Tradycyjna fotowoltaika wkrótce do muzeum? Panele słoneczne w fasadach, chodnikach, szybach budynków. A budowa domu… jak budowa elektrowni

Mimo zmian modelu rozliczeń prosumentów, polski sektor fotowoltaiczny w dalszym ciągu będzie się rozwijał. Wzrośnie liczba wielkoskalowych instalacji fotowoltaicznych. A wśród nich coraz częściej będą pojawiać się elektrownie słoneczne oparte o moduły BIPV. Co to jest fotowoltaika zintegrowana z budownictwem? I czy może być hitem najbliższych lat?

Według danych Agencji Rynku Energii moc fotowoltaiki zainstalowanej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) na koniec grudnia 2021 r. wyniosła ponad 7500 MW. Liczba przyłączeń dynamicznie rosła szczególnie po tym, gdy ogłoszono zmiany systemu rozliczeń prosumentów. Nowe zasady weszły w życie od 1 kwietnia tego roku i polegają na net-billingu – prosumenci jednocześnie będą sprzedawać nadwyżki energii do sieci po określonej cenie i płacić za pobraną energię jak pozostali odbiorcy. Więcej na ten temat w tym artykule.

Ciekawe? Po przeczytaniu wróć tutaj, kliknij i odkryj sprawdzone patenty Samcika na ochronę przed inflacją

Nowy system wzbudza mnóstwo negatywnych emocji (jako mniej korzystny od poprzedniego), ale Polska nie jest w tym względzie samotną wyspą – z net-billingu korzystają we Włoszech czy Portugalii. Również pozostałe państwa europejskie nie traktują dotychczas stosowanego w Polsce net-meteringu jako docelowego mechanizmu rozliczeń prosumentów – mowa tu m.in. o Wielkiej Brytanii oraz Finlandii.

Sporo analiz eksperckich wskazuje na to, że nie taki diabeł straszny, jak go malują i przy odpowiednim doborze instalacji nowy mechanizm rozliczania poboru i odsprzedaży prądu ze słońca nadal może być opłacalny, tym bardziej biorąc pod uwagę rosnące ceny energii.

Jaka przyszłość fotowoltaiki? Rozliczenia po nowemu

Fala zmian nie powinna się odbić na dalszym rozwoju branży fotowoltaicznej. Prognozy Instytutu Energetyki Odnawialnej wskazują, że do 2030 r. moc fotowoltaiki zainstalowana w polskim systemie energetycznym (KSE) może przekroczyć nawet 25 000 MW. To stanowi pokaźną ilość, biorąc pod uwagę, że obecna całkowita moc zainstalowana w polskim systemie elektroenergetycznym wynosi około 56 000 MW.

Przewiduje się jednak, że na tak duży przyrost szczególny wpływ będą miały głównie wielkoskalowe instalacje fotowoltaiczne, znacznie przekraczające 50 kW – ich, w odróżnieniu od mikroinstalacji, które zakładają sobie Polacy na dachach swoich domów, nadchodzące zmiany nie dotyczą.

Źródło: Instytut Energetyki Odnawialnej

Fotowoltaika to nie tylko tradycyjne moduły krzemowe montowane na dachu lub gruncie. Rynek w coraz to większym stopniu zaczynają podbijać tzw. moduły BIPV (Building Integrated Photovoltaics). Stanowią one nie tylko źródło wytwarzania energii, ale także substytut tradycyjnych materiałów budowlanych.

Mowa tutaj m.in. o żaluzjach, dachówkach, chodnikach, fasadach, a nawet szybach fotowoltaicznych opartych o technologie kwantowe. Włączanie ich do sieci odbywa się, podobnie jak w przypadku tradycyjnej fotowoltaiki, poprzez inwertery o odpowiednio dobranej charakterystyce prądowo-napięciowej.

Źródło: Opracowanie własne

Być może w niedalekiej przyszłości, mówiąc o elektrowniach słonecznych, nie będziemy jedynie wyobrażać sobie wielkopowierzchniowych farm fotowoltaicznych czy tradycyjnych paneli PV. W przestrzeni miejskiej coraz częściej będą pojawiały się moduły BIPV stanowiące niemal niezauważalny, aktywny energetycznie materiał architektoniczny. Kilka dni temu widziałem na blogu Macieja Kaweckiego przykład fotowoltaicznego… chodnika. W zasadzie służy do chodzenia, ale jest też elektrownią, ścieżką solarną.

Źródło: International Energy Agency, Global BIPV market perspective 

Fotowoltaika zintegrowana: czym wyróżniają się moduły BIPV?

Jednym ze składowych elementów wpływających na wysokość cen energii jest stale wzrastający popyt. Zwiększające się zapotrzebowanie na moc potwierdzają kolejno odnotowywane rekordy (zima: 12.02.2021 r. – 27 617 MW, lato: 15.07.2021 r. – 24 533 MW). W grudniu 2021 r. Komisja Europejska wskazała, że budynki są największym pojedynczym konsumentem energii w Europie i zużywają 40% całkowitego wolumenu produkcyjnego (generując jednocześnie 36% emisji gazów cieplarnianych). To właśnie zimowe zapotrzebowanie na ciepło i letni popyt na chłód w dużym stopniu rzutują na szczytowe pobory energii.

Źródło: European Comission, Making our homes and buildings fit for a greener future

Tradycyjne moduły PV montowane są wyłącznie w celu wytwarzania energii elektrycznej. Natomiast odpowiednio dobrana fotowoltaika zintegrowana z budownictwem, absorbując promienie słoneczne, wytwarza energię i dodatkowo umożliwia ograniczenie nadmiernego przepływu światła i ciepła. Wpływa w ten sposób na zwiększenie poziomu efektywności energetycznej obiektu.

Należy jednak pamiętać, że wpływ BIPV na zużycie energii w budynku jest determinowany przez kompromis między wydajnością oświetlenia, wydajnością cieplną a sprawnością wytwarzania energii elektrycznej. Zatem ważne jest, by na etapie projektowania instalacji szczegółowo określić oczekiwane parametry elektro-termiczno-optyczne.

Zwykle fotowoltaika zintegrowana, czyli moduły BIPV wychodzące na południe, wykazuje największy potencjał wytwarzania energii elektrycznej i zmniejszenia obciążenia chłodniczego, podczas gdy te wychodzące na wschód oszczędzają największą ilość energii oświetleniowej rocznie.

Komu opłaci się inwestowanie w BIPV?

Obecnie tego rodzaju instalacje kierowane są głównie do właścicieli dużych budynków, najczęściej o wysokim stopniu przeszkleń. Jednak nie jest wykluczone, że wraz z rozwojem technologicznym (szczególnie w aspekcie zwiększenia sprawności konwersji ogniw PV) potencjał technologii BIPV będzie mógł zostać z powodzeniem wykorzystany również w mikroinstalacjach montowanych w budownictwie jednorodzinnym.

Opłacalność inwestycji dla każdego pojedynczego przypadku powinna zostać określana indywidualnie. Wiele zależy od wielkości instalacji, rodzaju zastosowanej technologii i ogniw PV, a także profilu zapotrzebowania na energię, autokonsumpcji, cen energii, poziomu nasłonecznienia i innych czynników.

Sprawność energetyczna modułów BIPV – np. parametry dostępnych na rynku żaluzji (zbudowanych z ogniw krzemowych) montowanych na fasadach – kształtuje się na porównywalnym poziomie jak w przypadku stosowania tradycyjnej fotowoltaiki.

W odpowiednio dobranych warunkach urządzenia te mogą zatem produkować wolumen energii elektrycznej zbliżony do tego uzyskanego poprzez klasyczne instalacje PV na gruncie czy dachu. Natomiast ich dodatkowe walory umożliwiają utrzymanie chłodu i ograniczenie użycia klimatyzacji – co w tym przypadku dodatkowo obniża zużycie energii nawet o około 30%.

Przyjmując, że na każde 10 m² powierzchni powinniśmy planować 1 kW mocy chłodniczej urządzenia, dla modelowego obiektu o powierzchni 350 m² należałoby zainstalować 35 kW takiej mocy, a biorąc pod uwagę, że nowoczesne klimatyzatory rzadko pracują na maksymalnych obrotach, a średni pobór energii jest trzykrotnie mniejszy niż moc chłodnicza klimatyzacji – łącznie daje to zapotrzebowanie na energię elektryczną na poziomie około 10 kW.

W skali miesiąca (60 godzin pracy) i przy cenie energii 0,70 zł za 1 kWh – daje to wynik w wysokości 600 kWh i 420 zł. A po odjęciu wolumenu energii, oszczędzonego dzięki oporowi cieplnemu, BIPV może przynieść około 120 zł oszczędności – nie wliczając w to jeszcze zysków wynikających z autokonsumpcji energii wytworzonej ze słońca (zapotrzebowanie na chłód jest wysokie wtedy, gdy najmocniej świeci słońce i produkcja z ogniw PV jest potencjalnie najwyższa).

Poziom „zysków” energetycznych generowanych przez materiały budowlane PV zależy od tzw. współczynnika pokrycia modułów fotowoltaicznych BIPV – niestety w przypadku materiałów mających stanowić bezpośredni substytut klasycznych przeszkleń, u których wymagane jest zachowanie odpowiedniego poziomu przezierności, jest on zwykle ograniczony, co obniża całkowitą produkcję energii elektrycznej i zmniejsza opór ciepła docierającego do wnętrza budynku.

Fotowoltaika zintegrowana: jak zmieni się branża BIPV?

Obecnie fotowoltaika wchodzi w erę nanomateriałów – stosując kropki kwantowe, już dziś możliwe jest wytwarzanie energii elektrycznej poprzez w pełni transparentne szyby fotowoltaiczne, które działają jak filtr, przepuszczając promieniowanie świetlne w długości widzialnej i pochłaniając niekorzystne promieniowanie ultrafioletowe oraz podczerwień. Aktualnie sprawność energetyczna takich instalacji sięga około 30 W/m², jednak w perspektywie kilku lat badacze liczą na ponad dwukrotny wzrost.

Wydaje się zatem, że jesteśmy dopiero na początkowym etapie inwestowania w technologie BIPV, jednak z pewnością popyt na tego rodzaju instalacje będzie się zwiększał. Tym bardziej, że energia słoneczna nie tylko daje nam większą niezależność, ale może także odegrać znaczącą rolę w spowalnianiu zmian klimatu.

Według World Energy Council promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi w ciągu jednego roku stanowi około 3 400 000 EJ, co znacznie przewyższa światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną, które w 2019 r. (przed pandemią) wyniosło 583,9 EJ.

zdjęcie tytułowe: MichelYeoMan/Pixabay