الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة في المباني (BIPV): ما وراء قيمة وتحديات المكونات نفسها

غالبًا ما يُنظر إلى أنظمة الطاقة الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) على أنها مجالٌ تسعى فيه منتجات الطاقة الكهروضوئية ذات القدرة التنافسية المحدودة إلى دخول السوق. لكن بيورن راو، المدير الفني ونائب مدير PVcomB في مركز هيلمهولتز-زينتروم برلين، يعتقد أن هذا الرأي قد لا يكون منصفًا. وأشار إلى أن الحلقة المفقودة في نشر أنظمة الطاقة الكهروضوئية المدمجة في المباني تكمن في تقاطع قطاع البناء والتشييد مع مُصنّعي أنظمة الطاقة الكهروضوئية.

من مجلة PV

أدى التطور السريع لصناعة الطاقة الكهروضوئية على مدار العقد الماضي إلى وصول قدرتها الإنتاجية السنوية الجديدة المُركّبة إلى حجم سوق عالمي يبلغ حوالي 100 جيجاواط، مما يعني أنه يتم إنتاج وبيع ما بين 350 مليون و400 مليون وحدة شمسية سنويًا. ومع ذلك، لا يزال دمجها في المباني سوقًا متخصصة. ووفقًا لتقرير حديث صادر عن مشروع "أفق 2020" البحثي التابع للاتحاد الأوروبي PVSITES، لم يُدمج سوى حوالي 2% من القدرة الإنتاجية الكهروضوئية المُركّبة في أغلفة المباني عام 2016. ويُعدّ هذا الرقم الضئيل ملفتًا للنظر، نظرًا لأن أكثر من 70% من استهلاك الطاقة العالمي، وما يقارب 40% إلى 50% من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، تأتي من المناطق الحضرية.

لمواجهة تحدي غازات الاحتباس الحراري وتعزيز توليد الطاقة في الموقع، أصدر البرلمان الأوروبي والمجلس التوجيه 2010/31/EU بشأن كفاءة الطاقة في المباني في عام 2010، مع المفهوم الأساسي "المباني ذات استهلاك الطاقة شبه الصفري (NZEB)". ينطبق هذا التوجيه على جميع المباني الجديدة التي شُيّدت بعد عام 2021. دخل التوجيه حيز التنفيذ في بداية هذا العام على المباني الجديدة التي ستُستخدم في المؤسسات العامة.

لا تنص التعليمات على تدابير محددة لتحقيق معايير الطاقة المتجددة. يمكن لمالكي المباني النظر في تدابير كفاءة الطاقة، مثل العزل الحراري، واستعادة الحرارة، وحلول توفير الطاقة. ومع ذلك، بما أن التوازن الطاقي الكلي للمباني يُعدّ هدفًا تنظيميًا، فإنّ توليد الطاقة النشط داخل المباني أو حولها أمرٌ بالغ الأهمية لتلبية معايير الطاقة المتجددة.

الإمكانات والتحديات

لا شك أن تطبيقات الطاقة الكهروضوئية ستلعب دورًا هامًا في التصميم المعماري المستقبلي أو تجديد البنية التحتية للمباني القائمة. وسيكون معيار الطاقة المتجددة (NZEB) القوة الدافعة لتحقيق هذا الهدف، ولكنه ليس العامل الوحيد. يمكن استخدام الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) لتنشيط المساحات أو الأسطح الحالية لتوليد الطاقة، مما يتيح إضافة تطبيقات الطاقة الكهروضوئية في المناطق الحضرية دون الحاجة إلى مساحات إضافية. وتتمتع أنظمة الطاقة الكهروضوئية المدمجة بإمكانيات هائلة لتوليد الكهرباء النظيفة. وكما اكتشف معهد بيكريل عام ٢٠١٦، تتجاوز النسبة المحتملة لتوليد الطاقة من الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني ٣٠٪ من إجمالي الطلب على الكهرباء في ألمانيا، بينما تقترب هذه النسبة في الدول الجنوبية (مثل إيطاليا) من ٤٠٪.

لكن لماذا لا تزال حلول BIPV تلعب دورًا هامشيًا في قطاع الطاقة الشمسية؟ ولماذا نادرًا ما تُستخدم في مشاريع البناء حتى الآن؟

للإجابة على هذه الأسئلة، نظّم مركز هيلمهولتز للمواد والطاقة (HZB) في برلين، ألمانيا، ندوةً العام الماضي، وتواصل مع الجهات المعنية في مختلف مجالات أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة (BIPV)، وأجرى تحليلًا للمتطلبات. وتُظهر النتائج أن المشكلة لا تنبع من نقص التكنولوجيا بحد ذاته.

في ندوة HZB، أقرّ العديد من المتخصصين في قطاع البناء والتشييد، ممن يعملون في مشاريع جديدة أو تجديدية، بوجود فجوة معرفية فيما يتعلق بإمكانيات أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة (BIPV) وتقنياتها الداعمة. فمعظم المهندسين المعماريين والمخططين وأصحاب المباني يفتقرون إلى المعلومات الكافية لدمج تقنية الطاقة الكهروضوئية في مشاريعهم. ولذلك، يساور الناس العديد من المخاوف بشأن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة (BIPV)، مثل ضعف جاذبية التصميم، وارتفاع التكلفة، والتعقيد المفرط. ولتجاوز هذه المفاهيم الخاطئة الواضحة، يجب إعطاء الأولوية القصوى لاحتياجات المهندسين المعماريين وأصحاب المباني، وإعطاء الأولوية لفهم وجهة نظر أصحاب المصلحة تجاه أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة (BIPV).

تحول نمط التفكير

تختلف أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة (BIPV) عن أنظمة الطاقة الشمسية التقليدية على الأسطح في جوانب عديدة، حيث لا تتطلب تعدد الوظائف أو اعتبارات جمالية. إذا أراد المصنعون تطوير منتجات تُدمج في مكونات المباني، فعليهم إعادة النظر في هذا الأمر. توقع المهندسون المعماريون والبناؤون ومستخدمو المباني في البداية أن يكون لغلاف المبنى وظائف تقليدية. من وجهة نظرهم، يُعد توليد الطاقة مجرد ميزة إضافية. بالإضافة إلى ذلك، يجب على مطوري مكونات أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة (BIPV) متعددة الوظائف مراعاة الجوانب التالية:

• تطوير حلول مخصصة فعالة من حيث التكلفة لمكونات المباني النشطة بالطاقة الشمسية بأحجام وأشكال وألوان وشفافية مختلفة؛

• وضع المعايير وتقديم أسعار جذابة (يفضل أن تكون قابلة للتطبيق على أدوات التخطيط الناضجة مثل نمذجة معلومات البناء (BIM))؛

• من خلال دمج مواد البناء ومكونات توليد الطاقة، يتم دمج المكونات الكهروضوئية في النوع الجديد من مكونات الواجهة.

• يتمتع بقدرة عالية على تحمل الظلال المؤقتة (المحلية)؛

• ضمان الاستقرار على المدى الطويل، والانتباه إلى التوهين طويل الأمد لقوة الإخراج، فضلاً عن الاستقرار طويل الأمد وتدهور المظهر (مثل استقرار اللون)؛

• وضع خطط المراقبة والصيانة التي تتكيف مع الظروف المحددة في الموقع (مع مراعاة ارتفاع التثبيت، واستبدال المكونات المعيبة أو مكونات الواجهة)؛

• الامتثال للمتطلبات القانونية والتنظيمية، مثل السلامة (بما في ذلك الوقاية من الحرائق)، وقوانين البناء، وأنظمة الطاقة، وما إلى ذلك.