○Основные материалы для жилья
Большинство японских домов имеет низкую теплоизоляцию, и, несмотря на использование отопления зимой, тепло уходит, а на окнах появляется конденсат. В таких условиях продолжение отопления приводит к неэффективному использованию электроэнергии. Поэтому важно использовать теплоизоляционные материалы, чтобы не было мест, через которые тепло уходит. Добавив многослойные стекла и механическую вентиляцию, работающую круглосуточно, можно поддерживать отопление или охлаждение в течение всего года, используя минимальное количество электроэнергии.
Кроме того, бетон, используемый в зданиях, квартирах и домах, в процессе производства выделяет большое количество углекислого газа, что значительно влияет на глобальное потепление. Поэтому необходимо сокращать его использование.
Учитывая эти проблемы, а также вопросы бедности и беженцев, когда люди не могут позволить себе подходящее жилье, нужно уже сейчас начать строительство устойчивых домов, которые можно будет использовать по всему миру. Основными материалами для таких домов будут бысторастущая сира (совсем коротко — сира), бамбук, солома, земля, глина, камень, известь и вода.
Солома — это высушенные стебли риса или пшеницы. Рис выращивается в Азии, от Японии до Индии. Пшеница же произрастает по всему миру, в Африке, Европе, Азии, России, Австралии, Канаде и Аргентине. Поэтому солому можно найти везде, и она используется в качестве теплоизоляции. Солому собирают в пучки и формируют из нее блоки шириной около 50 см, которые укладываются между столбами в стенах. Внутри и снаружи таких стен наносят землю, создавая землянные стены. Такие дома называются соломенные дома (straw bale houses). Блоки соломы прессуются в машины, называемые прессами для соломы, которые создают брикеты.
Столбы будут изготовлены из бысторастущей кири. Этот вид кири растет быстрее, чем обычная, и за 5 лет достигает высоты 15 м и диаметра 40 см. Он обладает высокой прочностью, поэтому может использоваться для столбов и мебели. Кроме того, если его посадить, то после вырубки снова появляются новые побеги, и его можно срубать каждые 5 лет в течение 30–40 лет. Он может расти в любых местах, где есть теплый климат и почва с умеренной кислотностью или щелочностью.
Также древние строительные методы, такие как использование песка, глины и соломы для создания глиноблоков или кирпичных стен (коб или адобе), можно встретить на всех континентах. При добавлении волокон, таких как солома, длинные стебли связывают землю, повышая прочность кобов на растяжение.
Эти земляные стены со временем ослабевают из-за воздействия дождя и ветра, поэтому для повышения водоотталкивающих и прочностных свойств их покрывают внешним слоем, например, известковым раствором с добавлением масла.
Стены из соломенных блоков имеют толщину около 50 см, а стены из кобов могут достигать примерно 60 см. Однако если внутри дома требуется тонкая стена, можно использовать метод, при котором на бамбуковые сетки, как в традиционных японских домах, наносится слой земли. Бамбук растет в основном в странах с теплым и влажным климатом, таких как Восточная и Южная Азия, Африка и страны около экватора в Южной Америке.
Следующие значения — это коэффициенты теплопроводности. Чем ниже этот показатель, тем хуже проводит тепло, что означает более высокую теплоизоляцию. Солома обладает отличной теплоизоляцией.
Примерно 0,016 Вт/(м·К) — стекловата 16K (основной материал — стекло)
Примерно 0,05 - 0,09 Вт/(м·К) — солома
Примерно 0,5 - 0,8 Вт/(м·К) — земляные стены
Примерно 0,1 - 0,2 Вт/(м·К) — натуральная древесина
Примерно 1,7 - 2,3 Вт/(м·К) — бетон
Помимо соломы, можно использовать растения семейства злаков, такие как камыш и сено. Камыш имеет коэффициент теплопроводности 0,041 Вт/(м·К), а сено из травы — 0,037 Вт/(м·К). Камыш включает такие виды, как чигая, суге, сусуки, ёси, калиас, калькаи и симагая, и в Японии он известен как материал для покрытия крыш (каябики).
Таким образом, солома — это ресурс, который можно собирать ежегодно по всему миру. Если муниципалитеты будут учитывать доступное количество этого материала, они не столкнутся с исчерпанием ресурсов. Однако земля формируется за сотни лет, поэтому материалы, которые можно собирать за короткий период, такие как быстрорастущий кири и солома, а также тот факт, что использование земли в строительстве пока минимально, делают соломенные дома более приоритетными, чем дома из кобов.
Эти здания из возобновляемых материалов предназначены для многократного использования с ремонтом, и после их использования они могут быть естественно возвращены в природу. Строительные методы с использованием соломы, кобов и адобе существуют на всех континентах с древних времен и могут быть применены по всему миру как основа для устойчивого жилья.
Кроме того, в таких местах, как Япония, где часто идут дожди и высокая влажность, необходимо предусмотреть защиту от гниения соломы из-за плесени. Для этого стоит рассмотреть следующие меры:
- Использование крыш, которые эффективно обрабатывают дождевую воду, с защитой от дождя для карнизов и окон, чтобы защитить стены от воды.
- Увеличение фундамента зданий, чтобы защитить стены от дождевой воды, подскакивающей с земли.
- Обеспечение защиты стен от влажности, проникающей с земли.
- Использование вентиляции внешней стены, создавая воздушные каналы между внешним материалом стены и теплоизоляцией, чтобы выпускать влагу, сушить и предотвращать конденсацию.
Итак, в качестве первого варианта предполагается использование каменных фундаментов с опорой на каменные основания, на которых непосредственно будут установлены столбы, а не бетонные фундаменты. Это имеет смысл как с точки зрения уменьшения использования бетона, так и с точки зрения передачи силы землетрясения. Когда бетонный фундамент закрепляет здание, колебания землетрясения передаются напрямую в здание. В случае с каменным фундаментом столбы будут расположены на каменных основаниях, и, скользя по камню, они смогут поглощать и ослаблять колебания. Однако каменные фундаменты не могут быть использованы везде, поэтому, хотя они являются приоритетным вариантом, в каждом случае будет решаться, подходит ли бетонный фундамент или другой метод.
Эти фундаменты будут располагаться на такой высоте, чтобы дождевые воды, отскакивающие от земли, не попадали на земляные стены.
○ Генерация и накопление электроэнергии
Генерация и накопление электроэнергии также должны быть устойчивыми и простыми по своей конструкции. В деревне Праут в первую очередь предпочитают следующую комбинацию энергетического оборудования.
Основным источником энергии являются магниевые батареи, разработанные профессором Такаши Ябе из Токийского технологического университета. Эти батареи состоят из тонких магниевых пластин, которые легко хранятся и переносятся. Электричество получается путем погружения магния на отрицательной стороне и углеродных материалов на положительной стороне в солевой раствор.
Эти батареи имеют энергоёмкость, превышающую литий-ионные батареи, используемые в смартфонах, в 8,5 раза. По сравнению с водородным топливом, они менее подвержены риску возгорания. Если традиционные батареи обеспечивают полет дронов только на 30 минут, магниевые батареи позволяют летать до двух часов. Также они могут обеспечивать работу картов на гольф-полях примерно на тот же срок.
Магний содержится в морской воде в количестве около 1800 триллионов тонн, что эквивалентно 100 тысячам лет использования нефти в объеме 10 миллиардов тонн ежегодно. Вероятность истощения магния крайне низка, и он доступен по всему миру. Кроме того, оксид магния, остающийся после использования, может быть переработан обратно в магний при температуре свыше 1000°C, что позволяет повторно использовать его для батарей.
Профессор разработал также устройство, которое концентрирует солнечный свет с помощью зеркал, преобразует его в лазерный луч, а затем облучает оксид магния, разделяя кислород и восстанавливая магний. Кроме того, была создана установка для опреснения морской воды, извлекающая магний и соль.
В эксперименте магниевая батарея размером 16,3 см в ширину, 23,7 см в глубину и 9,7 см в высоту с весом около 2 кг после заливки воды выдавала мощность до 250 Вт. Это достаточно для работы холодильника объемом 450 литров в течение часа. Соединяя 5 или 10 таких батарей, можно питать устройства, требующие более высокой мощности. Сообщается, что автомобиль с 16 кг магниевых батарей может проехать до 500 км.
При опреснении морской воды остаются соль и хлористый магний. Лазерное излучение, направленное на хлористый магний, позволяет извлечь чистый магний. Магний также в значительном количестве содержится в песках пустынь. Из 10 тонн морской воды можно получить около 13 кг магния, что соответствует месячному потреблению электроэнергии стандартной семьи.
Используя магниевые батареи как основу для жизни, можно производить их из морской воды по всему миру, практически не беспокоясь об истощении ресурсов. Благодаря их мобильности и длительному хранению электричество станет доступным даже в удаленных и неблагоприятных условиях.
Для работы опреснительных установок, производящих магний, требуется электроэнергия. Поэтому в реках и ручьях по всему миру используются малые гидроэлектростанции для выработки энергии. Хотя объем генерируемой энергии зависит от перепада высоты и количества воды, например, в Японии одна турбина на гидроэлектростанции Итоширо Банба в префектуре Гифу с перепадом высоты 111 метров обеспечивает около 125 кВт энергии, что достаточно для 150 домовладений.
Помимо малых гидроэлектростанций, в деревне Праут используется генерация энергии с помощью приливов и течений рек. Поскольку волны в океане постоянно движутся, приливная энергия обеспечивает стабильную подачу электричества как днем, так и ночью. Конструкция таких установок проста и не требует крупных инфраструктурных объектов, что делает их особенно привлекательными.
В дополнение к этому можно использовать малые и средние ветровые электростанции. Ветроэнергия увеличивает объем доступной энергии, когда дует ветер. Среди различных видов ветровых установок выделяются вертикально-осевые, которые вращаются горизонтально и могут работать с ветром из любого направления. В деревне Праут строительство таких малых и средних энергоустановок приоритетно для муниципалитетов, чтобы децентрализовать производство энергии и облегчить управление. Крупные ветровые электростанции не являются первоочередной задачей.
Магниевые батареи, малые гидроэлектростанции, приливная и ветровая энергия не выделяют углекислого газа и других вредных веществ в процессе генерации энергии. Это делает их устойчивыми и эффективными решениями для борьбы с глобальным потеплением. Кроме того, используются и другие источники энергии, чтобы обеспечить разнообразие природных ресурсов.
### Использование солнечной энергии для тепла
Одним из таких решений является использование вакуумных солнечных нагревателей воды, которые нагревают воду для ванн и кухни за счет солнечного тепла. Эти устройства объединяют в себе нагревательную и накопительную части. В Японии температура воды может достигать 60–90°C летом и около 40°C зимой.
Одновременно рассматривается установка солнечных тепловых панелей, которые нагревают воздух внутри панели до 50°C. Этот теплый воздух проходит по трубам и нагревает весь дом. Поскольку эти устройства используют солнечное тепло, важны их направление и угол установки. В Японии оптимальным является установка на юг, что обеспечивает 100% эффективности, а при ориентации на восток или запад достигается около 80%. Угол крыши должен составлять 20–30 градусов. Эти устройства можно устанавливать как на крышах, так и на земле. В случае установки на крыше ее форма может быть адаптирована для увеличения площади нагрева.
Вакуумные солнечные нагреватели воды и солнечные панели для отопления имеют простую конструкцию, так как используют тепло напрямую.
Для освещения в местах без электросетей в деревне Праут рассматривается использование растительной энергии и сверхмалых гидроэлектростанций. Растительная энергия производится с помощью двух электродов, вставленных в землю, что позволяет получать слабый электрический ток. Напряжение одного элемента составляет около 1,5 В. Экспериментальным путем было доказано, что соединение 100 таких элементов может обеспечить напряжение более 100 В, пригодное для бытового использования. В качестве материалов для электродов предпочтительны магний и древесный уголь бинтётан, поскольку они не требуют редкоземельных металлов или других ископаемых ресурсов.
Также разработаны портативные сверхмалые гидроэлектростанции длиной 1 метр. Они способны генерировать 5 Вт при расходе воды 10 литров в секунду и перепаде высоты всего 1 метр, что делает их эффективными даже для малых ручьев.
В Финляндии используются песчаные аккумуляторы для хранения тепла, полученного от солнечной и ветровой энергии. Эти аккумуляторы состоят из изолированного резервуара шириной 4 метра и высотой 7 метров, заполненного 100 тоннами песка. Песок нагревается до 500°C и сохраняет тепло в течение нескольких месяцев. Это тепло используется для обогрева зданий и нагрева воды в бассейнах. Песок может быть любым, если он сухой и не содержит горючих примесей, что делает технологию применимой и в Японии. Для обеспечения теплом района с населением 35 000 человек требуется резервуар высотой 25 метров и диаметром 40 метров.
Конструкция песчаных аккумуляторов проста, включает трубы, клапаны, вентиляторы и электронагреватели, а затраты на строительство относительно невысоки.
В США также разрабатываются песчаные аккумуляторы, где используется кварцевый песок, нагреваемый до 1200°C. Нагретый песок хранится в изолированных бетонных резервуарах. Для преобразования тепла в электричество применяется технология, основанная на нагреве воды и выработке пара, который вращает турбину, подключенную к генератору. Эта система необходима для генерации электричества из тепловой энергии.
Вышеописанные методы генерации энергии и хранения тепла представляют собой основные решения, используемые в деревне Праут. Далее будут рассмотрены существующие методы генерации энергии и причины отказа от их применения.
Одним из таких методов является использование водорода. Во время его использования в качестве топлива углекислый газ не выделяется, но он образуется в процессе производства. Например, методы получения водорода из ископаемого топлива, такого как природный газ, нефть и уголь, сопровождаются значительными выбросами углекислого газа и неизбежным истощением ресурсов, что делает этот способ неприемлемым.
Существует также метод получения водорода путем электролиза воды с использованием электроэнергии из природных источников, таких как солнечная и ветровая энергия. Хотя этот метод имеет низкий уровень выбросов углекислого газа, он требует больших объемов воды, что может усугубить уже существующий дефицит воды, связанный с глобальным потеплением.
Кроме того, в процессе электролиза воды используются редкоземельные металлы, такие как иридий. При сохранении текущих объемов использования этих ресурсов их потребление к 2050 году превысит существующие запасы вдвое, что делает этот метод несостоятельным в долгосрочной перспективе.
Другим вариантом является производство газа, электроэнергии и водорода с использованием биомассы. Биомасса включает в себя отходы жизнедеятельности человека и животных, сельскохозяйственные остатки (солома, шелуха), пищевые отходы и древесину. Например, в бытовой биогазовой установке можно использовать коровий навоз, содержащий метановые бактерии. При добавлении человеческих отходов, остатков пищи и сорняков происходит ферментация, выделяется биогаз, основными компонентами которого являются 60% метан и 40% углекислый газ. Однако метан является одним из основных факторов глобального потепления, что делает его массовое использование проблематичным.
Хранение водорода возможно при помощи его сжатия под высоким давлением, охлаждения до -253°C для получения жидкого водорода или использования специальных металлических сплавов. Для транспортировки водорода требуется сложное и крупномасштабное оборудование, что также исключает этот метод из списка подходящих.
Солнечные панели для солнечной энергии содержат вредные вещества, а их утилизация предполагает захоронение в земле, что не является устойчивым методом.
Геотермальная энергия требует значительных затрат времени на исследования, бурение и строительство трубопроводов, а также имеет ограничения по месту использования, что делает ее неприемлемой.
Атомная энергия исключена из-за риска катастроф и ограниченных запасов урана, который в будущем будет исчерпан. Тепловые электростанции также исключены из-за неизбежного истощения ископаемого топлива и значительных выбросов углекислого газа.
Литий-ионные батареи, используемые в электрических автомобилях, электровелосипедах и смартфонах, содержат редкоземельные ресурсы, такие как литий и кобальт, что делает их использование несостоятельным в долгосрочной перспективе. Поэтому их также не используют в деревне Праут.
Подводя итоги, можно сказать, что основными источниками энергии являются магниевые батареи, малые гидроэлектростанции, приливные электростанции и небольшие или средние ветряные электростанции. Кроме того, в зависимости от обстоятельств рассматриваются солнечные водонагреватели, солнечные тепловые панели, генерация энергии растениями, ультрамалые гидроэлектростанции и песочные батареи.
Таким образом, энергия максимально добывается из морей, рек и земли, после чего она распределяется между всеми. В сочетании с теплоизоляцией жилищ это позволяет значительно сократить энергопотребление. Такой подход исключает использование исчерпаемых ресурсов, полностью переходя на природную энергию. В денежном обществе экономическая активность приводит к огромному ежедневному энергопотреблению из-за конкуренции. С исчезновением этой экономической активности необходимое количество энергии резко сокращается, что значительно уменьшает выбросы углекислого газа и становится мощной мерой против глобального потепления.
0 コメント