Bez jakýchkoliv pochyb by se dalo říci, že srdcem a zároveň i největším úspěchem českého pavilonu na výstavě Expo 2020 v Dubaji je systém S.A.W.E.R. Zařízení, které dokáže pouze za pomoci solární energie vyrobit z pouštního vzduchu užitkovou i pitnou vodu. Tento převratný vynález je projektem výzkumníků z Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) a Fakulty strojní (FS) ČVUT v Praze a v budoucnu by mohl v mnoha suchých lokalitách sloužit jako záložní zdroj vody.
Systém S.A.W.E.R (Solar Air Water Earth Resource) na Expu není jediným přístrojem na výrobu vody ze vzduchu, který již spatřil světlo světa. Jeho oficiálnímu představení v Dubaji předcházely dlouhé roky vývoje prvotního prototypu a následně též měsíce testování v pouštní oblasti Spojených arabských emirátů (SAE) pod vedením Tomáše Matušky, který působí na UCEEB i na Ústavu techniky prostředí FS ČVUT. „Celá historie sahá do roku 2017, kdy za námi přišel novinář Jiří František Potužník, který se o něco později stal generálním komisařem ČR na výstavě, zda bychom pro Expo dokázali nějaké takové zařízení vyvinout. Nejprve jsme to považovali za žert, ale když jsme si udělali první výpočty, zjistili jsme, že pokud by se použila metoda sorpce, šlo by to,“ vzpomíná Tomáš Matuška a dodává, že právě na základě těchto prvotních výpočtů se tým zavázal k tomu, že zařízení bude schopno produkovat 100 l vody denně v poušti a 500 l denně na Expu v Dubaji. Začátek celého vývoje byl, stejně jako u většiny podobných projektů, především o výpočtech. Bylo potřeba navrhnout nejen samotnou sorpční jednotku, ale také vyřešit veškeré energetické hospodářství včetně bateriového úložiště. Zároveň probíhala jednání s externími subjekty, které se měly podílet na výrobě zařízení. Dalším krokem pak byla stavba testovací komory v areálu UCEEB v Buštěhradě, kde se měl již hotový prototyp podrobit prvotním zkouškám. „Šlo o odizolovanou komoru s veškerým vybavením, které jsme potřebovali pro to, abychom mohli řádně simulovat pouštní podmínky. V této komoře jsme se tedy snažili validovat naše výpočty a potvrdit tak, že zařízení bude fungovat, jak jsme předpokládali,“ pokračuje. Další měsíce pak patřily komunikaci s firmou, která vyrábí námořní kontejnery. „Vzhledem k tomu, že kontejner musel vydržet námořní přepravu a musel se do něj vejít všechen materiál pro instalaci solární střechy, bylo třeba navrhnout jeho přesné parametry. A když jsme měli hotovo i toto, mohlo se zařízení naložit a odvézt do SAE, což ale také zabralo asi měsíc.“ Podle Tomáše Matušky se dlouho hledala i lokace vhodná pro testování. V tom nakonec pomohly kontakty generálního komisaře Potužníka a česká komunita lidí, kteří v SAE pracují na manažerských pozicích v různých firmách. „Nakonec jsme testovali na farmě jednoho šejka, v jehož jedné z firem pracují dva Češi,“ vzpomíná a dodává, že montáž zařízení probíhala až na místě a třeba speciální klimatizační jednotky, které byly potřebné pro ochlazování celých kontejnerů, se z důvodů nemožnosti sehnat na evropském trhu produkty vhodné pro poušť, instalovaly také až v Emirátech a opět pomohly české kontakty.
Systém pracuje na technologii sorpce
Celý systém S.A.W.E.R, který se vezl na testování do SAE, sestává ze dvou kontejnerů. V jednom z nich se nachází vzduchotechnická sorpční jednotka, ve druhém energetické zázemí. Technologie je postavena na tom, že vzduchotechnická jednotka obsahuje sorpční kolo, což je prakticky vzato výměník povlakovaný speciálním silikagelem, který na svém povrchu dokáže zachytit molekuly vody i z relativně suchého vzduchu. Aby zachycené molekuly materiál dokázal uvolnit, je zapotřebí na něj začít působit teplotami kolem 80 °C. „Vezmeme proud suchého, horkého vzduchu z pouště a necháme jej protékat tímto kolem, až se jeho povrch nasytí molekulami vody. Pak do něj začneme pouštět menší proud suchého vzduchu, který je ale ohřátý na vysokou teplotu a tím vlastně molekuly znovu uvolníme. Protože je však proud tohoto vzduchu třeba poloviční, nasytí se na daleko větší vlhkost a voda se z něj proto snadno vysráží,“ vysvětluje dále Tomáš Matuška. Voda, která ze zařízení vytékala, však byla podobná dešťové vodě těsně před okamžikem, než dopadne na povrch země. Byla zcela demineralizovaná a takovou vodu nelze pít. Proto je součástí kontejneru i mineralizační jednotka, která z této vody přidáním vápníku a hořčíku udělá vodu pitnou. Neméně důležitý byl také druhý kontejner, v němž se nacházelo kompletní energetické zázemí. Při přepravě v něm byly také různé solární prvky a konstrukce, ze kterých se na místě nad celým systémem vytvořila energetická střecha. Součástí kontejneru pak byly solární tepelné kolektory, fotovoltaické moduly a hybridní nezasklené fotovoltaicko-tepelné kolektory, které jsou zvláštní tím, že mají vlastní výměník tepla. „Těmito kolektory jsme chtěli ‚chytat‘ chlad z noční oblohy, abychom si s ním následně předchladili vzduch a nemuseli využívat pouze kompresorové chlazení. To nám ale příliš nefungovalo, protože jemný prach, který všechno hned zanese, zabraňoval sálání vůči obloze. Zároveň jsme při tomto pouštním testování dospěli k závěru, že není příliš vhodné pracovat v takovém prostředí s vodními okruhy.“ Tím, že systém obsahoval dva výměníky, jeden pro ohřev vzduchu a jeden pro zchlazení vzduchu, které pracují s vodou, tak bylo třeba mít i akumulační vodní zásobníky. „Toto všechno v poušti propojit za toho šíleného horka nám zabralo příliš mnoho času. I to je důvod, že když jsme stavěli druhý prototyp, který se nyní nachází před univerzitou Rochester Institut od Technology v Dubaji, místo kapalinových kolektorů používáme malé tepelné čerpadlo.“ To podle Tomáše Matušky udělá chlad i teplo přesně tehdy, kdy je potřeba a s přebytkem chladu lze ještě ochlazovat kontejnery jako takové bez nutnosti klima-jednotek.
S.A.W.E.R je vhodný také pro hospodaření s vodou
Ani tato druhá, vylepšená verze však není tím zařízením, které stojí v českém pavilonu na Expu v Dubaji. Pro tyto účely se totiž vyvíjelo třetí zařízení, které je propojeno s fotobioreaktorem pro obohacování vody o nutrienty potřebné pro zalévání rostlin v záhonech. Právě na vývoji tohoto komplexního systému spolupracovali s týmem vědců z ČVUT i vědci z Botanického ústavu AV ČR. „Kdybychom navrhovali zařízení přímo na míru dubajskému klimatu, volili bychom méně složitou technologii. Asi by stačila čistě kondenzační jednotka s obyčejným, levným chladičem, který je napojen na fotovoltaiku. Avšak my jsme na výstavě chtěli představit sorpční technologii, takže S.A.W.E.R na Expu je spíše demonstrací toho, co dokážeme vytvořit, i když pro tamní vlhké klima je zbytečně složitý,“ vysvětluje Tomáš Matuška. Systém použitý na výstavě dokáže bez problémů produkovat 500 l vody denně, maximální získaný objem byl 800 l vody denně. Jednotka je přitom jen dvojnásobně větší. Za touto vyšší produkcí tak stojí právě dubajské klimatické podmínky. Oproti poušti je tam vlhkost vzduchu daleko vyšší. Změny doznala také užitá fotovoltaicko- tepelná technologie. Na střeše pavilonu jsou kromě fotovoltaiky i zasklené fotovoltaicko-tepelné kolektory. Dubajský systém není určen přímo k výrobě pitné vody, ale pro zalévání zahrady, takže nebylo potřeba mineralizační jednotky. Tu proto nahradilo zařízení Botanického ústavu AV ČR, které zjednodušeně řečeno oživuje vodu řasami, jež do sebe vážou látky z odpadní vody. A tato zálivka pak živí rostliny, které jsou vysázeny v přilehlé zahradě. „Chtěli jsme ukázat, že tímhle způsobem se dá šetřit voda, protože v Dubaji si příliš se šetřením vodou hlavu nelámou. Zalévají tak, že vodu rozstřikují, jenže ta se tak vypaří ještě dříve, než dopadne na zem. Nebo instalují kolem palem takové pískové lavory, které plní vodou, jenže opět dochází k ohromnému výparu a ke kořenům dojde vody o dost méně,“ popisuje dále.
S.A.W.E.R uspěl, ať žije MAGDA
Vystavené zařízení S.A.W.E.R je natolik jedinečné, že v Dubaji způsobilo senzaci. „Ohlas byl a stále je mimořádný. Telefonů a mailů je opravdu hodně. Každý týden máme dva až tři nové zájemce z celého světa. Poslední reportáž na CNN International to vše ještě akcelerovala. Problémem je, že doposavad nemáme výrobce a nejsme tak schopni zodpovědět hlavní otázky, za kolik a kde si zájemci mohou zařízení koupit. Momentálně mimo jiné spolupracujeme s firmou, která dodává technologie pro AČR a NATO. S nimi jsme teď rozjeli společný projekt, kdy si za pomoci našeho know-how jednotku v nové generaci sami postaví, nainstalují a vyzkoušejí. I to by mělo vést k definitivnímu přenosu našeho vynálezu do běžného použití. Velký zájem z celého světa také vědce ‚pošťouchnul‘ k dalšímu projektu: pracovalo se na mobilní jednotce s názvem MAGDA (Mobile Autonomous Water Generator from Desert Air). Ta má zhruba 1 × 1 × 1 m a dokáže z pouštního vzduchu vyrobit 9 l vody denně. Jde o vyloženě záložní zdroj, který se dá snadno přivézt a poměrně jednoduše instalovat do míst, kde by mohl být problém s plynulým zásobováním pitnou vodou,“ říká na závěr Tomáš Matuška s tím, že pro jeho tým byl tento projekt přesně tím, o čem výzkumníci sní. „Taková šňůra od myšlenky až po okamžik, že zařízení někde s úspěchem pracuje, to je to, proč tuhle práci děláme. Sice nás to stálo hodně šedin, ale je to opravdu sen.“ /Kristina Kadlas Blümelová/
