Fotowoltaika, wiatraki i geotermia, czyli energia odnawialna w miastach – gdzie jest na nią miejsce? 

Miasto jako energetyczne wyzwanie XXI wieku

Miasta są dziś centrum życia współczesnego świata. Mieszka w nich ponad połowa ludzkości, a w najbliższych dekadach odsetek ten będzie jeszcze rosnąć. To właśnie w miastach koncentruje się przemysł, transport, handel i infrastruktura, a wraz z nimi ogromne zużycie energii. Wprowadzanie OZE do przestrzeni miejskiej nie jest jednak proste. Gęsta zabudowa ogranicza dostęp do wolnych terenów, wysokie budynki powodują zacienienie, a infrastruktura energetyczna często została zaprojektowana w oparciu o tradycyjny, scentralizowany model produkcji energii. 

Mimo tych trudności miasta posiadają ogromny, często niedoceniany potencjał. W niniejszym artykule omówione zostaną możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii w przestrzeni miejskiej; od instalacji słonecznych i wiatrowych, przez geotermię i wykorzystanie infrastruktury publicznej, po rolę inteligentnych sieci energetycznych. Przedstawione zostaną także przykłady miast, które skutecznie wdrażają rozwiązania oparte na OZE, oraz główne wyzwania stojące przed współczesną transformacją energetyczną w obszarach zurbanizowanych.

Dachy i elewacje – miasto jako elektrownia słoneczna

Największym i najbardziej oczywistym miejscem dla odnawialnych źródeł energii w miastach są dachy budynków. Bloki mieszkalne, biurowce, centra handlowe, szkoły czy hale przemysłowe tworzą ogromną powierzchnię, która może być wykorzystana pod instalacje fotowoltaiczne. Zamontowanie paneli słonecznych na dachach budynków przemysłowych pozwala również ograniczyć straty przesyłowe, ponieważ energia może być zużywana w tym samym miejscu, w którym została pozyskana. W wielu miastach potencjał ten jest jeszcze słabo wykorzystany. W Unii Europejskiej tylko około 30% dachowego potencjału PV zostało dotąd zagospodarowane, choć analizy wskazują, że technicznie możliwe jest znacznie więcej. W Polsce również dachy mają ogromny potencjał, przykładowo w Krakowie przy optymalnym wykorzystaniu połowy dachów dałoby się pokryć znaczną część zapotrzebowania miasta na energię. 

Dobrym przykładem jest Ekospalarnia odpadów komunalnych w Krakowie. Choć główną funkcją obiektu jest produkcja energii elektrycznej i ciepła z odpadów komunalnych, na dachu budynku administracyjno-edukacyjnego zainstalowano również system fotowoltaiczny. Instalacja składa się z 92 paneli o łącznej mocy około 28,06 kWp i pozwala na wyprodukowanie około 32 690 kWh energii elektrycznej rocznie. Wytwarzany prąd wykorzystywany jest przede wszystkim na potrzeby własne obiektu, co zmniejsza zużycie energii pobieranej z sieci i obniża emisję dwutlenku węgla. Choć w porównaniu z dużymi farmami słonecznymi jest to instalacja niewielka, jej znaczenie jest istotne - pokazuje, że nawet obiekty przemysłowe mogą integrować różne technologie energetyczne i wykorzystywać dostępne powierzchnie dachowe do produkcji czystej energii. 

Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem

Poza tradycyjnymi panelami dachowymi, rosnącym trendem w energetyce miejskiej stają się również fasady i pionowe powierzchnie budynków. Dzięki technologii BIPV (Building-Integrated Photovoltaics), czyli zintegrowanym panelom fotowoltaicznym, elewacje budynków mogą pełnić jednocześnie funkcję zewnętrznej powłoki oraz źródła energii. Pionowe instalacje szczególnie dobrze sprawdzają się w wysokich budynkach, których dachy są zacienione lub zajęte inną infrastrukturą. Technologia BIPV pozwala też integro­­wać panele z samą architekturą budynku. Powstają więc rozwiązania, które nie tylko produkują energię, ale też poprawiają komfort wewnątrz budynku, ograniczając nagrzewanie się fasad i zapotrzebowanie na klimatyzację. 

Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów wykorzystania elewacji budynku do produkcji energii odnawialnej jest Copenhagen International School (CIS) w duńskiej Kopenhadze. To nowoczesna szkoła zlokalizowana w nowej, zrównoważonej dzielnicy Nordhavn, której elewacja pokryta jest 12 000 panelami słonecznymi, które razem zajmują około 6 000 m² powierzchni fasad. Instalacja ma moc około 720 kWp – to znaczy, że w optymalnych warunkach może generować tyle mocy, ile paneli o łącznej mocy 720 kW w normalnej elektrowni PV. Dzięki tej instalacji szkoła produkuje około 300 MWh energii elektrycznej rocznie, co pokrywa powyżej 50% całkowitego rocznego zużycia energii elektrycznej obiektu. 

Wiatr w mieście – energia tam, gdzie jej nie widać

Energia wiatru jest jedną z najstarszych form pozyskiwania energii, ale jej wykorzystanie w gęsto zabudowanych miastach do tej pory kojarzyło się głównie z dużymi farmami, daleko od centrum, wymagającymi stałego i silnego wiatru . Tymczasem nowoczesne technologie i małe, kompaktowe turbiny stwarzają możliwość „osadzenia” wiatru w miejskim krajobrazie. Odpowiedzią na miejskie ograniczenia są pionowe mikroturbiny wiatrowe (VAWT) oraz inne małe urządzenia, które mogą pracować nawet przy zmiennym i słabym przepływie powietrza. 

Mikroturbiny wiatrowe są zaprojektowane tak, aby być możliwie małe i łatwe do integracji ze strukturą budynku, co oznacza, że mogą być montowane na dachach, elewacjach lub nawet przy słupach oświetleniowych. Dzięki pionowej osi obrotu ich łopaty nie muszą być kierowane w stronę wiatru, co upraszcza konstrukcję i pozwala na działanie nawet przy turbulencjach, które powstają między wysokimi budynkami.

Efektywność małych turbin wiatrowych

Badania naukowe potwierdzają, że nawet pojedyncza pionowa turbina może wyprodukować znaczącą ilość energii. Przykładowo model VAWT w analizach przeprowadzonych w dwóch szwajcarskich miastach miał teoretyczną roczną produkcję około 2665 kWh energii elektrycznej, co jest równoważne produkcji z około 16,5 m² paneli fotowoltaicznych. Taki wynik jest osiągany mimo niższych średnich prędkości wiatru w miejskich dolinach między blokami, pokazując, że odpowiednio dobrane mikroturbiny mogą mieć realny wkład w lokalną produkcję energii. W praktyce oznacza to, że miasta mogą wykorzystywać wiatr jako element miksu odnawialnych źródeł energii. Instalacje te nie muszą tworzyć ogromnych farm, ich siłą jest decentralizacja i integracja z istniejącymi obiektami. 

Turbiny mogą zasilać oświetlenie uliczne, stacje ładowania pojazdów elektrycznych, systemy sygnalizacji czy lokalne obiekty użyteczności publicznej. W wielu metropoliach zauważa się rosnące zainteresowanie wiatrowymi mikroinstalacjami jako uzupełnieniem dla paneli fotowoltaicznych i innych form OZE. Już dziś pojawiają się projekty łączące te technologie z inteligentnymi systemami zarządzania energią, które optymalizują produkcję i zużycie w czasie rzeczywistym. Takie rozwiązania wpisują się w koncepcję „smart cities”, w których lokalna generacja energii ogranicza straty przesyłowe i zwiększa odporność systemu energetycznego na wahania zewnętrzne.

• Zobacz również: Tytani transformacji: rekordziści sektora OZE w erze gigawatowej – absolutna dominacja Chin

Geotermia – podziemna energia dla miast

Choć zazwyczaj myślimy o geotermii jako o źródle energii dla obszarów przemysłowych, coraz częściej znajduje zastosowanie w miastach. Pod ziemią kryje się ogromna ilość energii w postaci ciepła gruntu i wód geotermalnych, które można wykorzystać zarówno w nowo powstających dzielnicach, jak i w istniejącej zabudowie. W miastach geotermia niskotemperaturowa, w połączeniu z pompami ciepła, pozwala na ogrzewanie i chłodzenie budynków w sposób bardziej efektywny i ekologiczny niż tradycyjne systemy oparte na paliwach kopalnych. Przykładem skutecznego wykorzystania geotermii w mieście jest Sztokholm, gdzie miejskie sieci ciepłownicze korzystają z energii geotermalnej i odzyskują ciepło odpadowe z różnych instalacji, w tym metra czy centrów danych. System ten pozwala na znaczące ograniczenie emisji CO₂ i poprawia efektywność energetyczną całego miasta. Podobne rozwiązania wprowadzane są także w innych europejskich metropoliach, gdzie pompy ciepła współpracują z gruntowymi wymiennikami ciepła i magazynami podziemnymi. 

Fundament miejskiej infrastruktury energetycznej geotermia stanowi też w takich miejscach jak Reykjavík na Islandii, będący jednym z najbardziej spektakularnych przykładów wykorzystania ciepła Ziemi w skali miejskiej. W Reykjavíku niemal 90% wszystkich budynków jest ogrzewanych gorącą wodą pochodzącą z geotermalnych zasobów podziemnych, transportowaną przez rozległą sieć rur pod miastem, co stanowi praktyczny model systemu ciepłowniczego opartego na odnawialnym źródle energii. Woda o temperaturze nawet 80–90°C trafia do mieszkań, biur oraz instytucji publicznych, zapewniając zarówno ogrzewanie przestrzeni, jak i ciepłą wodę użytkową. Geotermia w Reykjavíku ma także unikalne zastosowania poza standardowym ogrzewaniem domów i budynków. W centrum Reykjavíku oraz na wielu chodnikach i parkingach zastosowano systemy ogrzewania nawierzchni, które utrzymują chodniki wolne od śniegu i lodu nawet w środku zimy. 

Ciepłownictwo geotermalne w Polsce

W Polsce również podejmowane są próby wykorzystania geotermii w miejskich systemach ciepłowniczych. Obszary z wysokim potencjałem wód geotermalnych zazwyczaj zbieżne są z większymi ośrodkami miejskimi, a także z terenami o intensywnej działalności przemysłowej czy turystycznej. W miejscowościach takich jak Szaflary, Zakopane, Nowy Targ czy Mszczonów pod Warszawą realizowane są inwestycje w geotermalne źródła niskotemperaturowe i średniotemperaturowe, które pozwalają na ogrzewanie budynków mieszkalnych, basenów, obiektów użyteczności publicznej i częściowo sieci ciepłowniczych. Choć potencjał polskich miast jest mniejszy niż w Reykjavíku, geotermia może wspierać lokalne sieci ciepłownicze, magazynowanie energii i integrację z innymi źródłami odnawialnymi.

Smart grid, parkingi i transport – jak miasto łączy wszystko w jeden system

Współczesne miasta przekształcają się w zintegrowane systemy energetyczne, w których produkcja, przesył i zużycie energii są zarządzane w sposób inteligentny i efektywny. Kluczową rolę odgrywają tu tzw. inteligentne sieci elektroenergetyczne, czyli smart grid. Dzięki takim sieciom energia z paneli fotowoltaicznych, mikroturbin wiatrowych czy magazynów energii może trafiać tam, gdzie jest potrzebna, co poprawia efektywność wykorzystania zasobów i stabilność całego systemu. 

Inteligentne sieci to przede wszystkim koordynacja wielu elementów miejskiej infrastruktury. Systemy automatycznie analizują zużycie energii w różnych godzinach dnia, dostosowują pracę urządzeń i pozwalają na bardziej płynne włączenie dużych odbiorników np. w godzinach szczytu lub przeciwdziała przeciążeniom. Dzięki temu miasta mogą ograniczać straty, które przy tradycyjnym modelu energetycznym są znaczne. Inteligentne sieci sprawiają też, że mieszkańcy i ich zachowania mają bezpośredni wpływ na zużycie i produkcję energii. 

Coraz częściej wdrażane są systemy, które informują o czasie największej dostępności energii odnawialnej, zachęcając do korzystania z urządzeń domowych właśnie wtedy, gdy energia jest najtańsza. Tego typu rozwiązania budują świadomość energetyczną i pozwalają mieszkańcom stać się prosumentami czyli jednocześnie producentami i konsumentami energii. Równie istotną rolę odgrywa infrastruktura parkingowa połączona z OZE i elektromobilnością. W wielu miastach na parkingach instalowane są panele fotowoltaiczne nad stanowiskami ładowania pojazdów elektrycznych, co pozwala na ładowanie aut bezpośrednio z lokalnej energii słonecznej. Takie rozwiązania nie tylko wykorzystują przestrzeń, która w miejskiej skali byłaby trudno zagospodarować inaczej, ale również integrują zieloną energię z codziennym życiem mieszkańców.

Ekologiczna komunikacja zbiorowa

Podobną integrację widzimy w transporcie publicznym, który w inteligentnych miastach staje się elementem systemu energetycznego. Coraz więcej metropolii inwestuje w elektryczne autobusy i tramwaje zasilane energią odnawialną. Przykłady takich działań pojawiają się nawet w dalekich regionach świata jak inicjatywa w indyjskim Ahmedabadzie, gdzie przy terminalach autobusowych instalowane są panele słoneczne, mające zasilać ładowanie autobusów elektrycznych. Taki model przyczynia się do obniżenia emisji z transportu publicznego i pokazuje, jak OZE mogą wprowadzać realną zmianę także w mobilności miejskiej.

Źródła: natura.ceo.org.pl, khk.krakow.pl, ekos-sulow.org.pl, igtsf.com, enerad.pl, cordis.europa.eu

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Amelia Przystał