خیابان‌ها و زیرساخت‌های شهری با رشد بی‌سابقه شهرنشینی و نیاز فزاینده به انرژی پاک، وارد مرحله‌ای تازه شده‌اند. «خیابان‌های تولیدکننده انرژی» مفهومی نوین است که با هدف تولید انرژی الکتریکی و حرارتی در دل شهرها شکل گرفته و به یکی از جذاب‌ترین عرصه‌های نوآوری و پایداری شهری تبدیل شده است. این فناوری با بهره‌گیری از خورشید، حرکت عابران و خودروها و حتی باد، تلاش می‌کند زیرساخت‌هایی را به وجود آورد که علاوه‌بر کارکرد سنتی، بخشی از نیاز محلی به انرژی را نیز تأمین کنند.

به این ترتیب خیابان‌ها دیگر فقط مسیری برای تردد خودروها و عابران نخواهند بود بلکه همین شاهراه‌های شهری می‌توانند به نیروگاه‌هایی برای تولید انرژی پاک تبدیل شوند. شهرهای پیشرو با بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته تلاش می‌کنند هر مترمربع از فضای شهری را به فرصتی برای تولید برق و گرما تبدیل کنند و نسل جدیدی از خیابان‌های تولیدکننده انرژی را شکل دهند.

خیابان‌های تولیدکننده انرژی، نسل جدیدی از زیرساخت‌های شهری هستند که با بهره‌گیری از انواع فناوری پیشرفته از جمله پنل‌های خورشیدی، پیزوالکتریک و سیستم‌های گرمایشی انرژی مورد نیاز را تولید می‌کنند و در اختیار محیط اطراف خود یا شبکه شهری قرار می‌دهند. این فناوری‌ها به‌طور عمده با هدف تولید برق پاک، ارتقای ایمنی و ایجاد زیرساخت‌های هوشمند توسعه پیدا کرده‌اند که در ادامه به اصلی‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در خیابان‌های تولیدکننده انرژی پرداخته می‌شود.

جاده‌های خورشیدی

در جاده‌های خورشیدی، پنل‌های خورشیدی به‌عنوان هسته اصلی در ساختار آسفالت، بتن یا به‌صورت ماژولار روی سطح مسیرهای عبوری نصب می‌شوند. این پنل‌ها از سلول‌های فتوولتاییک تشکیل شده‌اند که تابش نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند و برای حفاظت از این سلول‌ها در برابر فشارهای ناشی از تردد وسایل نقلیه و شرایط سخت آب‌وهوایی همچون باران، برف و گرما، لایه‌ای شیشه‌ای و مقاوم روی آنها قرار می‌گیرد که دوام و کارایی سیستم را افزایش می‌دهد. برق تولیدشده توسط این پنل‌ها می‌تواند برای مصارف متنوعی از جمله روشنایی معابر، تأمین انرژی تجهیزات عمومی همچون نقاط وای‌فای شهری و حتی ایستگاه‌های شارژ وسایل نقلیه برقی به کار رود. این فناوری نوآورانه به‌عنوان راهکاری پاک و پایدار، علاوه‌بر تأمین برق، می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و صرفه‌جویی در مصرف انرژی کمک کند.

فناوری پیزوالکتریک

فناوری پیزوالکتریک با استفاده از حسگرهای ویژه‌ای که زیر سطح خیابان‌ها تعبیه می‌شوند، انرژی مکانیکی ناشی از حرکت خودروها و عابران را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این حسگرها شامل کریستال‌های پیزوالکتریک هستند که تحت فشار و لرزش، جریان الکتریکی تولید می‌کنند. انرژی حاصل از این فرایند می‌تواند در همان نقطه یا در شبکه محلی برق مورد استفاده قرار گیرد. از کاربردهای این فناوری می‌توان به تأمین انرژی روشنایی خیابان‌ها، تغذیه علائم هشداردهنده ترافیکی و همچنین پشتیبانی از فناوری‌های هوشمند شهری اشاره کرد. فناوری پیزوالکتریک ضمن بهره‌برداری از انرژی‌های تلف‌شده در محیط شهری، به افزایش کارآمدی مصرف انرژی کمک می‌کند و گامی مؤثر در جهت توسعه شهرهای هوشمند و پایدار به‌شمار می‌آید.

سیستم‌های گرمایشی و برف‌زدایی

بعضی از پنل‌های خورشیدی خیابانی به المنت‌های حرارتی مجهز شده‌اند که در فصول سرد سال می‌توانند برف و یخ را از سطح معابر و جاده‌ها به شیوه‌ای مؤثر ذوب کنند. این قابلیت به میزان قابل‌توجهی ایمنی تردد را افزایش می‌دهد و از لغزندگی و حوادث احتمالی جلوگیری می‌کند. علاوه‌بر این، سیستم‌های گرمایشی تعبیه‌شده موجب کاهش هزینه‌های نگهداری و خدمات شهری می‌شوند، زیرا نیاز به برف‌روبی و نمک‌پاشی کاهش پیدا می‌کند. این فناوری نقش مهمی در افزایش کارایی زیرساخت‌های شهری در شرایط جوی سخت دارد و به بهبود کیفیت زندگی شهروندان کمک می‌کند.

انرژی حرارتی و جاذب گرما

یکی از فناوری‌های نوآورانه در حوزه زیرساخت‌های شهری، استفاده از سیستم‌های جمع‌آوری و ذخیره انرژی حرارتی در معابر است. این فناوری با بهره‌گیری از جاذب‌های گرمایی تعبیه‌شده در سطح خیابان، حرارت خورشیدی را جذب و در زیرساخت‌های معابر ذخیره می‌کند، سپس انرژی جمع‌آوری‌شده می‌تواند برای کاربردهای مختلفی از جمله گرم‌کردن ساختمان‌های اطراف یا ذوب برف و یخ روی سطح خیابان‌ها و پیاده‌روها در فصل زمستان مورد استفاده قرار بگیرد. این رویکرد، علاوه‌بر کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی و هزینه‌های گرمایشی، به حفظ ایمنی معابر و کاهش خطرات ناشی از لغزندگی نیز کمک می‌کند.

اجرای این فناوری نیازمند استفاده از مواد جاذب حرارت با کارایی بالا و سیستم‌های انتقال گرمای بهینه است که بتوانند حرارت ذخیره‌شده را در زمان و مکان مناسب به کار گیرند. از مزایای مهم این روش، کاهش بار بر سیستم‌های گرمایشی سنتی و افزایش بهره‌وری انرژی در محیط شهری است.

پنل‌های خورشیدی و سیستم‌های مرتبط مجهز به ریزپردازنده‌ها و حسگرهای پیشرفته‌ای هستند که به شبکه‌های هوشمند متصل می‌شوند تا فرایند تولید، ذخیره‌سازی و توزیع انرژی را بهینه کنند. این سامانه‌ها با قابلیت مدیریت دوطرفه، امکان کنترل دقیق مصرف و تولید انرژی را فراهم می‌آورند و می‌توانند به‌طور خودکار نیازهای انرژی را در سطح محله یا شهر تنظیم کنند. اتصال این سیستم‌ها به شبکه برق شهری، زمینه استفاده بهینه از انرژی‌های تجدیدپذیر و افزایش پایداری منابع انرژی را فراهم می‌کند.

مسیر دوچرخه‌سواری سولاررود؛ هلند

جاده خورشیدی دوچرخه در هلند که با نام SolaRoad شناخته می‌شود، اولین مسیر دوچرخه‌سواری در جهان است که روزانه حدود دو هزار دوچرخه‌سوار از آن عبور می‌کنند و با پنل‌های خورشیدی ساخته شده و انرژی پاک تولید می‌کند. این پروژه در سال ۲۰۱۴ در نزدیکی آمستردام آغاز شد و شامل ماژول‌های (قطعات) بتنی است که هر کدام حاوی پنل‌های خورشیدی با پوشش شیشه‌ای مقاوم و لایه ضد لغزش هستند تا ایمنی دوچرخه‌سواران حفظ شود.

پنل‌های خورشیدی این مسیر قادرند سالانه حدود ۵۰ تا ۷۰ کیلووات‌ساعت برق در هر متر مربع تولید کنند که برای تأمین برق یک یا دو خانه در هلند کافی است. در سال اول آزمایش، مسیر توانست حدود ۹۸۰۰ کیلووات‌ساعت برق تولید کند که به شبکه برق محلی متصل شده و مصرف شهری را پوشش می‌دهد.

پوشش شیشه‌ای مقاوم و رزین محافظ روی پنل‌ها باعث می‌شود که مسیر دوام لازم برای تحمل ترافیک دوچرخه‌ها و حتی وسایل نقلیه سبک را داشته باشد. با اینکه هزینه اولیه پروژه حدود سه میلیون یورو بود، دولت هلند این طرح را به‌عنوان بخشی از برنامه بلندپروازانه خود برای سه برابر کردن استفاده از انرژی‌های پایدار تا سال ۲۰۲۰ و رسیدن به بی‌طرفی کربنی تا سال ۲۰۵۰ می‌بیند.

پس از موفقیت مسیر ابتدایی، پروژه‌های مشابهی در استان‌های نورد برابانت و نورد هلند نیز اجرا شده‌اند. به طور مثال، دو مسیر دوچرخه‌سواری جدید به مساحت هر کدام هزار متر مربع با فناوری پنل‌های فوتوولتائیک با بازدهی حدود ۲۱ درصد ساخته شده و انتظار می‌رود این دو مسیر سالانه مجموعاً ۱۶۰ مگاوات‌ساعت انرژی تولید کنند. انرژی تولیدشده به شبکه برق ملی هلند منتقل شده و به مصرف برق محلی کمک می‌کند.

از دیگر مزایای این فناوری، برنامه‌های آینده برای ارائه شارژ بدون تماس برای دوچرخه‌ها و خودروهای برقی از طریق زیرساخت‌های خورشیدی جاده‌ای است که می‌تواند مسیر حمل و نقل پاک را منطبق با انرژی تجدیدپذیر گسترش دهد. هلند با داشتن حدود ۲۵ هزار کیلومتر مسیر دوچرخه‌سواری، فضای مناسبی برای توسعه این فناوری دارد و از کمبود زمین برای نصب پنل‌های خورشیدی به عنوان دلیلی برای استفاده از این نوع جاده‌ها یاد می‌شود.

وات‌وی نخستین جاده خورشیدی جهان؛ فرانسه

جاده خورشیدی دوچرخه‌رو در فرانسه که با نام پروژه وات‌وی شناخته می‌شود، یک مسیر آزمایشی به طول حدود یک کیلومتر در روستای توروو-او-پرش در نورماندی است. این پروژه در سال ۲۰۱۶ توسط شرکت مهندسی فرانسوی کولاس ساخته شد و شامل حدود ۲۸۸۰ پنل خورشیدی است که روی سطح جاده نصب شده‌اند. این پنل‌ها توانایی تولید سالانه تقریبی ۲۸۰ مگاوات‌ساعت برق را دارند که به طور متوسط روزانه حدود ۷۶۷ کیلووات‌ساعت است و در تابستان به بیش از ۱۵۰۰ کیلووات‌ساعت نیز می‌رسد.

برق تولیدی به شبکه برق ملی فرانسه منتقل می‌شود و انرژی لازم برای روشنایی خیابان‌ها و نیازهای محلی روستا را تأمین می‌کند. پنل‌ها با رزین سیلیکونی پوشیده شده‌اند تا مقاومت کافی در برابر عبور خودروها داشته باشند. هزینه اجرای این پروژه پنج میلیون یورو بود که توسط وزارت محیط زیست و انرژی فرانسه حمایت مالی شد و هر روز حدود دو هزار خودرو از آن عبور می‌کنند تا دوام و کارایی آن آزمایش شود. اگرچه این جاده برای عبور خودرو طراحی شده است، اما فناوری آن قابلیت استفاده در مسیرهای دوچرخه‌سواری و زیرساخت‌های سبز دیگر را نیز دارد. با وجود انتقاداتی درباره هزینه و بازدهی به خاطر شرایط جوی نورماندی، این پروژه گامی نوآورانه برای تولید انرژی خورشیدی در زیرساخت‌های حمل‌ونقل است و نمونه‌ای عملی برای توسعه مسیرهای خورشیدی آینده به شمار می‌آید.

ذخیره و بازیابی انرژی حرارتی در فرانسه و سوئد

در فرانسه رویکرد نوآورانه دیگری نیز اجرا شده است که جاده انرژی (Power Road) نام دارد. برخلاف وات‌وی که بر تولید الکتریسیته از نور خورشید تمرکز دارد، پاور رود بر ذخیره و مدیریت انرژی حرارتی تأکید می‌کند. در این فناوری، لوله‌هایی زیر لایه رویی جاده نصب می‌شود تا گرمای خورشید را در تابستان جذب و ذخیره کند؛ این انرژی در فصول سرد برای ذوب برف، یخ‌زدایی سطح جاده یا حتی گرمایش ساختمان‌های اطراف مورد استفاده قرار می‌گیرد. پاور رود تجربه‌ای از تلفیق اصول مهندسی راهسازی و پایداری است که به‌ویژه برای معابری با ترافیک سنگین و اقلیم‌های متغیر، راهکاری عملی برای کاهش مصرف انرژی و افزایش عمر مفید زیرساخت‌ها ارائه می‌دهد.

در استکهلم سوئد سیستم گرمایش منطقه‌ای پیشرفته‌ای وجود دارد که از منابع مختلف گرمایی شهری، از جمله حرارت تلف شده و گرمای محیط، استفاده می‌کند و این گرما را با کمک پمپ‌های حرارتی در مقیاس بزرگ به گرمایش خانه‌ها و ساختمان‌ها تبدیل می‌کند. همچنین، فناوری‌هایی مانند آسفالت ترموالکتریک وجود دارد که می‌تواند گرمای سطح خیابان‌ها (که در طول روز از نور خورشید و اصطکاک خودروها جذب شده) را به برق تبدیل کند. این انرژی تولید شده برای تأمین برق تجهیزاتی مانند چراغ‌های راهنمایی، روشنایی خیابان‌ها و سنسورها استفاده می‌شود.

پیاده‌روی هوشمند خیابان برد؛ انگلستان

شهرداری لندن در یکی از پروژه‌های نوآورانه شهری بخشی از خیابان برد (Bird Street) را به یک «پیاده‌روی هوشمند» تبدیل کرده است. در این پروژه، کف‌پوش‌هایی با فناوری پیزوالکتریک نصب شده است که انرژی مکانیکی حاصل از گام‌های عابران پیاده را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. برقی که به این روش تولید می‌شود، در همان محل برای روشنایی پیاده‌رو، تأمین انرژی امکانات صوتی تعاملی همچون بلندگوهایی که صدای پرندگان پخش می‌کنند و همچنین شارژ تجهیزات کم‌مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هدف اصلی این پروژه، علاوه‌بر بهبود تجربه شهری و زیباسازی خیابان‌ها، آگاهی‌بخشی به شهروندان در مورد انرژی‌های نو و تجدیدپذیر است. این اقدام به‌عنوان نمونه‌ای از «زیرساخت‌های مشارکتی» شناخته می‌شود که شهروندان تنها با راه رفتن در فضاهای عمومی، به‌صورت مستقیم در تولید انرژی نقش دارند.

دستاوردها و چالش‌های خیابان‌های تولیدکننده انرژی

خیابان‌های تولیدکننده انرژی با هدف ایجاد زیرساخت‌های شهری پایدار و هوشمند، دستاوردهای قابل‌توجهی در حوزه کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی و تولید انرژی پاک به همراه دارند. مهم‌ترین مزیت این فناوری‌ها، کاهش قابل‌توجه تولید گازهای آلاینده و تسریع روند گذار به شهرهای کربن‌خنثی است که برای مقابله با بحران تغییرات اقلیمی ضروری به‌شمار می‌رود. بعضی پروژه‌ها نشان داده‌اند که می‌توان با بهره‌گیری از انرژی خورشیدی و انرژی جنبشی حاصل از حرکت وسایل نقلیه و عابران، به بخشی از نیازهای انرژی شهری به‌ویژه روشنایی خیابان‌ها، علائم راهنمایی و ایستگاه‌های شارژ وسایل نقلیه برقی پاسخ داد و به خودکفایی انرژی مناطق شهری کمک کرد.

علاوه‌بر تأمین انرژی پاک، خیابان‌های تولیدکننده انرژی می‌توانند سطح ایمنی معابر را با ایجاد روشنایی پیوسته و افزودن امکانات هوشمند مثل علائم هشداردهنده هوشمند افزایش دهند. این امکانات همچنین امکان مدیریت بهتر ترافیک و کاهش خطرات احتمالی را فراهم می‌آورند. بعضی نمونه‌ها فراتر رفته و ویژگی‌هایی همچون سطوح تصفیه‌کننده هوا و جذب آلودگی را نیز در ترکیب با جنس و پوشش کفپوش‌ها ارائه کرده‌اند که تأثیر مثبتی بر آسایش و سلامت ساکنان شهر دارد.

این فناوری‌ها با چالش‌های مهمی نیز روبه‌رو هستند؛ نخستین و بزرگ‌ترین مانع، هزینه بالای سرمایه‌گذاری اولیه است. فناوری‌هایی که بر پایه پنل‌های خورشیدی مقاوم یا صفحات پیزوالکتریک برای خیابان‌های پرتردد طراحی شده‌اند، نیازمند منابع مالی قابل‌توجه و فناوری‌های ساخت پیشرفته هستند. از سوی دیگر، دوام و کارایی این سیستم‌ها در شرایط سخت محیطی از جمله ضربات ناشی از تردد خودروهای سنگین، تغییرات دمایی شدید و آلودگی‌های شهری، همچنان محدودیت‌هایی دارد که باید بهبود پیدا کند تا عمر مفید و عملکرد بهینه تضمین شود.

پیش‌بینی می‌شود با رشد قیمت انرژی و فشار سیاست‌های کربن‌زدایی، شهرهای هوشمند بیش از پیش به سمت خیابان‌های تولیدکننده انرژی حرکت کنند. ادغام فناوری‌های نوین نظیر سلول‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر، سامانه‌های هوش مصنوعی برای مدیریت مصرف و بازیابی حرارتی می‌تواند شهرها را به شبکه‌ای از نیروگاه‌های توزیع‌شده تبدیل کند.