Zastosowanie energii słonecznej w przestrzeni miejskiej
![Rys. Budynek z PV wbudowanymi w ściany [19]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202101/pv-wbudowane-w-budynek-rysglowny.jpg)
Rys. Budynek z PV wbudowanymi w ściany [19]
Integracja technologii energii odnawialnej w przestrzeń miejską napotyka różne wyzwania, w tym bariery legislacyjne, polityczne, regulacyjne, finansowe, natury społecznej, estetyczne, projektowe oraz urbanistyczne. W pewnym stopniu bariery te wynikają z braku świadomości na temat ewentualnych możliwości i korzyści płynących z wykorzystania lokalnie dostępnych zasobów energii odnawialnej (integracja technologii energii odnawialnej w przestrzeń miejską może zwiększać bezpieczeństwo energetyczne i tworzyć lokalne możliwości zatrudnienia). Omawiane ograniczenia są także efektem braku wiedzy na temat zastosowań energii odnawialnej w miastach. W niektórych przypadkach występuje również brak akceptacji społecznej dla lokalizacji elektrowni na terenie miast lub w ich pobliżu.
Zobacz także
VOLT Polska Sp. z o.o. Inteligentna instalacja – fundament nowoczesnego prosumenta
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak...
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak skutecznie zniwelować te ograniczenia, zapewniając użytkownikowi realną kontrolę nad zużyciem energii, większą niezależność od rynku energii oraz ciągłość zasilania, nawet w sytuacjach awaryjnych.
VOLT Polska Sp. z o.o. Mądry prosument z inteligentną instalacją
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się...
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się cen energii elektrycznej oraz samowystarczalność energetyczną i spełnienie celów środowiskowych (np. zmniejszenie emisji CO2) czy ciągłość dostaw energii – jest jednak możliwe!
Weidmüller Rozwiązania fotowoltaiczne Weidmüller: najwyższa jakość i bezpieczeństwo
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
StreszczenieMiasta odgrywają coraz większą rolę w łagodzeniu zmian klimatu oraz przystosowywania się do tego procesu. Wykorzystanie takiego potencjału przejawia się przede wszystkim poprzez integrację technologii energii odnawialnej z lokalnymi systemami energetycznymi. W artykule opisano istniejące rozwiązania technologiczne często stosowane w obszarach miejskich, takie jak systemy PV (ang. photovoltaics systems), PV zintegrowane z budynkiem (BIPV, ang. building-integrated PV) i różne technologie solarno-termalne. AbstractThe use of solar energy in urban space |
Pomimo tych ograniczeń powoli zarysowuje się trend świadczący o coraz większej przychylności, zarówno społecznej, jak i administracyjnej do tego typu rozwiązań.
Można wyróżnić dwa rodzaje technologii konwersji zasobów słonecznych do produkcji energii. Jest to fotowoltaika (PV) służąca do wytwarzania energii elektrycznej oraz kolektory słoneczne wykorzystywane do wytwarzania energii cieplnej. Oba rozwiązania mogą być stosowane w różnych skalach i działać samodzielnie lub podłączone do sieci. W artykule opisano istniejące rozwiązania technologiczne często stosowane w obszarach miejskich, takie jak systemy PV (ang. photovoltaics systems), PV zintegrowane z budynkiem (BIPV, ang. building-integrated PV) i różne technologie solarno-termalne.
Miejskie systemy fotowoltaiczne
W ostatniej dekadzie można było zaobserwować gwałtowny wzrost globalnej mocy zainstalowanej fotowoltaiki. Wzrosła ona z poziomu 40 GW w 2010 r., do 580 GW w 2019 r. [7] Świadczy to o bardzo dużym rozwoju tego sektora, jednakże większość tej mocy wytwarzają elektrownie słoneczne na skalę przemysłową. Miejskie systemy fotowoltaiczne są jeszcze rzadkością.
Systemy fotowoltaiczne znajdujące się w przestrzeni miejskiej są zazwyczaj instalowane na dachach i fasadach budynków bądź są zintegrowane z nimi. W oczywisty sposób systemy te charakteryzują się na ogół mniejszymi rozmiarami niż systemy naziemne zlokalizowane na obrzeżach miast.
Jedną z najważniejszych zalet technicznych mieszkaniowych systemów fotowoltaicznych jest ich bliskość, co pozwala uniknąć strat energii i opłat związanych z jej przesyłem na duże odległości (jak jest to w przypadku farm PV zlokalizowanych poza miastem). Miasta w coraz większym stopniu dostrzegają również jeszcze wiele innych dodatkowych korzyści o charakterze społecznym i środowiskowym, które zapewniają te systemy. Można do nich zaliczyć np. większą odporność na ekstremalne zjawiska pogodowe oraz skutki zmian klimatu.
Pomimo wielu zalet i korzyści, jakie są związane z systemami fotowoltaicznymi w miastach, istnieje również szereg wyjątkowych wyzwań występujących w procesie zwiększania skali ich zastosowań. Zalicza się do nich przede wszystkim ograniczenia przestrzenne. W większości przypadków miasta nie dysponują terenami, które odpowiadałyby wymaganiom związanym z funkcjonowaniem naziemnych elektrowni fotowoltaicznych. Brakuje bowiem wolnych przestrzeni, a jeśli już takowe są, to znajduje się dla nich odmienne zastosowanie. Ponadto koszt zakupu gruntu w miastach jest zbyt wysoki.
Właśnie z tych powodów integracja systemów fotowoltaicznych z istniejącymi lub planowanymi budynkami miejskimi bądź też inną infrastrukturą będzie nadal należeć do najbardziej preferowanych praktyk. Można jednak znaleźć przykłady naziemnych elektrowni fotowoltaicznych, które są instalowane na obrzeżach miast i zwykle należą do określonych społeczności lub miasta [3].
Najpopularniejszą technologią solarną energii odnawialnej w miastach są PV na dachach. Pomimo jej popularności, technologia ta również napotyka wiele ograniczeń i wyzwań technicznych. Zalicza się do nich przede wszystkim ograniczoną powierzchnię dachową per capita w gęsto zabudowanych obszarach miejskich, niekorzystne warunki konstrukcji dachowych oraz nieoczekiwane przerwy w pozyskiwaniu energii na skutek zacienienia. Niemniej jednak dachowe systemy fotowoltaiczne pozostają obiecującym rozwiązaniem w miastach. Dobrym przykładem takiej polityki jest Seul. Stolica Korei Południowej planuje zainwestować 1,55 mld USD w zainstalowanie 1 GW mocy PV do 2022 r. Podobna skala projektów jest realizowana w Chinach. Na rysunku 1. przedstawiono proces montażu dachowych PV w chińskim mieście Wuhan.
Rys. 1. Montaż dachowych PV w Wuhan [20]
Oprócz najbardziej rozpowszechnionej fotowoltaiki dachowej pojawia się nowa generacja miejskich technologii, których celem jest pełniejsze wykorzystanie potencjału energii słonecznej, przede wszystkim w nowych i planowanych budynkach. Celem jest przekształcenie PV z generatora energii elektrycznej w rodzaj materiału budowlanego, który również będzie mógł wytwarzać energię, ale dodatkowo będzie go można także wykorzystać do budowy tkanki miejskiej. Jedną z takich form są zintegrowane z budynkiem PV (BIPV).
Głównym założeniem BIPV jest dostosowanie modułów fotowoltaicznych do różnorodnych zastosowań w budynku. Chodzi przede wszystkim o integrację z budynkiem, jako elementów stanowiących alternatywę dla tradycyjnych części konstrukcyjnych zarówno w obrębie dachów, jak i elewacji. Za przykład mogą posłużyć pokrycia dachowe, szklane systemy elewacyjne i dachowe oraz elewacyjne elementy okładzinowe.
Technologia BIPV charakteryzuje się wielofunkcjonalnością. Oprócz dostarczania energii do budynku, z którym moduły są zintegrowane, spełniają one również funkcję reprezentatywną. Budynek, w którym zastosowano takie rozwiązanie, wyróżnia się z otoczenia. Moduły zintegrowane z fasadą bądź dachem budynku zapewniają ponadto izolację termiczną, jak również chronią przed opadami deszczu. Wyciszają jego wnętrze oraz ograniczają promieniowanie UV [12].
BIPV wciąż znajduje się jednak na początkowym etapie rozwoju technologii i musi pokonać różnorodne bariery zarówno rynkowe, jak i technologiczne. Pomimo 60% spadku kosztów zakupu i instalacji w latach 2004–2015, BIPV jest nadal droższy niż konwencjonalne systemy PV [9]. Najważniejsze aspekty związane z oceną BIPV obejmują ogólną wydajność konwersji systemu, elastyczność projektowania oraz trwałość i żywotność, jako technologii wytwarzania energii. Ponadto bardzo ważny jest materiał konstrukcyjny, właściwości cieplne, stabilność i degradacja w czasie oraz bezpieczeństwo i opłacalność ekonomiczna [11].
Technologie solarno-termalne
Systemy solarne mogą być wykorzystywane zarówno do dostarczania ciepła, jak i energii elektrycznej. Ciepło słoneczne jest zwykle przekształcane w energię elektryczną za pomocą technologii CSP (ang. concentrating solar power), która najczęściej musi być stosowana na dużą skalę, by być ekonomicznie opłacalna. W związku z tym charakteryzuje się dużą zajętością terenu. Większość elektrowni CSP jest instalowanych z dala od miast, w miejscach o doskonałym bezpośrednim nasłonecznieniu. Ich zastosowanie i znaczenie w miastach jest ograniczone [6].
Natomiast nieskoncentrowane systemy solarne, wykorzystywane głównie do dostarczania ciepła, mogą być stosowane w mniejszych skalach, które wymagają mniej miejsca, a zatem są często instalowane na obszarach miejskich. Technologia ta obejmuje słoneczne kolektory termiczne, które pochłaniają i przekształcają promieniowanie słoneczne w ciepło z wydajnością do 80% w zależności od temperatury roboczej [14].
Powszechnie stosowane są trzy typy kolektorów słonecznych. Płaskie i próżniowe kolektory rurowe (do wytwarzania temperatur do 120°C) oraz kolektory pozwalające uzyskać temperaturę od 120°C do 200°C [15]. Każda z tych technologii ma zalety oraz wady, a wybór zależy przede wszystkim od wymaganej temperatury. Systemy solarne od dawna są stosowane do ogrzewania wody i pomieszczeń w budynkach, ale mogą one również wytwarzać ciepło procesowe w przemyśle. W miastach systemy te można umieszczać na dachach, elewacjach, balkonach i na dowolnej zewnętrznej powierzchni budynku.
Kolektory ciepła mogą również służyć jako izolacja w przegrodach zewnętrznych budynków, zmniejszając tym samym zapotrzebowanie na ogrzewanie i chłodzenie [10].
Solarny system podgrzewania wody (przeznaczony dla indywidualnego użytkownika) jest w stanie, w krajach położonych na niższych szerokościach geograficznych, pokryć do 100% zapotrzebowania. Na wyższych szerokościach geograficznych, które charakteryzują się dużymi sezonowymi wahaniami napromieniowania, systemy te mogą zapewnić jedynie 20–60% zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania wody i pomieszczeń w przypadku braku sezonowego systemu magazynowania [4].
W budynkach handlowych oraz usługowych, które mają wysokie i stałe zapotrzebowanie na ciepło (np. hotele, szpitale i centra handlowe), takie systemy są często stosowane w celu uzyskania oszczędności kosztów i/lub zademonstrowania społecznej odpowiedzialności biznesu. W Kalifornii średni udział ogrzewania wody, jaki mogą zapewnić tego typu instalacje wynosi 70–80%.
Coraz więcej miast i krajów wprowadziło obowiązkowe stosowanie słonecznych podgrzewaczy wody we wszystkich nowych budynkach w ramach przepisów budowlanych. Chiny, z zainstalowaną mocą słonecznego podgrzewacza wody wynoszącą 337,6 GW, czyli 70% łącznej wartości światowej, pozostają największym rynkiem dla tej technologii. Druga w tej klasyfikacji jest Europa. Posiada jedną szóstą zainstalowanej mocy Chin [16].
Należy pamiętać, że w krajach, w których gaz ziemny jest tani i stanowi dominujące źródło ogrzewania, systemy solarne są mniej konkurencyjne w przypadku braku zachęt lub programów promocyjnych wspierających ich korzyści społeczne i środowiskowe [13].
W przypadku solarnego ogrzewania miejskiego, ciepło wytwarzane jest w dużych kolektorach słonecznych i następnie dostarczane za pośrednictwem sieci ciepłowniczych. Stosowanie takiej technologii stało się możliwe dzięki przejściu konwencjonalnych sieci ciepłowniczych na niskotemperaturowe (poniżej 60–70°C) systemy ciepłownicze, tzw. systemy „Czwartej generacji”. System słoneczny można zainstalować na ziemi lub na dachu budynku. Udział ciepłownictwa słonecznego waha się od 10% do 50% całkowitego zaopatrzenia w ciepło systemu ciepłowniczego [6].
Liderem w omawianym zagadnieniu jest Europa z setkami słonecznych elektrociepłowni i łączną mocą przekraczającą 1,1 GW do 2019 r. W czołówce znajdują się takie kraje jak Dania, Austria, Niemcy i Szwecja, a za nimi kolejne państwa europejskie, które są objęte unijnym programem „Horyzont 2020”. Główne korzyści płynące z miejskiego ogrzewania słonecznego polegają na tym, iż taki system można zainstalować przy niewielkich zasobach słonecznych i wykorzystuje już dojrzałą i dostępną technologię o zerowej emisji [6].
Zastosowanie słonecznej energii cieplnej stopniowo rozszerzyło się na sektor chłodzenia (solarne chłodzenie), w połączeniu z absorpcyjnymi agregatami chłodniczymi. Ze względu na wymaganą wyższą temperaturę zwykle stosuje się rury próżniowe lub koncentracyjne kolektory słoneczne, które pochłaniają promieniowanie bezpośrednie. W najbardziej idealnych warunkach słoneczne systemy chłodzenia mogą zmniejszyć o 50% energię pierwotną wymaganą do produkcji energii chłodzącej. Aby poprawić wydajność takich systemu i wskaźniki ich wykorzystania, stosuje się systemy hybrydowe. Latem słoneczną energię cieplną można wykorzystać do chłodzenia, natomiast zimą do ogrzewania pomieszczeń lub dostarczania ciepłej wody [1].
Główną zaletą chłodzenia słonecznego, oprócz tego, że jest bardziej przyjazną opcją dla środowiska, jest możliwość obniżenia szczytowego obciążenia sieci elektrycznej podczas upalnego lata, zmniejszenie przerw w dostawie energii oraz kosztów ulepszenia sieci. W Australii rosnąca liczba dni szczytowego zapotrzebowania na chłodzenie w czasie upalnego lata w kraju prawie podwoiła zużycie energii elektrycznej i spowodowała, że szczytowe obciążenie wymagało usprawnienia sieci. Dlatego z punktu widzenia kosztów systemu sensowne jest, aby w przyszłości chłodzenie energią słoneczną odgrywało większą rolę [8].
Globalne zapotrzebowanie na chłodzenie w budynkach wzrosło z 600 TWh w 1990 r., do 2 000 TWh w 2016 r. Przewiduje się, że do 2050 r. wzrośnie co najmniej trzykrotnie. Oczekuje się, że wraz z rozwojem gospodarczym i społecznym zapotrzebowanie na chłodzenie w sektorze mieszkaniowym będzie odpowiadać 70% całkowitego wzrostu zapotrzebowania na chłodzenie w ciągu następnych trzech dekad i przekroczy zapotrzebowania na ciepło w mieszkaniach dwie dekady później [2]. Ponieważ coraz więcej miast jest w stanie zwiększyć skalę wykorzystania odnawialnych źródeł energii, prognozuje się, że zapotrzebowanie na rozwiązania chłodzące oparte na odnawialnych źródłach będzie coraz większe.
Systemy solarne mogą również dostarczać ciepło do wielu procesów przemysłowych, takich jak branża chemiczna, przemysł tekstylny, produkcja żywności, rolnictwo itp. Istniejące systemy grzewcze do procesów przemysłowych wykorzystują głównie paliwa kopalne, takie jak ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel. Systemy solarne mogą pokrywać część zapotrzebowania na ciepło w zależności od dostępności zasobów energii słonecznej i rozmiaru systemu. Zazwyczaj system wymaga magazynowania energii cieplnej lub paliwa rezerwowego, aby zapobiec zakłóceniom, gdy promieniowanie słoneczne nie jest dostępne [5].
Przykładem takiego systemu jest zainstalowany w Maroku system przedsiębiorstwa COPAG, który wykorzystuje 61 kW zainstalowanej mocy cieplnej do dostarczania ciepła o temperaturze 80–90°C do pasteryzacji produktów mleczarskich.
Podsumowanie
Miasta odgrywają coraz większą rolę w procesie łagodzenia zmian klimatu oraz przystosowywania się do tej sytuacji. Znaczenie obszarów miejskich jest tak duże nie tylko ze względu na ich duży udział w globalnych emisjach dwutlenku węgla, ale również z powodu ich ciągle rosnącego potencjału w zakresie ograniczania wszelkiego rodzaju emisji, jak również rosnącą potrzebę budowy odpornej na klimat infrastruktury miejskiej.
Miasta będą musiały do 2050 r. pomieścić dwie trzecie światowej populacji w przyjaznym do życia środowisku o niskiej zawartości węgla. Integracja technologii energii odnawialnej z lokalnymi systemami energetycznymi stała się częścią działań transformacyjnych potrzebnych do wykorzystania tego potencjału, wspieranego silną wolą polityczną i postępem technologicznym. Miasta odniosą również znaczne korzyści z pozytywnego wpływu lokalnego rozwoju odnawialnych źródeł energii na PKB i zatrudnienie.
Literatura
- Buonomano A. i inni, Experimental analysis and dynamic simulation of a novel hightemperature solar cooling system, Energy Conversion and Management, Nr 109, Elsevier, Amsterdam 2016, pp. 19–39.
- Dreyfus G. i inni, Assessment of climate and development benefits of efficient and climatefriendly cooling, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 2020.
- Energy Cities, Cities heading towards 100% renewable energy, Energy Cities, Brussels 2018.
- IEA Task 55, Solar heat for cities: The sustainable solution for district heating, International Energy Agency Task 55, International Energy Agency, Paris 2019.
- IRENA, Solar heat for industrial processes, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi 2015.
- IRENA, Renewable energy capacity statistics 2020, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi 2020a.
- IRENA, Rise of renewables in cities. Energy solution for the urban future, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi 2020b.
- Lim X., How heat from the Sun can keep us all cool, Nature, 31 January, Springer Nature, London 2017.
- Maturi, L., Admi J., Building Integrated Photovoltaic (BIPV) in Trentino Alto Adige, Springer International Publishing, Switzerland 2018.
- Maurer C. i inni, Progress in buildingintegrated olar thermal systems, Solar Energy, Nr 154, Elsevier, Amsterdam 2017, pp. 158–186.
- MIT, The future of solar energy, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 2015.
- Nagy Z. i inni, The adaptive solar facade: From concept to prototypes, Frontiers of Architectural Research, Nr 5/2, Elsevier, Amsterdam 2016, pp. 143–156.
- Rosas-Flores J.A. i inni, Potential energy saving in urban and rural households of Mexico by use of solar water heaters, using geographical information system, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Nr 53, Elsevier, Amsterdam 2016, pp. 243–252.
- Tripanagnostopoulos Y., Solar thermal system: Components and applications, [w:] Sayigh, A. (red.), Comprehensive Renewable Energy, Elsevier, Amsterdam 2012.
- Weiss W., Rommel M., Process heat collectors, AEE – Institute for Sustainable
- Technologies and Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Gleisdorf 2008.
- Weiss W., Spörk-Dür M., Solar heat worldwide: Global market development and trends in 2019, International Energy Agency Solar Heating & Cooling Programme, Paris 2019.
- https://www.alto-solution.com/cst-at-copag
- https://www.indiamart.com/proddetail/solar-water-heater-installation-service-15396948291.html
- https://www.pveurope.eu/solar-modules/schueco-bipv-building-integrated-photovoltaics-future-oriented
- https://time.com/5069912/china-climate-change-trump/
