Dynamiczne fasady z perowskitowymi ogniwami fotowoltaicznymi. Nowoczesne rozwiązania dla zrównoważonego budownictwa
Realizacja idei zrównoważonego budownictwa wymaga nowoczesnych rozwiązań, które skutecznie odpowiadają na wyzwania związane z ochroną środowiska i zmianami klimatu. Kluczowe znaczenie mają tu dynamiczne fasady. Nie tylko poprawiają efektywność energetyczną budynków, minimalizują też ich negatywny wpływ na środowisko. Innowacyjne systemy fasadowych osłon z perowskitowymi ogniwami fotowoltaicznymi to rozwiązanie, które pozwala na pozyskiwanie energii słonecznej oraz zwiększa estetykę i funkcjonalność budynków.
Spis treści
- Zegar klimatyczny tyka
- Neutralność klimatyczna w UE
- Jak oszczędzić energię?
- Czym są fasady dynamiczne?
- Łamacze światła, tzw. sunbreakery
- Odnawialne źródła energii
- Perowskity
- Fotowoltaika 2.0
- Fasady dynamiczne. Zdjęcia
Zegar klimatyczny tyka
Klimatyczny zegar nieubłaganie wskazuje, że czasu jest coraz mniej. Ten pierwszy i najsłynniejszy, na nowojorskim Manhattanie, rozpoczął symboliczne odliczanie o godz. 3.20 19 września 2020 r. To wtedy zamiast aktualnej godziny pojawiły się na nim informacja: „The Earth has a deadline” oraz ciąg malejących cyfr, zaczynający od 7:103:15:40:07.
Oznaczały one lata, dni, godziny, minuty i sekundy, jakie zostały nam do krytycznego momentu, kiedy wzrost temperatury na Ziemi osiągnie 1,5˚C (od końca XIX w. ludzie ogrzali planetę już o około 1,1˚C). Jeśli nie zaczniemy temu przeciwdziałać, znajdziemy się wówczas w punkcie, w którym klimatycznych zmian nie uda się już zatrzymać.
Neutralność klimatyczna w UE
Unia Europejska chce osiągnąć neutralność klimatyczną do 2050 r., a wcześniej (do 2030 r.) ograniczyć emisje CO2 w krajach członkowskich o 55 proc. To olbrzymie wyzwanie zwłaszcza dla polskiej gospodarki, bo nasz miks energetyczny wciąż bazuje na węglu kamiennym i brunatnym, spalaniu których towarzyszy wyjątkowo wysoka emisja gazów cieplarnianych. I zapewne przez najbliższe lata sytuacja się nie zmieni. Nowojorski zegar działał wprawdzie tylko przez kilka dni, kiedy w mieście obradował szczyt klimatyczny, ale jego aktualne wskazania można na bieżąco śledzić na stronie climateclock.world. W chwili ukończenia artykułu pokazywał 6 lat i 345 dni.
Jak oszczędzić energię?
Zmiana przyzwyczajeń użytkowników to działania doraźne. Priorytetem na najbliższe lata powinna być systemowa poprawa efektywności energetycznej budynków, ponieważ to one odpowiadają w Polsce aż za około 38 proc. emisji CO2, a do tego standard energetyczny większości z nich pozostawia wiele do życzenia. Wciąż ¹/³ domów jednorodzinnych nie jest ocieplona, a blisko 70 proc. wymaga przeprowadzenia termomodernizacji.
W efekcie przeciętny polski dom charakteryzuje się zużyciem energii przekraczającym nawet 150 kWh/m2/rok, podczas gdy aktualny standard techniczny dla nowych obiektów wynosi 70 kWh/m2/rok. Ocieplenie domu i podniesienie jego efektywności energetycznej oznacza rachunki za ciepło mniejsze nawet o 50-70 proc., co jest szczególnie ważne w obliczu pogarszającej się sytuacji na rynku energii.
Polecany artykuł:
Czym są fasady dynamiczne?
Na rozwiązanie wskazanych problemów potrzeba czasu (a klimatyczny zegar tyka), już dziś można jednak z powodzeniem korzystać z udogodnień, jakie oferuje choćby nowoczesna automatyka budynkowa. Przykładem może być dynamiczna fasada, która nie tylko umożliwia redukcję zużycia coraz droższej energii i efektywne zarządzanie temperaturą wewnątrz pomieszczeń, lecz także ogranicza emisję gazów cieplarnianych. Ponadto ułatwia pracę architektom i inwestorom w spełnieniu przez budynek wymogów certyfikacji i efektywności energetycznej.
Dynamiczna fasada to nic innego jak dodany do budynku system aktywnych osłon przeciwsłonecznych, którego głównym zadaniem jest ochrona przed jego przegrzaniem. Fasadowe osłony (żaluzje) reagują na zmieniające się warunki atmosferyczne – kiedy słońce jest najbardziej aktywne, chronią pomieszczenia przed nadmiernym promieniowaniem, a gdy warunki pogodowe są niesprzyjające (np. wiejący ze znaczną prędkością wiatr), zwijają się i chowają w kasetach, zabezpieczając przed zniszczeniem.
Działa to także w drugą stronę – w okresach zimowych można aktywnie wykorzystywać tę funkcjonalność: nagrzać w czasie dnia energią słoneczną duże przeszklenia (choćby w szkołach czy galeriach handlowych) i w momencie, gdy słońce doprowadzi do osiągnięcia założonego w systemie poziomu temperatury wewnątrz, opuścić żaluzje do pełnego zamknięcia. Między nimi a przeszkleniem tworzy się wtedy tzw. poduszka termiczna, która spowalnia wymianę ciepła, dzięki czemu pomieszczenia nie wychładzają się zbyt szybko.
Szwajcarska firma konsultingowa Guidehouse przeanalizowała niedawno na zlecenie organizacji ES-SO, skupiającej producentów osłon przeciwsłonecznych z 19 krajów Europy (jej członkiem jest powstała w marcu br. Polska Rada Osłon Przeciwsłonecznych), potencjalne korzyści wynikające ze zwiększonego wykorzystania do 2050 r. tego elementu architektury budynkowej. Jeśli pozostawimy wszystko swojemu biegowi i nie wdrożymy nowych działań, liczba budynków wymagających aktywnych systemów chłodzenia wzrośnie z 28 proc. obecnie do 45 proc. Scenariusz drugi zakłada, że do 2050 r. w 70 proc. z nich klimatyzację uda się zastąpić systemami osłon.
Szacunki korzyści dają do myślenia. Przede wszystkim na naszym kontynencie spadłoby zużycie energii o około 870 TWh rocznie (dla porównania, w Polsce w ubiegłym roku zużyliśmy 174,4 TWh), co w przełożeniu na pieniądze przyniosłoby oszczędności na poziomie 285 mld euro. Do atmosfery trafiłoby zaś o około 100 mln ton mniej gazów cieplarnianych. Czy to dużo? To tyle, ile rocznie emitują 22 mln samochodów.
Polecany artykuł:
Łamacze światła, tzw. sunbreakery
Jeszcze lepsze efekty przynosi zastąpienie zwykłych lameli łamaczami światła (tzw. sunbreakery). To nic innego, jak umieszczone w budynkowych osłonach przeciwsłonecznych ruchome profile aluminiowe, dość ciężkie, zwykle o przekroju soczewki (te w klasycznych żaluzjach mają przekroje w kształcie litery C lub Z) i zakresie obrotu piór 0-90˚ (nie ma więc możliwości podnoszenia i opuszczania).
Ich podstawowym zadaniem jest rozpraszanie padającego na okna lub szklane elewacje światła słonecznego. Można sterować ich położeniem w zależności od kąta padania promieni, a jest to możliwe po uzupełnieniu systemu automatyki o dodatkową funkcję suntrackingu (śledzenia słońca). Dzięki niej, w odpowiedzi na dane napływające z umieszczonych na dachu czujników stacji pogodowych, lamele reagują w czasie rzeczywistym na zmieniające się warunki atmosferyczne, ustawiając się w optymalnej pozycji. Z szacunków wynika, że suntracking zwiększa efektywność ochrony przeciwsłonecznej budynku o 30-40 proc. W praktyce przy 35˚C na zewnątrz można spodziewać się obniżenia temperatury w pomieszczeniach budynku o 7-9˚C.
Ile można zaoszczędzić, wykorzystując wszystkie funkcje dynamicznej fasady? W rozbiciu na poszczególne pomieszczenia budynku są to wielkości rzędu 20-30 proc. w skali roku, i to tylko na samym chłodzeniu w okresie letnim. Do tego mogą dojść jeszcze np. oszczędności na ogrzewaniu jesienią i zimą, a także w kosztach oświetlenia, co umożliwia zastosowanie odpowiednich opraw oświetleniowych, lokalizujących obecność ludzi w pomieszczeniach. Te i jeszcze wiele innych parametrów można kreować dowolnie według wymagań stawianych przez inwestora.
Odnawialne źródła energii
Jak dotąd najwięcej inwestorów decyduje się na wykorzystanie w procesie oszczędzania możliwości odnawialnych źródeł energii, głównie fotowoltaiki. I jej znaczenie będzie rosło. Przewodnicząca Komisji Europejskiej Ursula von der Leyen zapowiedziała niedawno zwiększenie do 2030 r. unijnego celu dla energii odnawialnej z 40 do 45 proc. Zaproponowała też m.in., by państwa członkowskie zobowiązały się do wprowadzenia fotowoltaicznych dachów w nowych budynkach komercyjnych i tych użyteczności publicznej do 2025 r., a w budynkach mieszkalnych – do 2029 r.
Warunki nasłonecznienia w Polsce może nie są tak dobre, jak np. Hiszpanii czy we Włoszech, ale nie mamy też powodów do narzekań. Poziom nasłonecznienia (ilość kilowatogodzin energii docierających na m2 gruntu przez rok) waha się od 1050 do 1160 kWh/m2. Kolejnym ważnym wskaźnikiem jest liczba dni słonecznych. W Polsce jest w roku 1600-1900 godzin słonecznych, czyli 4,5-5 godzin na dzień.
Moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce na koniec maja 2022 r. przekroczyła 10,2 GW (to ponad dwa razy więcej niż rok wcześniej). Powstało 24 198 nowych instalacji PV, głównie w budownictwie jednorodzinnym. Niby więc świadomość energetyczna Polaków rośnie, ale udział w rynku energetycznym OZE wynosił w maju około 34 proc., podczas gdy w Niemczech to już 52 proc. Głównym surowcem energetycznym wykorzystywanym w Polsce nadal jest węgiel, z dostępnością którego mamy coraz więcej problemów. Klimat wyraźnie się jednak zmienia i zdarzają się takie dni, jak choćby upalna niedziela 19 czerwca br., kiedy odnawialne źródła energii miały rekordowy udział (aż 67 proc.) w zapewnieniu zapotrzebowania energetycznego Polski. Między godziną 14.00 i 15.00 było to 10 GW, z czego najwięcej czystej energii wygenerowała właśnie fotowoltaika – 6,2 GW. Jak przeliczyli eksperci z portalu Wysokie Napięcie, tego dnia dzięki OZE udało się zaoszczędzić ponad 60 tys. ton węgla (około 1200 wagonów), nie mówiąc o znaczącej redukcji emisji CO2 – przy spalaniu 1 tony węgla do atmosfery uwalnia się go ponad 2 tony.
Perowskity
Z dobrodziejstw fotowoltaiki jednak nie zawsze można skorzystać, a problemy z jej wykorzystaniem dotyczą zwłaszcza miast. Zarządzającemu galerią handlową czy kompleksem biurowców trudno znaleźć dodatkowy grunt pod odpowiedniej wielkości farmę. Wykorzystanie dachów również nie jest to łatwe, bo zwykle mają zbyt małą powierzchnię, a poza tym wymagają wzmocnionej konstrukcji.
Rozwiązań należy więc szukać gdzie indziej. Dużego wyboru nie ma, pozostaje jedynie fasada budynku, o ile nie jest już zajęta przez systemy dynamicznych osłon przeciwsłonecznych. Gdyby jednak udało się połączyć elementy fotowoltaiki i dynamicznej fasady w jeden system? Założycielka wrocławskiej firmy Saule Technologies, Olga Malinkiewicz, laureatka wielu międzynarodowych nagród, opracowała niskotemperaturową technologię wytwarzania elastycznych ogniw fotowoltaicznych na bazie perowskitu.
Czym jest ów perowskit? To odkryty jeszcze w 1838 r. w górach Ural minerał, który w stanie naturalnym wprawdzie doskonale absorbuje światło, ale nie przewodzi prądu. Okazało się jednak, że w warunkach laboratoryjnych można tak zmienić jego strukturę, że zyskuje tę właściwość. I właśnie tego odkrycia dokonała Olga Malinkiewicz. Dzięki niemu perowskit stał się doskonałą alternatywą dla krzemu, stosowanego do tej pory jako półprzewodnik w produkcji ogniw fotowoltaicznych. Ponadto dzięki znacznie lepszej od krzemu zdolności pochłaniania światła możliwe okazało się nawet trzykrotnie zmniejszenie materiału zużytego do wyprodukowania takiego ogniwa.
Razem z ekspertami Saule Technologies firma Somfy zaczęła szukać sposobu umieszczenia go na budynku. Optymalnym rozwiązaniem okazał się opisany już wcześniej sunbreaker, czyli łamacz światła, na który metodą druku jest nanoszona cienka warstwa perowskitu. Łamacze uzupełnione o funkcję suntrackingu w płynny sposób reagują na zakresy natężenia aktywności słońca, wykorzystując je w pełnym zakresie, a co za tym idzie – oprócz swoich podstawowych funkcji, czyli ochrony budynku przed przegrzaniem latem lub nadmiernym wychłodzeniem zimą – produkuje czystą energię, i to bardziej efektywnie niż nieruchome panele krzemowe. Mogą wykorzystywać do tego także światło sztuczne.
W niespełna trzy miesiące po otwarciu na terenie Wrocławskiego Parku Technologicznego pierwszej na świecie fabryki ogniw perowskitowych Saule Technologies wykonano kolejny milowy krok – 24 sierpnia 2021 r. odbyła się światowa premiera instalacji łamaczy światła pokrytych tym minerałem. Był to efekt współpracy firm: Saule Technologies, Columbus Energy (dostawca fotowoltaiki i większościowy udziałowiec Saule Technologies), Somfy (odpowiadała za system automatyki) oraz Aliplast (producent profili aluminiowych). I to właśnie na południowej ścianie siedziby tej ostatniej firmy zaczęła pracować pierwsza perowskitowa fasada.
Wykorzystany w niej system automatyki Somfy, dzięki któremu uzyskana efektywność energetyczna perowskitowych ogniw okazała się porównywalna z modułami krzemowymi, składa się z centralnego sterownika (dotykowy panel) Animeo IB+ TouchBucoTM, zaprojektowanego specjalnie do sterowania systemami dynamicznej ochrony przeciwsłonecznej z lamelami – łamaczami światła i funkcją „śledzenia słońca”.
Opracowany przez producenta algorytm pozwala określić właściwy kąt ułożenia lameli w przedziale 0-90˚ na podstawie danych przekazywanych do sterownika w czasie rzeczywistym z umieszczonej na dachu niewielkiej stacji pogodowej Animeo M8. System pozwala na integrację z niemal każdą automatyką budynkową BMS i doskonale wpisuje się w trendy smart building czy smart house.
Fotowoltaika 2.0
Ogniwa słoneczne powstałe na bazie perowskitu to przełomowa technologia w całej fotowoltaice – otwierają dla tej branży nowe rynki o ogromnym potencjale, gdzie tradycyjne moduły krzemowe, ciężkie i nieefektywne w warunkach nieoptymalnego oświetlenia, nie mają racji bytu. Są elastyczne i bardzo cienkie. A to oznacza, że można je stosować w miejscach, gdzie wcześniej było to niemożliwe, jak choćby faliste dachówki, fasady, a także dachy o niskiej nośności budynków biurowych, magazynów i fabryk, żaluzje, a nawet pokrycia namiotów, dachy aut czy wreszcie obudowy smartfonów. Mogą być dostosowane do preferencji klientów – od użytego materiału, jak aluminium, drewno, szkło, tworzywa sztuczne, przez kształt i szerokość aż po kolor.
Perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne spełniają dziś wszystkie kluczowe kryteria uniwersalnego źródła energii, a wyposażone w nie systemy dynamicznych fasad stanowią kolejny duży krok w kierunku budownictwa zrównoważonego, tak ważnego w obliczu zmian klimatu oraz narastających problemów energetycznych. To ogniwa nowej generacji, które mogą rozpocząć erę fotowoltaiki 2.0.
Fasady dynamiczne. Zdjęcia
Murowane starcie - posłuchaj naszych podcastów!
