Kui Sokrates esitles viiendal sajandil enne meie ajaarvamist oma uut majaeskiisi, ei pakkunud ta välja muljetavaldava ärklikorrusega kodu kahepoolse garaažiga luksuskaarikute jaoks ja tagahoovis asuva väikese ujumisbasseiniga. Selle asemel keerlesid tema mõtted hoopis selle ümber, kuidas tagada selle elanikele soojuslik mugavus ja heaolu pelgalt päikese loomuliku energiaga, kirjutab Tallinna Tehnikaülikooli õhukesekileliste energiamaterjalide labori professor Maciej Sibiński.

Miks ja kuidas talle see mõte talle pähe tuli ning kuidas on seda praeguses linnakeskkonnas edasi arendatud? Vaatame lähemalt, millele tuleb mõelda energia tootmise ja tarbimise kontekstis kaasaegses majapidamises, kus on olulisel kohal uue põlvkonna päikeseelemendid.

Idee eramajast kui sellisest ulatub kiviaega. Alates antiikajast võime leida täisfunktsionaalseid mitmetoalisi pereelamuid ja Apenniini poolsaarel ka kaasaegsete korterelamute arhetüüpe. Kõigi selliste hoonete peaeesmärk oli muidugi selle elanike karmide keskkonnatingimuste eest kaitsmine, kuid maja funktsioonide nii radikaalselt piiramine on tõest kaugel.

Me kõik teame, et kodu jaoks on vaja rohkemat kui paari seina ja katust. Vastavalt vajadustele on tarvis ka kohti, kus puhata, teistega kohtuda, talletada varusid, töötada ja end värskendada. Läbi ajaloo seostusid need sageli ka isikliku turvatundega. Turva- ja jälgimissüsteemide näol on see funktsioon säilinud tänase päevani.

Hubase ja turvalise elukoha loomisel ei saa üle ega ümber ka termaalsest ehk soojuslikust mugavusest. Vanad kreeklased keskendusid tehnoloogiliste uuenduste, füüsilise arengu ja ümbritseva looduse harmoonia tasakaalu leidmisele, millest viimasest jääb tänapäevastes ühiskondades tihti puudu.

Sokratese kontseptsiooni järgi ulatub päike madalamal horisondil olles toa sügavustesse, küttes samal ajal toa põrandat. Lõuna poole suunatud aknad üheskoos hästi soojustatud põhjaküljega kujutasid esimest katset luua energiapassiivne maja. Lõõskava suvepäikese mõju aitas vähendada Sokratesse idee järgi eriline katusekalle.

Paraku jääb Põhja-Euroopa sellisest lahendusest väheseks. Seega on aja jooksul välja arendatud alternatiivseid küttesüsteeme, mis põhinevad orgaaniliste kütuste põletamisel. Tänapäeval on levinud keskküttesüsteemid ja säästlikumad küttelahendused, näiteks soojuspumbad.

Nutikate soojuspumbad töötavad tagurpidi külmiku põhimõttel ja tarbivad vaid murdosa klassikaliste elektriradiaatorite kulutatavast energiast. Soojuspumba tsükli tagurpidi pöörates saab luua ka tõhusa jahutusseade, mis asendab rohkelt energianõudlikke õhukonditsioneere. Mõlemal juhul saab kasutada nende elektriga varustamiseks taastuva energiaallikana päikest või geotermaalenergiat, mis muudab nende kasutamise veel tõhusamaks.

Siseruumides paremini nägemiseks hakati järk-järgult kasutama erinevaid kunstlikke valgustussüsteeme, alustades tõrvikute ja küünlatega, jätkates petrooleumi- ja gaasilampidega ning jõudes tänapäevani leedidel põhineva tehnoloogiani, mis võimaldab energiat kasutada 90-protsendilise tõhususega. Loomulikult poleks elu mõnus ka näiteks kuuma veeta või võimaluseta valmistada sooja toitu ja seda seejärel pikemat aega säilitada. Teretulnud on teisedki mugavused. Kellele ei meeldi hästi toimiv ventilatsioon või nõudepesumasin?

Vahepeal muutusid meie kodud ka meelelahutuskeskusteks. Seda tänu raadiotele, televiisoritele, helisüsteemidele, arvutitele, traadita sidele ja kõigele muule, mis meid tootlikumatest ja loomingulisematest tegevustest eemale eksitavad. Kõiki neid seadmeid koos, mida saab interneti ja arvutite valvsa silma all kaugjuhtida, nimetatakse tänapäeval sageli "nutikaks" või "intelligentseks" majaks. Pole aga kahtlust, et kõik need imed on võimalikud vaid piisava elektrivarustuse olemasolul.

Võime küsida siinkohal küsida, kui palju elektrit me tegelikult vajame. See on küsimus, millele pole lihtne vastata, sest see sõltub mitmest tegurist. Maailma energia- ja kliimastatistika 2023. aasta aastaraamatu [1] andmetel kasvab keskmine elektrienergia tarbimine igal aastal üleilmselt 2%, ulatudes USA ja Hiina 3,4-protsendisest kasvust kuni Euroopa Liidu -3,5-protsendise vähenemiseni.

Kahjuks võivad ootamatud olukorrad, nagu koroonapandeemia või kiire temperatuuritõus mõnedes piirkondades, seda kasvu kahe- või kolmekordistada. Riigid on nõudluse leevendamiseks teinud mitmeid samme, kuid keskendume võrrandi helgemale küljele – elektrienergia tõhusamale tootmisele ja jaotamisele.

Täiesti aus olles polnud veel eelmise sajandi lõpus võimalik kodudes elektrit tõhusalt toota. See tähendas, et eramajad olid pelgalt lõpptarbijad. Kahjuks oli see ummiktee. Kesksele tootmisele ja jaotusvõrgule toetumine elektrijaamast tarbijani tekitas mitmeid probleeme: ülekoormusi, elektrikatkestusi ja energiaturvalisusega seotud küsimusi.

Olukord hakkas muutuma väikeste kohalike generaatorite, näiteks tuugenite ja päikesepaneelide kasutuselevõtuga. Nüüd on tekkinud igal võrguliikmel võimalus olla mitte ainult passiivne tarbija, vaid aktiivne prosumer, kes toodab ise osa oma elektrivajadusest.

Väikeste päikesepaneelisüsteemide buumi taga on eeskätt PV-moodulite tehnoloogiline areng, elektrihinna tõus ja mitmetes Euroopa riikides 1990. aastate lõpus kehtestatud soodustavad seadused. Praeguseks on Hollandis ja Saksamaal nende tippvõimsus elaniku kohta üks kilovatt ja EL-i keskmine 350 vatti, näitaja on sarnane ka Eestis, Hispaanias ja Poolas.

Olukord on riigiti erinev, olenevalt kohalikest hindadest, ilmastikutingimustest ja toetustest. Siiski on paljudes piirkondades täheldatud kiiret arengut, mis pole alati kulgenud etteplaneeritult, kontrollitult ja täiustatud arhitektuurilise kontseptsiooni järgi (Joonis 2.).

Teine oluline probleem seostub otseselt päikesepaneelide energiaallikaga – päikesevalgusega. Tavapärased päikeseenergeetikalahendused toodavad enim elektrit keset päeva, mis ei kata aga eramajades tipptarbimise aega.¹ See on vastuolus Sokratese maja põhiideedega.

Elektroonika- ja eriti päikeseenergeetika seostub tihti innovatsiooniga. Seega, kas neid probleem on võimalik loovalt ja tõhusalt lahendada? Näiteks töötatakse välja uusi hoonetesse integreeritud päikeseelemente ning energia tootmise ja talletamise lahendusi (BIPV).

Need kujutavad huvitavat lahendust, kus päikeseenergiamoodulitega kombineeritakse traditsioonilised ehitusmaterjale. Olgu lõpptulemuseks fotogalvaaniline fassaad, katusekivid, PV-tellised, reguleeritavad päikesevarjud või isegi päikeseelementidega täiendatud aknad. Kui me peame neid nagunii oma maja ehitamiseks ostma, miks ei võiks me lisada neile mõõduka hinna eest täiendavat funktsionaalsust? Võimalused on lõputud või ulatuvad vähemalt selge taevani.

Nagu on näha joonisel 2, tuleb päikeseenergia päevaajal tõhusaks tootmiseks ja tarbimiseks vaja ületada veel mõned takistused. Kas see on võimalik? Ilmselt küll, kui hakkame loovalt mõtlema. Üks lahendus on kahepoolsete või isegi läbipaistvate PV-moodulite konstrueerimine.²

Kahekülgsus tähendab, et päikesepaneel suudab tõhusalt energiat toota nii siis, kui päikesevalgus langeb sellele ülevalt, altpoolt või mõlemalt küljelt korraga. See mitte ainult ei tõsta paneeli üldist efektiivsust, vaid vertikaalselt paigutatuna tekib päeva jooksul kaks tipphetke – hommikul ja pärastlõunal, nagu on näha joonisel 4. Selle idee loomulik jätk on täielikult läbipaistev päikesepaneel, mis on loomulikult ka kahepoolne.

Kuidas saab aga päikeseelement üleüldse läbi paista, kui see toodab energiat päikesevalgusest? Päike ei kiirga vaid nähtava valguse spektriosas, vaid maani jõuab ka hulk infrapuna- ja ultraviolettkiirgust. Tavapärases klaasakendega majas pole sellest nagunii kasu. Tallinna Tehnikaülikooli õhukesekileliste energiamaterjalide laboris töötati hiljuti välja uudsed läbipaistvad päikeelemendid, mis põhinevad stabiilsetel antimon-pooljuhtidel. Nende turule toomiseks nimel on vaja aga veel vaeva näha.

Teine idee on energia talletamine akudesse, et seda efektiivsemalt tarbida endale sobival ajal. Praeguseks on välja pakutud mitmeid tavapärastel akudel põhinevaid lahendusi. Nende suur mass, lühike eluiga ja mürgised koostisosad on aga takistanud nende laialdast kasutuselevõttu. Võib-olla kasutame lähitulevikus täiesti uusi tehnoloogiaid, mis põhinevad näiteks superkondensaatoritel, või kasutame oma elektriautode akusid ühe suure kollektiivse energiareservuaarina.

Seega pole vaja akude laadimiseks alati kõrbesse või metsaküngastele minna. Võimalik, et leiate juba oma kodust mitmeid võimalusi lõõgastumiseks, teades, et kõigi teie heaolu parandamiseks kasutatavate teenuste osutamiseks kasutati rohelist elektrit, mida toodeti kohalikult õiglase hinnaga ja ümbritsevat keskkonda kahjustamata.

1 - M. Sibiński, Sz. Rogowski Applications of power optimizers in photovoltaic on-grid installations, The 15th Conference Control in Power Electronics and Electric Drives - "SENE 2022", Łódź, Poland
2 - R. Kowalewski, Research on using the vertical configuration of bifacial modules to reduce the energy demand of the network with a daily load curve with a double peak, Master Thesis, 2022, Lodz University of Technology, Poland.