Wels: Budoucnost patří obnovitelným zdrojům energie

Využití biomasy a slunečního záření jako hlavního energetického zdroje, snižování spotřeby fosilních paliv, snižování závislosti na dálkových energetických rozvodech a výstavba nízkoenergetických až energeticky pasivních budov - zejména rodinných domů. To je cesta, kterou dokořán otevřel mezinárodně velmi uznávaný Veletrh energetických úspor ve Welsu (Rakousko), konaný ve dnech 7. až 15. března 2003.

Wels leží asi 30 km západně od metropole Dolního Rakouska Lince ve směru na Salcburg - v zemi, která je nejen u nás známá svým intenzivním smyslem pro ochranu životního prostředí a tzv. trvale udržitelný rozvoj. Tamější tradiční jarní Veletrh energetických úspor je pro každého návštěvníka cenným zdrojem poučení a inspirací při hledání vhodných zdrojů energie pro provoz staveb a optimalizaci energetické spotřeby. Pro vystavovatele, již mají co nabídnout, je veletrh příležitostí, jak najít na mezinárodním poli zákazníky »zralé« k nákupu technicky pokročilých nebo inovovaných řešení.

Na prvním místě biomasa

Podle představ četných specialistů (zejména z Německa a Rakouska), již se účastnili v rámci doprovodného programu odborných seminářů a přednášek, je kandidátem číslo jedna pro palivo budoucnosti biomasa, zejména dřevo. Je tomu tak proto, že jde o obnovující se zdroj, jenž se v přírodě reprodukuje rychleji, než jak jej stačí člověk čerpat. Pro srovnání: v evropských zemích se vytěží přibližně 75 % dřeva, jež vyroste, zbytek je »recyklován« obvyklým přírodním koloběhem. Často se argumentuje bilanční rovnováhou spalování dřeva. Spálí se jen to, co se přírodě odejme a oxid uhličitý, skleníkový plyn, který spálením vznikl, se zase spotřebuje na růst biomasy a tak dokola. Nelze z toho ale v žádném případě vyvozovat, že lze biomasu pálit bezhlavě, nemá-li být narušena její reprodukční schopnost. Na druhé straně je ale patrný vývoj v uvažování, protože pálení není už vydáváno za lidský produkt neslučitelný s přírodou, nýbrž za samozřejmý přírodní děj a součást látkového koloběhu, zejména jde-li o spalování dřeva a biomasy.

Dnešní nejmodernější kotle na spalování biomasy využívají jako paliva dřevěných pelet, což jsou dřevěné štěpky, piliny či hobliny, prosté chemie a jiných nečistot, lisované bez použití lepidel do tvaru válečků různých průměrů a výšek. Zařízení na výrobu pelet lze pořídit zvlášť pro každý rodinný dům. Peletové hospodářství, které představuje sklad pelet, jejich dopravu ke kotli a dávkovací modul, tvoří spolu s peletovým kotlem vysoce automatizovaný systém, jehož obsluha není složitější než u plynového kotle. Spalování v kotli probíhá zásadně vzduchem přiváděným zvenčí a je velmi dokonalé; výsledkem je velmi malé množství sazí ve spalinách a relativně nízká teplota spalin, takže vyrobené teplo je ve vysoké míře zužitkováno a neuniká komínem.

Využití sluneční energie

Sluneční zářivý tok má v místě oběžné dráhy Země hustotu 1630 W/m² (tzv. solární konstanta), z něho dopadá na zemský povrch přibližně v průměru 640 W/m². Za rok tak na jeden m² zemského povrchu dopadne průměrná energie 10 GJ/m². Je to obrovské množství.

Od dávné minulosti lidstvo hledá cesty, jak tuto energii přímo zužitkovat. Vzhledem k vysoké teplotě slunečního záření 5700 K (o pojmu teplota záření viz blíže v [2]) existuje podle druhé termodynamické věty vysoká teoretická účinnost přeměny energie ze Slunce v mechanickou práci či jiný využitelný druh energie.

Teoretická účinnost ještě neznamená, že se reálně zdaří sestrojit tepelný stroj, který by s touto účinností měnil sluneční záření v práci a pak, třeba pomocí alternátoru, v elektřinu. Potíž je v tom, že hlavní složka slunečního záření, viditelné světlo o vlnových délkách od 400 až 700 nm, je nevhodná k přímému ohřevu pracovní látky stroje (vody), přestože tzv. barevná teplota viditelného světla je řádově tisíce kelvinů. Z hlediska přímého ohřevu jde vlastně o »studené« světlo.

K přímému ohřevu je vhodnější infračervená a mikrovlnná složka slunečního záření: např. molekulu vody přímo a velmi intenzivně ohřívá mikrovlnné záření o vlnové délce 6250 nm, které odpovídá teplotě 463 K (viz Wienův zákon posunu, [3]). Vedle toho, že je tato složka ve slunečním záření zastoupena ve srovnání s viditelným světlem přibližně s tisíckrát menší energetickou hustotou, je nadto účinnost její přeměny v mechanickou práci jen 35 %. I přes tuto skutečnost je infračervené a mikrovlnné energie ze Slunce stále dost na to, aby stačila přímo ohřívat vodu ve slunečních kolektorech, které představují první a velmi významný krok na cestě k budoucí energetické soběstačnosti budov.

Dnešní technika dokáže pomocí fotovoltaických článků zužitkovat i energii viditelného záření. Dnes, pro mnoho uživatelů ještě cenově nedostupné fotovoltaické moduly, umisťované na fasádě nebo střeše budov, se v nedaleké budoucnosti pravděpodobně stanou rozhodujícím prvkem pro zajištění co největší nebo úplné energetické nezávislosti obytných staveb. Fotovoltaické prvky dokáží přeměnit dopadající sluneční záření na elektrickou energii s účinností okolo 15% i více. Zpracují i rozptýlené denní světlo pod oblačnou oblohou. Fotovoltaický modul poskládaný z jednotlivých článků o ploše 1 m² pak při intenzitě slunečního zářivého toku 1000 W/m² produkuje až 130 W/m² elektrického výkonu, tj. s účinností okolo 13%. Pro rodinný dům se 24 moduly s celkovou plochou 24 m² tak elektrický výkon činí cca 31 kW. Takový systém pak za celý rok vyprodukuje přibližně 11 GJ elektrické energie [3]. To převyšuje roční spotřebu topného tepla tzv. pasivního rodinného domu.

Energetická soběstačnost obytných staveb

Z výše uvedeného neplyne, že by obydlí budoucnosti musela nutně vypadat jako hermeticky uzavřená stavení s mohutnou vrstvou tepelné izolace, kde bude na závadu otevřít okno či balkonové dveře, pokud to vůbec půjde. Cestou budoucnosti je energetická decentralizace, tj. energetická soběstačnost staveb, zejména obytných, kdy budou v maximální míře využívány přirozené zdroje energie, zejména ze slunce, a to v kombinaci s používáním biomasy, zejména místně rostlého dřeva, k otopu. Přesvědčivě se ukazuje, že energetických zdrojů, zejména obnovitelných, není nedostatek, jde spíše o nalezení způsobů, jak jich využít. Nebudou-li tomu bránit lobbistické vlivy, rychle se ukáže, že ze všeho nejméně efektivní je čerpání energie z centralizovaných energetických sítí (elektřina a plyn). Podle některých názorů, s nimiž se mohl setkat i návštěvník tohoto veletrhu, jsou v dnešních cenách plynu a elektřiny ze dvou třetin obsaženy především gigantické náklady na výstavbu, údržbu, reprodukci a správu dálkových energetických rozvodů, jakož i nemalé ztráty rozváděné energie v řádu desítek procent.

Vyzbrojen myšlenkami uvedenými shora si mohl návštěvník veletrhu dotvořit u stánku společnosti Profactor (Steyr, Rakousko) obraz obydlí nové generace. Elektrická energie získaná z fotovoltaických panelů pohání domácí spotřebiče, nabíjí domovní elektrické akumulátory, osvětluje sklepní prostory atd. Přebytek elektrické energie pak putuje do elektrolyzéru, v němž dochází k rozkladu vody za vzniku vodíku. Tento vysoce výhřevný plyn je pak skladován, čímž je vlastně „uskladněna“ sluneční energie pro případné budoucí použití k otopu nebo jako pohonné hmoty do palivových článků, jež jsou vysoce efektivním zdrojem tepla a elektřiny zároveň.

Další energetické zdroje

Dřevěnou biomasou a slunečními paprsky však možnosti obnovitelných energetických zdrojů nekončí. Velmi podrobně jsou dnes již rozpracovány technologie pro využití energetického obsahu biologických odpadů s vysokým obsahem sušiny, při nichž je zužitkována i odpadní voda a výstupem je skladovatelný bioplyn. Mimo jiné to platí i pro odpady z jatek apod.

Dalším obnovitelným zdrojem energie, populárním zejména ve skandinávských zemích jsou větrné a vodní elektrárny.

Tepelná čerpadla s otazníkem

Přímé vytápění elektřinou z centrální sítě se v úvahách většiny odborníků z výše uvedených důvodů dostává na poslední místo. Otázkou zůstává použití této elektřiny pro pohon tepelného čerpadla. A i zde zastává nemálo odborníků skeptické postoje. Důvody jsou dva: prvním je neefektivní a plýtvavý způsob výroby elektřiny umocněný navíc vysokou nákladností za dálkovou dopravu ke spotřebiteli. Částečným řešením je sice použití např. plynového motoru k pohonu čerpadla, ale i tak jsou výhody tohoto způsobu vytápění poněkud otupeny. Druhým je fakt, že nejčastěji používané tepelné čerpadlo, jež čerpá podzemní teplo, vyžaduje složitou a rozlehlou síť podzemního potrubí, již často ani nelze realizovat (např. ve městech).

Stavební materiály

Ruku v ruce s optimálním energetickým zajištěním staveb musí jít vývoj stavebních materiálů, použitých zejména pro obálkové konstrukce. V Rakousku existuje velká tradice výstavby z cihel, která se podle tvrzení rakouských cihlářů [1] odráží 70 % podílem cihlových staveb na celkovém objemu výstavby rodinných domů. Tato tradice ovšem nebrání tomu, aby se v poslední době neobjevovaly v této zemi stále častěji i lehké montované stavby nebo dřevostavby. Jejich přednosti jsou známé: je to především rychlost výstavby, výborná tepelná ochrana a specifický komfort bydlení. Na druhé straně i výrobci »těžkých« zdiv, zejména cihláři, reagují na nové požadavky. Výsledkem jsou např. cihelné systémy s efektivním součinitelem tepelné vodivosti = 0,08 W/(mK); pro srovnání tentýž součinitel pro polystyrén je = 0,04 W/(mK). Ty umožňují tradičním jednovrstvým zděním docílit tepelné ochrany na úrovni tzv. pasivních domů. Článek o tomto zdivu nalezne čtenář na jiném místě tohoto časopisu. Aktuální vývoj ve výstavbě se i dnes ubírá cestou snižování tepelných ztrát budov, ale zároveň je patrný posun ve vnímání nutnosti úspor. Za nutné se považují zejména úspory neobnovitelných (fosilních) paliv. Za částečně či úplně zbytečné se začíná považovat čerpání energie z veřejné sítě pro účely vytápění. Zelená pak svítí získávání a spotřebě energie z místních zdrojů, tzn. dřevní hmoty (za podmínky jejího obnovitelného růstu), jiné biomasy a energie ze slunce.

Literatura a zdroje:

[1] Informace zástupců firmy ZIEGELWERK EDER
[2] Hejhálek Jiří: Noční podchlazování stavebních povrchů, Stavebnictví a interiér 03/2003, str. 8, Vega 2003
[3] Mitsubishi Electric: Prospekt Fotovoltaické moduly, Veletrh úspor energie, Wels, Rakousko, 2003