Rozdział 4-1: Mieszkanie / Zrównoważone społeczeństwo Wioska Prout

 

○Podstawowe materiały do budowy mieszkań

Wiele domów w Japonii ma niską izolacyjność termiczną, dlatego nawet przy intensywnym ogrzewaniu zimą ciepło nadal ucieka, a na oknach pojawia się kondensacja. Kontynuowanie ogrzewania w takich warunkach jest marnotrawstwem energii elektrycznej. Aby temu zapobiec, należy zastosować materiały izolacyjne, które uniemożliwią ucieczkę ciepła. Dodatkowo, stosowanie podwójnych szyb i wentylacji mechanicznej działającej przez całą dobę pozwala na efektywne ogrzewanie i chłodzenie pomieszczeń przez cały rok, przy minimalnym zużyciu energii elektrycznej.

Ponadto beton używany w budynkach, mieszkaniach i innych obiektach wydziela dużą ilość dwutlenku węgla podczas produkcji, co ma ogromny wpływ na globalne ocieplenie, dlatego należy ograniczyć jego zużycie. W obliczu takich problemów, jak ubóstwo, kryzys uchodźczy i brak odpowiednich mieszkań, które można natychmiast rozwiązać, a także z myślą o stworzeniu trwałych domów na całym świecie, podstawowe materiały budowlane to brzoza, bambus, słoma, ziemia, glina, kamień, wapno i woda.

Słoma to wysuszone łodygi ryżu, pszenicy i innych roślin. Ryż jest uprawiany w krajach Azji, od Japonii po Indie, a pszenica na całym świecie, m.in. w Afryce, Europie, Azji, Rosji, Australii, Kanadzie i Argentynie. Dlatego słoma jest dostępna wszędzie i może być używana do budowy domów. Zbiera się ją, formując w bloczki o szerokości około 50 cm, które stosuje się jako materiał izolacyjny, układając je pomiędzy słupami budynku. Na wewnętrznej i zewnętrznej stronie tych słomianych ścian nakłada się ziemię, tworząc ściany ziemne. Takie domy nazywane są domami ze słomianych balotów (Stroebel Housami). Baloty są wytwarzane przez maszyny rolnicze, zwane balerami, które kompresują słomę lub siano w formie bloków.

Słupy wykonane są z brzozy wczesnej, która rośnie szybciej niż zwykła brzoza. Po 5 latach osiąga wysokość 15 m i średnicę około 40 cm. Jest również wytrzymała, dzięki czemu nadaje się do stosowania jako słupy czy meble. Co ważne, po jednym posadzeniu roślina odrasta po ścięciu, a cykl cięcia można powtarzać co 5 lat przez 30–40 lat. Można ją uprawiać w każdym miejscu, gdzie panuje ciepły klimat i gleba nie jest zbyt kwaśna ani zasadowa.

Dodatkowo, stosowanie technik budowlanych takich jak kob (glina) lub adobes, które polegają na mieszaniu piasku, gliny i słomy do tworzenia ścian ziemnych lub ceglanek, jest stosowane od wieków na różnych kontynentach. Dodanie materiałów włóknistych, jak słoma, sprawia, że długie włókna łączą ziemię ze sobą, co zwiększa wytrzymałość ściany.

Ponieważ ziemne ściany narażone na wiatr i deszcz mogą słabnąć, na zewnętrznej powierzchni nakłada się wapno z dodatkiem oleju, aby poprawić wodoodporność i trwałość.

Ściany ze słomianych balotów mają grubość około 50 cm, a ściany z gliny około 60 cm, ale w przypadku potrzeby cienkich ścian wewnętrznych można użyć metody, znanej w tradycyjnych japońskich domach, polegającej na nakładaniu ziemi na bambusowe rusztowania. Bambus rośnie głównie w krajach Azji Wschodniej i Południowej, a także w Afryce i w krajach Ameryki Południowej w pobliżu równika, w ciepłych i wilgotnych klimatach.

Poniższe wartości to współczynniki przewodzenia ciepła; im mniejsza wartość, tym lepsza izolacyjność termiczna. Słoma ma bardzo dobrą izolacyjność.

Około 0,016 W/(m·K) – wełna szklana 16K (głównym składnikiem jest szkło)

Około 0,05 - 0,09 W/(m·K) – słoma

Około 0,5 - 0,8 W/(m·K) – ściany ziemne

Około 0,1 - 0,2 W/(m·K) – drewno naturalne

Około 1,7 - 2,3 W/(m·K) – beton

Oprócz słomy, można również używać traw z rodziny wiechlinowatych, takich jak turzyca, suszona trawa czy miskant. W przypadku turzycy współczynnik przewodzenia ciepła wynosi 0,041 W/(m·K), a w przypadku suszonej trawy z trawnika – 0,037 W/(m·K). Turzyca obejmuje gatunki takie jak chigaya, suge, susuki, yoshi, kariasu, kalkaya czy shimagaya, które w Japonii są znane z tradycyjnych dachów pokrytych turzycą.

Oznacza to, że słoma jest surowcem, który można zbierać co roku na całym świecie, a gmina, monitorując dostępność materiałów, nie napotka problemu wyczerpania zasobów. Jednakże ziemia potrzebuje setek lat, by się w pełni uformować, dlatego domy z słomianych balotów, które można zbierać co kilka lat, a także wykorzystanie takich surowców jak wczesna brzoza i słoma, są bardziej preferowane niż domy z gliny, które wymagają długotrwałego formowania.

Takie budynki są wykonane z materiałów, które można ponownie wykorzystać, a ich eksploatacja zakłada wielokrotne naprawy. Dodatkowo, materiały te są przyjazne dla środowiska i mogą zostać naturalnie rozłożone po użyciu.

Ściany ze słomianych balotów, gliny i adobes to techniki budowlane znane na wszystkich kontynentach od wieków, które są łatwe do zastosowania na całym świecie jako fundamenty zrównoważonych domów.

W miejscach takich jak Japonia, gdzie pada deszcz i panuje wysoka wilgotność, konieczne jest zastosowanie ochrony przed gniciem słomy spowodowanym przez pleśń, dlatego należy wziąć pod uwagę następujące środki:

- Użycie dachów, które skutecznie odprowadzają wodę deszczową, oraz odpowiednia długość okapów i rur spustowych, by chronić ściany przed deszczem.

- Podniesienie fundamentów budynku, by chronić ściany przed wodą deszczową, która odbija się od ziemi.

- Zabezpieczenie przed wilgocią z ziemi, aby nie przenikała do wnętrza ścian.

- Zastosowanie konstrukcji wentylacyjnej na zewnętrznych ścianach, tworząc przestrzeń między materiałem ściennym a izolacją, co umożliwia wentylację, odprowadza wilgoć i zapobiega kondensacji.

Powierzchnia styku domu z ziemią nie będzie wykonana z fundamentu betonowego, lecz z kamiennego fundamentu, na którym słupy będą stały bezpośrednio na kamiennych podstawach (ishibadate). Jest to preferowana opcja, ponieważ zmniejsza użycie betonu i ma na celu rozpraszanie sił sejsmicznych. Gdy fundament betonowy jest połączony z budynkiem, drgania podczas trzęsienia ziemi przenoszą się bezpośrednio na budynek. W przypadku kamiennego fundamentu, słupy są umieszczone na kamiennych podstawach, dzięki czemu mogą przesuwać się po kamieniu, co łagodzi drgania. Jednak kamienne fundamenty nie mogą być stosowane wszędzie, dlatego choć stanowią pierwszorzędną opcję, w każdym przypadku będzie rozważane, czy lepsze będą fundamenty betonowe lub inne rozwiązania.

Te fundamenty będą ustawione na odpowiedniej wysokości, aby woda deszczowa nie odbijała się od ziemi i nie dostawała się na ściany ziemne.

○Wytwarzanie i przechowywanie energii  

Wytwarzanie i przechowywanie energii powinno być proste i zrównoważone. W Wiosce Prout priorytetowo traktowane będą następujące urządzenia energetyczne:

Główne źródło energii to akumulator magnezowy opracowany przez profesora Takahiro Yabe z Tokijskiego Uniwersytetu Technologicznego. Jest to akumulator z cienkimi płytkami magnezowymi, które mogą przechowywać energię i być przenoszone. Magnez jest używany jako elektroda ujemna, a na elektrody dodatnie zanurza się materiały węglowe w wodzie morskiej, aby uzyskać energię elektryczną. 

Ten akumulator ma pojemność 8,5 razy większą niż baterie litowo-jonowe stosowane w telefonach komórkowych, a w porównaniu do wodoru, ma mniejsze ryzyko zapłonu. Ponadto, tradycyjne akumulatory umożliwiają lot dronów przez 30 minut, podczas gdy ten akumulator pozwala na lot drona przez 2 godziny, a także na działanie wózków golfowych przez około 2 godziny.

Magnez występuje w morzach w ilości około 1800 trylionów ton, co stanowi ogromne zasoby, odpowiadające 100 miliardom ton ropy zużywanym rocznie przez 100 tysięcy lat. Ryzyko wyczerpania tych zasobów jest bardzo niskie, a magnez jest dostępny na całym świecie. Ponadto, po użyciu, tlenek magnezu można podgrzać do ponad 1000°C, aby ponownie wykorzystać go w produkcji akumulatorów magnezowych.

Profesor ten opracował również urządzenie, które wykorzystuje lustra do zbierania światła słonecznego, przekształca je w wiązkę lasera i kieruje na tlenek magnezu, aby oddzielić tlen i ponownie wykorzystać magnez. Opracował również urządzenie do odsalania wody morskiej, które umożliwia pozyskiwanie magnezu i soli z wody morskiej. 

Bateria magnezowa, która została użyta w eksperymencie, ma wymiary 16,3 cm szerokości, 23,7 cm głębokości i 9,7 cm wysokości, a jej waga po napełnieniu wodą wynosi około 2 kg. Maksymalna moc wyjściowa to 250W. Jest w stanie zasilić lodówkę (450L) o mocy 250W przez godzinę. Łącząc pięć lub dziesięć takich baterii, możliwe jest dostarczanie energii do urządzeń wymagających większej mocy. Według badań, pojazd wyposażony w baterię magnezową o wadze 16 kg może przejechać 500 km.

Podczas procesu odsalania wody morskiej pozostaje sól i gorycz (chlorek magnezu), a skierowanie na niego wiązki lasera powoduje powstawanie magnezu. Magnez jest również obficie obecny w piasku na pustyni. Z 10 ton wody morskiej można uzyskać 13 kg magnezu, co odpowiada miesięcznemu zużyciu energii standardowego gospodarstwa domowego.

Wykorzystanie tej baterii magnezowej jako podstawy do życia umożliwia produkcję akumulatorów magnezowych z wód oceanicznych na całym świecie, co stanowi minimalne ryzyko wyczerpania zasobów, a ponieważ magnez jest łatwy do przechowywania i transportowania, elektryczność będzie dostępna nawet w najtrudniejszych warunkach, w odległych miejscach.

Urządzenie do produkcji magnezu wymaga energii elektrycznej. Dlatego w Wiosce Prout będzie się wykorzystywać małą energetykę wodną z rzek i strumieni, aby generować energię elektryczną. Wysokość i przepływ wody wpływają na ilość wygenerowanej energii, ale w przykładzie z Japonii, woda napędzająca koło wodne w elektrowni w Ittoshiro Banba w prefekturze Gifu, przy spadku wynoszącym 111 m, generuje 125 kW energii, co wystarcza do zaspokojenia potrzeb 150 gospodarstw domowych.

Oprócz tej małej energetyki wodnej, wykorzystywana będzie także energia z prądów morskich (energetyka falowa). Fale morskie są ciągle w ruchu, więc energia z prądów morskich zapewnia stabilne dostarczanie energii przez całą dobę, niezależnie od dnia i nocy. Dodatkowo, jej struktura jest prosta i nie wymaga dużych urządzeń.

Jeśli do tego dodamy małą i średnią energetykę wiatrową, energia będzie wzrastać, gdy wiatr będzie wiał. Istnieje wiele rodzajów turbin wiatrowych, w tym turbiny z pionową osią obrotu, które obracają się w poziomie, dzięki czemu mogą wykorzystywać wiatr z każdego kierunku. W Wiosce Prout każda gmina będzie mogła produkować i zarządzać małymi i średnimi urządzeniami energetycznymi, co umożliwi rozproszone wytwarzanie energii. Dlatego duże elektrownie wiatrowe nie będą traktowane jako priorytet.

Baterie magnezowe, mała energetyka wodna, energetyka prądów morskich oraz energetyka wiatrowa, które zostały opisane powyżej, nie emitują dwutlenku węgla ani innych gazów cieplarnianych podczas procesu wytwarzania energii, co czyni je skutecznymi metodami przeciwdziałania problemowi globalnego ocieplenia. Są to stabilne i zrównoważone metody wytwarzania energii. Dodatkowo, planuje się wykorzystanie innych źródeł energii, aby zdywersyfikować wykorzystywane naturalne źródła energii.

Jednym z nich jest wykorzystanie kolektorów słonecznych w formie rur próżniowych do produkcji ciepłej wody użytkowej, którą będzie można używać do kąpieli lub w kuchni. Kolektory te składają się z części do zbierania ciepła z promieni słonecznych oraz części do przechowywania ciepłej wody. W Japonii latem temperatura wody może wynosić od 60 do 90°C, a zimą około 40°C.

Rozważane jest również użycie paneli słonecznych do zbierania ciepła, które mogą podgrzewać powietrze w panelu do około 50°C. To gorące powietrze jest następnie transportowane rurami do ogrzewania całego domu. Aby te urządzenia były efektywne, istotne jest odpowiednie ustawienie paneli i kolektorów słonecznych w odpowiednią stronę i pod odpowiednim kątem. W Japonii, najlepsza kierunkowość to prawdziwy południe, a jeśli przyjmiemy ją za 100%, kierunki wschodni i zachodni również zapewniają około 80% efektywności. Optymalny kąt nachylenia dachu wynosi 20-30 stopni. Te urządzenia można montować na dachu lub na ziemi. Jeśli montuje się je na dachu, konieczne będzie dopasowanie kształtu dachu w celu zwiększenia powierzchni zbierającej ciepło.

Kolektory słoneczne i panele słoneczne do zbierania ciepła są prostą konstrukcją, ponieważ wykorzystują ciepło wprost do ogrzewania wody i powietrza.

Następnie rozważa się wykorzystanie energii z roślin oraz ultramałych elektrowni wodnych do zasilania urządzeń oświetleniowych w miejscach, gdzie nie ma dostępu do sieci elektrycznej. W przypadku roślinnej produkcji energii, po włożeniu dwóch elektrod w ziemię, można uzyskać niewielką ilość energii elektrycznej. Jednak moc ta jest bardzo mała, osiągając napięcie około 1,5 V na pojedynczą roślinę. W eksperymencie udało się połączyć 100 takich elektrod, aby uzyskać energię przekraczającą 100 V, potrzebną do zasilania urządzeń w domu. Kombinacja elektrod w tym przypadku to magnez i węgiel drzewny, bez użycia rzadkich metali i zasobów naturalnych.

Opracowano także ultramałą elektrownię wodną, którą można przenosić i która pozwala na generowanie energii przy różnicy wysokości 1 m w małych strumieniach. Woda przepływająca w ilości 10 litrów na sekundę może wygenerować 5 W energii.

W Finlandii wykorzystywane są także baterie piaskowe. Zbierają one energię elektryczną wytworzoną z energii słonecznej i wiatrowej, przekształcając ją w ciepło, które jest magazynowane w piasku. Izolacyjny zbiornik ma szerokość 4 metry i wysokość 7 metrów, a jego pojemność wynosi 100 ton piasku. To ciepło jest następnie wykorzystywane do ogrzewania okolicznych regionów, w tym do ogrzewania budynków i basenów z ciepłą wodą. Piasek nagrzany do ponad 500°C może przechowywać energię przez kilka miesięcy, a jego żywotność wynosi kilka dziesięcioleci. Do wytwarzania baterii można wykorzystać dowolny suchy piasek, pod warunkiem, że nie zawiera on łatwopalnych śmieci. Ta technologia może być również zastosowana w Japonii.

W Finlandii obliczono, że do zapewnienia energii cieplnej dla regionu zamieszkiwanego przez 35 tysięcy osób potrzebny byłby zbiornik magazynujący piasek o wysokości 25 metrów i średnicy 40 metrów. Bateria piaskowa ma prostą konstrukcję, składającą się z rur, zaworów, wentylatorów i elementów grzewczych, a jej koszty budowy są niskie.

W Stanach Zjednoczonych również opracowano baterie piaskowe, ale w tym przypadku używa się piasku krzemionkowego, który jest podgrzewany do temperatury 1200°C. Następnie piasek jest przechowywany w magazynach z izolującego betonu. Aby przekształcić to ciepło w energię elektryczną, podgrzewana woda wytwarza parę, która napędza turbinę wodną z wieloma łopatkami. Ta turbina jest połączona z generatorem, który wytwarza energię elektryczną. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej z ciepła, niezbędny jest ten rodzaj urządzeń.

Do tej pory omówiono metody produkcji i magazynowania energii w Wioska Prout. Teraz przyjrzymy się powodom, dla których niektóre istniejące metody wytwarzania energii nie są wykorzystywane.

Jednym z takich źródeł energii jest wodór. Choć wodór używany jako paliwo nie emituje dwutlenku węgla, jego produkcja wiąże się z emisją tych gazów. Na przykład proces wytwarzania wodoru z paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny, ropa naftowa czy węgiel, wiąże się z dużymi emisjami dwutlenku węgla oraz z końcem zasobów naturalnych, co czyni tę metodę nieoptymalną.

Istnieje także metoda elektrolizy wody, w której używa się energii elektrycznej pozyskanej z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa. Ta metoda generuje stosunkowo niewielką emisję dwutlenku węgla, ale wymaga dużych ilości wody, co może przyspieszyć już istniejący problem niedoboru wody spowodowanym globalnym ociepleniem.

Dodatkowo, elektroliza wody wymaga użycia metali rzadkich, takich jak iryd, które przy obecnym tempie użycia mogą wyczerpać się do 2050 roku, co sprawia, że ta metoda nie jest zrównoważonym rozwiązaniem.

Istnieje także metoda wytwarzania gazu, energii elektrycznej i wodoru z biomas. Biomasa to materia pochodzenia biologicznego, w tym odchody ludzkie i zwierzęce, resztki roślinne takie jak słoma i łuski ryżowe, resztki jedzenia oraz drewno. Na przykład, w toalecie biogazowej umieszcza się odchody bydła. Kał zawiera bakterie metanogenne, które, po dodaniu ludzkich odchodów, resztek jedzenia i chwastów, fermentują, wytwarzając biogaz. Głównymi składnikami tego gazu są 60% metanu i 40% dwutlenku węgla. Ponieważ metan jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do globalnego ocieplenia, stosowanie go na całym świecie staje się coraz trudniejsze.

Magazynowanie wodoru obejmuje metody takie jak kompresja pod wysokim ciśnieniem, skraplanie do temperatury -253°C oraz magazynowanie wodoru w stopach metali. Poza tym niezbędna jest infrastruktura do transportu tego gazu. Ponieważ instalacje te są skomplikowane i wymagają dużych rozmiarów, są one wyłączone z rozważanych opcji.

Panele słoneczne wykorzystywane w energii słonecznej zawierają substancje toksyczne, a ich ostateczna utylizacja polega na składowaniu w ziemi, co czyni tę metodę niewystarczająco zrównoważoną.

Energia geotermalna wymaga długotrwałego procesu poszukiwań, wierceń oraz budowy rur, a ponadto może być wykorzystywana tylko w ograniczonych miejscach, co również wyklucza tę metodę.

Energia jądrowa prowadzi do potencjalnych katastrof, a jej paliwo – uran – jest zasobem ograniczonym i w końcu wyczerpie się, co sprawia, że nie jest to opcja do rozważenia. Elektrownie węglowe także nie mogą być brane pod uwagę, ponieważ paliwa kopalne w końcu się wyczerpią, a emisje dwutlenku węgla są zbyt wysokie.

Akumulatory litowo-jonowe, wykorzystywane w samochodach elektrycznych, rowerach elektrycznych i smartfonach, bazują na zasobach takich jak lit i kobalt, które są nieodnawialne, dlatego nie są zrównoważoną opcją.

Podsumowując, głównymi źródłami energii w Wioska Prout będą baterie magnezowe, małe elektrownie wodne, energia z pływów, małe i średniej wielkości turbiny wiatrowe, a także kolektory słoneczne do podgrzewania wody, panele słoneczne do koncentracji energii słonecznej, elektrownie roślinne, ultra-małe elektrownie wodne oraz baterie piaskowe, które będą rozważane w zależności od sytuacji.

W ten sposób energia będzie wytwarzana w jak największym stopniu z morza, rzek i ziemi, a następnie dzielona. Dodatkowo, poprzez zastosowanie izolacji w budynkach, zmniejszymy zużycie energii. Dzięki temu, życie oparte wyłącznie na energii odnawialnej, bez wykorzystywania zasobów kopalnych, stanie się możliwe. W społeczeństwie opartym na pieniądzu, działalność gospodarcza wiąże się z ogromnym zużyciem energii elektrycznej, które wynika z codziennej konkurencji. Jeśli ta działalność gospodarcza zniknie, zapotrzebowanie na energię zostanie znacznie ograniczone, a emisje dwutlenku węgla zmniejszą się, stanowiąc silne działanie na rzecz walki z globalnym ociepleniem.