○Matériaux de base résidentiels
De nombreux foyers japonais manquent d'isolation, ce qui provoque une fuite de chaleur pendant l'hiver malgré les efforts continus de chauffage et entraîne de la condensation sur les fenêtres. Le maintien du chauffage dans cet état devient un gaspillage inutile d'électricité. Pour remédier à cela, des matériaux d'isolation sont utilisés pour empêcher la chaleur de s'échapper. De plus, l'incorporation de fenêtres à double vitrage et d'une ventilation mécanique 24 heures sur 24 permet d'utiliser des systèmes de chauffage et de climatisation toute l'année tout en minimisant la consommation d'électricité.
De plus, le béton utilisé dans les bâtiments, les appartements et les résidences émet une quantité significative de dioxyde de carbone lors de son processus de production, contribuant ainsi de manière importante au réchauffement climatique. Il est essentiel de réduire son utilisation à la lumière de ces problèmes.
En prenant en compte ces problèmes, ainsi que la pauvreté qui empêche de vivre dans des habitations adéquates, les problèmes des réfugiés, tout en agissant rapidement, il est possible de commencer dès maintenant à construire des habitations durables dans le monde entier. Les matériaux de base seront le paulownia à croissance rapide, le bambou, la paille, la terre, l'argile, la pierre, la chaux et l'eau.
La paille est constituée de tiges séchées de plantes telles que le riz et le blé. Le riz est cultivé dans toute l'Asie, du Japon à l'Inde, tandis que le blé est cultivé dans le monde entier en Afrique, en Europe, en Asie, en Russie, en Australie, au Canada, en Argentine, entre autres régions. Par conséquent, la paille est largement disponible et est regroupée en blocs d'environ 50 cm de large pour servir d'isolant. Ces blocs sont empilés entre les poteaux d'une habitation. L'intérieur et l'extérieur de ces murs de paille sont recouverts de boue pour créer des murs en terre. De telles maisons sont connues sous le nom de maisons en ballots de paille, et les balles sont créées à l'aide d'une machine agricole appelée une presse à balles, qui comprime l'herbe sèche ou la paille en blocs.
Les piliers sont faits en paulownia à croissance rapide. Celui-ci pousse plus vite que le paulownia ordinaire et atteint environ 15 mètres de hauteur et 40 cm de diamètre en cinq ans. Il est également solide, ce qui permet de l'utiliser pour des piliers ou des meubles. Une fois planté, il repousse après chaque coupe et peut être récolté tous les cinq ans pendant une période de 30 à 40 ans. Il peut être cultivé dans n'importe quelle région au climat tempéré, à condition que le sol ne soit ni trop acide ni trop alcalin.
De plus, des méthodes de construction telles que le "cob" et l'"adobe" consistent à mélanger de l'eau avec des matériaux comme du sable, de l'argile et de la paille pour créer des murs en terre ou en brique. Ces méthodes architecturales ont été observées sur divers continents depuis l'Antiquité. L'ajout de matériaux fibreux comme la paille aide à allonger et à lier le sol, augmentant ainsi la résistance à la traction du cob.
Comme ces murs en terre sont susceptibles de s'affaiblir lorsqu'ils sont exposés aux intempéries, ils sont en outre enduits de matériaux tels que du plâtre de chaux mélangé à de l'huile à l'extérieur pour améliorer l'étanchéité et la durabilité.
Alors que les murs en ballots de paille ont une épaisseur d'environ 50 cm et les murs en cob environ 60 cm, une méthode observée dans les maisons traditionnelles japonaises consiste à appliquer de la terre sur des treillis de bambou pour créer des murs internes plus minces.
Les valeurs suivantes représentent la conductivité thermique, où des chiffres plus bas indiquent une meilleure performance d'isolation. La paille a une haute performance d'isolation.
- Laine de verre : environ 0,016 W/(m·K)
- Paille : environ 0,05 - 0,09 W/(m·K)
- Murs en terre : environ 0,5 - 0,8 W/(m·K)
- Bois naturel : environ 0,1 - 0,2 W/(m·K)
- Béton : environ 1,7 - 2,3 W/(m·K)
En plus de la paille, on peut aussi utiliser des herbes telles que le cogongrass et le foin. La conductivité thermique du cogongrass est de 0,041 W/(m K), tandis que celle du foin provenant de l'herbe de la pelouse est de 0,037 W/(m K). Il existe différents types d'herbes, notamment le cogongrass, le jonc, le miscanthus, le roseau, le kariyasu, le karkaya et le shimakaya, connus au Japon pour leur utilisation dans les toits de chaume.
En d'autres termes, la paille est une ressource qui peut être récoltée chaque année dans le monde entier. Si la municipalité gère bien la quantité de matériaux disponibles, elle ne se retrouvera jamais face à une pénurie de ressources. Cependant, comme il faut des centaines d'années pour que la terre se forme, les maisons en bottes de paille, qui nécessitent peu de terre et utilisent des matériaux comme le paulownia à croissance rapide et la paille, récoltables à court terme et plusieurs fois, devraient être prioritaires par rapport aux maisons en terre crue.
Le bambou prospère principalement dans les régions chaudes et humides telles que l'Asie orientale et méridionale, l'Afrique et les pays proches de l'équateur en Amérique du Sud. Dans les endroits où le bambou n'est pas prévalent, le bois devient l'alternative, les autorités locales prenant des décisions tout en surveillant la quantité d'arbres. Si l'utilisation des maisons en ballots de paille épuise les ressources en bois nécessaires à la construction résidentielle, les maisons en cob deviennent une alternative viable.
Ces habitations utilisent des matériaux réutilisables, mettant l'accent sur une utilisation à long terme grâce à des réparations répétées et à la biodégradabilité naturelle après usage. Les constructions en ballots de paille, en cob et en adobe sont des techniques anciennes présentes sur plusieurs continents et sont hautement adaptables en tant que méthodes fondamentales de logement durable dans le monde entier.
Dans les régions à forte pluviométrie et humidité, comme le Japon, prévenir la décomposition de la paille due à la moisissure devient nécessaire. Les considérations incluent :
- Utiliser des toits qui gèrent efficacement les eaux de pluie et s'assurer que les avant-toits et les rebords de fenêtres ont une longueur adéquate pour protéger les murs de l'eau de pluie.
- Surélever la fondation de la maison pour protéger les murs des éclaboussures d'eau de pluie.
- Empêcher l'humidité du sol de pénétrer dans les murs.
- Mettre en place des murs extérieurs ventilés pour libérer et sécher l'humidité entre le matériau du mur extérieur et l'isolation, prévenant ainsi la condensation.
De plus, privilégier la construction à base de pierre directement sur des pierres de fondation (connues sous le nom de "ishibadate") plutôt que sur des fondations en béton est préférable. Ce choix vise à réduire l'utilisation de béton et à dévier les forces sismiques. Avec une fondation en béton, les secousses sismiques affectent directement la résidence. En revanche, dans la construction à base de pierre, les colonnes reposent sur des pierres de fondation, leur permettant de glisser sur la surface de la pierre, réduisant ainsi les secousses. Cependant, la construction à base de pierre peut ne pas être universellement applicable, donc bien qu'elle reste un choix principal, évaluer les fondations en béton ou d'autres méthodes au cas par cas est crucial.
De plus, placer ces fondations à une hauteur qui empêche l'eau de pluie de s'éclabousser sur les murs en terre depuis le sol est essentiel.
○Génération et stockage d'électricité
La production et le stockage d'énergie doivent être durables tout en étant simples dans leur structure. Au Prout Village, nous privilégions d'abord la combinaison des équipements électriques suivants.
L'énergie principale proviendra de batteries au magnésium, développées par le professeur Takashi Yabe de l'Institut de Technologie de Tokyo. Ces batteries sont constituées de fines plaques de magnésium, faciles à stocker et à transporter. En immergeant une plaque de magnésium dans de l'eau salée, avec du matériau à base de carbone du côté de l'électrode positive, de l'électricité est générée.
Ces batteries offrent une capacité énergétique plus de 8,5 fois supérieure à celle des batteries lithium-ion utilisées dans les smartphones, avec un risque d'inflammation bien inférieur à celui des piles à hydrogène. Alors que les batteries conventionnelles limitent le temps de vol des drones à 30 minutes, celles au magnésium permettent une durée de vol de deux heures et peuvent alimenter les voitures de golf pendant environ deux heures également.
Le magnésium est présent en abondance dans l'eau de mer, avec environ 1800 billions de tonnes disponibles, soit l'équivalent de 100 000 années de consommation annuelle de pétrole, estimée à 10 milliards de tonnes. Les risques d'épuisement sont extrêmement faibles, et cette ressource est utilisable partout dans le monde. De plus, l'oxyde de magnésium résiduel après utilisation peut être chauffé à plus de 1000°C pour être réutilisé comme batterie au magnésium.
Le professeur Yabe a également développé un appareil capable de recycler le magnésium en concentrant la lumière solaire à l'aide de miroirs, puis en utilisant un faisceau laser pour dissocier l'oxygène de l'oxyde de magnésium, permettant ainsi de réutiliser le magnésium. Il a également mis au point un dispositif de dessalement capable d'extraire le magnésium et le sel de l'eau de mer.
Les batteries au magnésium utilisées dans les expériences mesurent 16,3 cm de largeur, 23,7 cm de profondeur, 9,7 cm de hauteur et pèsent environ 2 kg après l'ajout d'eau, avec une puissance maximale de 250 W. Cela suffit à alimenter un réfrigérateur de 450 L pendant une heure. En connectant cinq ou dix de ces batteries, il est possible de fournir de l'électricité à des équipements nécessitant une puissance encore plus grande. Il a été estimé qu'une voiture équipée de 16 kg de batteries au magnésium pourrait parcourir 500 km.
Le dessalement de l'eau de mer laisse du sel et du nigari (chlorure de magnésium), qui, lorsqu'ils sont exposés à un faisceau laser, produisent du magnésium. Le magnésium est également présent en abondance dans le sable des déserts. On estime qu'il est possible d'extraire 13 kg de magnésium à partir de 10 tonnes d'eau de mer, ce qui équivaut à la consommation électrique mensuelle d'un foyer standard.
En faisant du magnésium la base de la vie quotidienne, nous pouvons produire des batteries au magnésium à partir des océans du monde entier, avec peu de risque d'épuisement. Ces batteries, qui sont faciles à stocker et à transporter, permettront également d'apporter l'électricité dans les régions reculées où les conditions sont difficiles.
L'appareil de dessalement qui produit ce magnésium nécessite de l'électricité. C'est pourquoi nous utiliserons la micro-hydroélectricité dans les rivières et les ruisseaux du monde entier pour générer de l'électricité. La quantité d'électricité produite dépend de la hauteur de la chute d'eau et du volume d'eau. Par exemple, au Japon, une seule turbine de la centrale hydroélectrique Itoshirobanba dans la préfecture de Gifu génère 125 kW d'électricité, soit l'équivalent de la consommation de 150 foyers, grâce à une chute d'eau de 111 mètres.
En plus de cette micro-hydroélectricité, l'énergie marémotrice dans les océans et les rivières sera également utilisée. Les vagues de la mer sont constamment en mouvement, ce qui permet à l'énergie marémotrice de fournir de l'électricité de manière stable, de jour comme de nuit, sans nécessiter d'équipements de grande envergure en raison de la simplicité de sa structure.
En ajoutant à cela des éoliennes de petite et moyenne taille, la production d'électricité augmentera lorsqu'il y a du vent. Plusieurs types d'éoliennes ont été développés, et les éoliennes à axe vertical, qui tournent horizontalement, peuvent capter le vent quelle que soit sa direction. Au Prout Village, nous privilégierons l'installation de petites et moyennes installations énergétiques que chaque municipalité pourra fabriquer et gérer, répartissant ainsi la production d'énergie de manière décentralisée, plutôt que de privilégier de grandes installations éoliennes.
Les batteries au magnésium, la micro-hydroélectricité, l'énergie marémotrice et l'énergie éolienne décrites jusqu'à présent ne génèrent pas de dioxyde de carbone ou d'autres gaz à effet de serre lors du processus de production d'électricité, ce qui en fait des solutions durables et stables face au problème du réchauffement climatique. En parallèle, nous utiliserons également d'autres sources d'énergie pour diversifier les sources d'énergie renouvelable.
L'une de ces sources est l'utilisation de chauffe-eau solaires à tubes sous vide pour chauffer l'eau avec l'énergie solaire, qui sera utilisée pour les bains et les cuisines. Ces dispositifs intègrent une partie collectrice de chaleur solaire et une partie de stockage d'eau. Au Japon, en été, l'eau peut atteindre une température de 60 à 90°C, et environ 40°C en hiver.
Nous envisageons également l'utilisation de panneaux solaires thermiques. L'air chauffé à environ 50°C à l'intérieur des panneaux solaires est transporté à travers des conduits pour chauffer toute la maison.
Ces systèmes, utilisant l'énergie solaire, nécessitent une orientation et un angle d'installation appropriés pour maximiser leur efficacité. Au Japon, une orientation plein sud est la plus efficace, avec une performance de 100%. Même une orientation est-ouest permet de conserver environ 80% de l'efficacité. L'angle idéal pour les toits est compris entre 20 et 30 degrés, qu'ils soient installés sur le toit ou au sol. Si les panneaux sont placés sur le toit, la forme du toit doit être adaptée pour maximiser la surface de collecte de chaleur.
Les chauffe-eau solaires à tubes sous vide et les panneaux solaires thermiques sont simples dans leur structure car ils utilisent la chaleur directement comme chaleur.
Pour l'éclairage dans les zones sans lignes électriques, nous envisageons l'utilisation de la production d'électricité par les plantes et de la micro-hydroélectricité portable. La production d'électricité par les plantes consiste à insérer deux électrodes dans le sol pour obtenir une faible puissance électrique. Cependant, cette énergie est très faible, avec une tension d'environ 1,5 volts par unité. Dans une expérience, en connectant 100 unités, une production d'électricité de plus de 100 volts, équivalente à une alimentation domestique, a été atteinte. Dans ce cas, le magnésium et le charbon de bois binchōtan sont les principaux candidats pour les électrodes, sans recourir à des ressources minières rares.
De plus, un micro-hydrogénérateur portable d'une longueur d'un mètre a également été développé. Il peut générer de l'électricité même avec une différence de hauteur d'un mètre dans un ruisseau, et produire 5W d'électricité avec un débit de 10 litres d'eau par seconde.
En Finlande, les batteries de sable sont également utilisées. Elles stockent la chaleur générée par l'électricité solaire ou éolienne dans du sable. Le réservoir isolé mesure 4 mètres de large et 7 mètres de haut et contient 100 tonnes de sable. Cette chaleur est utilisée pour chauffer les bâtiments et les piscines dans la région environnante. Le sable chauffé à plus de 500°C peut stocker de l'énergie pendant plusieurs mois, et sa durée de vie est de plusieurs décennies. Tant que le sable est sec et ne contient pas de déchets inflammables, n'importe quel sable peut être utilisé, ce qui le rend réalisable au Japon également.
En Finlande, il est estimé qu'un réservoir de stockage rempli de sable de 25 mètres de haut et 40 mètres de diamètre serait nécessaire pour fournir de la chaleur à une zone de 35 000 habitants.
Cette batterie de sable a une structure simple, composée de tuyaux, de vannes, de ventilateurs et de résistances électriques, ce qui réduit également les coûts de construction.
Aux États-Unis, des batteries de sable sont également développées. Ici, le sable de silice est chauffé à 1200°C et stocké dans un réservoir en béton isolé. Pour convertir cette chaleur en électricité, de la vapeur est générée en chauffant de l'eau, et une turbine équipée de nombreuses pales est mise en rotation par cette vapeur. Cette turbine est reliée à un générateur qui produit de l'électricité. Pour convertir la chaleur en électricité, cet équipement est nécessaire.
Ainsi, voici les méthodes de production et de stockage d'énergie au Prout Village. Nous examinerons ensuite les méthodes de production d'énergie existantes et les raisons pour lesquelles elles ne sont pas utilisées.
L'une des alternatives est l'hydrogène. Lorsqu'il est utilisé comme carburant, l'hydrogène ne produit pas de dioxyde de carbone, mais son processus de fabrication en émet. Par exemple, la méthode de production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles tels que le gaz naturel, le pétrole et le charbon émet une grande quantité de dioxyde de carbone et finira par épuiser les ressources, ce qui en fait une option non viable.
Il existe également une méthode pour obtenir de l'hydrogène par électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité provenant d'énergies naturelles telles que le solaire et l'éolien. Cette méthode a une faible émission de dioxyde de carbone, mais elle nécessite une grande quantité d'eau, ce qui pourrait aggraver la pénurie d'eau déjà exacerbée par le réchauffement climatique.
De plus, cette électrolyse de l'eau utilise des métaux rares tels que l'iridium. Si l'on continue d'utiliser ces ressources au rythme actuel, on prévoit que d'ici 2050, leur utilisation dépassera deux fois les réserves connues, ce qui en fait une option non durable.
Il existe également une méthode pour produire du gaz, de l'électricité et de l'hydrogène à partir de la biomasse. La biomasse comprend des matières d'origine biologique telles que les déchets humains et animaux, les résidus agricoles comme la paille et les balles de riz, les restes alimentaires et le bois. Par exemple, un biogaz domestique peut être produit en ajoutant du fumier de vache à une toilette à biogaz. Le fumier de vache contient des bactéries méthanogènes, et lorsqu'on y ajoute des déchets humains, des aliments et des mauvaises herbes, le méthane est produit par la fermentation bactérienne. Le principal composant de ce gaz est le méthane à 60% et le dioxyde de carbone à 40%. Cependant, le méthane étant un gaz à effet de serre majeur, son utilisation à grande échelle est problématique.
Le stockage de l'hydrogène peut se faire par compression à haute pression, par hydrogène liquide refroidi à -253°C, ou par alliages métalliques d'absorption d'hydrogène, nécessitant ensuite des équipements de transport. Cela implique des infrastructures complexes et de grande envergure, ce qui les exclut comme options.
De plus, les panneaux solaires utilisés pour la production d'électricité contiennent des substances toxiques et, à la fin de leur cycle de vie, sont souvent enfouis, ce qui n'en fait pas une méthode durable.
La géothermie est également exclue en raison du temps nécessaire à la recherche, au forage, à la construction de pipelines, ainsi que des limitations géographiques pour son exploitation.
Les centrales nucléaires sont exclues en raison du risque de catastrophe majeure, et le combustible, l'uranium, est limité et finira par s'épuiser. De même, les centrales thermiques sont exclues car les combustibles fossiles finiront par disparaître et elles émettent beaucoup de dioxyde de carbone.
Les batteries au lithium utilisées dans les véhicules électriques, les vélos électriques et les smartphones ne sont pas non plus durables car elles utilisent des ressources minières telles que le lithium et le cobalt, et leur utilisation est donc également écartée.
En résumé, les batteries au magnésium, la micro-hydroélectricité, l'énergie marémotrice, et les éoliennes de petite et moyenne taille seront les principales sources d'énergie, complétées par des chauffe-eau solaires, des panneaux solaires thermiques, la production d'électricité par les plantes, la micro-hydroélectricité portable et les batteries de sable en fonction des besoins.
De cette manière, nous générerons autant que possible de l'électricité à partir des mers, des rivières et des terres, et la partagerons. En ajoutant une isolation thermique des habitations, la consommation d'énergie sera réduite. Ainsi, en n'utilisant que les énergies naturelles sans recourir aux ressources épuisables, nous pourrons vivre durablement. Dans une société monétaire, les activités économiques consomment quotidiennement une énorme quantité d'électricité pour soutenir la concurrence. Si ces activités économiques disparaissent, la quantité d'électricité nécessaire sera considérablement réduite, de même que les émissions de dioxyde de carbone, ce qui constituera une puissante mesure contre le réchauffement climatique.
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