Dincolo de acoperiș: misiunea de a exploata energia generată de fațade14 min read

Cercetătorii merg mai departe de panourile solare convenționale în încercarea de a genera căldură și energie electrică de la alte suprafețe exterioare ale clădirilor.

Într-o locuință socială de la periferia orașului Eindhoven din sudul Țărilor de Jos, Renske Crone a fost încântată de un experiment din 2022 care a vizat apartamentul ei: i s-au montat panouri care produceau energie de la Soare.

Însă noile echipamente montate erau diferite de panourile solare – cunoscute și ca module fotovoltaice – vizibile pe nenumărate acoperișuri din Europa și nu numai. În loc să producă energie electrică, cum fac modulele fotovoltaice, panourile montate la apartamentul lui Crone furnizau energie termică și erau instalate pe fațada clădirii.

Încântarea termică

Panourile gri acoperite cu aluminiu și asemănătoare cu parchetul laminat au fost puse pe o suprafață de 15 metri pătrați. Acest test a făcut ca locuința și apa utilizată de Crone să fie încălzite cu energie din surse regenerabile în locul gazului natural poluant (chiar și în zile înnorate). Facturile cu energia au scăzut semnificativ.  

„Apartamentul este pozitiv energetic, nu folosește deloc gaz, având o factură de energie netă zero”, spune Crone, care de atunci s-a mutat într-o altă locuință. „Cine nu și-ar dori asta?”

Noua tehnologie energetică este rezultatul unui proiect de cercetare care a beneficiat de finanțare din partea UE pentru a valorifica toate suprafețele exterioare ale clădirilor, nu doar acoperișurile, pentru a genera energie. Proiectul, denumit Envision,// „ENergy harVesting by Invisible Solar IntegratiON in building skins”, cordis.europa.eu // s-a derulat timp de cinci ani, până în septembrie 2022.

Inițiativa reflectă intensificarea eforturilor UE de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră ale clădirilor ca parte a luptei împotriva schimbărilor climatice. Clădirile sunt răspunzătoare pentru aproximativ 36% din emisiile din Europa, motiv pentur care UE apornit un val al renovărilor.// „Renovation wave”, energy.ec.europa.eu // 

Circa jumătate din fațadele clădirilor din UE sunt neutilizate.

Spectrul infraroșu

Spectrul radiațiilor care ajung pe Pământ de la Soare include lumina vizibilă, infraroșie și ultravioletă.

În timp ce panourile solare obișnuite folosesc lumina vizibilă, cele instalate la locuința lui Crone se bazau pe spectrul infraroșu și nu necesitau ca pereții exteriori să fie orientați într-o direcție anume. Lumina vizibilă constituie// „Solar Spectra – an overview”, sciencedirect.com // circa 43% din radiația solară, iar cea infraroșie 50%.

Reabilitarea energetică a locuințelor pentru a utiliza atât lumina vizibilă, cât și radiația infraroșie oferă perspectiva unor progrese majore în exploatarea energiei de la Soare. Orice pereți exteriori pot fi reabilitați pentru a integra tehnologia Envision.

„Cu panourile și celulele noastre fotovoltaice pe acoperiș, puteți avea suficientă energie pentru ca locuința să fie pozitivă energetic”, spune Bart Erich, cercetător asociat în fizică aplicată la Universitatea Tehnică din Eindhoven.

Erich este unul dintre liderii proiectului Envision și spune că suprafața totală a fațadelor clădirilor din Europa este aproximativ egală cu cea a acoperișurilor. 

Progrese concrete

Utilizarea fațadelor pentru a absorbi energie de la Soare ar impulsiona industria europeană deja în expansiune a energiei termosolare, care a crescut// „Solar thermal and concentrated solar power barometer 2023”, eurobserv-er.org // cu 12% în 2022.

Panourile termice sunt cuplate la o pompă de căldură. În cazul locuințelor sociale, al căror spațiu este relativ limitat, găsirea unui loc pentru instalarea pompei de căldură poate implica construirea unei magazii afară – cum a fost și cazul locuinței lui Crone.

Prin adăugarea unui acumulator care reține căldura, energia termică poate fi stocată atunci când este în exces. 

Costurile unor astfel de fațade variază între 150 și 500 euro/m2, în funcție de tip, potrivit lui Erich, care spune că durata de viață este, de obicei, de 30 de ani, iar amortizarea investiției se face în șapte până la zece ani.

Pe durata proiectului Envision, cercetătorii au efectuat muncă de laborator, au construit un amplasament la Universitatea Tehnică din Eindhoven pentru a testa ideea și au derulat activități demonstrative la unele locuințe, inclusiv la cea a lui Crone.

În 2022, echipa a fost finalistă// „EUSEW Awards 2022: Meet the finalists”, ec.europa.eu // la categoria Inovare a Premiilor europene pentru energie durabilă, care recompensează proiectele și oamenii ce contribuie la tranziția către o energie mai curată.

De la încheierea proiectului Envision, tehnologia a prins avânt. Erich este acum director tehnic la o societate de tip spin-off denumită Calosol care comercializează panourile.

Bricolaj în stil IKEA

Calosol își propune să construiască, până la urmă, 1.200 metri pătrați de panouri, o creștere importantă față de cei 250 metri pătrați produși pe durata proiectului Envision. La apartamentul lui Crone, cei 15 metri pătrați au fost suficienți pentru a-i acoperi toate nevoile de încălzire pe durata unui an întreg, potrivit lui Erich.

„Per total, panourile au produs cam aceeași cantitate de energie pe care o utilizează efectiv locuința sau poate chiar puțin mai mult”, spune acesta.

Deocamdată, instalarea panourilor este o muncă complexă, însă cercetările actuale încearcă să ușureze acest pas. Scopul final este de a face instalarea la fel de ușoară ca montarea unui mobilier de la IKEA, potrivit lui Erich.

„Aici suntem momentan – încă ne străduim să facem instalarea ușoară, astfel încât oricine să poată monta panourile”, spune acesta.

Ferestre solare

Pentru a ajuta clădirile să extragă cât mai multă energie posibil de la Soare, alți cercetători folosesc finanțarea din partea UE pentru a explora opțiunea unor ferestre solare transparente care să producă energie electrică.

Acest proiect, denumit CITYSOLAR,// „Energy harvesting in cities with transparent and highly efficient window-integrated multi-junction solar cells”, europa.eu // a început în decembrie 2020 și urmează să se deruleze până în aprilie 2024.

CITYSOLAR își propune să implementeze tehnologii fotovoltaice care să absoarbă radiația atât în spectrul infraroșu, cât și în cel ultraviolet. Cercetătorii încearcă să reducă la minimum absorbția luminii vizibile deoarece ferestrele trebuie să o transmită în interiorul clădirii, iar lumina vizibilă face ca panourile să se coloreze.

Însă întrucât lumina infraroșie și cea ultravioletă sunt mai puțin eficiente în a genera energie electrică, o oarecare cantitate de lumină vizibilă este utilă chiar și pentru ferestrele solare. Cercetătorii CITYSOLAR trebuie astfel să găsească mixul potrivit de eficiență, transparență și culoare.

Aldo Di Carlo, profesor de nanoelectronică la Universitatea Tor Vergata din Roma, care conduce proiectul, dă ca exemplu serele ca domeniu în care această tehnologie ar putea fi deosebit de utilă.

Pentru a crește, plantele au nevoie, în principal, de lumină vizibilă din partea roșie a spectrului de culoare și se pot lipsi de majoritatea celorlalte culori. Drept urmare, celulele fotovoltaice semitransparente cu o tentă roșie ar putea absorbi energia de la Soare, lăsând totodată să pătrundă lumina roșie vizibilă pentru ca plantele să se poată dezvolta.

Dincolo de laborator

Până acum, tehnologia a fost testată doar în laborator. Un prototip ar urma să fie creat la începutul anului 2024 la Syddansk Universitet din Danemarca.

Acest prototip va juca un rol central în testarea tehnologiei pentru dezvoltarea ulterioară în vederea unei eventuale comercializări pe viitor.

Într-un orizont de timp mai lung, cercetătorii CITYSOLAR își propun să facă din clădirile cu consum net de energie egal cu zero o realitate cât mai prezentă. Pentru aceasta, ar fi nevoie de reabilitarea energetică completă a suprafețelor transparente sau semitransparente folosind tehnologia în curs de dezvoltare.  

Pentru clădirile rezidențiale, o altă provocare ar fi identificarea raportului potrivit eficiență-transparență, o sarcină care va necesita cercetări suplimentare.  

„Trebuie să ne folosim de cele mai bune inovații științifice pentru a combate schimbările climatice, iar aceasta înseamnă să cercetăm tehnologii precum celulele solare transparente”, spune Di Carlo.

Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin programul Orizont al UE. Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.​ Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.