Solárna stratégia udržateľného mesta, časť 2: Udržateľné mestá - Synergické fungovanie urbánnych fragmentov / Smart Grid

Vybrané časti knihy zverejňujeme na pokračovanie (prvú časť nájdete tu). Dnes je témou synergické fungovanie urbánnych fragmentov - Smart Grid.

Udržateľnosť sídelného rozvoja predstavuje komplexnú problematiku zahŕňajúcu všetky stránky súčasnej ľudskej existencie v urbánnom kontexte. Na jej riešenie je potrebné posilniť adekvátne environmentálne vzdelávanie a výchovu nových generácií (no i tých súčasných). Mestá sú nositeľmi kultúry a civilizačného pokroku. Musia reagovať na dôsledky klimatických zmien, saturovať spoločenské a etické požiadavky spôsobom, ktorý im umožní zabezpečiť kontinuitu života. Koncepčné plánovanie miest musí zahŕňať okrem sociálnych a ekonomických aspektov predovšetkým energetické a klimatické hľadiská, musí definovať potenciály efektívnosti a podporovať produkciu energie priamo v mestských štruktúr ach a hľadať možnosti jej ukladania.

Udržateľnosť miest sa postupne stala celosvetový trend, častokrát s prifarbenými prívlastkami (zelený...). K základným premisám udržateľnosti v urbanistickom ponímaní patrí hustota a kompaktnosť zástavby, rozmanitosť architektúry a prostredia, zloženie obyvateľstva, ekologické formy dopravy, pešia dostupnosť, lokálne pracovné príležitosti, kontakt s prírodným prostredím, minimalizácia ekologickej stopy sídla...

Budovy v súčasnosti v Európe počas svojho životného cyklu spotrebúvajú približne 40 % z celkového množstva spotrebovanej energie , čo tiež znamená, že sú sektorom s najväčším podielom na exploatácii energetických zdrojov. Okrem toho sú zodpovedné za 36 % emisií CO . V mestách 2 sa v celosvetovom meradle koncentruje viac než 50 % celkovej populácie, v rámci Európy je to takmer 73 %, pričom trend je stúpajúci. Podľa štúdie OSN, do roku 2050 bude v urbanizovaných oblastiach žiť až 70 % populácie. V súčasných rozvinutých krajinách percentuálny podiel obyvateľstva v mestách dosiahne 86 % a zároveň menej rozvinuté regióny budú čeliť nárastu mestského obyvateľstva zo 44 % (2007) na 67 % v r oku 2050. Vzrastajúca hustota miest a pribúdajúci počet ich obyvateľov si vyžaduje hľadanie nových prístupov k tvorbe urbánneho prostredia. Do popredia vstupujú energetické toky v meste, ich rovnováha a predovšetkým lokalizácia energetických zdrojov v mieste spotreby – teda priamo v substancii mesta – v urbánnych štruktúrach.

Vízia integrálneho energetického fungovania urbánnych fragmentov miest nie je tak vzdialená dnešnej realite. Urbanistické zóny či mestské štvrte, v ktorých je rozhodujúca komplexná energetická efektívnosť celku, sa postupne dostávajú nielen do programu mnohých medzinárodných konferencií, ale aj do strategických dokumentov Európskej únie. Energetická kooperácia mestských štvrtí predstavuje jednu z možných odpovedí na udržateľné fungovanie mesta pri zachovaní jeho kultúrnej identity. Nové alebo obnovené časti miest, s vyšším potenciálom získavania energie z obnoviteľných zdrojov, môžu dotovať energeticky menej produktívne alebo staršie – pamiatkovo chránené historické zóny.

Mestá s inteligentnou urbanistickou víziou majú vypracované verejne dostupné solárne katastre (Viedeň, Berlín, New York, Ženeva...). Takéto on-line dokumenty zobrazujú solárny fotovoltický a/alebo termický potenciál určitých území mesta, či priamo konkrétnych budov (striech). Poskytujú tak obyvateľom, developerom a investorom orientačný odhad možných solárnych ziskov, a tým podnecujú k využívaniu obnoviteľných energetických zdrojov. Na území Slovenska sa podobnou problematikou zaoberá práca Hofierku a Kaňuka. Prostredníctvom modelovej simulácie monitoruje potenciál mesta Bardejov z hľadiska výroby elektriny prostredníctvom fotovoltiky. Výskum dospel k záveru, že Bardejov by bol, pri využití fotovoltiky na dostupných plochách striech budov, schopný pokryť približne 2/3 zo svojej celkovej celoročnej spotreby elektriny. Potvrdzuje reálnosť pokrytia energetických potrieb mesta priamo v urbánnom priestore a tiež možnosť autonómneho kooperatívneho fungovania urbánnych štruktúr. Predpokladom na zvyšovanie miery pokrytia energetického dopytu je znižovanie množstva spotrebúvanej elektrickej energie týmito štruktúrami.

Zameranie sa na získavanie energie z obnoviteľných zdrojov priamo v mieste spotreby alebo v blízkom okolí a transformácia budov zo spotrebiteľov energie na producentov, so sebou nutne prinesie zmeny vo výraze mesta a azda i novú estetickú paradigmu. Je potrebné sa na tieto zmeny z architektonického hľadiska pripraviť. Je však nevyhnutné paralelne hľadať riešenia aj v súvislosti s kultúrnou udržateľnosťou a identitou miest. Kultúra stavieb je dôležitý kvalitatívny faktor lokality . Z hľadiska nájdenia správnej rovnováhy medzi hustotou, otvorenosťou a funkčnou náplňou, ale rovnako i medzi mestom a jeho okolím, je potrebné skúmať možnosti územného plánovania a definovať účinné nástroje na rozvoj urbánnych celkov vo vedomí, že pre komplexnú efektívnosť a udržateľnosť miest nie sú rozhodujúce jednotlivé stavby, ale predovšetkým urbanistické celky, ktoré sú nimi tvorené.

Z technického hľadiska je v súčasnosti za najslabší článok systému označované uskladňovanie získanej energie (najmä elektrickej). Teoretické i praktické možnosti bojujú s nízkou mierou efektívnosti a rýchlou degradáciou uskladňovanej energie. Dosiaľ najrozšírenejší model uskladňovania elektrickej energie z OZE je založený na odvádzaní získaných energetických prebytkov do jestvujúcej elektrickej siete, kde ostávajú zdanlivo uložené. Keď energetický dopyt v objekte prekročí aktuálne možnosti energetického samozásobenia z obnoviteľných zdrojov (napr. noc, zamračený deň), odoberá ju z verejnej elektrickej siete (väčšinou ide o predaj a nákup elektriny cez obojsmerný elektromer; často vzniká vplyvom dotácií značný rozdiel v cene). Takýto systém síce z hľadiska jedného objektu môže pôsobiť logicky a najmä efektívne, pretože do siete uložená energia napohľad nedegraduje, nie je to však celkom tak. Energia z fotovoltiky, vložená do siete, je pochopiteľne nárazová a pri väčšom množstve spôsobuje výkyvy, na ktoré musí reagovať prevádzkovateľ siete. Takto sa obnoviteľná energia dostane do siete, má však za následok degradáciu už z iného zdroja vyprodukovanej elektriny a deformáciu trhu.

Memorandum, ktoré vzišlo z berlínskej konferencie Städtische Ener gien – Zukunftsaufgaben der Städte, prináša komplexný a rozhodný názor na udržateľnosť miest. Okrem mnohých ďalších aspektov vyzdvihuje, ako jednu zo štyroch veľkých úloh miest v budúcnosti, technologickú obnovu ich technickej infraštruktúry. Žiada vytvorenie kooperatívne fungujúcich inteligentných energetických sietí – Smart Grid/Smart Infr astructure.

Inteligentná sieť (IS, alebo smart grid) znamená Ł „zdokonalenú energetickú sieť, ku ktorej je pridaná obojsmerná digitálna komunikácia medzi dodávateľom a spotrebiteľom, inteligentné meranie, monitoring a riadiace systémy.“ Jej základný predpoklad sú správne a komplexné dáta z meraní (z inteligentného meracieho systému).

Inteligentný merací systém (IMS, alebo smart metering) znamená „elektronický systém, ktorý je schopný merať spotrebu a pridávať k tomu viac informácií než konvenčné meradlo (napr. meranie ďalších výkonových a kvalitatívnych parametrov elektriny) a ktorý je schopný vysielať a prijímať [8]dáta s využitím niektorej formy elektronickej komunikácie.“

Zásobovanie vodou a odvodnenie, zásobovanie energiou a teplom, doprava a mobilita sa postupne musia stať decentralizovane spravovanými, ale zároveň prepojenými (zosieťovanými) systémami. Tak umožnia „viacnásobné“ využívanie získanej energie a sú záväznejšie aj pre obyvateľov. Prebytky energie jedného užívateľa sa stávajú energetickými zdrojmi pre iného. Vybudovanie lokálnych obnoviteľných zdrojov energie s rôznou mierou granulácie v danom území dokáže zabezpečiť rozmanitosť energetických zdrojov a ich stabilnejšiu konfiguráciu. Moderné technológie umožňujú optimalizáciu tokov a prepojenie (zosieťovanie) jednotlivých energetických systémov. Inteligentné riadiace systémy môžu rozhodovať o aktuálnom využívaní získavanej energie a priorizovať procesy podľa ich energetickej náročnosti a priebežných energetických ziskov. Koncepty nabíjania batérií elektromobilov počas dňa a spätné využívanie energie z nich v noci pre napájanie (rodinných) domov sa postupne dostávajú ako bežný produkt na svetové trhy. Cieľom je narábať so získanou energiou v reálnom čase a s čo najvyššou mierou efektívnosti.

Na základe formulovaných európskych stratégií by lokálne relatívne nezávislé energeticko-informačné siete mali predstavovať základné kompozičné jednotky, ktoré zabezpečia využívanie lokálnych energetických zdrojov priamo v mieste spotreby. Možnosť koordinovať medzisieťové energetické toky v širšom kontexte bude garantovať potrebnú stabilitu a pružnosť systému. 

Aktuálnosť témy v úrovni urbánneho spolupôsobenia pri získavaní a narábaní s energiou z obnoviteľných zdrojov potvrdzujú nezávislé paralelne prebiehajúce projekty väčšieho, či menšieho rozsahu v Rakúsku: Aspern – Die Seestadt Wiens, či Energy City Graz-Reininghaus, ale i vedeckovýskumné projekty, prípadové štúdie a realizácie – G. W. Reinberg: Sídlisko Eschweiler; F. Lichtblau: München-Sendling. Na projektoch kooperujú univerzity, mestá, orgány miestnej samosprávy a odborníci z oblastí energetiky, urbanizmu, architektúry, sociológie. Zaoceánsky príklad energetickej kooperácie na urbanistickej úrovni i keď v rámci jedného rozsiahleho areálu, je inovatívny projekt Apple Campus, Cupertino, USA.

Modelový príklad lokálneho energetického manažmentu predstavuje spolková krajina Salzburgsko. Zvolené demonštratívne lokality pre aplikáciu systémov usmerňujúcich energetické toky z OZE na základe aktuálneho dopytu a stavu v sieti sa sústreďujú na energetický manažment rôznych úrovní – od regionálnej s integráciou rôznych druhov OZE, až po lokálnu nízk onapäťovú sieť (Smart low voltage grid). Lokálny smart grid obce Köstendorf, ktorý integruje informačnú, komunikačnú sieť s energetickou a dopravnou infraštruktúrou, je zaujímavý pre koncipovanie urbanistického rozvoja formou energeticky kooperujúcich urbánnych štruktúr.

Problematickou oblasťou ostávajú legislatívne rámce pre možnosti synergického využívania energie z obnoviteľných zdrojov v urbánnej dimenzii. S energiou môžu obchodovať iba licencované spoločnosti (autorizovaní dodávatelia energie). Ak napríklad existuje bytový dom, kde vlastníci bytov vlastnia aj príslušnú fotovoltiku, nemôžu prebytočnú energiu predať priamo, napr. susedovi s vyššou spotrebou. Táto zdanlivá komplikácia však zabezpečuje mieru odbornosti a nadhľad potrebný na spravovanie obojsmerných energetických tokov na úrovni mestských štvrtí, resp. sídla.

Možnosť uplatnenia princípu energetickej kooperácie možno v súčasnosti riešiť iba na vyššej úrovni, keď získaná (prebytočná) energia je predaná energetickému dodávateľovi, ktorý ju spätne dodáva podľa dopytu. Situáciu možno riešiť tak, že solárny systém prevádzkuje a spravuje (napr. formou nájomnej zmluvy, alebo na základe inej dohody) priamo dodávateľ energie, v mnohých prípadoch zároveň správca verejnej energetickej siete.

Implementáciu konceptu spravovaných energetických tokov medzi urbánnymi štruktúrami novej zástavby a ich okolím uplatňuje novovznikajúci urbánny celok Graz-Reininghaus. Projekt s rozlohou 110 ha, rozdelený predbežne na 20 etáp, zahŕňa komplexnú analýzu energetických tokov v rámci mesta vrátane definovania potenciálov a možností ich začlenenia do jestvujúceho systému. Projekt charakterizuje optimalizovaná urbanistická hustota, typologická a funkčná rôznorodosť, lokalizácia v rámci stabilizovaného územia na ploche bývalého pivovaru (brownfield) i pešia dostupnosť historického centra. Koncom roku 2013 bola do prevádzky uvedená prvá etapa, zahŕňajúca 12 bytových domov a polyfunkčný objekt s predajňami a kancelárskymi priestormi. Solárne zisky z PV a ST sú rovnomerne získavané a distribuované medzi jednotlivé elementy urbánnej štruktúry . Skĺbením možností manažmentu energetických tokov a urbánnej substancie, dimenzovanej na daný energetický systém prostredníctvom vopred definovaných rámcových požiadaviek na energetické nároky a zisky urbánnych štruktúr, možno zrealizovať koncept stabilnej a rozmanitej energeticky (takmer) nezávislej/(takmer) nulovej mestskej štvrte. Elektromobilita, zásobovaná „čistou“ energiou z obnoviteľných zdrojov, tvorí samozrejmú súčasť.

Vývoj miest je nasmerovaný ku konceptom Smart-City, keď sa všetky mestotvorné komponenty integrálne prepájajú za účelom inteligentne fungujúceho celku. Smart City sa neobmedzuje na rôzne aplikácie uľahčujúce pohyb a orientáciu v meste, ale zahŕňa predovšetkým efektívne fungovanie dopravy, komunikáciu s jeho obyvateľmi a ich participáciu na rozvoji mesta. Nato slúži predovšetkým dobre fungujúci webový portál mesta s interaktívnymi mapami (napríklad o stavebnom dianí v meste, či kataster solárneho potenciálu území/budov). Dôležité je narábanie s energiami, prírodnými zdrojmi, odpadové hospodárstvo, redukcia emisií, ale i rovina kultúry, identita a nespočetné množstvo iných aspektov vplývajúcich na celkovú kvalitu urbánneho života. Základom všetkého musí byť dobre fungujúci administratívny aparát mesta a inteligentná vízia, presahujúca niekoľko volebných období. K najvýznamnejším európskym „smart“ mestám sa v súčasnosti radia najmä škandinávske mestá Kodaň, Helsinki, Štokholm, ale i Viedeň alebo Amsterdam.

Zdá sa, že architektúra a urbanizmus dospeli do fázy nutného prerodu. Musia nie len reagovať na komplexné požiadavky súčasnosti, ale najmä anticipovať potreby blízkej i vzdialenejšej budúcnosti, aby sa nestali nepotrebným bremenom budúcich generácií. V menej dynamickom priestore Slovenskej republiky je nevýhoda mierne oneskorenej reakcie trhu zároveň výhodou, pretože (pokiaľ sa správne využije), umožňuje kvalitnejšiu prípravu pred zavedením konkrétnych opatrení. Z nasmerovania väčšiny uvedených publikácií a výskumných projektov je zrejmé, že v súčasnosti sa v odborných kruhoch začína nazerať na mesto – zhluk urbánnych celkov, tvorených rôznymi typologickými druhmi urbánnych štruktúr, ako na sústavu s veľkým potenciálom zberu a využívania solárnej energie – energeticky aktívny urbanizmus. Mnohé štúdie naznačujú, že slnečné žiarenie a jeho charakteristika bude ovplyvňovať budovy nie len z hľadiska hygienických predpisov, ale predovšetkým z pohľadu využívania aktívnych solárnych systémov, integrovaných do urbánnej (architektonickej) substancie. Z toho dôvodu je potrebné, aby na výskum v tejto oblasti nadviazali aj urbanisti a zástupcovia v mestských orgánoch a požadovali postupné presadzovanie územného rozvoja v duchu solárneho urbanizmu a implementáciu nových územnoplánovacích nástrojov a prístupov. Nato bude potrebné pripraviť nové metodické postupy a do praxe zaviesť urbanistické ukazovatele zamerané na energetické aspekty územného rozvoja.

Mesto, ktoré skutočne funguje ako živý organizmus, bude potrebné ešte intenzívnejšie prepojiť v zmysle obojsmerných energetických tokov. Vytvorenie smart-gridov umožní detailné monitorovanie a manažment dátových a energetických transakcií od úrovne najmenších okrskov až po nadmestskú úroveň. Kumulácia týchto opatrení nemá smerovať iba k obligátnemu napĺňaniu cieľov vytýčených Európskou úniou, ale má zabezpečiť zvyšovanie kvality života obyvateľov miest a dôstojné prežitie a rozvíjanie kultúrnych hodnôt.

Energetická udržateľnosť musí byť férová – rovnaké príležitosti na využívanie energie by mali mať aj ekonomicky menej rozvinuté krajiny. Túto myšlienku podporuje nakoniec aj fakt, že rozvojové krajiny majú veľký potenciál rozvíjať svoje hospodárstvo prostredníctvom obnoviteľných energetických zdrojov – počnúc solárnym energetickým potenciálom rovníkovej Afriky až po geotermálnu energiu Indonézie. Problém z hľadiska chudobnejších krajín je práve finančná nedostupnosť technológií potrebných na jeho využitie. Krajiny s technológiami využívajúcimi obnoviteľné zdroje musia posktnúť svoje skúsenosti a podporu rozvojovým krajinám aj vo vlastnom záujme. „Z historického hľadiska svetová spotreba energie nikdy nebola rozložená spravodlivo. Bohaté krajiny vystavali svoju ekonomiku na dostupných lacných fosílnych palivách a naďalej spotrebúvajú veľkú väčšinu globálnych zásob energie. S miznúcimi zásobami fosílnych palív, zvyšok sveta nebude môcť týmito zdrojmi poháňať svoju vlastný vývoj. Nadôvažok, vplyvom tohto nerovného vývoja, chudobnejšie krajiny budú zmenami klímy, spôsobenými predovšetkým spotrebou fosílnych zdrojov bohatšími krajinami, trpieť najväčšmi.“ V spolupráci s odborníkmi sa problematikou nerovnomerného rozloženia energetických zdrojov zaoberala aj výskumná skupina AMO (súčasť OMA) v publikácii The Energy report. Predstavený koncept globálnej energetickej siete je založený na intenzívnom využívaní obnoviteľných zdrojov. Možný je iba pri spolupráci mnohých krajín, vrátane rozvojových. Takýmto spôsobom by všetci mohli ťažiť zo vzájomnej kooperácie – bohatšie krajiny by získali prístup k stabilnejším obnoviteľným zdrojom a chudobnejším by prospela z hľadiska rozvoja hospodárstva. 

V predchádzajúcich kapitolách sme sa snažili súhrnne priblížiť problematiku globálneho otepľovania, príčiny čo k danému stavu vedú a naznačiť možné riešenia ako tento stav zmeniť. Z uvedeného vyplýva, že komplexnosť tohto problému závisí od množstva faktorov, ktoré sa navzájom ovplyvňujú. Zmena v spôsobe myslenia a správania sa užívateľov stavieb, legislatívnych orgánov ako aj architektov a urbanistov v procese navrhovania, je nevyhnutnou podmienkou pre stavbu objektov s minimálnym dopadom na životné prostredie a pre smerovanie k udržateľnému spôsobu života. Aj keď „ciele a záujmy ekológov sú iné ako ciele a záujmy ekonómov; ciele a záujmy globalistov iné ako nacionalistov; ciele a záujmy chudobných iné ako bohatých; ciele a záujmy intelektuálov iné ako politikov; ciele a záujmy vedcov iné ako umelcov...“, no na ekologických ideáloch prírody, života a zdravia by sa ľudstvo azda zjednotiť mohlo! Potrebnú motiváciu môžeme hľadať v podobe „ekologickej“ etiky alebo cez prizmu finančných úspor počas životného cyklu stavieb.

V urbanistickej mierke možno dosahovať relevantné výsledky a spravovať rôznorodosť a komplexnú kvalitu sídelných útvarov. Jedine na tejto úrovni možno sa paralelne venovať i aspektu každodennej ľudskej mobility a vyhnúť sa tak paradoxom, ktoré nezriedka prináša individuálna nízkoenergetická výstavba v odľahlých polohách. Objekty s minimálnou potrebou energie totiž zďaleka nevyvážia neprimerane vysokú spotrebu spôsobovanú neefektívnou individuálnou dopravou (napr. pri každodennom cestovaní automobilom za zamestnaním). Implementácia energetických parametrov a indikátorov využívania energie do plánovacieho a regulačného procesu výstavby miest je z hľadiska optimalizácie nevyhnutným krokom k predpokladom efektívneho kooperatívneho narábania s energiou v urbánnom priestore.

Článok je výňatkom z publikácie Solárna stratégia udržateľného mesta
Autori: Ing. arch. Ján Legény, PhD; Ing. arch. Peter Morgenstein, PhD.
Ústav ekologickej a experimentálnej architektúry Fakulta architektúry Slovenská technická univerzita Nám. slobody 19 813 45 Bratislava
Vydala Slovenská technická univerzita v Bratislave v Nakladateľstve STU. Bratislava, 2015
ISBN 978-80-227-4366-2 85-216-2015