Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας αποτελεί βασικό στοιχείο της ενεργειακής μετάβασης. Τα φωτοβολταϊκά παράγουν ηλεκτρισμό χωρίς άμεσες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα κατά τη λειτουργία τους, αξιοποιούν έναν διαθέσιμο φυσικό πόρο και μπορούν να ενισχύσουν την ενεργειακή ασφάλεια. Η ταχεία ανάπτυξή τους έχει επομένως ισχυρή περιβαλλοντική και κοινωνική αιτιολόγηση.
Η εγκατάσταση όμως χιλιάδων πάνελ επηρεάζει το μικροκλίμα γύρω από τις εκτάσεις στις οποίες τοποθετούνται καθώς και το ευρύτερο ενεργειακό ισοζύγιο. Στις πόλεις, όπου η θερμοκρασία είναι ήδη αυξημένη, η εκτεταμένη εγκατάσταση χρειάζεται πιο προσεκτική αξιολόγηση.
Η έρευνα των D. J. Sailor, J. Anand και R. R. King, που δημοσιεύθηκε στο Energy & Buildings το 2021, εξέτασε την επίδραση των φωτοβολταϊκών στην αστική θερμική νησίδα, την μείωση της απόδοσής τους λόγω της σκόνης και των ρύπων στα πάνελ, την επίδραση στη σκίαση των υπαίθριων χώρων και γενικότερα την επίδραση στην κατανάλωση των κτιρίων και τη σχέση τους με το περιβάλλον. Η έρευνα αφορά εγκαταστάσεις σε στέγες, προσόψεις, χώρους στάθμευσης, πεζοδρόμια και αυτόνομα πάρκα μέσα ή κοντά σε πόλεις.
Το πρώτο συμπέρασμα είναι ότι η ύπαρξη εκτεταμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων επηρεάζει τα αστικά κέντρα και ενισχύει την ημερήσια θερμική νησίδα. Επιπλέον, η ατμοσφαιρική ρύπανση μειώνει τη ηλιακή ακτινοβολία που μπορεί να προσλάβει ένα πάνελ και μπορεί να περιορίσει την παραγωγή κατά 5% με 15%. Η επικάθιση της σκόνης και άλλων ρύπων μπορεί να προκαλέσει απώλειες άνω του 40% σε ξηρές περιοχές ενώ σε καταγραφή που έγινε στη Ντόχα, η απώλεια των πάνελ έφθασε το 80% μετά από 140 ημέρες χωρίς καθαρισμό. Τέλος, η σκίαση από όμορα κτίρια και δέντρα μπορεί να μειώσει την παραγωγή περίπου κατά 20%.
Μεγαλύτερος αριθμός από πάνελ δεν εγγυάται πάντα την ανάλογη αύξηση της καθαρής παραγωγής, ενώ η θερμότητα που παράγεται από τα πάνελ, διαχέεται σε μια πόλη που ήδη αντιμετωπίζει υψηλές θερμοκρασίες. Ο σχεδιασμός χρειάζεται αξιολόγηση ανά περίπτωση (μπαλκόνι, στέγη, δρόμο και γειτονιά) με συγκεκριμένα κριτήρια παραγωγής και θερμικής επιβάρυνσης. Δηλαδή συστήνεται ενεργειακός και μικροκλιματικός έλεγχος πριν από κάθε μικρής ή μεγάλης κλίμακας εγκατάσταση φωτοβολταϊκών.
Σε μια ταράτσα, μια επιφάνεια όπως αυτή ενός φωτοβολταϊκού πάνελ, είναι λογικό να αντανακλά περισσότερο ηλιακή ενέργεια στο περιβάλλον σε σύγκριση με μια συμπαγή επιφάνεια, η οποία χωρίς πάνελ και με την εφαρμογή κατάλληλων ψυχρών υλικών επικάλυψης, μπορεί να την περιορίσει σημαντικά.
Παράλληλα, το πάνελ θερμαίνεται και στην κάτω πλευρά του με αποτέλεσμα ο αέρας που κινείται γύρω του να παραλαμβάνει θερμότητα και να την μεταφέρει στην ατμόσφαιρα. Η διαδικασία αυτή λειτουργεί πολλαπλασιαστικά όταν η εγκατάσταση καλύπτει μεγάλη έκταση. Η κάλυψη οριζόντιων επιφανειών με συνεχείς σειρές πάνελ μπορεί να αυξήσει την αισθητή θερμική ροή και να ενισχύσει την ημερήσια θέρμανση του αστικού αέρα.
Σε παρακολούθηση μεγάλης εγκατάστασης στην Αριζόνα καταγράφηκε αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα κατά 1,5°C κατά τη διάρκεια της ημέρας. Επίσης, αντίστοιχη καταγραφή σε χώρο στάθμευσης έδειξε ότι η μεταφορά της αισθητής θερμότητας μεταξύ του εδάφους και των πάνελ, αυξήθηκε κατά 80%. Αντιθέτως, όταν η σκίαση γινόταν με μια ειδική ανακλαστική επιφάνεια χωρίς πάνελ, η αισθητή θερμότητα ήταν 50% χαμηλότερη από εκείνη της ακάλυπτης ασφάλτου.
Δηλαδή με την τοποθέτηση των πάνελ πάνω από μια οριζόντια επιφάνεια, η μεταφορά θερμότητας από τον αέρα κατά τις καλοκαιρινές ημέρες αυξήθηκε από 25 W/m² σε 250 W/m², δηλαδή δεκαπλασιάστηκε. Τα W/m² μετρούν ροή θερμότητας και όχι αύξηση θερμοκρασίας.
Επίσης, τη νύχτα τα πάνελ δημιουργούν ένα θερμό στρώμα αέρα πάνω από την οροφή όταν δεν φυσάει, με αποτέλεσμα να χρειάζεται περισσότερος κλιματισμός, ειδικά σε θερμά κλίματα.
Εκτός από τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, καταγράφηκαν και οι ενεργειακές επιδράσεις των φωτοβολταϊκών στα κτίρια, οι οποίες διαφέρουν ανάλογα με την εποχή και τη γεωγραφική θέση. Σε έρευνα που έγινε στη Δυτική Ελλάδα, η τοποθέτηση φωτοβολταϊκών μείωσε το ενεργειακό φορτίο ψύξης κατά 17,8%, ενώ ωφέλησε το φορτίο θέρμανσης κατά 6,7% τον χειμώνα. Σε πειράματα στην Κίνα, η μείωση του ημερήσιου φορτίου ψύξης έφθασε 27,2% με 37,4%. Στο Φοίνιξ, η πρόσθετη κατανάλωση κλιματισμού αντιστοιχούσε περίπου στο 10% της ηλεκτρικής ενέργειας που παρήγαγαν τα πάνελ. Δηλαδή, η παραγωγή ηλεκτρισμού παραμένει σημαντική, όμως ένα σημαντικό μέρος του οφέλους τους ξοδεύεται για την αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής θερμότητας που δημιουργούν τα ίδια τα φωτοβολταϊκά.
Σε περιπτώσεις που τα φωτοβολταϊκά πάνελ αντιμετωπίζονται ως υλικό σκίασης, για παράδειγμα σε χώρους στάθμευσης ή σε πέργολες, χρειάζεται προσοχή. Η προσέγγιση αυτή είναι τμηματική καθώς δεν υπολογίζει τη θερμότητα που μεταφέρει ο αέρας από την κάτω πλευρά των φωτοβολταϊκών (συναγωγή), την υπέρυθρη ακτινοβολία μεταξύ πάνελ και οροφής, την πραγματική απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κτιρίου.
Σε κάθε περίπτωση, μια ψυχρή ή πράσινη οροφή προσφέρει καλύτερο μικροκλίμα από μια συστοιχία με κρυστάλλινες επιφάνειες. Παράλληλα, μπορεί να γίνει κατάλληλος συνδυασμός των επιφανειών με μια εγκατάσταση από πάνελ σε κατάλληλη κλίση και μελετημένο προσανατολισμό έτσι ώστε να λειτουργεί πολύ καλύτερα από μια σειρά με πάνελ τοποθετημένα με τυχαίο τρόπο.
Συμπεράσματα
Θα πρέπει να εξετάζεται πριν από κάθε εγκατάσταση, εκτός από την απόδοση των εγκαταστάσεων, η ποιότητα της επιφάνειας, η αστική θερμοκρασία, η ρύπανση και η σκίαση. Παράλληλα θα πρέπει να προβλέπεται ο τακτικός καθαρισμός καθώς μπορεί να διατηρήσει την απώλεια από τη ρύπανση κάτω από 10% και η πρόβλεψη μελλοντικών εμποδίων από όμορες κατασκευές.
Σημαντικό συμπέρασμα είναι επίσης ότι οι ανακλαστικές κατασκευές σκίασης μπορούν σε κάποιες περιπτώσεις να προσφέρουν μεγαλύτερο όφελος από φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, όταν ο στόχος είναι η μείωση της θερμότητας και η εξοικονόμηση ενέργειας.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα φαίνεται στη διπλανή φωτογραφία όπου σε μια μη μονωμένη γυμνή πλάκα από οπλισμένο σκυρόδεμα, που προφανώς υποφέρει από την ηλιακή ακτινοβολία το καλοκαίρι και το ψύχος τον χειμώνα, αντί να γίνει η επιλογή της θερμικής θωράκισης του κτιρίου, τοποθετήθηκαν τα φωτοβολταϊκά.
Αποτέλεσμα είναι να έχει γίνει μια επένδυση σε εξοπλισμό που απλά «πληρώνει» τον λογαριασμό της κατανάλωσης σε ψύξη ή/και θέρμανση, αντί να γίνει μια επένδυση στη μείωση της ανάγκης για κατανάλωση ενέργειας! Στην πρώτη περίπτωση διαιωνίζεται η σπατάλη στην ενέργεια, στην δεύτερη έχουμε μια επένδυση στην μείωση της ανάγκης για ενέργεια.
Η βασική περιβαλλοντική αξία των φωτοβολταϊκών παραμένει ισχυρή. Η έρευνα όμως δείχνει ότι η αξία αυτή δεν πρέπει να μετριέται μόνο από τις κιλοβατώρες που παράγονται. Η αξιοποίηση του ήλιου χρειάζεται μέτρο, χωροθέτηση και τεκμηρίωση. Η αλόγιστη κάλυψη των οριζόντιων επιφανειών μιας πόλης με φωτοβολταϊκά πάνελ μπορεί να αυξήσει την ημερήσια θερμική νησίδα, να επιβαρύνει τον αέρα και να αυξήσει τις ανάγκες ψύξης, ιδιαίτερα όταν αντικαθιστά ανοιχτόχρωμες ανακλαστικές οροφές.
Δεν θα πρέπει να καταλήξουν και τα φωτοβολταϊκά στην ίδια σημερινή κατάσταση με τους ηλιακούς θερμοσίφωνες, που πολλές φορές τοποθετούνται εντελώς λανθασμένα, όπως φαίνεται στη φωτογραφία.
Η παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας είναι πάρα πολύ χρήσιμη αλλά πρέπει να συντονίζεται με την κατάλληλη τεχνογνωσία.
Πηγές: D. J. Sailor, J. Anand και R. R. King, «Photovoltaics in the built environment: A critical review», Energy & Buildings 253 (2021), 111479, DOI: 10.1016/j.enbuild.2021.111479.
Στην έρευνα αξιοποιήθηκαν οι εργασίες των Scherba et al. (2011), Broadbent et al. (2019), Pham et al. (2019), Brown et al. (2020) και Kapsalis και Karamanis (2015), καθώς και οι μετρήσεις για ατμοσφαιρική ρύπανση, σκίαση και επικάθιση σκόνης.
Θεόδωρος Σωτήριος Τούντας
Διπλ. Αρχιτέκτων Μηχανικός & Ενεργειακός Σύμβουλος Ιδρυτής & Τεχνικός Διευθυντής (CTO) FUV Group Μέλος του Συμβουλίου στο Διεθνές Κέντρο Αεροστεγανότητας και Αερισμού AIVC, TightVent Europe Ειδικός Αεροστεγανότητας Κτιρίων & Μηχανικού Αερισμού www.aerosteganotita.gr