Capitolo 4-1: Abitazione / Società Sostenibile Villaggio Prout Seconda Edizione

 

○Materiali di base per l'abitazione

Molte abitazioni in Giappone hanno una bassa capacità di isolamento termico, quindi, anche se si riscaldano durante l'inverno, il calore viene continuamente disperso e si forma condensa sulle finestre. Continuare a riscaldare in queste condizioni comporta uno spreco di energia elettrica. Per questo motivo, è necessario utilizzare materiali isolanti per evitare che il calore venga disperso. Aggiungendo vetrate a doppio vetro e un sistema di ventilazione meccanica attivo 24 ore su 24, si può ridurre il consumo energetico mantenendo il riscaldamento e il raffreddamento in funzione durante tutto l'anno.

Inoltre, il calcestruzzo utilizzato in edifici, appartamenti e abitazioni emette grandi quantità di anidride carbonica durante il processo di produzione, contribuendo in modo significativo al riscaldamento globale. È quindi necessario ridurre l'uso di questo materiale. 

Considerando questi problemi, così come la povertà e il problema dei rifugiati, che rendono difficile l'accesso a un'abitazione adeguata, è urgente iniziare a costruire abitazioni sostenibili, che possano rispondere a queste necessità. Pensando a un modo di abitare sostenibile a livello globale, i materiali di base dovrebbero essere il tulipiero precoce (un tipo di albero di paulownia che diventa maturo in 5-6 anni), il bambù, la paglia, la terra, l'argilla, la pietra, la calce e l'acqua.

La paglia è costituita dagli steli di piante come il riso e il grano, che vengono essiccati. Il riso viene coltivato in molte regioni asiatiche, che vanno dal Giappone all'India, mentre il grano è coltivato in tutto il mondo, tra cui Africa, Europa, Asia, Russia, Australia, Canada e Argentina. Pertanto, la paglia può essere reperita ovunque, e può essere legata in fasci per formare blocchi di circa 50 cm di larghezza, che vengono utilizzati come materiale isolante e accumulati tra i pali delle abitazioni. Sia l'interno che l'esterno di questi muri di paglia vengono ricoperti con terra per creare muri di terra. Queste abitazioni sono chiamate "straw bale house". I "bale" (balloni) vengono creati con una macchina agricola chiamata "baler", che comprime la paglia o l'erba secca in forma di blocchi.

I pali sono realizzati con tulipiero precoce. Questo tipo di albero cresce più velocemente rispetto al tulipiero comune, raggiungendo un'altezza di 15 metri e un diametro di 40 cm in 5 anni. È anche resistente, il che lo rende adatto per essere utilizzato come palo o per mobili. Inoltre, una volta piantato, il tulipiero precoce ricresce dopo il taglio e può essere abbattuto ogni 5 anni per un periodo di 30-40 anni. Può essere coltivato in qualsiasi luogo con un clima temperato e terreni che non siano né troppo acidi né troppo alcalini.

Inoltre, metodi di costruzione come il cob e l'adobe, che utilizzano sabbia, argilla e paglia mescolati con acqua per creare muri di terra o mattoni, sono stati utilizzati fin dai tempi antichi in tutti i continenti. Quando si mescolano fibre come la paglia, queste legano il terreno insieme, aumentando la resistenza alla trazione del cob. Poiché questi muri di terra possono indebolirsi con l'esposizione agli agenti atmosferici, si applica una finitura esterna, come l'intonaco a base di calce e olio, per migliorarne l'impermeabilità e la durata.

Le pareti di straw bale hanno uno spessore di circa 50 cm, mentre i muri di cob sono spessi circa 60 cm. Tuttavia, quando sono necessarie pareti più sottili all'interno dell'abitazione, si può utilizzare una tecnica tradizionale giapponese che prevede di applicare terra su bamboo sottili. Il bamboo cresce principalmente in climi temperati e umidi, come quelli dell'Asia orientale e meridionale, dell'Africa e dei paesi situati vicino all'equatore in Sud America.

I seguenti valori sono i coefficienti di conduttività termica, e un valore più basso indica una minore capacità di conduzione del calore, il che implica una migliore performance di isolamento. La paglia ha un'alta capacità di isolamento termico.

Circa 0,016 W/(m·K) - Fibra di vetro 16K (materiale principale è il vetro)  

Circa 0,05 - 0,09 W/(m·K) - Paglia  

Circa 0,5 - 0,8 W/(m·K) - Muro di terra  

Circa 0,1 - 0,2 W/(m·K) - Legno naturale  

Circa 1,7 - 2,3 W/(m·K) - Cemento

Oltre alla paglia, anche altre piante della famiglia delle Graminacee, come la canna e il fieno essiccato, possono essere utilizzate. La canna ha una conduttività termica di 0,041 W/(m·K), mentre il fieno di erba ha una conduttività di 0,037 W/(m·K). Tra le varietà di canna ci sono il chigaya, il suge, il susuki, il yoshi, il kariyasu, il karukaya e lo shimagaya, che in Giappone sono usati per la realizzazione dei tetti di paglia.

In altre parole, la paglia è una risorsa che può essere raccolta ogni anno in tutto il mondo e, se le municipalità gestiscono la quantità di materiale disponibile, non si troveranno di fronte alla scarsità di risorse. Tuttavia, poiché il terreno impiega centinaia di anni a formarsi, le case in straw bale, che utilizzano materiali come il tulipiero precoce e la paglia, che possono essere raccolti ripetutamente in tempi brevi e in quantità ancora limitate, avranno una priorità maggiore rispetto alle case in cob, che richiedono una quantità maggiore di terra.

Queste abitazioni sono costruite con materiali riciclabili, e sono pensate per essere riparate e utilizzate a lungo. Inoltre, anche dopo l'uso, i materiali possono essere restituiti alla natura.

Le case in straw bale, cob e adobe sono metodi tradizionali utilizzati in tutti i continenti e sono facilmente applicabili come base per abitazioni sostenibili in tutto il mondo.

In luoghi come il Giappone, dove la pioggia è frequente e l'umidità è alta, è necessario prendere in considerazione le misure contro il deterioramento della paglia causato dalla muffa.

- Utilizzare un tetto che permetta una gestione sicura delle acque piovane, con eaves (gronde) e scossaline delle finestre della lunghezza adeguata per proteggere le pareti dall’acqua piovana.  

- Elevare la base dell’abitazione per proteggerla dalle acque piovane che rimbalzano dal terreno.  

- Impedire che l’umidità proveniente dal suolo entri nelle pareti.  

- Adottare una struttura di ventilazione delle pareti esterne, creando un passaggio d’aria tra il materiale esterno e l’isolamento per espellere e asciugare l’umidità, prevenendo la condensa.

La connessione tra l’abitazione e il suolo non deve essere realizzata con una base in cemento, ma si preferisce la costruzione su fondamenta in pietra, in cui le colonne poggiano direttamente sulle pietre (costruzione su base in pietra). Questo approccio ha lo scopo di ridurre l’uso del cemento e di dissipare le forze sismiche. Quando l’abitazione è fissata a una base in cemento, le vibrazioni del terremoto si trasmettono direttamente alla struttura. Nella costruzione su pietra, invece, le colonne poggiano sulle pietre, e durante le scosse sismiche, le colonne scivolano sulle pietre, riducendo l’intensità delle vibrazioni. Tuttavia, la costruzione su base in pietra non è sempre applicabile, quindi, pur essendo la prima scelta, sarà necessario valutare caso per caso se la base in cemento o altre soluzioni siano più adatte.

Inoltre, queste fondamenta devono essere elevate abbastanza da evitare che l’acqua piovana che rimbalza dal terreno colpisca le pareti in terra.

○Produzione e accumulo di energia  

Anche la produzione e l’accumulo di energia dovrebbero essere soluzioni semplici ma sostenibili. Al Villaggio Prout, si privilegeranno inizialmente le seguenti combinazioni di impianti energetici.

La principale fonte di energia sarà una batteria al magnesio, sviluppata dal professor Takashi Yabe dell'Università di Tecnologia di Tokyo. Questa batteria utilizza sottili lastre di magnesio che possono essere conservate e trasportate facilmente. Il magnesio è utilizzato come elettrodo negativo, mentre un materiale a base di carbonio viene immerso in una soluzione salina per estrarre l'elettricità.

Questa batteria ha una capacità energetica superiore di oltre 8,5 volte rispetto alle batterie agli ioni di litio comunemente usate negli smartphone, e presenta un rischio inferiore di incendi rispetto ai combustibili a base di idrogeno. Inoltre, mentre la durata di volo dei droni con batterie tradizionali è limitata a 30 minuti, con questa tecnologia è possibile far volare un drone per 2 ore, e le carrozze da golf possono funzionare per circa 2 ore.

Il magnesio è abbondante nell'acqua di mare, con circa 1.800 trilioni di tonnellate presenti, una quantità che equivale a 100 miliardi di tonnellate di petrolio consumate ogni anno per 100.000 anni. La possibilità di esaurimento è molto bassa e può essere utilizzato in tutto il mondo. Inoltre, l'ossido di magnesio residuo può essere riscaldato a oltre 1000°C per rigenerare nuovamente la batteria al magnesio.

Il professor Yabe ha sviluppato anche un dispositivo che raccoglie la luce solare tramite specchi senza utilizzare energia elettrica, convertendo la luce solare in un raggio laser che viene utilizzato per separare l'ossigeno dall'ossido di magnesio e per riutilizzare il magnesio. Inoltre, ha creato un impianto di dissalazione che estrae magnesio e sale dall'acqua di mare.

La batteria al magnesio utilizzata per le esperimentazioni ha dimensioni di 16,3 cm di larghezza, 23,7 cm di profondità, 9,7 cm di altezza, e un peso di circa 2 kg dopo l'aggiunta di acqua. La potenza massima è di 250W, sufficiente a far funzionare per un'ora un frigorifero da 450L. Collegando più batterie (ad esempio 5 o 10), è possibile alimentare dispositivi che richiedono potenza maggiore. Un veicolo dotato di 16 kg di batterie al magnesio può percorrere 500 km.

Quando l'acqua di mare viene dissalata, si ottengono sale e bittern (cloruro di magnesio). Se il cloruro di magnesio viene esposto a raggi laser, il magnesio viene prodotto. Inoltre, il magnesio è abbondante anche nella sabbia del deserto. Da 10 tonnellate di acqua di mare si possono estrarre 13 kg di magnesio, pari al consumo energetico di una famiglia standard per un mese.

Utilizzando la batteria al magnesio come base per la vita quotidiana, è possibile produrre batterie al magnesio da tutti gli oceani del mondo, con un rischio minimo di esaurimento. Inoltre, poiché queste batterie possono essere conservate e trasportate, anche le zone più remote e inaccessibili potranno usufruire di elettricità.

Il sistema di dissalazione per produrre il magnesio richiede energia elettrica. Pertanto, si prevede di utilizzare impianti di micro-idroelettricità in fiumi e torrenti di tutto il mondo per generare energia. La quantità di energia prodotta dipende dalla differenza di altezza e dal volume d’acqua, ma un esempio in Giappone è la centrale idroelettrica di Itoshiro-Banba nel distretto di Gifu, dove una ruota idraulica genera 125 kW di energia sufficiente per circa 150 famiglie, con una differenza di altezza di 111 metri.

Oltre all'idroelettricità, sarà utilizzata anche l'energia da correnti marine, poiché le onde del mare sono in costante movimento. L'energia delle correnti marine può fornire elettricità in modo stabile, indipendentemente dal giorno o dalla notte, e la sua struttura semplice non richiede impianti di grande scala.

A queste fonti si aggiungerà l'energia prodotta da turbine eoliche di piccole e medie dimensioni. Quando soffia il vento, la quantità di energia prodotta aumenta. Esistono diversi tipi di turbine eoliche, e se vengono utilizzate turbine a asse verticale, queste possono adattarsi ai venti provenienti da tutte le direzioni. Nel Villaggio Prout, si darà priorità alla costruzione e gestione di impianti energetici di piccola e media dimensione in ogni municipalità, per generare energia distribuita, e non si darà la massima priorità a impianti eolici di grande scala.

Le batterie al magnesio, l'idroelettricità, l'energia delle correnti marine e l'energia eolica non emettono CO2 durante la produzione di energia, rappresentando quindi una soluzione ai problemi del riscaldamento globale e offrendo metodi di produzione energetica stabili e sostenibili. Inoltre, si prevede l'uso di altre fonti di energia in modo simultaneo, per diversificare le fonti di energia rinnovabile.

Una di queste fonti è l'uso di scaldabagni solari a tubo sottovuoto per produrre acqua calda sfruttando l'energia solare, da utilizzare in bagno e in cucina. Questi dispositivi combinano una sezione di raccolta del calore solare e un serbatoio per immagazzinare l'acqua calda. In Giappone, durante l'estate, la temperatura dell'acqua raggiunge i 60-90°C, mentre in inverno si attesta intorno ai 40°C.

Si prenderà anche in considerazione l'uso di pannelli solari per il riscaldamento dell'aria. L'aria riscaldata a circa 50°C nei pannelli solari verrà convogliata attraverso tubi per riscaldare l'intera casa.

Poiché questi sistemi utilizzano l'energia solare, è fondamentale orientare e inclinare correttamente i pannelli solari e i serbatoi di accumulo. In Giappone, il sud vero è l'orientamento più efficace, e se consideriamo 100% come l'efficacia massima, anche l'est e l'ovest possono garantire circa l'80% di efficienza. Inoltre, l'angolo ideale del tetto è compreso tra 20 e 30 gradi. Quando i dispositivi sono posizionati sul tetto, il tetto stesso dovrà essere adattato per aumentare la superficie di raccolta del calore.

Questi scaldabagni solari e pannelli solari per il riscaldamento sono semplici nel loro design, poiché utilizzano direttamente il calore solare senza complessità strutturali.

Successivamente, per l'illuminazione in luoghi senza linee elettriche, si prenderà in considerazione l'uso di energia da piante e micro-idroelettricità. L'energia da piante si ottiene inserendo due elettrodi nel terreno, generando una debole quantità di energia. Tuttavia, questa energia è molto piccola, con una tensione di circa 1,5 volt per elettrodo. Ci sono stati esperimenti in cui 100 di questi dispositivi sono stati collegati, riuscendo a generare una potenza superiore ai 100 volt necessari per una casa. I materiali elettrodici principali per questi esperimenti sono stati il magnesio e il carbone bincho, evitando l'uso di metalli rari o risorse minerarie.

Inoltre, è stato sviluppato un generatore idroelettrico micro-sized di 1 metro di lunghezza che può essere trasportato. Questo dispositivo può generare energia in un torrente con una differenza di altezza di 1 metro e una portata d'acqua di 10 litri al secondo, producendo 5 W di potenza.

In Finlandia, viene utilizzata anche una batteria a sabbia. Questa immagazzina l'energia solare o eolica sotto forma di calore nella sabbia. Il serbatoio isolante ha una larghezza di 4 metri e un'altezza di 7 metri, contenendo 100 tonnellate di sabbia. Il calore accumulato viene poi distribuito alle aree circostanti per il riscaldamento degli edifici e per piscine riscaldate. La sabbia, riscaldata a oltre 500 gradi, può immagazzinare energia per diversi mesi. La durata della batteria è di decine di anni. Qualsiasi tipo di sabbia asciutta, priva di rifiuti infiammabili, può essere utilizzata, e questa tecnologia è realizzabile anche in Giappone.

In Finlandia, è stato calcolato che per fornire calore a una comunità di 35.000 abitanti, sarebbe necessario un serbatoio di sabbia con un'altezza di 25 metri e un diametro di 40 metri. La struttura della batteria a sabbia è semplice, composta da tubi, valvole, ventilatori e riscaldatori elettrici, e i costi di costruzione sono relativamente bassi.

Anche negli Stati Uniti sono stati sviluppati sistemi di batteria a sabbia, ma qui si utilizza sabbia di silice che viene riscaldata a 1200°C e poi immagazzinata in un serbatoio isolato in cemento. Quando questa sabbia viene utilizzata per generare elettricità, l'acqua viene riscaldata per produrre vapore, che viene usato per far girare una turbina con molte pale. La turbina è collegata a un generatore, che produce elettricità. Questo sistema è necessario quando si vuole produrre elettricità direttamente dal calore.

Questi sono i metodi di generazione e accumulo dell'energia previsti nel Villaggio Prout. Ora esamineremo i metodi di generazione già esistenti e il motivo per cui non verranno utilizzati.

Uno dei metodi è l'idrogeno. Quando l'idrogeno viene utilizzato come combustibile, non emette anidride carbonica, ma questa viene emessa durante il processo di produzione. Ad esempio, il metodo di produzione dell'idrogeno da combustibili fossili come il gas naturale, il petrolio e il carbone comporta grandi emissioni di anidride carbonica e, a causa dell'esaurimento delle risorse, non è una scelta sostenibile.

Esiste anche un metodo che utilizza energia da fonti naturali come il solare e l'eolico per elettrolizzare l'acqua e ottenere idrogeno. Sebbene questo metodo produca basse emissioni di CO2, richiede grandi quantità di acqua, accelerando il problema della scarsità d'acqua, già esacerbato dai cambiamenti climatici.

Inoltre, nell'elettrolisi dell'acqua, vengono utilizzati metalli rari come l'iridio. Con l'attuale tasso di utilizzo, si prevede che nel 2050 l'uso di questi metalli supererà di gran lunga le riserve, portando a una loro futura scarsità, rendendo anche questa opzione insostenibile.

Esiste anche un metodo che produce gas, elettricità e idrogeno tramite la biomassa. La biomassa comprende rifiuti umani e animali, paglia, gusci di riso e altri residui agricoli, avanzi di cibo e legno. Ad esempio, in una toilette domestica a biogas, si può mettere il letame di mucca. Il letame contiene batteri metanogeni, e aggiungendo escrementi umani, cibo e erbacce, questi batteri producono biogas attraverso la fermentazione. Il gas risultante è composto per il 60% da metano e per il 40% da anidride carbonica. Poiché il metano è uno dei principali gas responsabili del riscaldamento globale, l'uso di questa tecnologia su scala globale diventa difficile.

Per immagazzinare l'idrogeno, esistono diverse opzioni come la compressione ad alta pressione, il raffreddamento a -253°C per ottenere idrogeno liquido, o l'uso di leghe metalliche che assorbono idrogeno. Questi metodi richiedono infrastrutture per il trasporto, che sono complesse e su larga scala, quindi non sono presi in considerazione.

Inoltre, i pannelli solari utilizzano sostanze nocive e, poiché alla fine devono essere interrati, non sono una soluzione sostenibile. La geotermia è esclusa a causa dei lunghi tempi di costruzione necessari per l'esplorazione, la perforazione e la creazione delle infrastrutture, e perché può essere utilizzata solo in determinate aree.

Le centrali nucleari sono escluse a causa dei rischi di disastri catastrofici e perché il combustibile, l'uranio, è limitato e finirà, quindi non sono una soluzione praticabile. Le centrali termoelettriche sono escluse perché i combustibili fossili finiranno e producono elevate emissioni di anidride carbonica.

Anche le batterie al litio, utilizzate per veicoli elettrici, biciclette elettriche e smartphone, non sono una soluzione sostenibile, poiché richiedono risorse minerarie come il litio e il cobalto, che sono limitate. Pertanto, non vengono utilizzate.

Per riassumere fino a questo punto, le principali fonti di energia saranno le batterie al magnesio, la micro-idroelettricità, l'energia dalle correnti marine e le turbine eoliche di piccole e medie dimensioni. A queste si aggiungeranno, a seconda delle circostanze, i pannelli solari termici, i collettori solari, la generazione di energia da piante, la micro-idroelettricità e le batterie di sabbia.

Così facendo, si cercherà di produrre elettricità principalmente dal mare, dai fiumi e dalla terra, condividendo questa energia. Si aggiungerà l'isolamento delle abitazioni per ridurre anche il consumo di energia. In questo modo, si vivrà utilizzando solo energie naturali, senza esaurire le risorse. Nella società monetaria, le attività economiche consumano enormi quantità di elettricità ogni giorno, e questa competizione porta a un elevato consumo energetico. Quando queste attività economiche scompariranno, il fabbisogno di energia sarà ridotto drasticamente, e anche le emissioni di anidride carbonica diminuirebbero notevolmente, rappresentando una misura potente contro il riscaldamento globale.