○Vật liệu cơ bản cho nhà ở
Nhiều ngôi nhà ở Nhật Bản có khả năng cách nhiệt thấp, vì vậy dù có sưởi ấm vào mùa đông, nhiệt độ vẫn bị mất đi và hơi nước ngưng tụ trên cửa sổ. Khi tiếp tục sưởi ấm trong tình trạng này, sẽ lãng phí năng lượng. Do đó, việc sử dụng vật liệu cách nhiệt là cần thiết để không tạo ra các phần mất nhiệt. Thêm vào đó, việc sử dụng kính hai lớp và hệ thống thông gió cơ học 24 giờ sẽ giúp duy trì điều hòa nhiệt độ trong cả mùa hè và mùa đông mà vẫn tiết kiệm năng lượng.
Ngoài ra, bê tông được sử dụng trong các tòa nhà, căn hộ và nhà ở có lượng khí CO2 thải ra lớn trong quá trình sản xuất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến biến đổi khí hậu, vì vậy cần giảm bớt việc sử dụng bê tông.
Để giải quyết những vấn đề này, cùng với các vấn đề như nghèo đói và người tị nạn không có nhà ở, chúng ta có thể bắt đầu xây dựng ngay từ bây giờ và suy nghĩ về một phương pháp nhà ở bền vững trên toàn thế giới. Các vật liệu cơ bản sẽ bao gồm gỗ tía nhanh (sōseigiri), tre, rơm (wara), đất, đất sét, đá, vôi và nước.
Rơm là những thân cây lúa, lúa mì và các loại cây khác đã được làm khô. Lúa được trồng chủ yếu ở khu vực châu Á từ Nhật Bản đến Ấn Độ. Lúa mì được trồng ở nhiều nơi trên thế giới, bao gồm Châu Phi, Châu Âu, Châu Á, Nga, Australia, Canada và Argentina. Do đó, rơm có thể thu thập ở bất kỳ đâu, và được bó lại thành các khối có chiều rộng khoảng 50 cm để làm vật liệu cách nhiệt, sau đó xếp chồng lên các cột nhà. Cả bên trong và bên ngoài của các bức tường rơm sẽ được phủ đất để tạo thành tường đất. Những ngôi nhà kiểu này được gọi là "nhà rơm" (Straw Bale House). "Bale" là tên gọi của các khối rơm ép chặt do máy ép rơm (baler) sản xuất.
Cột nhà sẽ được làm từ gỗ tía nhanh. Đây là loại gỗ có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn gỗ tía thông thường, có thể đạt chiều cao 15m và đường kính 40 cm sau 5 năm. Gỗ này có độ bền cao, có thể dùng làm cột hoặc làm đồ nội thất. Hơn nữa, sau khi trồng, cây sẽ mọc lại sau khi bị chặt và có thể thu hoạch mỗi 5 năm một lần, duy trì chu kỳ này trong 30-40 năm. Gỗ tía nhanh có thể được trồng ở bất kỳ vùng đất nào có khí hậu ấm áp và độ pH của đất không quá axit hay kiềm.
Ngoài ra, phương pháp xây dựng như cob và adobe, trong đó trộn cát, đất sét, rơm với nước để tạo ra tường đất hoặc tường gạch, cũng đã được thấy ở nhiều châu lục từ lâu. Khi trộn thêm các sợi như rơm, các sợi rơm kéo dài và nối kết đất lại với nhau, làm tăng độ bền kéo của cob.
Tuy nhiên, các tường đất này có thể yếu đi khi bị tiếp xúc với mưa gió, vì vậy cần phải phủ thêm lớp vữa trộn dầu hoặc các chất chống thấm khác để tăng khả năng chống nước và độ bền.
Tường rơm có độ dày khoảng 50cm, trong khi cob có độ dày khoảng 60cm, nhưng nếu cần tường mỏng bên trong nhà, phương pháp dán đất lên tre, như trong các ngôi nhà truyền thống của Nhật Bản, cũng có thể được sử dụng. Tre chủ yếu phát triển ở các quốc gia có khí hậu nhiệt đới ẩm ướt, đặc biệt ở Đông Nam Á, Nam Á, Châu Phi và các quốc gia gần xích đạo ở Nam Mỹ.
Các số liệu dưới đây là về độ dẫn nhiệt, với số nhỏ hơn có nghĩa là vật liệu ít dẫn nhiệt hơn, do đó có khả năng cách nhiệt tốt hơn. Rơm có khả năng cách nhiệt rất cao.
Khoảng 0,016 W/(m・K) – Sợi thủy tinh 16K (nguyên liệu chính là thủy tinh)
Khoảng 0,05 - 0,09 W/(m・K) – Rơm
Khoảng 0,5 - 0,8 W/(m・K) – Tường đất
Khoảng 0,1 - 0,2 W/(m・K) – Gỗ tự nhiên
Khoảng 1,7 - 2,3 W/(m・K) – Bê tông
Ngoài rơm, các loại cỏ như cỏ lau và cỏ khô cũng có thể được sử dụng. Cỏ lau có độ dẫn nhiệt khoảng 0,041 W/(m・K), còn cỏ khô cắt từ bãi cỏ có độ dẫn nhiệt là 0,037 W/(m・K). Các loại cỏ lau bao gồm Chigaya, Suga, Susuki, Yoshi, Kariya, Karkaya, Shimagaya, và ở Nhật Bản, cỏ lau được biết đến qua những mái nhà làm từ cỏ lau.
Nói cách khác, rơm là một nguồn tài nguyên có thể thu thập hàng năm ở khắp nơi trên thế giới, và nếu chính quyền địa phương theo dõi lượng tài nguyên có thể sử dụng, sẽ không gặp phải vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên. Tuy nhiên, đất mất hàng trăm năm để hình thành, vì vậy các vật liệu như cây tầm vông mọc nhanh và rơm, có thể thu thập nhiều lần trong một thời gian ngắn, và vì lượng đất sử dụng còn ít, những ngôi nhà kiểu straw bale có ưu tiên cao hơn so với nhà kiểu cob.
Những ngôi nhà như vậy sử dụng các vật liệu có thể tái sử dụng và được thiết kế để sử dụng lâu dài với việc sửa chữa định kỳ. Ngoài ra, các vật liệu này có thể trả lại cho thiên nhiên sau khi sử dụng.
Straw bale, cob và adobe là các phương pháp xây dựng đã có từ lâu trên các châu lục và dễ dàng áp dụng toàn cầu như là nền tảng của những ngôi nhà bền vững.
Ngoài ra, ở những nơi có mưa và độ ẩm cao như Nhật Bản, cần phải có biện pháp phòng chống mục rữa rơm do nấm mốc, vì vậy cần xem xét các yếu tố sau:
- Sử dụng mái nhà có khả năng xử lý nước mưa một cách chắc chắn, và điều chỉnh độ dài của mái hiên và khe thoát nước của cửa sổ sao cho phù hợp để bảo vệ tường khỏi nước mưa.
- Tăng chiều cao của nền nhà để bảo vệ tường khỏi nước mưa văng từ mặt đất.
- Ngăn không cho độ ẩm từ mặt đất thấm vào bên trong tường.
- Sử dụng cấu trúc thông gió bên ngoài tường, tạo ra một đường dẫn không khí giữa vật liệu tường và vật liệu cách nhiệt để giải phóng và làm khô độ ẩm, tránh hiện tượng ngưng tụ.
Và bề mặt tiếp xúc giữa ngôi nhà và mặt đất sẽ không dùng nền bê tông mà thay vào đó là phương pháp xây dựng bằng đá tảng, trong đó cột được đặt trực tiếp trên đá tảng. Điều này có ý nghĩa trong việc giảm tỉ lệ sử dụng bê tông và giúp giảm tác động của lực động đất. Nếu ngôi nhà được cố định bằng nền bê tông, thì dao động từ động đất sẽ trực tiếp truyền vào ngôi nhà. Tuy nhiên, với phương pháp xây dựng bằng đá tảng, cột sẽ trượt trên đá tảng, giúp giảm sự dao động. Tuy nhiên, xây dựng bằng đá tảng không phải lúc nào cũng có thể áp dụng ở mọi nơi, vì vậy mặc dù đây là phương pháp ưu tiên, nhưng cũng cần phải xem xét sử dụng nền bê tông hoặc các phương pháp khác phù hợp trong từng trường hợp.
Những nền móng này sẽ được thiết lập ở độ cao sao cho nước mưa từ mặt đất không văng lên và làm ướt tường đất.
○Sản xuất và lưu trữ điện
Sản xuất và lưu trữ điện cũng cần phải đơn giản nhưng bền vững. Tại Làng Prout, ưu tiên trước hết là sự kết hợp của các thiết bị điện sau đây.
Trước hết, nguồn điện chính là pin magiê, được phát triển bởi Giáo sư Takashi Yabe từ Đại học Kỹ thuật Tokyo. Pin này sử dụng tấm magiê mỏng làm điện cực, có khả năng lưu trữ và mang theo. Magiê được sử dụng ở cực âm, và cực dương là vật liệu carbon được ngâm trong dung dịch muối, từ đó điện được khai thác.
Pin magiê này có khả năng lưu trữ điện gấp hơn 8.5 lần so với pin lithium-ion được sử dụng trong các thiết bị như điện thoại thông minh, và so với nhiên liệu hydro, nguy cơ cháy nổ thấp hơn. Ngoài ra, trong khi thời gian bay của drone với pin truyền thống chỉ giới hạn khoảng 30 phút, pin magiê có thể duy trì cho drone bay đến 2 giờ và có thể vận hành xe điện golf trong khoảng 2 giờ.
Magiê có sẵn trong nước biển với lượng khoảng 1,800 nghìn tỷ tấn, rất phong phú, tương đương với 100 tỷ tấn dầu sử dụng hàng năm trong 100,000 năm. Nguy cơ cạn kiệt rất thấp và có thể khai thác từ khắp nơi trên thế giới. Sau khi sử dụng, oxit magiê còn lại có thể được tái sử dụng làm pin magiê một lần nữa khi được nung nóng ở nhiệt độ trên 1000°C.
Giáo sư Yabe cũng đã phát triển một thiết bị có thể thu ánh sáng mặt trời mà không cần sử dụng điện, sau đó chuyển thành tia laser chiếu vào oxit magiê để tách oxy và tái tạo lại magiê. Thêm vào đó, ông còn phát triển một hệ thống khử muối có thể tách magiê và muối từ nước biển.
Pin magiê được sử dụng trong thí nghiệm có kích thước 16.3 cm chiều rộng, 23.7 cm chiều sâu, 9.7 cm chiều cao, nặng khoảng 2 kg khi được đổ đầy nước, với công suất tối đa 250W. Với công suất này, nó có thể vận hành tủ lạnh 450L (250W) trong 1 giờ. Khi kết nối từ 5 đến 10 pin, có thể cung cấp điện cho các thiết bị có yêu cầu điện năng lớn hơn. Một chiếc xe được trang bị pin magiê 16 kg có thể di chuyển được 500 km.
Khi khử muối nước biển, muối và nước muối magiê (clorua magiê) còn lại có thể được chiếu tia laser để sản xuất magiê. Magiê cũng rất phong phú trong cát sa mạc và các nơi khác. Từ 10 tấn nước biển, có thể thu được 13 kg magiê, tương đương với lượng điện cho một hộ gia đình tiêu chuẩn trong một tháng.
Khi sử dụng pin magiê làm nền tảng cho cuộc sống, chúng ta có thể sản xuất pin magiê từ các biển trên toàn cầu, với nguy cơ cạn kiệt thấp và khả năng lưu trữ và vận chuyển dễ dàng, điều này sẽ giúp cung cấp điện cho cả những vùng hẻo lánh có điều kiện khó khăn.
Thiết bị khử mặn để tạo ra magie này cần có điện năng. Vì vậy, sẽ thực hiện phát điện bằng thủy điện nhỏ từ các con sông và suối trên khắp thế giới để tạo ra điện. Mức độ chênh lệch và lưu lượng nước ảnh hưởng đến lượng điện năng sản xuất, nhưng trong trường hợp của Nhật Bản, tại nhà máy thủy điện dòng chảy sạch Itoshirō Banba ở tỉnh Gifu, một chiếc tuabin nước có thể tạo ra 125kW điện, tương đương với 150 hộ gia đình, với độ chênh lệch là 111m.
Ngoài phát điện bằng thủy điện nhỏ, việc phát điện bằng dòng chảy thủy triều ở biển và sông cũng được sử dụng. Vì sóng biển luôn chuyển động, phát điện bằng dòng chảy thủy triều có thể cung cấp điện ổn định cả ngày và đêm, và vì cấu trúc đơn giản nên không cần thiết bị quy mô lớn.
Thêm vào đó, nếu sử dụng năng lượng gió quy mô nhỏ và vừa, khi có gió, lượng điện sẽ được bổ sung. Các loại tuabin gió cũng đã được phát triển, và nếu sử dụng loại tuabin gió trục đứng, nó sẽ quay theo chiều ngang, có thể tiếp nhận gió từ mọi hướng. Làng Prout ưu tiên xây dựng các thiết bị năng lượng quy mô nhỏ và vừa ở các địa phương, để các chính quyền địa phương có thể sản xuất và quản lý, từ đó phân tán nguồn năng lượng và sản xuất điện. Vì vậy, phát điện bằng gió quy mô lớn không phải là ưu tiên hàng đầu.
Tất cả các nguồn năng lượng như pin magie, thủy điện nhỏ, phát điện dòng chảy thủy triều, và năng lượng gió mà tôi đã đề cập đến đều không thải ra CO2 hay các khí nhà kính khác trong quá trình phát điện, vì vậy sẽ là biện pháp đối phó với vấn đề ấm lên toàn cầu và là phương pháp phát điện ổn định và bền vững. Bên cạnh đó, sẽ sử dụng đồng thời các nguồn năng lượng khác để đa dạng hóa năng lượng tái tạo.
Một trong số đó là việc sử dụng máy nước nóng bằng năng lượng mặt trời dạng ống chân không để tạo nước nóng từ năng lượng mặt trời, phục vụ cho việc tắm và nấu ăn. Đây là thiết bị tích hợp phần thu nhiệt từ năng lượng mặt trời và phần chứa nước nóng. Tại Nhật Bản, vào mùa hè, nhiệt độ có thể đạt từ 60 đến 90°C, và vào mùa đông, khoảng 40°C.
Cùng với đó, việc sử dụng tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời cũng đang được xem xét. Khi không khí trong các tấm thu nhiệt mặt trời được làm nóng lên, có thể đạt khoảng 50°C, không khí này sẽ di chuyển qua các ống dẫn và làm ấm toàn bộ ngôi nhà.
Vì sử dụng năng lượng mặt trời, việc xác định hướng và góc độ khi lắp đặt máy nước nóng và tấm thu nhiệt là rất quan trọng. Ở Nhật Bản, hướng chính Nam là hiệu quả nhất, với 100% hiệu suất, còn hướng Đông và Tây có thể đạt khoảng 80%. Góc nghiêng của mái nhà lý tưởng là từ 20 đến 30 độ. Khi lắp trên mái nhà, hình dáng của mái cũng cần phải điều chỉnh sao cho phù hợp và mở rộng diện tích thu nhiệt.
Máy nước nóng và tấm thu nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời có cấu trúc đơn giản vì chúng chỉ sử dụng nhiệt để làm nóng, giúp giảm bớt sự phức tạp trong thiết kế.
Tiếp theo, đối với các khu vực không có đường dây điện, sẽ xem xét việc sử dụng năng lượng từ thực vật và thủy điện siêu nhỏ. Năng lượng từ thực vật được tạo ra bằng cách cắm hai điện cực vào đất, tạo ra dòng điện yếu. Tuy nhiên, lượng điện này rất nhỏ, với điện áp khoảng 1,5 volt từ một điện cực. Đã có thí nghiệm nối 100 điện cực lại với nhau, tạo ra lượng điện vượt quá 100 volt của nguồn điện gia đình. Kết hợp điện cực trong thí nghiệm này chủ yếu là magie và than bính, không sử dụng tài nguyên khoáng sản quý hiếm như kim loại hiếm.
Bên cạnh đó, đã có sự phát triển của thủy điện siêu nhỏ có thể mang theo, với chiều dài 1m. Nó có thể tạo ra điện từ độ chênh lệch 1m tại suối và tạo ra 5W điện từ lưu lượng nước 10 lít mỗi giây.
Ở Phần Lan, cũng đang sử dụng pin cát. Đây là một phương pháp tích điện từ năng lượng mặt trời hoặc gió dưới dạng nhiệt vào cát. Bình chứa cách nhiệt có chiều rộng 4 mét và chiều cao 7 mét, chứa 100 tấn cát. Nhiệt này được cung cấp cho các khu vực xung quanh, dùng cho việc sưởi ấm các tòa nhà và bể bơi nước nóng. Cát được làm nóng lên trên 500 độ C có thể lưu trữ năng lượng trong vài tháng. Tuổi thọ của nó lên đến vài chục năm. Chỉ cần cát khô và không chứa rác thải dễ cháy là có thể sử dụng, và phương pháp này cũng có thể thực hiện ở Nhật Bản.
Tại Phần Lan, để cung cấp nhiệt cho khu vực có 35.000 dân, cần một bể chứa cát có chiều cao 25 mét và đường kính 40 mét. Pin cát này có cấu trúc đơn giản, bao gồm ống, van, quạt và bộ gia nhiệt điện, do đó chi phí xây dựng cũng thấp.
Tại Mỹ, cũng đang phát triển pin cát, nhưng ở đây, cát silica được làm nóng lên đến 1200 độ C và được lưu trữ trong các kho chứa cách nhiệt bằng bê tông. Khi chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện, nước được đun sôi để tạo hơi nước, làm quay một turbine có cánh quạt. Turbine này nối với máy phát điện, từ đó tạo ra điện. Khi chuyển đổi nhiệt thành điện, thiết bị này là cần thiết.
Đây là phương pháp phát điện và lưu trữ năng lượng tại Làng Prout. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các phương pháp phát điện đã có và lý do tại sao chúng không được sử dụng.
Một trong số đó là khí hydro. Khi sử dụng hydro làm nhiên liệu, không phát thải khí carbon dioxide, nhưng quá trình sản xuất lại tạo ra khí này. Ví dụ, phương pháp sản xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch như khí thiên nhiên, dầu mỏ và than đá phát thải một lượng lớn khí CO2 và sẽ gặp phải vấn đề cạn kiệt tài nguyên trong tương lai, do đó không phải là lựa chọn khả thi.
Ngoài ra, có một phương pháp khác là sử dụng năng lượng tái tạo từ mặt trời và gió để điện phân nước và thu được hydro. Mặc dù phương pháp này có lượng khí CO2 thải ra thấp, nhưng lại tiêu tốn lượng nước rất lớn, điều này sẽ làm tình trạng thiếu nước, vốn đã trở nên trầm trọng do biến đổi khí hậu, càng thêm nghiêm trọng.
Ngoài ra, quá trình điện phân nước này sử dụng các kim loại quý hiếm như iridi. Nếu tiếp tục sử dụng với lượng như hiện tại, dự báo đến năm 2050, lượng sử dụng sẽ gấp đôi trữ lượng hiện có và sẽ cạn kiệt, do đó đây cũng không phải là lựa chọn bền vững.
Một phương pháp khác là sản xuất khí, điện và hydro từ năng lượng sinh khối. Sinh khối bao gồm chất thải của con người và gia súc, rơm rạ, vỏ lúa và các phế phẩm nông nghiệp khác, thức ăn thừa và gỗ. Ví dụ, trong một hệ thống toilet sinh khối tại gia đình, phân bò được đưa vào. Phân bò chứa vi khuẩn methan, khi thêm chất thải của con người, thức ăn thừa và cỏ dại, vi khuẩn methan sẽ phân hủy và sản sinh ra khí sinh học. Thành phần chính của khí này là 60% methane và 40% CO2. Khí methane là nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu, vì vậy việc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới sẽ trở nên khó khăn.
Việc lưu trữ hydro có thể sử dụng các phương pháp như nén áp suất cao, làm lạnh hydro đến -253°C để trở thành hydro lỏng, hoặc lưu trữ trong hợp kim hấp thụ hydro, sau đó cần thiết bị để vận chuyển hydro. Trong trường hợp này, thiết bị cũng sẽ trở nên phức tạp và quy mô lớn, do đó sẽ không được xem xét.
Ngoài ra, tấm pin mặt trời của năng lượng mặt trời chứa các chất độc hại và cuối cùng sẽ bị chôn lấp dưới đất, vì vậy phương pháp này không bền vững.
Năng lượng địa nhiệt, do cần quá nhiều thời gian cho khảo sát, khoan và xây dựng đường ống, cũng như sự hạn chế về vị trí có thể sử dụng, nên không được xem xét.
Và năng lượng hạt nhân dẫn đến các thảm họa lớn, và nhiên liệu uranium là hữu hạn và sẽ cạn kiệt, vì vậy cũng không được xem xét. Năng lượng nhiệt điện cũng không được xem xét do nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong tương lai và lượng khí CO2 thải ra quá lớn.
Ngoài ra, các loại pin lithium được sử dụng trong ô tô điện, xe đạp điện và điện thoại thông minh sử dụng tài nguyên khoáng sản như lithium và cobalt, do đó không bền vững và sẽ không được sử dụng.
Tóm lại, các phương pháp chính để phát điện và lưu trữ năng lượng tại Làng Prout sẽ bao gồm pin magnesium, thủy điện nhỏ, thủy điện dòng chảy, và điện gió cỡ nhỏ và vừa. Ngoài ra, các phương pháp như hệ thống thu nhiệt mặt trời, tấm thu nhiệt mặt trời, điện thực vật, thủy điện siêu nhỏ và pin cát sẽ được xem xét tùy thuộc vào tình huống cụ thể.
Với cách này, điện sẽ được tạo ra càng nhiều càng tốt từ biển, sông và đất đai, và được chia sẻ. Thêm vào đó, việc cách nhiệt cho nhà ở sẽ giảm lượng điện tiêu thụ. Nhờ vậy, chúng ta có thể sống chỉ bằng năng lượng tái tạo mà không sử dụng tài nguyên cạn kiệt. Trong xã hội tiền tệ, các hoạt động kinh tế diễn ra và do cạnh tranh, tiêu thụ một lượng điện năng khổng lồ mỗi ngày. Khi không còn những hoạt động kinh tế này, lượng điện năng cần thiết sẽ giảm mạnh, đồng thời lượng khí CO2 thải ra cũng giảm đáng kể, tạo ra một biện pháp mạnh mẽ chống lại sự nóng lên toàn cầu.
0 コメント