Energia sa nedá spotrebovať, je možné premeniť ju len na iné formy.
Ako vyzerá tento cyklus energetických premien dnes a čo môžu očakávať budúce generácie?

ENERGETICKÁ VÄZBA MEDZI ČLOVEKOM A PRÍRODOU 

Vývoj človeka možno popísať jeho energetickými potrebami. V počiatkoch bola pre prežitie nevyhnutná energia v podobe potravín a ohňa ako zdroja svetla a tepla. Dnes je situácia radikálne iná. Každodenný život rozvinutej spoločnosti závisí od rôznorodého súboru energetických foriem. Tri pôvodné sa však nezmenili. Meníme len ich zdroj.

Výživa v podobe potravín, svetlo pre ľudské oko a teplo v zimnom ročnom období sú základnými formami energie pre prežitie človeka. Práve takýto „energetický trojuholník“ je nevyhnutný aj pre prírodu, teda pre rast rastlín a život živočíchov. Väzba medzi ľudským a prírodným „energetickým trojuholníkom“ je jasná. Rastliny a živočíchy sú zdrojom ľudskej výživy.

Čomu vďačíme za vytvorenie takejto prirodzenej energetickej väzby? Odpoveď je jednoduchšia, ako sa na prvý pohľad zdá. Je to zdroj svetla a tepla, teda slnko – obyčajné denné svetlo potrebné pre každý život na zemi.

RASTÚCA ENERGETICKÁ ZÁVISLOSŤ ČLOVEKA

Súbor nevyhnutných energetických foriem sa jednoducho modernizoval. Jeho súčasťou je energia potrebná na prevádzku našich budov, pohon dopravných prostriedkov či technológií, ale aj energia potrebná na výrobu každého tovaru či poskytnutej služby. Modernizácia životnej úrovne priamo či skôr nepriamo zvyšuje celkovú energetickú náročnosť bežného človeka v rozvinutých krajinách.

Pre rastúcu populáciu nemôže krivka takejto energetickej závislosti človeka donekonečna len rásť. Otázkou teda je, ako spoločenstvo dokáže vyvíjať svoj „hlad po energiách“ počas napredovania? Už dnes musí človek hľadať záruku toho, že sa už nikdy v budúcnosti nebude musieť uskromniť len so základnými formami energie pre život.

PREKVAPIVÁ PRIEMYSELNÁ REVOLÚCIA 

Rivalita dvoch slávnych vynálezcov (N. Tesla a T. A. Edison) odštartovala nevyhnutnú elektrifikáciu dnešnej modernej doby. Naši predkovia uprednostnili priemyselné možnosti techniky s víziou lepšej budúcnosti, ale technické vedy v počiatkoch nedokázali dostatočne prehodnotiť dlhodobý pohľad tohto rozhodnutia. Efektívne preventívne opatrenia pred uhlíkovou stopou sa s nástupom priemyselnej revolúcie nerealizovali, pretože sa nepovažovali za potrebné.

Dnes je človek nútený čeliť dôsledkom priemyslu. Pozitívne z nich sme sa naučili brať ako samozrejmé. Spoločenstvo konečne vníma negatívne dôsledky priemyslu ako vážnu reálnu hrozbu. Globálne otepľovanie vyvoláva radikálne rozhodnutia kompetentných. Zmena klímy je akousi daňou za dnešnú modernú energetickú závislosť človeka, ktorá miestami hraničí s nenásytnosťou. Zneškodniť takúto globálnu „časovanú bombu“, preto znamená poriadne si „upratať v energiách“.

Práve preto sa od dnešných nápravných opatrení očakáva vysoká úspešnosť. Častou realitou však je, že na to určené voľné zdroje sa veľmi ľahko pominú, len aby sa pre zmenu k lepšiemu niečo vyskúšalo. Je na takýto prístup ešte dostatok času?

Fakt je, že globálne otepľovanie nie je spôsobené vyššou intenzitou slnečného žiarenia, ale zmenami v atmosfére, ktoré sú spôsobené emisiami priemyslu. Práve priemysel je pôvodcom aj modernej „digitálnej doby“. Online život spoločnosti sa postupne integruje do viacerých oblasí, vrátane energetickej. Priemyselná revolúcia so sebou priniesla aj nástroj, s ktorým možno skonsolidovať ľudský hlad po energiách. Ten sa dá zmierniť len dostatočným sledovaním, vyhodnocovaním a analýzou s cieľom riadenia čiastkových nápravných opatrení.

ROVNAKÝ PÔVOD KAŽDEJ OBNOVITEĽNEJ ENERGIE

Slnečné žiarenie predstavuje nevyhnutný prírodný zdroj svetla a tepla. Práve tento duálny zdroj energie je pôvodom všetkých dostupných zdrojov obnoviteľnej energie na Zemi. Svetelnú a tepelnú energiu slnka neustále využíva nielen príroda, ale aj človek. Napriek tomu, že veľké množstvo slnečného žiarenia sa rozptyľuje späť do vesmíru, dopadá na povrch zeme mnohonásobne viac energie, ako je svetová spotreba.

Problém však predstavuje periodicita slnečného žiarenia a jej intenzita, ktorá je závislá od počasia. Duálny energetický potenciál slnečného žiarenia je najviac potrebný práve vtedy, keď slnko nesvieti. Energetické využitie slnečného žiarenia predstavuje pre človeka a spoločnosť veľkú výzvu. Jediná cesta je premena na uskladniteľnú formu energie. Pri hľadaní tej najvhodnejšej sa môžeme inšpirovať prírodou. Je to fotosyntéza, ktorá predstavuje základný regeneračný proces našej planéty. Kľúčovou činnosťou je preto pestovanie rastlín, ktoré v modernej energetike ešte môžu zohrať veľmi dôležitú úlohu.

MODERNÉMU ČLOVEKU TEPLO V ZIME UŽ NESTAČÍ

Umelé osvetlenie, vykurovanie a príprava teplej úžitkovej vody sú základnými technológiami našich budov. Napriek tomu je už bežné, že si používateľ obstará klimatizáciu. Len niekoľkotýždňové využitie v roku nie je veľkou prekážkou, keďže vysoké teploty v lete negatívne vplývajú na zdravie človeka. Zmena klímy dopĺňa vyššie uvedený súbor základných foriem energetickej závislosti moderného človeka o „chlad“ v letnom ročnom období.

Bariéru pre štandardizáciu systému ochladzovania budov v lete predstavuje sezónne využitie potrebnej technológie. O návratnosti investície nemá zmysel uvažovať, keďže ide skôr o zabezpečenie komfortu či bezpečnosti pred vysokými teplotami.

Viacúčelové využitie potrebnej technológie by teda mohlo byť jedno zo správnych riešení. Ak sa inštalovaná technológia využije aj inak ako len na chladenie v lete, ekonomická výhodnosť takejto technológie sa okamžite dostane na vyššiu úroveň.

Takúto technologickú multifunkciu vyvíja tím mladých slovenských vedcov v Ústave elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky na Fakulte elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzite v Bratislave. Ich nové zariadenie obsahuje integrovaný zdroj svetla (LED), zdroj tepla/chladu (výmenník tepla) a zdroj vzduchu (ventilátor). Tým istým pracovným médiom zariadenie vychladí nielen priestor pod ním, ale ochladí aj LED svetelný zdroj, čím zabezpečí nezávislú udržateľnosť umelého osvetlenia od klimatických zmien. Práve takéto dvojité chladenie vyvíjanej slovenskej technológie je garantom bezpečného pestovania rastlín v pestovateľských objektoch. Tie sa realizujú len tam, kde je dostatok podzemnej vody s konštantne nízkou teplotou aj v lete (cca 10 °C). „Voľný chlad“ zeme je možné využiť na zvýšenie potravinovej bezpečnosti pred globálnym otepľovaním s minimálnym tienením denného svetla (zariadenie „3 v 1“).

ZÁKLADNÉ PRAVIDLO ENERGETIKY – ROVNOVÁHA MEDZI VÝROBOU A SPOTREBOU ELEKTRINY

Tím mladých doktorandov na čele s riaditeľom Ústavu elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky FEI STU v Bratislave je presvedčený, že práve nový slovenský vynález by pomohol zmeniť poľnohospodársku produkciu a výrobu elektriny z nepredikovateľných obnoviteľných zdrojov. Prerušovaný charakter výroby elektriny zo slnka alebo z vetra zlaďuje slovenský vynález s celoročnou produkciou poľnohospodárskych skleníkov, a tým môže výrazne znížiť riziko výpadkov elektriny.

Boj s klimatickou zmenou núti masívne nasadzovať nepredikovateľné obnoviteľné zdroje. Ak sa zvyšuje podiel zdrojov, ktoré výkonovú rovnováhu vedia narušiť, správne riešenie môže byť aj na strane spotreby, ktorá môže výkonovú rovnováhu vrátiť späť (tzv. Demand and Response). Riadenie takéhoto spotrebiča by malo byť možné celoročne. Jeho energetická spotreba musí byť maximálne efektívna. Kľúčová je aj jeho udržateľnosť. Takýmto spotrebičom môže byť skleník, ktorého svetelné a tepelné podmienky sú riadené slovenským vynálezom.

Pestovateľské objekty (skleník a fóliovník) staviame mimo obytných miest, kde premenlivá zmena umelého osvetlenia je irelevantná pre rastliny aj pre človeka. Inštalovaný výkon osvetlenia v nich je vyšší ako v bežných priestoroch, keďže je hlavným zdrojom produkcie (fotosyntézy). Dnes však tieto pestovateľské objekty a technológie v nich nespĺňajú dva zo základných predpokladov pre vhodne riadený spotrebič elektriny na podporu vyrovnávania energetickej nerovnováhy v sieti – maximálne možná energetická efektívnosť a nepretržitá dostupnosť.

Zimná prevádzka pestovateľských objektov je zriedkavá. Nízka tepelnoizolačná schopnosť ich stien (sklo/fólia) predstavuje problém, ktorý práve slovenský vynález dokáže riešiť unikátnou schopnosťou – vytvorením aktívnej tepelnej bariéry pre sálavé vykurovacie teplo. Fúkaný teplý vzduch z nových zariadení udržuje vykurovacie teplo v pestovateľskom objekte. Na prípravu teplého vzduchu využíva generované odpadové teplo zo zabudovaných LED svetelných zdrojov, ktoré predstavuje až 70 % z jeho spotreby. Na základe toho možno využiť celý rozsah elektrickej spotreby na vytváranie svetelných a tepelných podmienok na nepretržité pestovanie rastlín v pestovateľských objektoch. Princíp je založený na kvapalinovom prenose generovaného odpadového tepla, čo zabezpečuje vyššie chladenie hlavnej polovodičovej súčiastky, teda svetelného zdroja LED. Vysoká spoľahlivosť a udržateľnosť riešenia je dosiahnuteľná. Výzvou však je, akú formu energie ponúkajú pestovateľské objekty v letných dňoch, keď je nezmysel zapínať LED na výrobu svetla a tepla.

CELOROČNÉ VYUŽITIE MULTIFUNKČNÉHO RIEŠENIA S GLOBÁLNYM DOSAHOM 

Nový multifunkčný smer pre naše budovy majú v rukách Slováci. Bezpečnosť človeka je a stále bude na prvom mieste. Platí to aj na začiatku ich dlhej cesty, ktorá môže byť veľkým prekvapením, ale aj sklamaním. Dnes je pozornosť mladého „mesled tímu“ plne orientovaná na aplikáciu v skleníkoch, ktorá musí dostatočne potvrdiť bezpečnú inštaláciu vynálezu aj v priestoroch, určených na pobyt alebo prácu človeka.

Rýdzo slovenský Multifunkčný Energetický Systém s LED zdrojom svetla a tepla (tzv. MESLED) je svojou schopnosťou dvojitého chladenia ideálnym riešením pre letnú prevádzku alebo pre krajiny s teplým podnebím. Nepretržité využívanie generovaného odpadového tepla z LED svetelných zdrojov a vytváranie aktívnej tepelnej bariéry pre sálavé vykurovacie teplo je veľkou výhodou v zimnom období alebo pre krajiny s chladnejším podnebím. Práve táto schopnosť prispôsobiť sa aktuálnemu ročnému obdobiu je unikát, ktorý robí nové slovenské zariadenie inteligentnejším od tých ostatných (3 rôzne pracovné režimy).

VEĽKÚ MYŠLIENKU TREBA CHRÁNIŤ PRE MALÉ SLOVENSKO VO SVETE

Každý svetelný zdroj je zároveň zdrojom tepla, toto pravidlo platí v prírode (slnko a oheň) aj v technike (žiarovka, žiarivka, výbojka a LED polovodič). Duálnu energiu slnka využívame každodenne bez toho, aby sme si to uvedomili. Technika len ojedinele pozná využívanie generovaného odpadového tepla z umelých svetelných zdrojov.

Základy pre konštruktívnu prepojenosť multifunkčného riešenia s dnešnými technológiami sú chránené zapísaným slovenským úžitkovým vzorom. Príležitosť vyvíjať svetelnú synergiu v skleníkoch je na domácej pôde. To, či je malé Slovensko niečoho takého schopné, môže ukázať len čas, pretože vyvíjané multifunkčné zariadenie je kľúčom na priame a nepriame otázky tohto príspevku.

Ing. Zoltán Kováč, Mgr. Miriam Szabová, Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky, Fakulta elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave

Návrh obrázkov pre dizajn článku:

https://unsplash.com/photos/dOL1uRAHRxA

https://unsplash.com/photos/oiIJ5jGijdQ

https://unsplash.com/photos/ecaWeMN5sHg

https://unsplash.com/photos/fkLz9jRX-cQ

https://unsplash.com/photos/q07mHi7I4Yg