Seal, kus lõpeb asfalt, algab nutitee

Ain Kendra: „Päikeseenergiast elektrit tootvatest moodulitest tee on töökindlam, laialdasemalt kasutatav ja tõhusam kui muud päikesepaneelidel toimivad välisruumi valguslahendused.“

MERLE KARRO-KALBERG

Teekattepaneeli väljatöötamises osalesid: TTÜst projekti tehniline juht ja lektor Ain Kendra, vanemteadur Arvo Mere, doktorant ja teadur Nicolae Spalatu, doktorant ja insener Viktoria Vassiljeva, doktorant ja insener Mihkel Viirsalu, bakalaureuseõppe üliõpilane Kristjan Ostov, prof Andres Krumme ja prof Malle Krunks; Tallinna tehnikakõrgkoolist ehitusinstituudi lektor Sven Sillamäe, teedeehituse eriala üliõpilased Rauno Leppik ja Marko Ehrlich ning Teede Tehnokeskusest Henri Prank ja Mark Meikas.

Oktoobri alguses tutvustati Tallinna tehnikaülikoolis (TTÜ) teekattepaneeli, mis toodab päevavalgusest elektrit. Kas ja millist läbimurret teedeehituses see paneel tõotab ning kuidas saab sellega elukeskkonda kavandada, räägib projekti tehniline juht, TTÜ teetehnika õppetooli lektor Ain Kendra.

Mis ajendas teid päikesepaneeliga teekatet välja töötama? Mis oli arendamise juures kõige töömahukam?

Valmistasime need katseeksemplarid maanteeameti tellimusel. Nende peamine soov oli, et keskenduksime taaskasutatavatele, mitte fossiilsele toormaterjalile. Meile anti ka ette, et tee kattekiht peab olema asfaldi tekstuuri ja haardeteguriga. 16 × 16 sentimeetrise paneeli lahendus on selline, et alumine kiht on kaitseplaat, selle peal väga õhuke PV-paneel ja siis teekatendi imitatsioon. Alguses katsetasime paneelide kattematerjalina klaasipuru ja biobituumenit. See on huvitav materjal, mida toodetakse Itaalias taimeõlist. Sellel on küll sideainelised omadused, kuid bituumen on peaaegu valge sideaine. Järvakandi klaasipuru ja biobituumeni kombinatsioonis saavutasime küll asfaldi imitatsiooni, kuid see ei lasknud eriti valgust läbi (ca 20%) ja paneelide katmiseks seda kasutada ei saanud. Katsete käigus jõudsime karastatud klaasi puru ja EPO vaigu segust kattekihini, kuid ma ei usu, et EPO vaiguga paneelid suurtootmiseks sobilikud on. Edaspidi tuleb parema ja odavama sideaine otsinguid jätkata. Toodangu omahind tõuseb EPO puhul kõrgele. Karastatud klaas on väga hea leid ja laseb ca 80% valgust läbi. Väljatöötatud teekattepaneelid on kompaktsed, neid saab kohe maha laduda nagu tänavakive. Tavapärase sillutamise vahe on vaid see, et kivid on vaja omavahel elektriliselt ühendada ning kivide vahed mastiksiga täita, s.t isoleerida. Küllap ka siin on arenguvõimalusi.

Eks see segudest katsekehade tegemine ja katsetamine oligi vist kõige mahukam osa, kahtlemata ka tehnoloogia katsetused, et kivi kuju tardumisel säiliks.

Millised on selle paneeli kasutusvõimalused?

Me pole prototüübiga teinud kulumiskatseid ja seetõttu ei oska öelda, kuidas ta auto rehvidele vastu peab. Aga varsti teame ka seda, sest teede tehnokeskuses seda praegu katsetatakse. Koormuskatse näitas, et tänavakivimoodul talub koormust tonn ruutsentimeetrile.

Autotee katteks seda paneeli naastrehvide tõttu seni ei soovita. Soome kogemuse põhjal saab öelda, et naastrehvid kulutavad betoontee kümne aastaga kaks sentimeetrit õhemaks ja seda pole võimalik mõistlikult lappida. Klaasipuruga kaetud mooduleid saab sõiduteel kasutada vaid siis, kui naastrehvid ära keelatakse, mis ilmselt varem või hiljem ka juhtub. Naast kulutab teekatet ja need ärakulutatud osakesed jõuavad lõpuks meie hingamisteedesse. Teisalt, kui tegemist on tänavakivilahendusega, saab kulunud kivid ühekaupa asendada.

Kergliiklusteed on selle paneeliga märksa lihtsam ja riskivabam ehitada. Meil pole ette kirjutatud, milline peab olema kergliiklustee katend, teame vaid, et see ei tohi kindlasti olla libe. Tee ehitamisel täidetakse 16 × 16 sentimeetriste moodulite vahed silikooniga, katseseadmel on kivide vahel valgusdioodiriba. Toetume aina enam oma nutiseadmetele, ka jalakäijana liikluses. Sagedased on juhtumid, kus ristmikul telefonilt pilku ei tõsteta ning see suurendab liiklusõnnetuste juhtumise võimalust. Hollandlased on sellise olukorra vältimiseks mõistnud, et valgusfoor tuleb dubleerida ka ülekäiguraja ette teele. Ideaalis võiks see valgusriba olla juba kohe foorivärvides, praegu see nii veel pole. See on siis üks moodulitevahelise valgusdioodi kasutamise võimalus. Valgusdioodide asukoht ei ole piiratud, põhimõtteliselt saab need paigutada ka elektrit tootva paneeli ette, sest diood on väike ega varja liiga palju valgust. Dioodiga saab teel tähistada ka nooli, liikumissuunda või muud vajalikku.

Kasutame katsemoodulis suhteliselt pehmeid materjale, seetõttu on põhimõtteliselt võimalik kivi alla panna ka surveandur, mis annab signaali, millise kivi peal koormus parasjagu on. See tähendab, et katte valgustus on võimalik sisse lülitada just seal, kus on kasutaja. Kalibreerimise küsimus on sellise anduri survetundlikkus: teekate peaks reageerima väikelapsele, kuid ei pruugiks reageerida koerale.

Meil pole päris lõpuni reguleeritud ka nõuded kergliiklusteede valgustusele, alati pole see näiteks üldse kohustuslik. Võib-olla polegi kergliiklusteede äärde lambiposte tarvis, võib ju ka piirduda teeääre valgustamise ehk valgusdioodiribaga, mis päeval ei põle, küll aga valgustab teed pimedal ajal.

Kindlasti on moodul kasutatav müratõkkeseintel, integreeritud leedidega saab seinale mustreid või vajalikke viitu kuvada. Samamoodi sobib paneeli kasutada hoonete fassaadidel. Maarjamäe memoriaal on suuresti tänavakividest, memoriaali öiseks valgustamiseks tarviliku energia võiks toota kohapeal.

Võimalik, et esimesena võtavad nutika teepaneeli kasutusele jõukamad eramuomanikud, kes tahavad, et teekond aiaväravast koduukseni oleks valgustatud, ning ainult siis, kui keegi seda teed just kasutab.

Kindlasti on see soodne lahendus valgustamist vajavatele avalikele paikadele, kus lambid põlevad kogu pimeda aja vältel. Valgustatust juhitakse praegu näiteks bussipeatustes üsna edukalt liikumisanduritega ja toidetakse posti otsa paigutatud päikesepaneelidega. Poolas kasutatakse posti otsa pandud päikesepaneele liiklusmärkide sisevalgustuseks. Nutikatest paneelidest laotud tee on töökindlam, laialdasemalt kasutatav ja tõhusam. Kui üks kivi läheb katki või on varjus, siis ühendatakse see automaatselt ahelast lahti ning see ei takista ülejäänu toimimist. Paneelidest tee on iseseisev süsteem, mis sobib paikadesse, mis on üldisest elektriühendusest kaugel või on sellega väga kallis liituda, näiteks ülekäikude valgustamine maapiirkonnas või loomade maanteeületuskohad. Suuruluki lähenemise tunneb ära liikumisandur, teele astumise surveandur ja hoiatusmärk lülitub sisse. Ma ei näe põhjust, miks peaks maapiirkondade kergliiklusteed öö läbi valgustatud olema, see on valgusreostus.

Seeriatootmises saab LED-dioodid moodulitesse panna juba päris algfaasis ja nii, et neid saab tsentraalselt juhtida, katte sisse saab panna suunavad, vastavalt vajadusele muutuvad valgusega kuvatavad juhiseid. Nutimaailmale mõeldes võiksime edasi fantaseerida kuni selleni, et teekate suhtleb mobiiltelefoniga ja näitab suunda.

Kas teil on plaanis seda moodulit pikemaajaliselt ja teelõiguna kusagil katsetada?

Meil on kaks katseseadet. Üks nendest, 6 × 6 elemendist ruut (1,1 × 1,1 m), paigaldati tehnikaülikooli Mektory keskuse ukse ette ja seda saavad kõik huvilised vaatamas ja katsumas käia. Selle peal saame ka vaadata, kuidas paneel ilmastikule vastu peab. Teine seade on veidi suurem ja selle pinnatekstuur pole teekatte, vaid metallvõrguga kaitstud, kasutatud on suuremat päikesepaneeli (1,5 m²), mis on kaetud EPO ja klaasipuru seguga. See, veidi õrnem seade, läheb ilmselt maanteemuuseumi järgmisel aastal avatavasse uude ekspositsiooni, aga talvitub samuti Mektory kõrval.

Arvutused näitavad, et nutika teekatte fotopaneelid ei konverteeri kõike valgusest saadavat energiat elektriks. See tähendab, et jääksoojus sulatab ka lund ja jääd, tõenäoliselt kuni temperatuurini miinus viis kraadi. Mis tegelikult juhtuma hakkab ja kuidas see moodul külmas käitub, selgub nüüd talvel. Ma usun, et nutikas moodul peab teehooldusele sama hästi vastu kui kivisillutis kõnniteel, ma ei näe põhjust, miks ta peaks halvem olema.

Päikesest energiat tootvaid lahendusi on maailmas katsetatud ennegi, praegune teekate on välja töötatud meie oludele. Üks tegur, mis meid teistest, näiteks Kesk-Euroopa riikidest eristab, on kindlasti lumi. Kuivõrd sõltub sellise teepaneeli kasutamise otstarbekus meie oludes valguse hulgast, mida suvel on küll palju, kuid talvel vähevõitu?

See pole tegelikult üldse probleem. Peaksime võrdlema maksimaalset energiakogust. Kesk-Euroopas on päike päeval intensiivsem, meie tingimustes suudab paneel ka hajuvast valgusest footonid kätte saada ning pole vajalik, et päike alati otse paneelile paistab. Põhjamaades võime aasta lõikes saada kätte ca 90% Kesk-Euroopas kogutavast energiast. Meil on otsest päikesevalguse aega ehk isegi rohkem kui Kesk-Euroopas, kus päike loojub järsult ja vahepealset hämarat aega on vähe. Paneelide kasutegur on seotud välistemperatuuriga. Mida kuumemaks läheb õhk, seda väiksemaks jääb kasutegur. Kõige tõhusamalt töötavad päikesepaneelid külmas. See on üks tegur, mis annab meie tingimustes päikesepaneelidele võimaluse. Tõsi, maksimaalne valgusintensiivsus on meil väiksem, kuid valge aja kestus pikem.

Taastuvenergia seadmete kõige suurem kitsaskoht on energia salvestamine. Selleks et teepaneel pimedas kindlalt töötaks, peab päevase energia kuhugi salvestama. Millised on lahendused?

Katseseadmes on happeaku, mille tööpõhimõte sarnaneb autoakuga, paneelis kasutatav aku on väiksem. Viimsis asuv Skeleton Technologies toodab juba praegu maailmas unikaalseid super­akusid. Põhimõtteliselt on võimalik välja töötada akud, mis paiknevad vahetult nutika tänavakivi all. TTÜ lahenduse puhul jookseb moodulist juhe kappi, milles asuvad aku, juhtplokk ja liikumisandur. Praegu on kasutusel üks ühine aku, kuid iga 16×16 sentimeetrist paneeli saab varustada eraldiseisva akuga. Muidugi võib ette heita, et selline lahendus on kallis, ja küsida, millal see soetamiskulud tasa teenib. Elektrivõrguga liitumine on tänapäeval samuti päris kallis, ka teede valgustamiseks. Niisiis, võrdluses elektrivõrgu liitumistasuga tundub autonoomsel akul põhinev süsteem kohe palju otstarbekam.

Esimene päikesevalgusest elektrit tootev nutikas kilomeetrine teelõik avati eelmise aasta lõpus Prantsusmaal Normandias. Kui palju saite seda eeskujuks võtta? Mille poolest TTÜ lahendus erineb?

Kindlasti tuleb välja tuua, et see Tourouvre au Perche’i küla tee asub ikkagi teistes oludes: seal ei ole lund. Prantsuse lahenduse tootlikkuse kohta pole mul täiendavaid andmeid, tean, et seal toodetav n-ö roheline elekter suunatakse otse suurde võrku. Meie oleme võtnud eesmärgiks, et paneeli saab kasutada iseseisvalt. Hollandis arendatakse juba viis aastat ka sellist lahendust, kus paneeli sisse püütakse ära peita kogu linna maa-alune taristu. Torude ja kaablite katmine on teoreetiliselt võimalik ka meie mooduliga, kuid niikaua, kuni mooduli kasutamise sõiduteel seavad kahtluse alla naastrehvid, keskendume teistele, ülal mainitud aspektidele.

Nutika paneeli väljaarendamise kõrval on oluline ja samuti kestlikkusega seotud teema ka plasti taaskasutus tee-ehituses. Praegu kogutakse plast üle Eesti kokku ja põletatakse. Varsti muutub euroregulatsioon ja plasti põletamist ei peeta enam taaskasutuseks nagu praegu. Seejärel tuleb ümber mõelda plasti kogumise ja käitlemise viisid, mõelda sellele, kui palju seda tuleb puhastada ning mida sellest toota saame. Praegu toodetakse Eestis vanast plastist puitimitatsiooniga ehitusmaterjali, kuid tooraine tuuakse Hiinast. Seni kuni lubatakse põletamist, pole meil lihtsalt majanduslikult mõttekas plasti sortida ja puhastada.

Plastist saab valmistada sildade või truupide remondi ajaks ajutise ülepääsu mooduleid. Ajutise tee likvideerimiseks ei pea ju hiljem tohutult vaeva nägema nagu praegu. Plastist saab toota korduvkasutatavaid elemente, mida on lihtne kokku panna, lahti võtta ja eri kohtades kasutada.

Fantaseeritud on ka sellest, et nutikas tee laeb elektriautot.

Elektriautode laadimise kitsaskoht on voolutugevus, mida päikesepaneelid praegu toota ei suuda. Pole võimatu, et suurema ala, näiteks parkimisplatsi paneelide katmisel on see võimalik. Ma pole auto laadimise koha pealt tegelikult optimist. Tootvat pinda kasutaja kohta peab selleks palju olema, või siis piisavalt suure mahutavusega aku, superkondensaatoriga on ka see võimalik.

Kui palju on oskust ja võimsust nutipaneele kohapeal toota?

Ma ei näe takistust. Päikesepaneeli osad tuuakse niikuinii sisse Hiinast ja need tuleb siin akude külge ühendada, lisada juhtelektroonika ja kattekihid peale ehitada. Kõik on võimalik. Iseküsimus on, kuivõrd see praegu majanduslikult ära tasub, kuid hind sõltub palju toodetavast kogusest.

Ehk ei peaks kohe eesmärgiks võtma masstootmist, vaid esialgu leida nišš just eksklusiivkaubana väiketoomises nii eratellijatele kui ühiskondlike hoonete kestlikuks energiatarbimiseks.

Võimalus on toota hoopis ka leedvalgustusega äärekive, mille ülemine pind võiks olla kaetud paneeliga. Teepoolne äärekivi serv hoitakse talvel ka praegu lumest üsna puhas, selles võiks olla leedid. Elektroonika muutub järjest odavamaks ja lõpuks on võimalik ka kivid omavahel suhtlema panna, seda võiks siis pidada juba nutiteekatteks. Praeguses paneelis on nutiosa tegelikult väga väike.

Kui palju mujal maailmas selliste süsteemidega katsetatakse?

Päris palju, eriti just USAs. Tuleb siiski rõhutada, et meil oli aega pool aastat ja saime arendustegevuseks 100 000 eurot. USAs kestavad sellised projektid aastaid ja nende maksumus ulatub miljonitesse. Jõutud on samuti katseeksemplarideni, seeriatootmiseni siiski mitte.

Milliseid muid materjale võiks tee-ehituses taaskasutada? Juttu on näiteks olnud põlevkivituhast.

Mainisin juba alguses biobituumenit ja plasti taaskasutamist. Põlevkivituhk ei ole seni väga ühtlaste omadustega tee-ehitusmaterjal olnud. Tuha omadused sõltuvad paljuski põlevkivi põletusrežiimist. Kui Eesti Energia põletusahjud ära seadistab, siis on võimalused tuha kasutamiseks suuremad. Ka plasti kasutamiseks on vaja lisada täitematerjali. Põlevkivituha kasutamine on tee-ehituses küll päevakorras, kuid piirid seab veo maksumus, selle materjali kvalitatiivsed omadused pole nii head, et kaugele vedamine ära tasuks. Ka Rail Balticu puhul oleme põlevkivituha kasutamise peale mõelnud, kuid vedu seab piirid. Küll aga on tuhk Ida-Virumaal väga väärt kohalik materjal.