeby ji uvolní.

Takové systémy mohou být použity na různých úrovních – v rodinných domech vybavených solárními panely na střeše, v místních sítích pro obce nebo města nebo v rozsáhlých distribučních sítích, které zásobují elektřinou řídce obydlené oblasti.

Jak by to mělo vypadat, ukazuje projekt SENSIBLE (Projekt Sustainable Energy for Buildings and Communities) vedený společností Siemens. Projekt financovaný z fondů Evropské unie analyzuje možnosti optimálního zapojení energetických paměťových zařízení do architektur elektrických rozvodných sítí, a to ve třech pilotních projektech. V konsorciu Siemens spolupracuje s 13 podniky a vědeckými institucemi, včetně univerzit v Paříži, Norimberku, Nottinghamu a Seville, či s energetickou společností EDP.

V Norimberku výzkumníci pracují na scénáři kancelářské budovy. Vybavili laboratoř v areálu Siemens v Erlangenu a na technické univerzitě ve městě kombinovanou výrobou tepla a elektřiny (CHP), simulovaným fotovoltaickým systémem, tepelnou akumulační jednotkou, tepelným čerpadlem vzduchového zdroje a bateriemi. Kombinace obnovitelných a fosilních zdrojů energie s paměťovými zařízeními, nastavitelnými zátěžemi a inteligentním řízením elektřiny umožňuje vyvinout optimální strategie provozu sítě, které minimalizují jak náklady, tak emise spojené s dodávkou tepla a elektřiny.

Jak být víc než jen spotřebitel

Norimberský dílčí projekt studuje interakci různých systémů v budovách, v nottinghamské čtvrti Meadows je do projektu zapojeno přibližně 3800 obytných budov. Protože mnoho z těchto domů má střešní solární panely, jsou nyní jak spotřebiteli, tak výrobci energie. Odborníci takto testují, jak v praxi může vypadat role úložných zařízení v domácnostech a několika větších úložných systémů pro zajištění spolehlivých dodávek elektřiny do celé městské čtvrti. Inteligentní měřiče poskytují aktuální informace o spotřebě a výrobě energie. Vznikne-li přebytečná elektřina, zamíří na energetickou burzu.

Třetí dílčí projekt SENSIBLE uskutečňují výzkumníci společnosti Siemens v portugalské Évoře. V něm se ověřuje, jak se lokální energetická síť může změnit na autonomní mikropodnik. Je to slunná jihoevropská venkovská oblast, ve které se v posledních letech instaluje stále více fotovoltaických systémů, protože stávající elektrické vedení dosahuje limitů své kapacity. Úložná zařízení mohou pomoci tento problém vyřešit. Aby se zlepšila stabilita sítě a kvalita napětí, jsou systémy pro ukládání energie v setrvačníku používány k absorbování energie na krátkou dobu před uvolněním energie, zatímco u různých systémů pro skladování baterií dochází k delšímu skladování přebytečné elektřiny. Tento scénář je zajímavý pro mikrogridy, které musí být schopny pracovat nezávisle na veřejném zdroji napájení – například na ostrovech nebo ve vzdálených oblastech.

Německo v malém

Ve spolupráci s dalšími podniky a vědeckými institucemi Siemens studuje problémy podobné projektu SENSIBLE v německém Wildpoldsriedu, kde již slunce, větrné elektrárny a biomasa produkují čtyřikrát více energie, než spotřebovává jeho přibližně 2500 obyvatel. Energetický mix zhruba odpovídá tomu, který by měl v někdy v příštích desetiletích existovat v celém Německu, obec se proto považuje za zkušební laboratoř pro celou zemi.

To je samozřejmě klíčová otázka, kterou se zabývají i další týmy. Třeba projekt IREN2, ve kterém je také zastoupená celá řada firem. Ten zkoumá, zda a do jaké míry mohou být takové složité mikrosítě provozovány autonomně, a nabízí skutečně plnohodnotnou náhradu velkých konvenčních elektráren. Bez jasné odpovědi na podobné otázky by bylo samozřejmě riskantní pustit se do zásadních změn tak důležitého oboru, jako je energetika, která stojí v samých základech moderní společnosti.

Chytré řízení

Předpokladem pro provoz virtuálních elektráren je inteligentní dohoda mezi výrobci energie, skladovacími zařízeními různých velikostí a spotřebitelskými zařízeními s nastavitelnou spotřebou. To samozřejmě vyžaduje robustní a chytrý systém sám o sobě, například software společnosti Siemens pro decentrální správu energie DEMS. Tento software flexibilně kombinuje a prodává produkci různých výrobců energie, skladovacích systémů a spotřebitelů. To zahrnuje nákup přebytečné elektřiny od podniků nebo její flexibilní přivádění do veřejné sítě. Software spojí všechny tyto kapacity do kombinovaného výkonu, který pak nabízí na burze elektřiny nebo na jiných trzích, třeba na trhu podpůrných služeb, pokud na něj provozovatel sítě získá přístup.

V rámci systému je možné flexibilní řízení spotřebitelů, kteří mohou krátkodobě absorbovat přebytkovou elektřinu (reakce na poptávku) třeba pro vlastní spotřebu v době, kdy to pro ně je nejvýhodnější. Nebojte se, nebudete to muset sledovat sami, o to se postará vaše pračka či auto.

Schéma budovy společnosti Siemens v Abú Zabí, která využívá přirozených efektů k chlazení v horkém klimatu Perského zálivu. Celá budova je navržená tak, aby se využívaly přirozené výměny teplého a chladnějšího vzduchu.
https://www.siemens.com/innovation/en/home/pictures-of-the-future/energy-and-efficiency/efficient-energy-use-reinventing-energy-conservation.html
Ilustrace: Sheppard Robson