Jste zde

Smart City v energetice

Antonín Vojáček, 18. Únor 2021 - 22:34

Výraz "Smart City" je již slyšet ze všech stran. Ale jaké technologie se pod tímto označením vlastně aktuálně skrývají? Dnes se podíváme na budoucí možnosti v oblasti výroby elektřiny i řízení energetické distribuční sítě.

Smart City, tedy chytré město, je již několik let starý pojem, který obecně označuje moderní řešení organizace města a jeho služeb s použitím moderních technologií cloudového sběru a vyhodnocení mnoha dat IoT z velkého počtu různých bezdrátových senzorů, levných odolných bezdrátových displejů a terminálů, kamerových systému s vyhodnocením umělou inteligencí, rozšířené reality, autonomních systémů detekce a rozpoznání lidí i předmětů či kombinace udržitelných obnovitelných zdrojů energie.

Chytré řízení města pak zahrnuje hned několik oblastí, které lze realizovat sice samostatně, ale až jejich celkové spojení realizuje celkovou žádanou funkci "Smart City".

Mezi základní oblasti chytré automatizace měst patří:

chytrá doprava města,
chytré životním prostředí města,
chytrá energetika města,
chytré instituce a ostatní služby.

V minulých dílech jsem poukázal na použitím nových technologií v dopravě (článek "Smart City v dopravě") a v životních podmínkách měst (článek "Smart City v životním prostředí"). Dnes se zkusíme podívat na oblast energeticky. Její problematika je samozřejmě neskutečně široká a tak se zde zejména podíváme na některé zajímavosti v oblast její možné budoucí výroby a distribuce.

Chytrá energetika (Smart Grid)

Všeobecně se odborné kruhy v oblasti energetiky shodují v tom, že doposud realizovaný model, zjednodušeně řečeno jednosměrný, kdy prostě el. energie proudí od výrobce k odběrateli, již nebude akceptovatelný. Obnovitelné zdroje energie na straně výroby již neumožňují přesnou dlouhodobou predikci a více kolísavá a tedy méně předvídatelná bude spotřeba i na straně uživatele (i vzhledem k elektromobilitě). Celou úlohu řízení musí "na svá bedra" převzít distribuční síť, která vhodným rychlým distribuovaným digitálním řízením musí provádět přesměrovávání toku energie a případně efektivně i vypínat mikročásti sítě s velkými výkyvy či rušením.

V budoucnu bude s největší pravděpodobností běžná třívrstvá struktura energetické sítě. V decentralizovaném energetickém systému bude stabilita zajištěna digitalizací s využitím prvků umělé inteligence pružně vyhodnocující stav z obrovského množství dat a vytvářející rychlé predikce.

V mnoha domácnostech je třeba spravovat stále více zařízení spotřebovávajících el. energii (například: chladicí a ventilační zařízení, tepelná čerpadla, fotovoltaická zařízení, elektrická vozidla, stacionární baterie atd.) a mnoho spotřebitelů energie se také stává částečnými producenty svých vlastních dodávek (tzv. „Prosumers“). Stabilitu pak lze zaručit pouze v případě, že hlavní síť může komunikovat se všemi mikrosítěmi, například k zahájení nabíjení baterií a dokonce k zastavení výroby místní energie. Aby bylo možné s těmito aktivy zacházet co nejefektivněji, musí se využívat automatizovaný monitorovací a kontrolní systém, který realizuje decentralizované transakce s elektřinou. Výměna informací mezi mikrorozvodnými sítěmi a hlavní rozvodnou sítí má však mnoho aspektů ochrany soukromí, zejména pokud má jít "dosah" elektroenergetické společnosti i za elektroměr až přímo ke spotřebičům do domácností. Ale to je nevyhnutelné a již se to tak i postupně zavádí. Taková spolupráce umožní flexibilně vyměňovat mezi lokálními spotřebiteli i výrobce své přebytky a deficity. Společnost spravující celkovou distribuční síť tak bude ve vzdálenější budoucnosti jen koordinátor a prostředník energetická spolupráce, který vyrovnává spotřebu a výrobu elektřiny mezi jejími členy.

Provozovatel moderního energetického distribučního systému musí monitorovat provozní data v reálném čase napříč distribuční sítí a každých několik minut v každém místním uzlu v síti vypočítávat ceny za elektrické služby. Elektronické distribuované řídící systémy, tzv. inteligentní software agenti, současně ušetří zákazníkům problémy se správou jejich využití energie a i distribuovaných energetických zdrojů a současně budou rovnou ovládat i zákaznická zařízení, aby co nejefektivněji řídily provoz sítě i zákazníkům ušetřili peníze. Nízké ceny mohou například vést k automatickému nabíjení všech dostupných baterií v domech či automobilech nebo i k dočasnému odstavení lokálních zdrojů (solárních panelů či větrných elektráren).

Alternativou může být využití dočasného přebytku energie k čerpání vody do lokálních zvýšených nádrží jako pozdější vodní zdroje nebo k ohřevu podzemní zásoby horké vody. V případě vysoké poptávky může systém zase začít využívat uskladněnou energii. To vše se stane bez podstatného zásahu "lidské ruky" s využitím systémů s využitím umělé inteligence.

Energie z chodníků a silnic

Doposud energeticky velký nevyužitý potenciál se skrývá ve všech dopravních a pochozích cestách, které ve své pasivní vyasfaltované podobě představují zatím spíše enviromentální zátěž, protože jsou to povrchy nevsakující vodu a navíc v létě jímají ze slunečního záření velké množství tepla, které velmi ohřívá okolní prostředí. Je jasné, že bez zpevněných cest není možné se efektivně pohybovat a přepravovat, ale proč tedy rovnou tyto plochy nevyužít k výrobě energie? Kdyby každé metr vyasfaltované či vydlážděné plochy mohl alespoň vyrábět i jen malé množství solární energie, v jeho celkovém obrovském množství by to znamenalo velký distribuovaný zdroj.

Dokonce jsou tyto prostředky nejen teoreticky, ale i již zcela prakticky realizovatelné. Například v malém městečku Tourouvre-au-Perche v Normandii (Francie) je již v testovacím provozu silnici se solárními panely. Silnice se skládá z 2 800 metrů čtverečních solárních panelů pokrytých jemnými vrstvami křemíku, které jí umožňují odolat hmotnosti vozidel. Technologie použitá pro tuto iniciativu je Wattaway, vyvinutá francouzskou společností Colas. Podle společnosti může 20 metrů čtverečních těchto solárních panelů poskytnout dostatečnou energii pro zásobování domácnosti. A jeden kilometr může poskytnout dostatek energie k napájení pouličního osvětlení ve městě s 5 000 obyvateli. Colas následně vydláždil více solárních silnic v Narbonne (Francie) a na hranici mezi Alabamou a Gruzií (USA). Technologie se dá využít také pro různé cyklostezky / cyklistické pruhy. Například testovací projekt SolaRoads na 70 m dlouhém úseku cyklopruhu během prvních šesti měsíců vygeneroval 3 000 kWh.

Další řešení zahrnuje zachycení slunečního záření a jeho přeměnu na tepelnou energii. Toto je myšlenka iniciativy "Power Road", kterou vynalezla společnost Eurovia. Integrací tepelného výměníku do povrchu silnice lze tuto energii zachycovat, ukládá ji a prostřednictvím systému tepelného čerpadla odesílat do okolních budov a infrastruktur. Podle Eurovie může 25 m² této technologie absorbovat tepelnou energii použitou v domě o rozloze 70 metrů čtverečních za jeden rok. Navíc v létě může tato technologie také pomoci ochladit horní vrstvy asfaltu.

Ale využít lze nejen solární energie, ale i pohybové energie. S principem tzv. piezoelektrického jevu, lze jakékoliv proměnné / střídavé zatěžování převádění na povrch piezoelektrického elementu, může vyrábět malé množství elektrické energie. Pokud se ale opět spojí mnoho těchto elementů dohromady, může ve výsledku být energický zisk poměrně velký. Ve výsledku tak lze vyrábět el. energie jen tím, že po chodníku či vydlážděné cestě chodíme či jezdíme. Aby by se to tedy vyplatilo, je třeba instalovat elektrické generátory v rušných oblastech, jako jsou recepce budov, nástupiště metra nebo posilovací stroj v tělocvičně. Piezoelektrické systémy jsou poměrně robustní a dostatečně základní, aby zajistily vysokou životnost. Jeden z těchto panelů o hmotnosti cca 5 kg má konvenční betonový kryt a umožňuje generovat cca 10 W (10 J / s). Tedy při aktivování po dobu 650 000 sekund, to je 180 hodin kroků, lze vygenerovat až cca 6,5 MJ energie, tedy cca 1,8 kWh elektrické energie. Této problematice se již věnují výrobci jako například izraelský Innowattech a kalifornský Pyro-e.

Energie z oken

Samozřejmě z pohledu energetické bilance měst mají budovy jeden z hlavních vlivů. Ale nemusí být pouze čistými spotřebiteli energií, ale i velmi efektivním zdrojem solární energie. Solární panely na střechách jsou již tradiční technologií energetického příspěvku budov. Ale již se zde objevují další možnost výhodná zejména u velkých prosklených budov. Tou je tzv. solární "sklo", které si lze představit jako skleněnou plochu "potaženou" průhledným solárním panelem. Na velkých prosklených plochách, oknech či dokonce celých venkovních zdech (zvláště těch směrující na jih) tak mohou takto vyrobené solární panely vyrábět nezanedbatelné množství el. energie a přitom nijak neomezovat designové kreace architektů. Nejnovější provedení již nechávají zcela projít lidským okem viditelné světlo a absorbují pouze ostatní složky světla (např. ultrafialové záření), takže takové solární skla jsou pro lidi zcela čirá.

Zmínit lze například technologie "XL Vision" společnosti Onyx Solar, "Power Window" startupu Physee, nebo "ClearView power" společnosti Ubiquitous Energy. Dosahované výkony výroby elektřiny se zatím pohybují v rozsahu cca 8 až 40 W na m² plochy, ale zcela jistě se výkon budou s postupným vývojem nových materiálů zvyšovat.

Možným řešením "sběru" energie z oken je i použít vhodnou průhlednou vložku v okně jako koncentrátor fotonů, který je směruje na klasické solární články umístěné v rámu okenní tabule.

Závěr

Právě využití velkých skleněných ploch, zdí zejména vysokých budov a provozních / dopravních ploch pro výrobu el. energie je z mého pohledu zásadní na budoucí pozitivní energetickou bilanci měst. Takových ploch je ve městech všude velmi mnoho a z pohledu energetického jsou doposud prakticky téměř nevyužité. Pokud se tedy ve vzdálenější budoucnosti máme jako lidé a města oprostit od využívání fosilních paliv, jiná možnost nám asi ani nezbude. To, že se podaří nějak masivně snížit celková spotřeba energií, není příliš pravděpodobné. Sice se daří zvyšovat účinnost některých zařízení, ale na druhou stranu rostoucí množství automatizace a strojů zase tento pokles dorovnává svým početním zastoupením.