Česká republika
Média

Budovy jako elektrárny

Slovní spojení „udržitelná budova“ se dnes mezi architekty skloňuje ve všech pádech. Nicméně pro většinu z nás, kteří žijeme v budovách postavených před mnoha desetiletími, je skutečnost od těchto futuristických vizí stále na míle vzdálená – naše domovy doslova „žerou“ energii a často jsou nákladné a energeticky neefektivní. To se však může brzy změnit; představitelé obchodní sféry a akademické obce totiž spojili síly a společně se snaží vytvořit podobu nové městské krajiny, ve které se budovy stanou elektrárnami budoucnosti.

Požádejte přední vědce, kteří pracují se špičkovými ekologickými technologiemi, aby vám popsali dům budoucnosti a vzali vás do fascinujícího světa, kde biologické vědy pracují v harmonickém souladu s vědou o materiálech na tvorbě prostředí živých staveb.

Je to svět, kde fosilní paliva a jadernou energii nahradilo nespočet technologií. Budoucnost, kde se do jednoho celku spojila chemie, biologie, nanotechnologie, věda o materiálech a biomimetika, aby společně vytvořily živé, navzájem propojené město. Místo, kde se získává sluneční energie v různých formách z průčelí každé budovy a mezisezónně se skladuje, kde inteligentní izolace reguluje prostředí, zatímco živé zdi z řas reagují se slunečním světlem a vytvářejí stín a světlo. Navzájem propojený svět, kde každý dům, pracoviště, automobil či škola napodobují živý organismus přirozenou interakcí s prostředím, shromažďují energii, která se získala z obytných domů během dne a z pracovišť během noci, a posílají ji tam, kde je nejpotřebnější.

Motivací pro většinu těchto moderních novinek je hrozba klimatických změn. Jak vyplynulo z výzkumu, který provedl Program OSN pro životní prostředí, inteligentnější stavební konstrukce nabízejí obrovské možnosti snižování nákladů na škodlivé emise skleníkových plynů. Budovy v celosvětovém měřítku spotřebují 40 procent našich energetických zdrojů a produkují třetinu skleníkových plynů celé planety – a vzhledem k migraci energeticky náročné populace do měst se má toto číslo ještě zvyšovat.

„Solární články umíme vyrobit na čemkoliv, i na papíře.“

Dr. Trisha Andrewova, odborná asistentka chemie na Wisconsinské univerzitě v Madisonu v USA

Lákavá vize budoucnosti, kterou nám překládají vědci, má však jeden háček – pro většinu z nás téměř nijak nesouvisí s naší vlastní zkušeností světa, který dnes stojí kolem nás. Ať už žijete v Berlíně, Šanghaji, Riu nebo v americkém Milwaukee, zřejmě vás všude obklopují budovy, které se za posledních sto let jen minimálně změnily a které využívají technologie, které za posledních 50 let prošly jen minimálním vývojem. Nejvyspělejší technologie, jaké dnes vidíme v rámci každodenního využití, se obvykle omezují na solární panely a větrné turbíny z těžkého krystalického křemíku.

To by se mohlo brzy změnit. A katalyzátorem této změny je tichá revoluce, která probíhá v zasedacích místnostech velkých firem a v laboratořích akademických institucí. Lidé si uvědomují, že ačkoli o brilantní inovace v projektování staveb není nouze, nevěnuje se dostatečná pozornost tomu, jak nové technologie rozšířit na trh. Toto poznání přimělo některé z nejlepších mozků světové vědy, aby se snesli z nebeských výšin na zem a přesunuli svou pozornost od pěkného snění k řešení technologického problému velkovýroby. Otázkou totiž je, jak zajistit, aby byly tyto technologie cenově dostupné a ziskové a aby se přitom daly vyrábět v dostatečně velkém rozsahu k tomu, aby něco opravdu změnily.

Greg Keeffe, profesor udržitelné architektury a vedoucí výzkumu na Univerzitě Queens v irském Belfastu, se domnívá, že architekti a projektanti by se mohli přiučit od výrobců automobilů a mohli si vzít něco z jejich postupů, které používají při sériové výrobě.

Podle jeho názoru dnešní potřeba nacpat domy do toho mála, co zbylo z prostoru ve městech, znamená, že je každou budovu třeba projektovat samostatně. A to nenabízí žádné možnosti rozvoje těch inovací, které patří k velkovýrobě.

„Pokud se podíváte na běžný dům, před kterým stojí zaparkovaný Mercedes třídy E, tak dům je ve srovnání s tím autem naprosto mdlý,“ říká profesor Keeffe. „Myslím, že potřebujeme industrializovanejší produkt, který by splňoval potřeby masového využití – což je v současnosti za hranicemi našich možností, protože budovy se projektují úplně jinak než automobily. Navrhování každého jednoho prvku automobilu se věnovaly stovky člověkoroků přemýšlení, zatímco uvažování o jednotlivých prvcích staveb se věnovalo mnohem méně času, protože každá stavba je velmi individuální.“

Od laboratorního experimentu po průmyslovou výrobu

Udržitelná budova: dřevěné fasády, solární články na střeše a vysoce účinná izolace – hotel Wälderhaus v Hamburku (Foto: Stephan Falk)

Centrum udržitelného produktového inženýrství pro inovativní funkční průmyslové nátěry (SPECIFIC) je průmyslové a akademické konsorcium, které vzniklo nedávno s cílem řešit právě tento problém. Jeho úkolem je překlenout vědomostní propast, která existuje mezi inovacemi a výrobou. Projekt pod vedením Univerzity Swansea ve Walesu spustili před čtyřmi lety a financuje ho velšská a britská vláda, spolu s hlavními průmyslovými partnery univerzity, společnostmi Tata Steel, NSG-Pilkington Glass a BASF.

Cílem projektu SPECIFIC je proměnit budovy na elektrárny budoucnosti. Jeho záměrem je působit jako spojovací článek mezi britskými univerzitami při využívání nejnovějších světových vývojových trendů v oblasti stavebních materiálů a projektování budov s využitím inteligentních nátěrů, díky kterým budou zdi a střechy budov schopné shromažďovat, uskladňovat a uvolňovat energii z obnovitelných zdrojů. Projekt pracuje převážně s ocelí a sklem a zaznamenal již pozoruhodné výsledky, které budou znamenat revoluci přinejmenším v jednom odvětví stavebního průmyslu.

Výkonným ředitelem konsorcia SPECIFIC je Kevin Bygate, který vede více než 120-členný tým špičkových světových vědců, technologů, inženýrů a obchodních vývojářů. Své úsilí soustředí především na to, jak co nejvíce rozšířit stávající technologie, aby se inovace z laboratoří proměnily na produkty, které bude možné vyrábět ve velkém měřítku.

„Existuje mnoho univerzit a výzkumných ústavů, které udělají první krok a přinesou prvotní základ budoucího vynálezu. V praxi to znamená asi tolik, že vytvořili něco o velikosti nehtu a na tomto nehtu je maličká tečka velikosti špendlíkové hlavičky, která dělá něco zajímavého,“ vysvětluje Bygate. „V této fázi to přebíráme my a snažíme se zopakovat funkci s hojným množstvím materiálu a pomocí takové metody, která se dá použít i ve větším měřítku. Využíváme pilotní linky na výrobu metr širokých plátů a pak navíjecí linku, která daný materiál zvětší tak, aby se dal použít na celou budovu.“

Jedním z takových výrobků je nezasklený solární vzduchový kolektor, který dokáže absorbovat průměrně 50 procent a v dobrých podmínkách až 75 procent sluneční energie dopadající na budovu. Nezasklené solární vzduchové kolektory se umisťují jako dodatečná vrstva z mikroperforované oceli na stávající nebo novou zeď či střechu domu, v důsledku čehož vzniká dutina s ohřátým vzduchem mezi povrchem budovy a tímto kovovým pláštěm. Ohřátý vzduch se z dutiny odčerpává a přivádí do budovy, takže jej lze použít buď k uspokojení okamžitých energetických potřeb budovy, nebo k uskladnění na později.

Partner projektu, ocelářská společnost Tata Steel, vyrábí ocel ve Velké Británii na stavbu skladů, supermarketů a maloobchodních prodejen. Vědci pracující na projektu SPECIFIC odhadují, že pokud by jen 10 procent oceli, kterou každoročně vyrobí společnost Tata Steel, mělo tento inteligentní nátěr, dalo by se vyrobit 10 GW energie, čili ekvivalent ročního energetického výkonu jedné jaderné elektrárny.

Bygate je přesvědčen, že nezasklené solární vzduchové kolektory by se mohly stát v budoucnu hlavním zdrojem energie. „Máme potvrzení o proveditelnosti této koncepce a nyní hledáme obchodní model, který by ji dostal na trh,“ říká. „V závislosti na míře veřejného přijetí nového produktu a křivek jeho prodeje by se s tímto typem technologie dala do 20. let tohoto století vyrobit přibližně jedna třetina obnovitelných zdrojů energie Velké Británie.“

Stejně důležité jako sběr sluneční energie je i její uskladnění. Akumulátory, zásobníky teplé vody a podzemní zásobníky tepla – to vše má potenciál, ale obvykle zabírají mnoho místa. Zatímco některé druhy energie se skladují několik hodin před použitím, jiné druhy energie se čerpají mezisezónně – v letních měsících se obvykle uskladní, aby se v zimě mohly využívat.

Projekt SPECIFIC slaví úspěchy i na tomto poli. Profesor Dave Worsley, který v rámci projektu vede program akademického výzkumu, vysvětluje: „Pracujeme na termochemické akubaterii, která zadržuje nebo uvolňuje obrovské množství energie. Jeho základem je sůl, která pohlcuje nebo uvolňuje vodu – podobně, jako když se potíme.“

A právě díky schopnosti efektivního zadržování a uvolňování energie bude toto řešení podle Worsleyho vhodné pro mezisezónní uskladnění energie, přičemž zabere desetinásobně menší prostor, než kdyby se k jejímu uskladnění použila voda.

Solární nátěr

Celá léta vědci předpovídají, že jednou dojde k vytvoření cenově dostupného fotovoltaického nátěru, který by se dal použít na budovách pro sběr sluneční energie. Skutečnost je však taková, že než se takový produkt dostane na trh, uplyne ještě mnoho let. Přesto nás práce, které se věnuje doktorka Trisha Andrewová, odborná asistentka chemie na Wisconsinské univerzitě v Madisonu v USA, přivádí o krok blíže k cíli.

Organická fotovoltaická zařízení, která lze zakomponovat do barev, existují již od 90. let minulého století. Tato zařízení jsou vyrobená z materiálů jako uhlík, vodík, dusík či síra a mají tu výhodu, že jejich výroba je levná, ale ve srovnání s materiály na bázi křemíku jsou neefektivní a mají krátkou životnost.

Před pár lety zažila doktorka Andrewová okamžik, kdy mohla spolu se svými kolegy zvolat „Heuréka!“. Proč z tohoto nedostatku neudělat ctnost a nevyrobit fotovoltaický materiál, který by dokázal napájet elektronické přístroje, ale jeho výroba by byla natolik levná, že ho, když doslouží, jednoduše vyměníte za nový?

„Například pokud produkujete emise CO2, můžete tyto emise vzít a vložit do fasády.“

Pomocný ředitel Dr. Ing. Jan Wurm, vedoucí evropského výzkumu firmy Arup a vedoucí projektu domu s biointeligenčním kvocientem „Dům BIQ“ (Bio Intelligent Quotient)

Živá fasáda z mikrořas nejen pěkně vypadá, ale zároveň vytváří biomasu a teplo. Tyto suroviny lze využít přímo v budově.

„Otázka, kterou jsme si nikdy předtím nepoložili, zněla, jak můžeme tyto materiály vyrábět komerčně,“ vysvětluje doktorka Andrewová. „Farmaceutické společnosti si kladou tuto otázku denně. Řídili jsme se stejným procesem chemické syntézy, takže logickým krokem pro nás bylo položit si otázku, jaký je vliv naší chemické syntézy na cenu za jeden watt jmenovitého výkonu.“

Zaměřením se na výrobní proces doktorka Andrewová zjistila, že už vlastně mají komerčně životaschopný produkt, který dokáže napájet domácí spotřebiče sluneční energií. Při výrobní ceně méně než 50 amerických centů za kus by nebylo podstatné, že fotovoltaické články mají životnost od šesti měsíců až po dva roky.

„Máme už velmi slibné progresivní výsledky, na kterých jsme vybudovali začínající firmu (‚start-up‘). Solární články umíme vyrobit na čemkoliv, i na papíře. A to se s křemíkem prostě nedá,“ říká doktorka Andrewová. „Z vědeckého i logického hlediska máme tento nátěr na dosah. Pokud se vydaří první fáze, nátěr půjde do výroby, ale zřejmě to nebude dříve než za deset let.“

Budovy se zeleným pláštěm

Tu a tam se objeví nová technologie, která změní způsob, jakým uvažujeme o budovách. Takový účinek měl i první dům s „bioadaptivní fasádou“ na světě, který byl představen na Mezinárodní stavební výstavě v Hamburku. Architektům a projektantům otevírá nové, zajímavé možnosti k prolomení bariér mezi biologickým světem a světem materiálů a přibližuje nás tak o další krok k vizi živého města.

„Dům s biointeligenčním kvocientem“, známý jako Dům BIQ (Bio Intelligent Quotient), je výsledkem spolupráce mezi skupinou architektů a strojírenských a projektových firem, včetně mezinárodní konzultační firmy Arup.

Pomocný ředitel Dr. Ing. Jan Wurm, vedoucí evropského výzkumu firmy Arup a vedoucí projektu Dům BIQ, popisuje novou technologii jako „bio-využití“. „Vytváříme mikrořasy na výrobu tepla a biomasy, takže jde o biologický proces, stejně jako například růst stromu nebo rostliny. Vše je výsledek téže fotosyntézy, jen to děláme v řízeném prostředí,“ vysvětluje Wurm.

Průčelí Domu BIQ je složeno z bioreaktorových fasád, které ve vodě mezi dvěma skleněnými deskami zadržují mikrořasy. Když jsou mikrořasy vystaveny slunečnímu záření, každých sedm hodin zdvojnásobí svůj objem prostřednictvím fotosyntézy. Tento zelený „plášť“ vytváří přirozený stín, který ochlazuje vnitřek budovy.

Řasy kromě toho poskytují domu dva možné zdroje energie. Prvním je sluneční teplo, které zachycuje voda mezi skleněnými deskami. Sluneční paprsky ohřívají vodu, a protože obsahuje zelené řasy, ohřívá se rychleji než čistá voda. Jak voda protéká přes čerpací místnost, lze z ní odčerpávat teplo, a pak je uskladnit v podzemí pro budoucí využití. Druhý zdroj energie pochází ze sběru samotných řas. Za tímto účelem se přes centrální flotační zařízení přečerpává kyslík, díky čemuž se řasy odstředí a vyplavou na hladinu. Řasy je tak možné přivádět do rostlinné biomasy budovy, a vytvářet tak metan jako zdroj energie.

Grafika zobrazuje, kde může docházet k tepelným ztrátám domu přes obvodový plášť budovy.

„Systém spojuje různé proudy a cykly, jako jsou voda, uhlík, teplo, či dokonce potrava. Takto můžete vytvořit průmyslovou symbiózu,“ vysvětluje Wurm. „Například pokud produkujete emise CO2, můžete tyto emise vzít a vložit do fasády.“ Právě myšlenka začlenění budovy do přirozených cyklů vlastního prostředí, ale i možnost jejího projektovaní s živou fasádou, která se v průběhu dne mění, architekty nejvíce nadchne.

„Co je na tom zajímavé, je ta turbulence ze stoupajících bublinek, ale i způsob, jakým v průběhu dne i ročních období mění barvu. Vzadu můžete například použít odrazku, na které se budou odrážet bublinky, nebo tisknout mezivrstvy – co jen chcete,“ říká Wurm.

Na naše energetické problémy zjevně neexistuje žádné zázračné řešení. Elektrárna budoucnosti bude směsicí mnoha technologií. Fasáda s bioreaktorem je projektovaná tak, aby pracovala v harmonii s ostatními metodami přeměny energie.

A právě zde Wurm hovoří o navzájem propojeném městě, o městě jako organismu, kde se navzájem obměňují různé technologie a poskytují využitelnou energii v symbiotických sítích. Právě zde se začíná rýsovat živé město, a to je důvod, proč je o fasády s bioreaktory takový velký zájem.

Jak uvnitř udržet teplo

Ale co stávající budovy? Přestože by se mohly nezasklené solární vzduchové kolektory a fotovoltaika třetí generace v budoucnu upravit pro dodatečnou montáž, fasády s řasovými bioreaktory nejsou zrovna tím, co lze snadno přišroubovat na průčelí vašeho běžného domu.

Jedním z nejmodernějších vývojových trendů, na který se zaměřuje domácí trh s dodatečnými montážemi, je inteligentní izolace. Jejím hlavním cílem je zvýšení tepelné účinnosti bez ohrožení estetické složky. Společnost BASF již celá desetiletí vyvíjí izolační materiály s různými vlastnostmi. Posledních sedm let pracuje na nové formě izolačního materiálu pod názvem Slentite™, který obsahuje póry řádově v nanoměřítku.

Nyní, v pilotní fázi výroby, je to čistý polyuretanový aerogel, který má veškerou potřebnou pevnost a zajišťuje vysoce účinnou izolaci, přičemž je o 25 až 50 procent tenčí než jiná obdobná izolace. Jeho jedinečnou vlastností je schopnost pohlcovat a uvolňovat vodní páru, čímž se reguluje vlhkost uvnitř budovy. „Jeho hlavní využití vidíme v izolaci interiéru i exteriéru jak v rámci dodatečné montáže, tak v novostavbách,“ vysvětluje Dr. Marc Fricke, vedoucí týmu společnosti BASF, který nový materiál vytvořil.

Pasivní dům v Číně

Projekt Bruck: vzduchotěsná, dobře izolovaná „skořepina“, která dokáže snížit tepelné ztráty až do takové míry, že pro zajištění celoročního pohodlí není potřebný topný systém.

Izolace je hnací silou jednoho z nejvýznamnějších výsledků nejnovějšího vývoje v oblasti udržitelného bydlení – tzv. pasivního domu. Pasivní dům je německá koncepce a poskytuje vzduchotěsnou, dobře izolovanou „skořápku“, která dokáže snížit tepelné ztráty až do takové míry, že pro zajištění celoročního pohodlí není potřebný topný systém.

Koncepce upoutala pozornost jedné z největších realitních společností v Číně, Landsee Group. Ta letos v dubnu otevřela první pasivní dům v zemi, který nese označení Projekt Bruck.

Postavili ho v okrese Čchang-sing v jihočínské provincii Če-ťiang, což je oblast známá chladnými zimami, extrémně horkými léty a vysokou vlhkostí. Projekt Bruck je hotel pro delegáty, kteří přijedou na návštěvu nedalekého výzkumného střediska, a může se pochlubit koncepcí pasivního domu. Společnost Landsee je přesvědčena, že pokud se jí podaří názorně dokázat, že pasivní dům funguje v nehostinném prostředí okresu Čchang-sing, pak jej bude možné postavit i v jiných oblastech Číny. „Tyto technologie by mohly mít v Číně široké uplatnění, ale musíme vybrat nejvhodnější design a technologie podle místních podmínek jednotlivých podnebných pásem,“ vysvětluje Kaj Cou, stavební inženýr společnosti Landsee pro udržitelné stavby.

Jelikož čínská vláda klade větší důraz na potřebu udržitelného bydlení, stavební průmysl země je otevřenější novým myšlenkám v oblasti snižování spotřeby energie. Společnost Landsee se domnívá, že nyní nadešel ten správný čas na prosazení myšlenky pasivního domu právě v Číně, která je jedním z největších světových trhů s bydlením.

Fasády z řas, fotovoltaické nátěry, inteligentní zdi a střechy, živé budovy, které se obejdou bez tradičních zdrojů energie – to vše ale stále zní futuristicky. Ale pokud nová generace podnikatelů a akademiků uspěje, tyto špičkové technologie se budou objevovat na budovách, ve kterých bydlíme, dříve, než si myslíme.

Související obsah

CasaE – Brazil’s first energy efficient house

Michael L. Gentoso

Sustainable construction

Lofthome by Blok Kats van Veen architects

Breaking the mold

View through palisade at Masdar City

Masdar City - Eco-city on the Persian Gulf