Elektrická energie

Chytré sítě využívají velké množství senzorů a čidel rozmístěných na výkonových zařízeních sítě, které monitorují její stav, chování a tendence. Proud digitálních dat neustále směřuje do řídicího centra, kde automatika v reálném čase vyhodnocuje zatížení sítě a kvalitu dodávek elektřiny. V případě výpadků napájení nebo poruchy na síti je schopna okamžitě lokalizovat místo poruchy, podle možnosti obnovit napájení, případně přepojit její nezasažené části na jiný zdroj napájení. Chytrá síť tak minimalizuje oblasti i doby trvání poruchových stavů.

Masivní zapojování decentralizovaných malých elektráren v řádu kW až jednotek MW do distribuční sítě je způsobeno ekologickým trendem využívání alternativních zdrojů. Především větrné a solární elektrárny jsou charakteristické tím, že nedodávají do sítě konstantní výkon. Jejich využití je z výkonového i časového hlediska dost těžce predikovatelné. To samozřejmě klade velké nároky na řízení okamžité rovnováhy mezi výrobou a spotřebou elektřiny a optimalizaci přenosové kapacity sítě – dalšího významného prvku rozvíjejících se inteligentních sítí. Pro usnadnění provozu těchto sítí s obnovitelnými zdroji využívají řídicí procesy v rámci odhadu výroby též meteorologická data aktuálního vývoje počasí.

Pokud je do inteligentní distribuční sítě zapojen řiditelný zdroj (například kogenerační jednotka), může síť nebo její část pracovat i při výpadku centrálního napájení v tzv. ostrovním provozu. Izolovaná, ale fungující síť si přitom zachovává všechny původní charakteristiky a může v krizovém období dočasně napájet potřebnou infrastrukturu.

Zcela zásadní vlastností chytré sítě je schopnost interaktivní oboustranné komunikace mezi výrobními zdroji, koncovými odběrnými místy a jejím řídicím datovým centrem. Díky tomu může inteligentní síť v reálném čase flexibilně reagovat na měnící se nabídku a poptávku chytrým zapojováním a ovládáním zdrojů nebo dálkovým řízením spotřeby. Implementace chytrých technologických řešení do řízení a provozu distribuční sítě přispívá k její stabilitě, ke zkvalitnění služeb zákazníkům a v neposlední řadě i k ochraně životního prostředí (využitím alternativních zdrojů).

Výhody chytrých energetických sítí pocítí i obyčejní uživatelé. Pokud jsou vybaveni digitálními měřidly (elektroměry) s komunikací v reálném čase, mohou on-line sledovat a řídit svou spotřebu nebo využívat speciální energetické tarify, nastavující cenu elektřiny podle doby odběru. Využívání prvků inteligentních sítí jim tak pomůže ušetřit jejich výdaje za energie (až 10 %). V budoucnu bude příjem informací z rozvodné sítě přímo integrován do domácích spotřebičů. Ohřev vody nebo myčka se pak během dne spustí v tu nejvhodnější dobu (kdy je elektřiny dostatek a je nejlevnější). Prostřednictvím chytrých elektroměrů může distributor nebo obchodník prostřednictvím inteligentních sítí omezovat dodávku elektřiny jednotlivým odběratelům nebo v krajním případě odběrové místo i zcela odpojit.

Provádění úsporných opatření vedoucích ke snižování spotřeb energií patří k současným trendům a zapadá plně do koncepce chytrých měst. Ve větším měřítku probíhá zateplování budov, výměna výplní otvorů (okna, dveře), a instalace ekologických forem vytápění s plnohodnotnou regulací. Kvalitní zateplení a inteligentní zdroje tepla snižují náklady na vytápění až o desítky procent. Kromě vytápění se úsporná opatření zaměřují i na chlazení a vzduchotechniku, případně spotřeby plynu a vody. Současná podpora energeticky úsporných řešení formou úlev nebo dotací se v budoucnu městům vyplatí jak z finančního hlediska, tak i z hlediska zlepšování čistoty ovzduší a kvality života ve městě.

Zvyšování hospodárnosti a provozní efektivnosti budov rekonstrukcí jejich zastaralých energetických systémů přispívá k celkovému zhodnocení budov. Technologií pro dosažení stanovených cílů je dnes již dostatek – od kvalitních zateplovacích systémů, výplní otvorů, přes tepelná čerpadla, kondenzační kotle, systémy větrání s rekuperací až po využití obnovitelných zdrojů. Mnohdy větší finanční náročnost kvalitních energetických služeb spojených s úsporou energií a provozních nákladů, především budov veřejných institucí a průmyslových podniků, může být řešena formou EPC (Energy Performance Contracting) projektů. Základním principem těchto projektů je splácení investic do úsporných opatření z reálně dosažených úspor. Dodavatel často zajišťuje financování rekonstrukce a smluvně garantuje dosažení úspor i návratnost vynaložených prostředků. Na úspěchu projektu je tak zainteresován jak dodavatel, tak i vlastník nemovitosti, což umožňuje nastavit správný a vyvážený poměr mezi objemem investic a výsledným efektem energetické služby.

Důležitým aspektem úsporných opatření v hospodaření s energiemi v budovách je zavedení energetického managementu – řídicího procesu pro zajištění energetických potřeb. Je často nabízen jako součást projektů EPC. Energetický management je v podstatě dlouhodobý proces hledání možností dalšího snižování provozních nákladů v energetickém hospodářství, založený na měření a vyhodnocování spotřeby, analýze účinnosti realizovaných opatření a návrhu doplňkových opatření směřujících k dalším úsporám. V rámci energetického managementu budov mohou být zajišťovány i některé doplňkové návazné funkce, jako je centrální dispečink nebo řešení poruchových stavů.

Na instalace obnovitelných zdrojů je ovšem třeba nahlížet nejen z hlediska výhod, komfortu a ekologie, ale i z hlediska ekonomického. Jejich použití musí být efektivní a měla by se také brát v úvahu technologická a energetická náročnost výroby těchto zdrojů. Často diskutovanou otázkou jsou například materiály fotovoltaických panelů. Druhou podmínkou instalace obnovitelných zdrojů, především ve městech, je jejich architektonické začlenění do zástavby a všeobecné společenské přijetí. Nikomu by se asi nelíbil pohled z městské vyhlídky na větrný park nebo průčelí historické budovy pokryté fotovoltaickými panely. Využívání obnovitelných zdrojů by nemělo výrazným způsobem měnit ráz města nebo okolní krajiny.

Instalace moderních a efektivních obnovitelných zdrojů energie jsou i přes své značné rozšíření stále ještě náročnou investiční akcí. Různé národní a evropské dotační tituly podporují jejich instalace v rámci měst. Je velmi pravděpodobné, že takto vynaložené prostředky se v budoucnu projeví v kvalitativně vyšší úrovni služeb nebo v jiných oblastech městského života.

Mezi nejčastěji využívané technologie, spadající do obnovitelných zdrojů, patří především využití solární energie pro ohřev užitkové vody a pro přímou přeměnu na elektřinu, v menší míře využití energie větru. Pod obnovitelné zdroje můžeme v podstatě zahrnout i využití tepelných čerpadel nebo získávání tepla rekuperací odpadního vzduchu ve ventilačních systémech budov. Z větších zdrojů se pomalu prosazuje kombinovaná výroba elektřiny a tepla, která dokáže maximálně využít energii v palivu a odlehčit výrobu v klasických elektrárnách, pracujících s podstatně menší účinností.

Dobrým příkladem efektivního energetického hospodářství a využívání lokálních obnovitelných zdrojů energie se stávají městské veřejné budovy. Díky instalaci lokálních obnovitelných zdrojů se budovy stávají buď částečně, nebo někdy i úplně energeticky soběstačné. Přitom mnohdy není technologie instalovaného zdroje vůbec viditelná. To je důležité především u historických a památkově chráněných objektů.

Důležité je také bezpečné zapojování lokálních obnovitelných zdrojů do veřejné distribuční soustavy. V případě několika tisíc jednotek, například na území města, to již může mít nezanedbatelný vliv na stabilitu sítě. Výhodné je, pokud chytré město s rozvojem a začleněním alternativních zdrojů současně rozvíjí i strategii chytrých sítí, které si s malými decentralizovanými zdroji lépe poradí. Jinou možností je instalace individuálních lokálních zdrojů s nulovými přetoky do veřejné sítě. Například energie vyrobená fotovoltaickými panely na střeše je přímo spotřebována vlastníkem elektrárny nebo je v rámci budovy ukládána do baterií pro pozdější autonomní využití. Tyto systémy s lokálním ukládáním energie se začínají prosazovat, i když jsou ještě stále finančně náročné a mají delší dobu návratnosti.

V důsledku neustálého zvyšování cen energií se chytrá města snaží zavádět opatření na snižování nákladů na provoz veřejného osvětlení. V první řadě jde o výměnu zastaralých svítidel moderními LED zdroji. Pro každou lokalitu je nutný správný výběr vhodného druhu svítidla a jeho intenzity. Tímto krokem lze dosáhnout značných finančních úspor (až 70 %) a vzhledem k tomu, že spotřeba elektrické energie na veřejné osvětlení se podílí asi 1/3 na celkové spotřebě města, jde o nezanedbatelnou částku, a tudíž o dobrou investici do budoucna. Návratnost investovaných prostředků do modernizace osvětlení je poměrně krátká.

Současné osvětlovací zdroje jdou v úsporách ještě dál a využívají pro svůj provoz určité prvky inteligentního řízení. Namísto pevně zadaného času svícení lampy reagují na měnící se intenzitu světla a rozsvěcují se až v okamžiku, kdy se skutečně začne stmívat. Prahové hodnoty sepnutí jsou obsluhou dálkově nastavitelné pro každou lampu. Kromě zapnutí a vypnutí je taky možné regulovat intenzitu svitu. Lampy mohou být vybaveny senzory, které detekují pohyb chodců nebo intenzitu dopravy, a v době, kdy jsou ulice prázdné, lampy snižují intenzitu svícení třeba až na 25 %. Inteligentní řízení jasu lamp tak přidává další úspory a zvyšuje rentabilnost investice do nového osvětlení. Nesmíme zapomínat ani na pozitivní vliv na okolí ve formě omezení světelného znečištění měst. Navíc inteligentní řízení světel veřejného osvětlení umožňuje podle potřeb jediným klikem myši vypnout všechny zdroje v určité oblasti nebo je naopak zapnout na nejvyšší intenzitu (například při konání veřejných akcí).

Zavádění moderního řízení veřejného osvětlení přináší kromě úspor i další benefity. Prvním je optimalizace nákladů na servisní operace. Řídicí systém má o každém světelném zdroji kompletní informace, včetně okamžitého stavu, aktuální spotřeby, režimu svícení nebo poruchy konkrétní části zdroje. Proto je značně zjednodušené plánování i realizace servisních zásahů. Evidované doby svícení a čerpání plánované životnosti zdrojů umožňují dostatečně včas rozhodnout o jejich výměně. Dalším plusem je podrobná parametrizace světel veřejného osvětlení, kdy se pro každé světlo nebo skupinu světel v řídicím systému zadávají například diagramy intenzity, časové konstanty a logika pro inteligentní řízení jasu nebo hraniční úroveň setmění.

Městské veřejné osvětlení má za úkol osvětlit každé náměstí a téměř každou ulici. Tato hustá a pravidelná síť (čítající jen v ČR přes 1 milion svítidel) získá ještě větší význam, pokud se její body při modernizaci osadí různými senzory a inteligentními čidly. Z prosté lampy pro svícení se rázem stává chytré multifunkční zařízení. Data, proudící z těchto aktivních prvků do řídicího systému, mají velkou vypovídací hodnotu a mohou se využít k zajištění větší bezpečnosti, monitorování a regulaci dopravy, měření emisí nebo pro jiné související veřejné služby. K nejčastěji nabízeným doplňkovým modulům chytrých lamp patří: WIFI přístupový bod, informační elektronický panel, kamerový systém, modul nabíjení mobilních zařízení a elektrických dopravních prostředků nebo meteorologická stanice.

Modernizace veřejného osvětlení má nezanedbatelný vliv i na úroveň světelného znečištění, protože právě veřejné osvětlení představuje jeho největší zdroj. Výběr kvalitních funkčních svítidel s účinnou směrovou optikou a možností řízení jasu výrazně redukuje příspěvek osvětlení k světelnému znečištění. Velmi důležitým faktorem se v poslední době stává volba teploty chromatičnosti použitého zdroje. Výzkumy ukazují, že světla vyzařující studené bílé světlo s převládající modrou složkou narušují přírodní rovnováhu a mají negativní vliv na biologický rytmus člověka a dalších živých organismů. Proto by bylo vhodnější preferovat při výměně veřejného osvětlení zdroje s teplejšími odstíny světla.