Καινοτόμες επιστρώσεις υαλοπινάκων για εξοικονόμηση ενέργειας

Transcript

1 καινοτοµία Καινοτόμες επιστρώσεις υαλοπινάκων για εξοικονόμηση ενέργειας ενηµέρωση Το ενεργειακό πρόβλημα, είναι σήμερα ένα από τα πιο σημαντικά θέματα της παγκόσμιας κοινότητας. Η ενέργεια είναι ένα αναντικατάστατο αγαθό που εξυπηρετεί κοινωνικές και αναπτυξιακές ανάγκες, παρουσιάζει όμως συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση, ενώ παράλληλα, οι επιπτώσεις από την αλόγιστη χρήση της στο περιβάλλον και στην οικονομία είναι καθοριστικές. Στις μέρες μας, το μεγαλύτερο ποσοστό παραγωγής ενέργειας στηρίζεται στα συμβατικά καύσιμα, όπως είναι ο άνθρακας, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, που καλύπτουν το 80% της παγκόσμιας πρωτογενούς κατανάλωσης, με το υπόλοιπο 20% να καλύπτεται από την πυρηνική ενέργεια, την υδροηλεκτρική ενέργεια και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Σύμφωνα με τις τελευταίες εκτιμήσεις, τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου, φυσικού αερίου και λιθάνθρακα επαρκούν για την κάλυψη αναγκών περίπου 40, 70 και 200 ετών αντίστοιχα. Ο κτιριακός τομέας συμμετέχει με υψηλό ποσοστό στην κατανάλωση ενέργειας και στην έκλυση ρύπων. Το έτος 2005, τα Ελληνικά κτίρια συμμετείχαν με ποσοστό 34% στο Ελληνικό ενεργειακό ισοζύγιο και με ποσοστό 65% στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για θέρμανση, κλιματισμό, μαγείρεμα, φωτισμό, λοιπές ηλεκτρικές χρήσεις κλπ. Σαν άμεσο αποτέλεσμα, το ποσοστό των εκπομπών CO2 που αντιστοιχεί στα κτίρια υπερβαίνει το 43%, επομένως συντελεί σημαντικά στην κλιματική αλλαγή που παρατηρείται λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου τα τελευταία χρόνια. της Δήμητρας Βερνάρδου Ο μέσος ετήσιος ρυθμός κατανάλωσης ενέργειας στα Ελληνικά κτίρια είναι αυξητικός και για τη δεκαετία ανέρχεται στο 5,5%, ενώ ο αντίστοιχος ρυθμός αύξησης για το σύνολο της καταναλισκόμενης ενέργειας στην Ελλάδα είναι περίπου 3%. Με αυτούς τους ρυθμούς αύξησης της κατανάλωσης ενέργειας, καθίσταται εξαιρετικά δύσκολη η επίτευξη των στόχων της Ελλάδας στο πλαίσιο του Πρωτοκόλλου του Κιότο με δέσμευση στην Ευρωπαϊκή Ένωση για ελάττωση των αέριων εκπομπών κατά 8% έως το Για το λόγο αυτό εξάλλου, η ΕΕ προχώρησε στην Οδηγία 2002/91/ΕΚ ώστε να οδηγήσει τους καταναλωτές στη βέλτιστη ενεργειακή επίδοση των κτιρίων. Στο πλαίσιο αυτό, θα πρέπει να ληφθούν άμεσα μέτρα για την εξοικονόμηση ενέργειας στον κτιριακό τομέα ώστε ταυτόχρονα αφενός να ενισχυθεί η ενεργειακή επάρκεια και αφετέρου να μειωθούν οι εκπομπές CO2. Παράλληλα βέβαια, δίνεται η δυνατότητα για την ανάπτυξη μιας πρωτοποριακής αγοράς τεχνολογιών και προϊόντων υψηλής ενεργειακής απόδοσης. Μεγάλο ποσοστό της κατανάλωσης ενέργειας στα κτίρια οφείλεται στη κατασκευή τους, καθώς πολλά από τα κτίρια δεν έχουν μόνωση ενώ διαθέτουν μονά τζάμια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το χειμώνα να χάνεται θερμότητα από μέσα προς τα έξω, ενώ το καλοκαίρι να εισέρχεται θερμότητα από το ζεστό εξωτερικό περιβάλλον. Η διαδικασία αυτή μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τη 56 Στο άρθρο συνέβαλαν επίσης και οι:

2 Έξυπνα παράθυρα χρήση παράθυρων κατάλληλα κατασκευασμένων ενεργειακά. Γενικά, τα παράθυρα αποτελούν βασικά δομικά χαρακτηριστικά των κτιρίων, η πρωταρχική λειτουργία των οποίων είναι η διέλευση του ηλιακού φωτός αλλά και η δημιουργία οπτικής επαφής των εσωτερικών τμημάτων με τον εξωτερικό χώρο. Όμως, η διαπερατότητά τους στο φως είναι σταθερή (η τιμή της εξαρτάται από την κατασκευή των υάλων) και επομένως, η δημιουργία της επιθυμητής κατά περίπτωση στάθμης φωτισμού, επιβάλλει εγκαταστάσεις σκίασης και τεχνητού φωτισμού, προσεγγίσεις που ανεβάζουν το κόστος κατασκευής αλλά και τις ενεργειακές απαιτήσεις για φωτισμό. Η μεγάλη επίδραση όμως στο ενεργειακό ισοζύγιο του κτιρίου προέρχεται από το γεγονός ότι τα παράθυρα μπορούν να επενεργήσουν θετικά ή αρνητικά στην ενεργειακή αποδοτικότητα. Είναι γνωστό ότι αυτά συνεισφέρουν σημαντικά στις ενεργειακές απώλειες κατά τη θέρμανση ή ψύξη στο κτίριο, καθώς συνδέονται με ένα πολύ μεγάλο ποσοστό (50% το χειμώνα κα 70% το καλοκαίρι) ανταλλαγής θερμότητας. Επομένως, η ανάπτυξη «έξυπνων», κατάλληλων ενεργειακά παράθυρων στα οποία θα υπάρχει η δυνατότητα αυτόνομου ελέγχου της διαπερατότητας στο ορατό (φως) και/ή στο υπέρυθρο (θερμότητα), αποτελεί θεμελιώδες βήμα για την εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια. Τα έξυπνα αυτά παράθυρα θα έχουν ως αποτέλεσμα την απαίτηση για μικρότερα συστήματα θέρμανσης-ψύξης, την απαλλαγή από συστήματα ελέγχου του φωτισμού αλλά και χαμηλότερους λογαριασμούς για την ενεργειακή κατανάλωση. Σύμφωνα με έρευνα του Ολλανδικού Επιστημονικού Ινστιτούτου ΤΝΟ, η οποία διενεργήθηκε για λογαριασμό της επαγγελματικής Ένωσης των Ευρωπαίων Κατασκευαστών γυαλιού για την οικοδομή και τις μεταφορές, η Ελλάδα θα μπορούσε να εξοικονομεί το 2020 περισσότερο από 3,4 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες ετησίως από την ενέργεια για ψύξη με την αντικατάσταση των απλών τζαμιών από υαλοπίνακες με ηλιακό έλεγχο σε κατοικίες και γραφεία. Ταυτόχρονα, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις λόγω της μικρότερης κατανάλωσης ενέργειας θα είναι πολύ σημαντικές. Σε περίπτωση μάλιστα που η χρήση κλιματισμού στην Ελλάδα προσεγγίσει τα επίπεδα των ΗΠΑ, δηλαδή να φτάσει στα επίπεδα του 65% για τις κατοικίες και 100% για τα μη οικιστικά κτίρια έως το 2020, η μείωση των εκπομπών που θα προκύψει από την τοποθέτηση υαλοπινάκων ηλιακού ελέγχου, θα ανέρχεται σε 6,7 εκατ. τόνους CO2 ετησίως, σύμφωνα με την ίδια έρευνα. Επιπλέον, υπολογίζεται ότι θα εξοικονομούνται 14,11 δις κιλοβατώρες κάθε χρόνο, με το συνολικό όφελος από την εξοικονόμηση ρεύματος για ψύξη να ανέρχεται σε 1,4 δις ευρώ ετησίως. Παράλληλα βέβαια, η ευρύτερη εφαρμογή κατάλληλων ενεργειακά παράθυρων αποτελεί απαίτηση για ένα καλύτερο κτιριακό περιβάλλον (σπίτια, επαγγελματικούς χώρους, εμπορικά κέντρα, σχολεία, πανεπιστήμια, νοσοκομεία, ξενοδοχεία κ.α.), εντός του οποίου βιώνουν όλοι οι άνθρωποι το 80% περίπου της ζωής κ α ι ν ο τ ο µ ί α 57

3 καινοτοµία ενηµέρωση τους. Είναι λοιπόν προφανής η επίδραση της ποιότητας του εσωτερικού κλίματος τόσο στην υγεία και την άνεση, όσο και στην παραγωγικότητα των ανθρώπων. Στο πλαίσιο αυτό, έχουν προταθεί διάφορες τεχνολογικές λύσεις όπως παλαιότερα τα διπλά παράθυρα ή τα παράθυρα με ειδικές ανακλαστικές επιστρώσεις και πιο πρόσφατα οι χρωμικές επιστρώσεις, με κύριους εκπρόσωπους τις θερμοχρωμικές και τις ηλεκτροχρωμικές διατάξεις. Όμως σήμερα, είτε δεν υπάρχουν διαθέσιμες εμπορικές λύσεις, είτε οι υπάρχουσες λύσεις παρουσιάζουν μειονεκτήματα όπως Η χρησιμότητα μίας θερμοχρωμικής επίστρωσης βασίζεται στην ικανότητά της να λειτουργήσει είτε ως απορροφητής ή ως ανακλαστής της υπέρυθρης ακτινοβολίας (θερμότητας) ανάλογα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ένα θερμοχρωμικό υλικό χαρακτηρίζεται από μία θερμοκρασία μετάπτωσης Τc που σχετίζεται με ένα δομικό μετασχηματισμό, με το υλικό να παρουσιάζει μεταλλική συμπεριφορά για μεγάλη θερμοκρασία, ενώ για μικρή συμπεριφέρεται ως ημιαγωγός. Ως αποτέλεσμα, πάνω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης, η επίστρωση με μεταλλική συμπεριφορά ανακλά την Λειτουργία θερμοχρωμικής επίστρωσης μεγάλο κόστος, όχι καλή διαπερατότητα, αργή απόκριση και όχι καλό αισθητικό αποτέλεσμα. Είναι εμφανής επομένως η ανάγκη ανάπτυξης νέων υλικών υπό μορφή επιστρώσεων τα οποία θα επιτρέπουν τον έλεγχο της διαπερατότητας στο ορατό και το υπέρυθρο. Η ανάγκη αυτή φαίνεται ότι μπορεί να καλυφθεί πλήρως από τις σύγχρονες εξελίξεις στη νανοτεχνολογία και την τεχνολογία υλικών, οι οποίες πλέον μπορούν να προσφέρουν φτηνά, φιλικά προς το περιβάλλον υλικά με άριστες επιδόσεις. υπέρυθρη ακτινοβολία του ήλιου, αποτρέποντας έτσι την υπερθέρμανση του εσωτερικού χώρου των κτιρίων κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού για παράδειγμα (όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα). Αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης έχουν ως αποτέλεσμα συμπεριφορά ημιαγωγού που επιτρέπει τη διέλευση της υπέρυθρης ακτινοβολίας, και κατά συνέπεια τη διατήρηση της θερμότητας μέσα στο κτίριο. Επιστρώσεις θερμοχρωμικού τύπου μπορούν σήμερα να παρασκευαστούν με βάση 58

4 διάφορα οργανικά υλικά όπως cholesteryl, nonanoate και cyanophenyl, τα οποία όμως όχι μόνο είναι ακριβά, αλλά παρουσιάζουν και αισθητικά προβλήματα καθώς τα αντίστοιχα παράθυρα παρουσιάζουν έντονα φαινόμενα σκέδασης που οδηγεί σε θολότητα. Αντίστοιχα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιστρώσεις από παράγωγα μετάλλων όπως HgI2, Ni(SO4), ZnO, PdO, οι οποίες όμως παρουσιάζουν διάφορα προβλήματα όπως υψηλή θερμοκρασία Αντίστοιχα αποτελέσματα ελέγχου της διαπερατότητας μπορεί να επιτύχει κάποιος και με τις ηλεκτροχρωμικές διατάξεις. Η ηλεκτροχρωμική λειτουργία βασίζεται στην αναστρέψιμη μεταβολή Λειτουργία ηλεκτροχρωμικής επίστρωσης των οπτικών ιδιοτήτων ενός υλικού (από διαπερατό μετατρέπεται σε μετάπτωσης, χαμηλή διαπερατότητα στο απορροφητικό-ανακλαστικό και αντίστροφα), ορατό φάσμα, χαμηλή ανθεκτικότητα και μη αισθητική παρουσία. Στο πλαίσιο μιας συνολικής βελτίωσης των ιδιοτήτων των θερμοχρωμικών επιστρώσεων επιφανειών, ιδανική λύση φαίνεται να αποτελεί η ανάπτυξη επιστρώσεων βασισμένων στο VO2 που εμφανίζει τη μικρότερη θερμοκρασία μετάπτωσης, η οποία όμως πλησιάζει τους 68 o C, τιμή αρκετά μακριά από τη θερμογωγή η οποία επιτυγχάνεται με την εισα- ή εξαγωγή ιόντων μέσω της εφαρμογής μιας μικρής τάσης (1 3 V). Όταν η διάταξη είναι ανενεργή, τότε είναι οπτικά καθαρή και διαθέτει υψηλή διαπερατότητα, ενώ, μετά την εφαρμογή της τάσης, η διάταξη χρωματίζεται και ελαττώνεται σημαντικά η διαπερατότητά της στο ορατό και το κοντινό υπέρυθρο. Η διάταξη μένει σε μη κρασία των o C που απαιτείται για πρακτικές εφαρμογές. Παράλληλα, η διαπερατότητα που παρουσιάζει στο ορατό είναι σχετικά χαμηλή (Τορ~45%). Η έρευνα έχει επικεντρωθεί τα τελευταία χρόνια σε υλικά που έχουν ως βάση τους το VO2 με προσμίξεις, με στόχο τη μείωση της κρίσιμης θερμοκρασίας με ταυτόχρονη αύξηση της διαπερατότητάς στο ορατό και βελτίωση των ιδιοτήτων στο υπέρυθρο. Ως πιθανές προσμίξεις αναφέρονται τα μέταλλα W, Mo, Nb, Cu, Mg και Al, με το W να επιφέρει τη μεγαλύτερη μείωση στη θερμοκρασία μετάπτωσης, η οποία έχει φθάσει τους ~10 o C, ενώ αντίστοιχα η πρόσμιξη με Mg έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της διαπερατότητας στο ορατό στο ~60%. Όμως, δεν έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα ταυτόχρονη ελάττωση της θερμοκρασίας μετάπτωσης με αύξηση της διαπερατότητας. κ α ι ν ο τ ο µ ί α 59

5 καινοτοµία ενηµέρωση διαπερατή κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς την εφαρμογή τάσης, ενώ επιστρέφει στην αρχική της κατάσταση με την εφαρμογή αντίστροφης τάσης. Επομένως, η όλη διαδικασία επιτρέπει τον έλεγχο της διαπερατότητας σε ορατό και υπέρυθρο με την απλή εφαρμογή μικρής τάσης. Μια τυπική ηλεκτροχρωμική διάταξη περιλαμβάνει πέντε επάλληλα στρώματα τοποθετημένα είτε πάνω σε ένα υπόστρωμα ή μεταξύ δύο υποστρωμάτων σαν σάντουιτς, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, με τα υποστρώματα να είναι συνήθως κάποιου τύπου γυαλί ενώ πρόσφατα άρχισε να χρησιμοποιείται και εύκαμπτο πολυμερές. Το κεντρικό στρώμα της διάταξης είναι κάποιος οργανικός ή ανόργανος ηλεκτρολύτης, μέσω του οποίου ή από τον οποίο μπορούν να μετακινηθούν ιόντα, συνήθως πρωτόνια (H + ) ή ιόντα λιθίου (Li + ), τα οποία είναι ευκίνητα λόγω του μικρού τους μεγέθους. Από τη μία πλευρά του ηλεκτρολύτη υπάρχει ένα ηλεκτροχρωμικό στρώμα που μπορεί να αλλάζει χρώμα με την εισαγωγή ή την εξαγωγή ιόντων, όπως το WO3, ενώ από την άλλη του πλευρά τοποθετείται ένα στρώμα που είτε λειτουργεί ως αποθήκη ιόντων είτε έχει ηλεκτροχρωμικές ιδιότητες αντίθετες από αυτές του WO3 (π.χ. ένα στρώμα V2O5 ή NiO). Τα τρία αυτά στρώματα είναι τοποθετημένα μεταξύ δύο διάφανων ηλεκτροδίων όπως το ΙΤΟ, έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί τάση στη διάταξη. Με την εφαρμογή κατάλληλης τάσης, εισάγονται στην ηλεκτροχρωμική επίστρωση WO3 ιόντα Li + από τον ηλεκτρολύτη ή την αποθήκη ιόντων καθώς και ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα. Η μεταβολή στην ηλεκτρονική πυκνότητα που επάγεται στο WO3 είναι υπεύθυνη για τη μεταβολή των οπτικών του ιδιοτήτων, το χρωματισμό του και την ελάττωση της διαπερατότητας του στο ορατό και το υπέρυθρο. Η ηλεκτροχρωμική τεχνολογία, έχει ήδη αρχίσει να εφαρμόζεται από βιομηχανίες γυαλιών όπως η Pilkington, η Asahi Glass, η SAGE Glass και η Gentex Corporation. Όμως, παρά το μεγάλο εμπορικό ενδιαφέρον για ηλεκτροχρωμικά παράθυρα, η όχι μεγάλη διαφορά στη διαπερατότητα μεταξύ διάφανης και χρωματισμένης κατάστασης, το μεγάλο κόστος ανά μονάδα επιφάνειας, η μικρή διάρκεια ζωής, ο περιορισμός στη μέγιστη επιφάνεια που μπορεί αξιόπιστα να κατασκευαστεί και ο μεγάλος χρόνος απόκρισης, δεν έχουν ακόμα επιτρέψει τη μαζική εφαρμογή τους. Στο εργαστήριο «Κέντρο Τεχνολογίας Υλικών και Λέιζερ» του ΤΕΙ Κρήτης, έχουν ξεκινήσει τα τελευταία χρόνια σημαντικές ερευνητικές δραστηριότητες σχετικές με την ανάπτυξη και τη μελέτη θερμοχρωμικών και ηλεκτροχρωμικών επιστρώσεων και διατάξεων. Η ερευνητική αυτή προσπάθεια πραγματοποιείται σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Κρήτης, το Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας, το Δημόκριτο, το Πανεπιστήμιο Salford (Αγγλία) και το Tyndall National Institute (Ιρλανδία). Οι δραστηριότητες έχουν σκοπό την ανάπτυξη καινοτόμων, αποδοτικών και χαμηλού κόστους υλικών με τη χρήση απλών και φιλικών προς το περιβάλλον χημικών τεχνικών ανάπτυξης επιστρώσεων και νανοϋλικών. Απώτερος στόχος είναι η ανάπτυξη επιστρώσεων που θα διαθέτουν καλή αισθητική εμφάνιση, θερμική μόνωση και προσαρμόσιμη κατά περίπτωση διαπερατότητα στην ορατή και υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Αναλυτικότερα, οι δραστηριότητες αφορούν: 1) Εναπόθεση νανοδομημένων θερμοχρωμικών (VO2 με ή χωρίς προσμίξεις) με στόχο τον έλεγχο των οπτικών χαρακτηριστικών τους μέσω της νανοδόμησης. 2) Εναπόθεση νανοδομημένων ηλεκτροχρωμικών επιστρώσεων (WO3, V2O5) με στόχο τον έλεγχο αφενός των οπτικών χαρακτηριστικών τους και αφετέρου του 60

6 Θερμοχρωμική απόκριση επίστρωσης VO2 με προσμίξεις χρόνου απόκρισής τους μέσω της νανοδόμησης. 3) Εναπόθεση θερμοχρωμικών επιστρώσεων βασισμένων σε VO2 με δύο προσμίξεις (όπως WyMgxV1-x-yO2), με στόχο το συνδυασμό ελάττωσης της θερμοκρασίας μετάπτωσης με ταυτόχρονη βελτίωση της οπτικής διαπερατότητας. 4) Εναπόθεση πολλαπλών στρωμάτων της μορφής ΖnO/AxV1-xO2/ZnO, με ή χωρίς την πρόσμιξη Α, όπου A είναι μεταλλική πρόσμιξη W ή Mg για ταυτόχρονη βελτίωση όλων των θερμοχρωμικών ιδιοτήτων και της διαπερατότητας. Παράλληλα, το στρώμα ΖnO στην εξωτερική επιφάνεια της επίστρωσης θα λειτουργεί ως αντι-ανακλαστικό και προστατευτικό στρώμα. 5) Εναπόθεση θερμοχρωμικών και ηλεκτροχρωμικών επιστρώσεων σε χαμηλή θερμοκρασία πάνω σε εύκαμπτα πολυμερικά υποστρώματα για πιο ευέλικτες εφαρμογές. Ένα παράδειγμα των μέχρι σήμερα επιτευγμάτων των μελών της ομάδας φαίνεται στα παραπάνω διαγράμματα, τα οποία παρουσιάζουν την απόκριση θερμοχρωμικής επίστρωσης με βάση VO2 με προσμίξεις. Είναι εμφανής η επιτυχία σε σχέση με τη θερμοκρασία μετάπτωσης, η οποία είναι περίπου 33.5 o C, ενώ η αντίστοιχη διαπερατότητα σε υπέρυθρο για μικρές θερμοκρασίες είναι μάλλον περιορισμένη καθώς παραμένει μικρότερη από 30%, γεγονός που αποδεικνύει την ανάγκη για περαιτέρω έρευνα. Διατμηματικό εργαστήριο ΣΤΕΦ ΤΕΙ Κρήτης «Κέντρο Τεχνολογίας Υλικών και Λέιζερ-ΚΤΥΛ» κ α ι ν ο τ ο µ ί α 61