1

Mr.sc. Vladimir Potočnik, dis. Zagreb

SOLARNO MAPIRANJE Iskustva u SAD i Europi

Brzim prodorom solarne energije u glavne energijske tokove početkom 21. stoljeća, osobito u gradovima, solarno mapiranje zgrada postaje sve aktualnije zbog utvrđivanja solarnih potencijala. 1. UVOD Građevine predstavljaju povoljne lokacije za postavljanje solarno-energetskih uređaja, jer ne zahtijevaju zauzimanje novih površina tla za takve uređaje. To se posebno odnosi na zgrade upravne, javne, poslovne, komercijalne ili stambene namjene u gradovima i selima, jer one korištenjem solarne energije smanjuju potrošnju nepovoljnih fosilnih goriva (ugljen, nafta itd) i električne energije iz mreže. Solarnim mapiranjem zgrada utvrđuje se potencijal solarne energije za proizvodnju:

električne energije (fotonaponski uređaji, solarni crijepovi), ogrjevne topline (solarni kolektori) ili rashladne energije (kompresori, evaporatori).

Osim što se solarnim uređajima na zgradama zamjenjuje potrošnja fosilnih goriva i električne energije iz mreže solarnom energijom, eliminiraju se i gubici distribucije i prijenosa energije do potrošača. Solarno mapiranje zgrada obuhvaća od sunca nezaklonjene južne i zapadne površine krovova (ravnih i kosih) i vanjskih zidova. Pored zgrada za solarno mapiranje potencijala proizvodnje električne energije dolaze u obzir i druge građevine u gradovima i izvan gradova, kao što su parkirališta, autoceste i ceste, stupovi električne mreže, koridori dalekovoda, nogometni stadioni itd. Solarno mapiranje omogućava vlasnicima građevina planiranje korištenja solarne energije što je olakšano i raspoloživim poticajima za gradnju solarnih uređaja i proizvodnju korisnih oblika energije iz solarne energije. Solarna energija, kao i ostale čiste energije, donosi niz koristi, koje se u konvencionalnim ekonomskih analizama ne uzimaju u obzir, kao npr. [4]:

Izbjegnuti troškovi proizvodnje, prijenosa i distribucije električne energije zbog smanjene potrošnje i distribuirane prozvodnje električne energije.

Zdravstvene koristi (uključivo smanjenje bolovanja, preranih smrti i troškova zdravstvene skrbi) zbog izbjegnutih zagađenja od izgaranja fosilnih goriva.

Izbjegnute ekonomske posljedice globalnog zatopljenja, uključivo smanjenje produktivnosti poljoprivrede, povećanje poplava, promjene sastava šuma, utjecaj na zimsku rekreativnu industriju itd.

Smanjenje rizika za pojedince, gospodarstvo i vlade od naglih promjena cijena fosilnih goriva. Poboljšanja energetske efikasnosti i obnovljive energije imaju veliku vrijednost kao osiguranje od naglih porasta troškova fosilnih goriva.

2

2. SVJETSKA ISKUSTVA Korištenje solarne energije uz vjetroenergiju u novije vrijeme bilježi najbrži rast od svih oblika primarne energije, čak i tijekom globalne krize od 2008. nadalje. Paralelno s tim raste i interes za solarno mapiranje zgrada diljem svijeta pa je sve više gradova izradilo ili izrađuje solarne mape s potencijalima solarne energije na građevinama za proizvodnju električne, ogrjevne ili rashladne energije. Do sada je razvijeno nekoliko modela solarnog mapiranja [1]: Google mape (2D snimke iz zraka), fotografije iz zraka (prikazuju zgrade sa svih strana) i LIDAR (Light Detection and Ranging), www.lidarmap.org 2.1 Sjedinjene Američke Države (SAD) Ministarstvo energije SAD (DOE – Department of Energy) je 2007. i 2008. odabralo 25 američkih gradova za ubrzani razvoj solarne energije na građevinama ("25 Solar America Cities"), koji za početak izrađuju svoje solarne mape. To su: Ann Arbor MI, Austin TX, Berkley CA, Boston MA, Denver CO, Houston TX, Knoxville TN,, Madison WI, Milwaukee WI, Minneapolis MI, New Orleans LA, New York City NY, Orlando FL, Philadelphia PA, Pittsburgh PA, Portland OR, Sacramento Cam Skat Kaje Cuty UT, San Antonio TX, San Diego CA, San Francisco CA, San Jose CA, Santa Rosa CA, Seattle WA, Tucson AZ. Cijene izrade solarnih mapa iznose [2]:

New York……………………………………… 200.000 USD Berkeley………………………………………....55.000 USD

Od ukupne površine krovova zgrada u SAD-u procjenjuje se da je za postavljanje solarnih FN uređaja raspoloživo [4]:

kosi krovovi …………………………………..….18-24% i ravni krovovi …………………………………...60-65%.

Krajem 2010. u SAD je u pogonu oko 140.000 FN sustava ukupne snage 2070 MW (prosjek 15,1 kW). Prosječna ulaganja 2010. su bila 7,16 USD/W s trendom opadanja. Prosječan omjer snage po instaliranoj površini FN sustava kreće se od 108 W/m2 u 2007. (efikasnost 13,5%), sa projekcijama u 2015 do 150 W/m2 . ( efikasnost 18,5%). Procjene za SAD pokazuju [5] :

FN uređaji bi se mogli postaviti na 35-40 posto stambenih i 60-65 posto komercijalnih zgrada,

Solarni kolektori bi se mogli postaviti na 50 posto stambenih zgrada Potencijal FN uređaja na krovovima SAD procjenjuje se na 712.200 MW, a

odgovarajuća proizvodnja električne energije bi pokrila oko 1/3 potreba SAD. Kalifornija ima pionirsku ulogu u razvoju solarne energije u SAD. Tehnički potencijal FN uređaja na krovovima stambenih zgrada procijenjen je na oko 38.000 MW, što je blizu instaliranoj snazi postojećih elektrana u Kaliforniji.

3

San Francisco, CA, 38°N, grad veličine Zagreba, imao je 2010. instalirano 2857 FN uređaja [6]:

Ukupna snaga ……………………………………………..18,2 MW Prosječna godišnja proizvodnja ……………………………………. 24 GWh/god Smanjenje emisija ………………………………………… 7230 tCO2e/god Procijenjena ušteda ………………………………………..4·106 USD/god

Cilj San Francisca je proizvoditi 100 posto električne energije iz obnovljivih izvora. New York [7], 41°N, solarnim mapiranjem ustanovio da bi FN uređaji na povoljnim krovovima mogli pokriti 14 posto potrošnje električne energije u gradu i pola vršne snage. Cijene električne energije iz FN uređaja uz raspoložive poticaje su niže od cijena iz mreže. Pretvaranjem više od 50.000 stambenih i poslovnih zgrada u proizvođače električne energije omogućili bi otvaranje više od 40.000 radnih mjesta. Los Angeles, CA, 34°N, drugi po veličini grad u SAD, procijenio je potencijal proizvodnje električne energije iz FN uređaja na krovovima kako slijedi (slika 1): Slika 1. FN potencijal krovova zgrada u Los Angelesu [8] Program razvoja FN solarne energije na krovovima Los Angelesa predviđa postavljanje 600-800 MWe do 2020., što bi pokrilo 3-5% potrošnje električne energije grada (oko 30 TWh godišnje). Takav relativno skromni program izazvao je brojne kritike. Washington, DC [7], 39°N bi iz FN uređaja na krovovima mogao proizvesti 20 posto električne energije za potrebe grada, uštediti 250 MUSD na troškovima električne energije, stvoriti više od 14000 radnih mjesa, uz poticaj lokalnom gospodarstvu do 1,5 milijarde USD.

1  stambene zgrade…………….....57,1% 

1A višestambene ........................25,5% 

1B obiteljske......................31,6% 

2 komercijalne i  industrijske zgrade....................................40,1% 

3  javne zgrade ........................... 2,8% 

100%=5537 MWe

4

Denver, Col, 40°N, razvio je metodu procjene ušteda FN sistema na krovovima (slika 2). Korak 1 Korak 2 Korak 3 * Uzima se u obzir vrsta i orijentacija krova. ** Rezultati na uličnim panoima. Slika 2. Procjena ušteda FN sistema na krovu Metoda procjene ušteda FN sistema na krovovima grada Denver u SAD primjenjiva i za druge gradove. Pittsburgh, PA [9], 41°N, 320.000 stanovnika postavio je cilj smanjiti emisije stakleničkih plinova za 20% do 2023. u odnosu na 2003. Najvažnije planirane solarne aktivnosti:

Postavljanje solarnih kolektora i FN uređaja na zgrade u vlasništvu grada Pittsburgha bi omogućilo trening gradskih montažera, električara i zidara.

Donošenje propisa koji bi pomogli uklanjanju barijera postavljanju solarnih uređaja na stambenim i komercijalnim zgradama.

Program solarne zajednice kao pomoć ostvarenju solarnog plana grada Pittsburgha.

Razvoj interaktivne solarne web stranice grada Pittsburgha.

Tlocrt zgrade (m2)

Zauzeta površina krova (m2)

Korisna bruto površina krova (m2)

Veličina FN sistema (kW)

Korisna površina krova (m2)*

Proizvodnja el.energije (kWh/mj)

Prosječni troškovi el.energije

Proizvodnja el.energije (kWh/god)**

Procijenjene godišnje uštede **

5

2.2 Europska unija (EU) Zbog visoke i rastuće energetske uvozne ovisnosti EU ulaže velike napore u razvoj i širenje obnovljivih energija, a posebice solarne energije. To se očituje u velikom rastu snage solarnih uređaja za proizvodnju električne i toplinske energije (slika 3). Slika 3. Razvoj snage solarnih uređaja za proizvodnju električne (FN) i toplinske (solarni kolektori) energije u EU – 27 od 2005-2010 godine [11]. Ostvaren je prosječni godišnji rast novoinstaliranih solarnih uređaja u EU-27 od 2005. do 2010. godine:

FN …………………………………………………………….…. 68,3% Solarni kolektori …………………………………………………16,5%

Rast se održava i nakon izbijanja globalne krize 2008.godine, što je rijetkost. Najveći udio u rastu solarne energije među 27 država EU i u svijetu ima Njemačka, koja je sa 16% stanovništva EU-27 imala 2010. godine oko 60% kapaciteta FN uređaja i oko 40% kapaciteta solarnih kolektora u EU.27 (slika 4)

Sna

ga

(GW

)

6

Slika 4. Udio država EU-27 u instaliranim solarnim uređajima krajem 2010. Većina FN uređaja instalirana je na građevinama, uglavnom u naseljima, dok se solarni kolektori za proizvodnju potrošne tople vode i/ili grijanje nalaze gotovo isključivo na zgradama.

  % 1  Njemačka  59,2 2  Španjolska  13,0 

3  Italija  11,3 4  Češka r.  6,7 5  Ostali  9,8 

  %1  Njemačka  39,12  Austrija  12,83  Grčka  11,44  Italija  7,05  Španjolska 6,1

6  Francuska  5,87  Ostali  17,8

100%=29,33 GW

100%=25,14 GW

FN uređaji

Solarni kolektori

7

Jedinična instalirana snaga solarnih uređaja po stanovniku u EU-27 i Hrvatskoj krajem 2010.godine prikazana je na slici 5. Slika 5 Jedinična snaga solarnih uređaja u EU-27 i Hrvatskoj krajem 2010. [11] Prema jediničnoj instaliranoj snazi solarnih uređaja po stanovniku Hrvatska znatno zaostaje iza prosjeka EU-27 i susjednih država osim Mađarske. Njemačka (81.800.000 stanovnika, 2010.) Njemačka je vodeća država u EU-27 (i u svijetu) po ukupnoj snazi solarnih uređaja za proizvodnju električne i toplinske energije, a solarne katastre zgrada izgradila je većina njemačkih gradova. Solarni potencijal zgrada u Njemačkoj prikazan je u tablici 1.

Tablica 1 Solarni potencijal zgrada u Njemačkoj [12]

Površina zgrada Moguća snaga (GW)

ukupno (km2) m2/st toplinska * električna** Krovovi 1760 21 1230 240 Fasade 584 7 410 70 UKUPNO 2344 28 1640 310 * Solarni kolektori 700 W/m2 ** FN 130 Wp/m2 (η=15%) Krajem 2010. godine u Njemačkoj je bilo instalirano:

Solarni kolektori ----------------------------------11 km2 (9,83 GW) FN uređaja ---------------------------------------174 km2 (17,37 GWp)

Pso

l [W

/st]

8

Do sada je u Njemačkoj (2010.) 185 km2 površina zgrada iskorišteno za korištenje solarne energije (FN i toplinski sustavi) što čini oko 8% ukupne površine zgrada iz tablice 1. To znači da je više od 90% površine zgrada još raspoloživo za postavljanje solarnih uređaja u Njemačkoj krajem 2010.godine. Udjeli solarne energije u proizvodnji električne energije Njemačke prikazan je u tablici 2.

Tablica 2 Udjeli FN solarne energije u električnoj energiji Njemačke 2010 [12]

Solarni FN Njemačka Udio FN (%) Snaga (GWe) 17,37 ~130 ~13,4 Energija (TWh/e) 18,50 ~640 ~ 2,9 Godine 2011. u Njemačkoj je instalirano oko 7,5 GWe solarne električne energije, čime se ukupna snaga približila 25 GWe. U Njemačkoj djeluje tzv. Solarna savezna liga (www.solarbundesliga.de), koja je krajem 2011.godine udruživala 2139 manjih naselja sa 35,6 milijuna stanovnika (43,5%) i ukupne snage instaliranih solarnih uređaja na zgradama:

FN uređaja ............................................................... 3.642,5 MWe Solarni kolektori .................................... 1,836 km2 …. 1.285,1 MWt

Ranglista prvih 5 naselja prikazana je u tablici 3.

Tablica 3 Ranglista Solarne savezne lige Njemačke 2011.

R.br. Mjesto,

pokrajina Broj

stanovnikaBodovi

Solarni kolektori (m2/st)

FN (kW/st)

1. Glüsing, Schleswig-Holstein

114 4742 0,246 12,25

2. Friedrich-Wilhelm-Lübke-Koog, Schleswig-Holstein

163 4466 0,587 10,5

3. Kronprinzenkoog, Schleswig-Holstein

882 3147 0,095 8,43

4. Rettenbach am Auerberg, Bayern

802 2289 1,101 4,19

5. Bauler, Rheinland-Pfalz

100 1922 0,03 5,32

9

Sjevernonjemački grad Osnabrück također je ostvario zapažene rezultate u proizvodnji električne energije iz FN solarnih uređaja na krovovima zgrada (slika 6). Osnabrück [13], 52,3°N, 164.119 stanovnika 2010. Slika 6. Razvoj FN uređaja za proizvodnju električne energije na krovovima Osnabrücka Prosječni rast snage instaliranih FN uređaja na krovovima Osnabrücka 2000.-2010. godine iznosio je 42% godišnje, da bi krajem 2010. dosegnuo 6344 kWp u 548 uređaja (prosjek 11,6 kW po uređaju). Solarnim mapiranjem Osnabrücka istraženo je 70.000 krovova, od kojih je 26.000 određeno kao "vrlo dobri" i "dobri" krovovi za postavljanje FN uređaja. Time bi se uz ulaganja od 750-900 M€ mogla ostvariti vršna snaga oko 320 MWp i proizvesti oko 230 GWh električne energije godišnje (oko 30% potrošnje Osnabrücka) i smanjiti emisije CO2 za oko 147.000 tona godišnje. U toj procjeni su korištene sljedeće podloge:

1 kWp u Osnabrücku proizvodi 650-900 kWh električne energije godišnje. Proizvedeni kWh solarne električne energije smanjuje emisije CO2 za 0,591 kg. Ulaganja za 1 kWp FN iznose oko 2.500-3.200 € Najveći solarni potencijal postiže se za nezasjenjene južne krovove koji

omogućavaju postavljanje najmanje 10m2 površine FN modula. Na ravnim krovovima površina FN modula može biti do 40% površine krova zbog

potrebnih razmaka modula. Zato se ravni krovovi klasificiraju samo kao "dobri". Braunschweig [14]; 52,2°N; 248.867 stanovnika 2010. U sjevernonjemačkom gradu Braunschweigu solarno mapiranje obuhvatilo je 80.000 zgrada i ustanovilo da je 1,9km2 površine krovova pogodno za proizvodnju električne energije u FN solarnim uređajima. Pritom su zgrade svrstane u tri kategorije pogodnosti:

2000 2005 20100

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Sna

ga F

N [k

Wp

]

6344

699 190

. . . Godina

10

vrlo dobra ………………..…> 95% iskoristivog solarnog zračenja dobra ………………………. 81-95% iskoristivog solarnog zračenja uvjetna …………………….. 75-80% iskoristivog solarnog zračenja

Solarni potencijal krovova u Braunschweigu prikazan je u tablici 4.

Tablica 4 Solarni potencijal krovova u Braunschweigu

Pogodnost Površina

FN modula (m2)

Proizvodnja el. energije (MWh/god)

Smanjenje CO2 (t/god)

Ulaganja (M€)

vrlo dobra 565.768 74.942 38.520 318,24dobra 1.312.570 169.681 87.216 738,32uvjetna 44.292 4.650 2.390 24,91UKUPNO 1.922.631 249.274 128.127 1.081,47 Pretpostavke: Specifična ulaganja FN …………….. 4.500€/kW Efikasnost FN………………..……….. 15% Proizvodnja 249,3 GWh solarne električne energije iz FN modula na krovovima pokrila bi oko 70% aktualnih potreba privatnih potrošača struje u Braunschweigu. Wiesbaden, 50,1°N, oko 290.000 stanovnika Grad Wiesbaden je izradio Solarni katastar, u kojem je sadržano:

35.000 zgrada pogodnih za postavljanje solarnih uređaja, više od 2,2 km2 površine zgrada pogodnih za solarne uređaje, 290 GWh godinja proizvodnja solarne električne energije iz FN modula 180.000t CO2 godišnje smanjenje emisija CO2

Poticaji za proizvodnju solarne energije ugovaraju se na 20 godina. Kampanja "Sunce traži krov" informira javnost o mogućnostima korištenja solarne energije (www.wiesbaden.de). Austrija, 8.300.000 stanovnika 2010. Solarno zračenje na optimalno nagnute FN module u Austriji iznosi (kWh/m2, god):

sjever (Linz) ………………………………… 1.100 jug (Graz) …………………………………… 1.350 Alpe ………………………………………….. 1.600 - 1.800

Beč je 2010. izradio Katastar solarnog potencijala (KSP) koji je obuhvatio 52km2 površine krovova (12,5% površine Beča 415 km2), svrstanih u tri kategorije (tablica 5).

11

Tablica 5

Solarni potencijal krovova Beča Pogodnost krovova

Površina Solarno zračenje (kWh/m2, god) (km2) %

Vrlo dobra 21 40,4 1100 Dobra 8 15,4 900-1100 Nepovoljna 23 44,2 900 UKUPNO 52 100 - Izvor: Solarpotenzialkataster, www.wien.at Solarni potencijal krovova Beča procijenjen je na:

FN uređaji ………………………………………………………. 4,3 TWhe/god ili solarni kolektori …………………………………………………27,3 TWht/god

KSP Beča sadrži informacije:

površina krova svake zgrade (m2) kategoriju pogodnosti svake zgrade proračunski solarni potencijal je li zgrada u nekoj zaštićenoj zoni ili u području toplifikacijskog sustava (ne trebaju

solarni kolektori). Poticaji za solarne uređaje na krovovima idu do 40% ulaganja (maks. 100.000 €), a zahtjevi se od 1.1.2012. podnose online. Primjeri izvedenih solarnih uređaja u Beču:

Upravna zgrada Barteinsteinblock sa 4 FN uređaja, ukupno 141 modul, snaga 12,05 kWp, površina 476m2.

Ernst Happel Stadion (Prater), 15,96 kWp, 84 modula. Jednoobiteljska zgrada, 4,52 kWp, 21 modul, 263m2. Pomoćna zgrada, 2,2kWp, 10 modula, 15,6m2

Španjolska (45.900.00 stanovnika 2010) Raspoloživa površina krovova za postavljanje solarnih uređaja u Španjolskoj, procijenjena na bazi katastra i satelitskih snimaka, iznosi 571km2 (11,44m2/stan), odnosno 1,13‰ površine Španjolske (504.782 km2). Odgovarajući solarni potencijal (oko 139 TWh/god) iskoristio bi se za pripremu 70% tople potrošne vode u solarnim kolektorima i proizvodnju električne energije u FN uređajima (tablica 6).

12

Tablica 6

Potencijal solarne energije na krovovima Španjolske [15]

Vrsta Površina krovova

(km2) Proizvodnja energije

(TWh/god) Snaga (GW)

Solarni kolektori 97 19,9 17 FN uređaji 143 (474)* 10 (30,5) * 8,5 (25) UKUPNO 240 (571) 29,3 (48,8) 25,5 (42) 2.3 Švicarska (7.700.000 stanovnika) Za 10% potrošnje električne energije u Švicarskoj (oko 7,4TWh/god) bilo bi potrebno oko 48,5 km2 površine krovova zgrada ili oko 0,125 posto površine Švicarske (41.290 km2). To ujedno čini oko 12 posto površine zgrada, odnosno oko 1,7% površine naselja u Švicarskoj [16]

2.4 H r v a t s k a U Hrvatskoj je 2011. pokrenut "pilot projekt" Solarno mapiranje Trnskog, koji će za taj zagrebački kvart u Novom Zagrebu utvrditi solarni potencijal proizvodnje električne energije iz fotonaponskih (FN) uređaja na krovovima zgrada.

13

L i t e r a t u r a

[1] Why urban solar mapping is the future, www.pv-magazine.com, 11.11.2010 [2] S.Graff, Solar Maps help Foster Sustainable Cities, Scotish Development Int.,

29.11.2010 [3] J.Paidipati et al., Rooftop Photovoltaics Market Penetration Scenarios, NREL

(National Renewable Energy Laboratory), Colorado 2.2008 [4] New Energy Future Reports, www.environmentamerica.org, 2010-01-07 [5] New Energy Future Reports, Building a Solar Future:Repowering America's

Homes, Businesses and Industry with Solar Energy, www.environmentamerica.org, 2010-03-09

[6] San Francisco Solar Map, www.solarmap.org, 6.12.2011 [7] J.Farell, New York City's Solar Windfall Illuminates Amarica's Clean Energy

Future, www.renewableenergyworld.com, 20.9.2011 [8] LABC Proposes Los Angeles Solar Feed-in Tariffs, www.renewableenergyworld.com, 15.7.2010 [9] Solar America Communities Pittsburgh, PA [10] D.Anthony, T.Zheng, What if every residential home in the U.S. had a solar

rooftop? www.cleantechnology.com /2011 [11] Solar Power in the Europena Union, www.en.wikipedia.org , 2011 [12] S.Lindner, Solar Urban Planning-PV in Urban Environment, Ecofys [13] Sun Area: Sonnenenergiepotenzial auf Osnabrücks Dachern, www.osnabrueck.de [14] Sun Area: Solardächer, www.braunschweig.de [15] S.Izquierdo et al., Roof-top solar energy potential under performance-based

building energy codes: The case of Spain, Solar Energy 85 (2011), www.sciencedirect.com

[16] T.Nordmann, Die Photovoltaik vor der breiten Anwendung, www.tnc.ch, 4.11.2010