Hoofdstuk 4-1: Wonen / Duurzame samenleving Proutdorp Tweede editie

○De basisgrondstoffen voor woningen

Veel van de woningen in Japan hebben een lage isolatiewaarde, waardoor de warmte, zelfs bij intensieve verwarming in de winter, voortdurend verloren gaat en condensatie op de ramen ontstaat. Het blijft energieverspilling om door te verwarmen in deze omstandigheden. Daarom is het noodzakelijk om isolatiemateriaal te gebruiken en geen plekken te creëren waar warmte ontsnapt. Door gebruik te maken van dubbelglas en mechanische ventilatie die 24 uur per dag draait, kan men zowel in de zomer als de winter het hele jaar door verwarmen of koelen met een laag energieverbruik.

Beton, dat veel wordt gebruikt in gebouwen, appartementen en woningen, veroorzaakt grote hoeveelheden koolstofdioxide-uitstoot tijdens het productieproces, wat een aanzienlijke impact heeft op de wereldwijde opwarming. Daarom is het belangrijk om het gebruik van beton te verminderen. Gezien deze problemen, de onmiddellijke noodzaak om in te grijpen bij problemen zoals armoede en vluchtelingen die geen geschikte woningen hebben, en het feit dat we nu al kunnen beginnen met bouwen, moeten we nadenken over duurzame woningbouw wereldwijd. De basisgrondstoffen zijn snelgroeiende paulownia (een boom die in 5 tot 6 jaar tijd volwassen wordt), bamboe, stro, aarde, klei, steen, kalk en water.

Stro is gedroogd riet van rijst of tarwe. Rijst wordt veel verbouwd in Azië, van Japan tot India. Tarwe wordt wereldwijd verbouwd in Afrika, Europa, Azië, Rusland, Australië, Canada en Argentinië. Hierdoor is stro overal beschikbaar, en dit wordt samengebonden in blokken van ongeveer 50 cm breedte, die als isolatiemateriaal worden gebruikt. Deze stroblokken worden tussen de kolommen van de woning gestapeld, waarna de binnen- en buitenkant van de muren wordt bedekt met aarde om aardwanden te creëren. Dit soort huizen staat bekend als strobalenhuizen. De balen worden gemaakt door een landbouwmachine die stro of hooi samenperst in blokvorm, genaamd een balenpers.

De palen worden gemaakt van vroege boompaal, wat een snellere groei heeft dan gewone boompaal. Het groeit in vijf jaar tot een hoogte van 15 meter en een diameter van ongeveer 40 cm. Het is ook sterk genoeg om gebruikt te worden voor palen en meubels. Bovendien, wanneer het eenmaal is geplant, groeit het opnieuw na het kappen, waardoor het elke vijf jaar gekapt kan worden, wat gedurende 30 tot 40 jaar kan blijven doorgaan. Het kan overal gekweekt worden, zolang het klimaat mild is en de bodem niet te zuur of basisch is.

Bovendien is de bouwmethode met leem of adobe, waarbij water wordt gemengd met zand, klei en stro om lemen muren of bakstenen te maken, al eeuwenlang in verschillende continenten te vinden. Het toevoegen van vezels zoals stro helpt om de klei beter te verbinden; de dunne, uitgerekte stengels van het stro verbeteren de treksterkte van de leem.

Omdat deze lemen muren verzwakken door blootstelling aan regen en wind, wordt een afwerking van kalkpleister met olie toegevoegd om de waterbestendigheid en duurzaamheid te verbeteren.

Strobalen hebben een muur van ongeveer 50 cm dik, terwijl de leemwanden van ongeveer 60 cm dik zijn, maar voor dunne muren in het huis kan de traditionele Japanse methode worden gebruikt, waarbij een dunne laag klei op bamboematten wordt aangebracht. Bamboe groeit voornamelijk in warme, vochtige gebieden van Oost- en Zuid-Azië, Afrika en de landen rond de evenaar in Zuid-Amerika.

De volgende cijfers geven de warmtegeleidingscoëfficiënt aan; hoe lager het getal, hoe moeilijker warmte wordt overgedragen, wat duidt op een betere isolatiewaarde. Stro heeft een hoge isolatiewaarde.

Ongeveer 0,016 W/(m·K) - Glaswol 16K (hoofdcomponent is glas)

Ongeveer 0,05 - 0,09 W/(m·K) - Stro

Ongeveer 0,5 - 0,8 W/(m·K) - Leemwand

Ongeveer 0,1 - 0,2 W/(m·K) - Natuurlijke houtmaterialen

Ongeveer 1,7 - 2,3 W/(m·K) - Beton

Naast stro kunnen ook grasachtige planten zoals riet en hooi worden gebruikt. Riet heeft een warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,041 W/(m·K) en hooi van gras heeft 0,037 W/(m·K). Riet omvat soorten zoals Chigaya, Suge, Susuki, Yoshi, Kariyasu, Kalkaya en Shimagaya, en het is bekend in Japan als dakbedekking van riet.

Dit betekent dat stro een wereldwijd beschikbare grondstof is die elk jaar geoogst kan worden. Wanneer de gemeente het beschikbare materiaal goed beheert, zal het probleem van uitputting van hulpbronnen worden voorkomen. Aangezien het echter honderden jaren duurt om de aarde te laten rijpen, hebben Strobaalhuizen, die meerdere keren per jaar geoogst kunnen worden door het gebruik van vroege boompaal en stro, en waarbij minder aarde wordt gebruikt, een hogere prioriteit dan Leemhuizen.

Deze woningen maken gebruik van herbruikbare materialen en zijn ontworpen voor langdurig gebruik, met herstellingen die herhaaldelijk kunnen worden uitgevoerd. Bovendien zijn ze gemaakt van materialen die na gebruik op natuurlijke wijze kunnen worden teruggegeven aan de aarde.

Stro, Leem en Adobe zijn oude bouwmethoden die al in verschillende continenten worden toegepast en zijn dus wereldwijd geschikt als basis voor duurzame woningen.

In gebieden zoals Japan, waar veel regen valt en de luchtvochtigheid hoog is, moeten maatregelen worden genomen tegen de verrotting van stro door schimmel, dus het volgende moet ook worden overwogen:

- Gebruik een dak dat het regenwater effectief kan afvoeren en zorg ervoor dat de dakrand en de waterdichte afvoer van de ramen voldoende lang zijn om de muren te beschermen tegen regenwater.

- Verhoog de fundering van het huis en bescherm de muren tegen regenwater dat van de grond opspringt.

- Zorg ervoor dat vocht van de grond niet de muren binnendringt.

- Maak gebruik van een ventilatiesysteem voor de buitenmuren, waarbij een luchtkanaal tussen het buitenmateriaal en de isolatie wordt gecreëerd om vocht af te voeren en de muren droog te houden, wat condensatie voorkomt.

De verbinding tussen het huis en de grond wordt niet gemaakt met een betonnen fundering, maar het wordt de voorkeur gegeven aan een stenen fundering, waarbij de kolommen direct op de funderingsstenen staan (Ishibadate). Dit heeft zowel als doel het gebruik van beton te verminderen als om de kracht van aardbevingen af te leiden. Wanneer een betonnen fundering vastzit aan het huis, wordt de trilling van de aardbeving direct aan het huis overgedragen. In het geval van Ishibadate, staan de kolommen op de funderingsstenen, waardoor de kolommen over de stenen kunnen glijden, wat de trilling vermindert. Aangezien Ishibadate echter niet overal gebruikt kan worden, wordt het als eerste keuze beschouwd, maar wordt per situatie ook bekeken of een betonnen fundering of een andere methode beter is. 

Daarnaast wordt de hoogte van deze funderingen zodanig ingesteld dat regenwater van de grond niet de aarde- of leembekleding van de muren aantast.

○Energieopwekking en energieopslag

Energieopwekking en -opslag moeten duurzaam zijn, maar ook een eenvoudige structuur hebben. In Proutdorp wordt eerst de volgende combinatie van elektriciteitsvoorzieningen geprefereerd.

De belangrijkste bron van elektriciteit is de magnesiumbatterij, ontwikkeld door professor Takashi Yabe van de Tokyo Institute of Technology. Dit is een batterij die bestaat uit dunne platen magnesium, die opgeslagen kunnen worden en ook draagbaar zijn. Door magnesium als negatieve elektrode te gebruiken en koolstofhoudende materialen ondergedompeld in zoutwater aan de positieve elektrode toe te voegen, kan elektriciteit worden opgewekt. 

Deze batterij heeft meer dan 8,5 keer de energiecapaciteit van de lithium-ionbatterijen die in smartphones worden gebruikt en heeft een lager risico op ontsteking in vergelijking met waterstofbrandstof. Bovendien was de vliegduur van drones met traditionele batterijen beperkt tot 30 minuten, maar met de magnesiumbatterij kan dit tot 2 uur worden verlengd, en ook golfkarretjes kunnen ongeveer 2 uur rijden.

Magnesium is rijkelijk aanwezig in zeewater, met ongeveer 1800 biljoen ton, wat gelijkstaat aan 100 miljard ton olie die elk jaar wordt gebruikt, wat 100.000 jaar aan oliegebruik vertegenwoordigt. De kans op uitputting is extreem laag, en het is wereldwijd beschikbaar. Bovendien kan de overgebleven magnesiumoxide na gebruik opnieuw worden verwarmd tot boven de 1000°C, zodat het opnieuw als magnesiumbatterij kan worden gebruikt.

De professor heeft ook een apparaat ontwikkeld dat geen elektriciteit gebruikt om zonlicht via spiegels te verzamelen, dit licht vervolgens om te zetten in laserlicht en het op magnesiumoxide te richten om zuurstof te scheiden, zodat het opnieuw als magnesium kan worden hergebruikt. Daarnaast heeft hij een ontziltingsapparaat ontwikkeld dat magnesium en zout uit zeewater kan extraheren.

De magnesiumbatterij die in experimenten werd gebruikt, heeft een afmeting van 16,3 cm breed, 23,7 cm diep, 9,7 cm hoog, met een gewicht van ongeveer 2 kilogram na het vullen met water. De maximale output is 250W, wat genoeg is om een koelkast (450L) van 250W een uur lang van stroom te voorzien. Door vijf of tien van deze batterijen aan te sluiten, kan ook stroom worden geleverd aan apparaten die meer vermogen vereisen. Het wordt gezegd dat een voertuig uitgerust met een 16 kg magnesiumbatterij 500 km kan afleggen.

Wanneer zeewater wordt gezuiverd, blijven zout en bittern (magnesiumchloride) achter. Wanneer laserlicht op dit magnesiumchloride wordt gericht, ontstaat er magnesium. Bovendien wordt gesteld dat magnesium ook in woestijnzand in overvloed aanwezig is. Uit 10 ton zeewater kan 13 kg magnesium worden gehaald, wat gelijkstaat aan het elektriciteitsverbruik van een standaard huishouden voor één maand.

Door deze magnesiumbatterijen als basis voor het dagelijks leven te gebruiken, kunnen magnesiumbatterijen over de hele wereld worden geproduceerd uit zeewater, wat de bezorgdheid over uitputting vermindert. Aangezien ze ook opgeslagen en verplaatst kunnen worden, kan elektriciteit zelfs in afgelegen gebieden met slechte omstandigheden worden gebruikt.

Het ontziltingsapparaat voor de productie van magnesium vereist echter elektriciteit. Daarom wordt er kleine hydropower opgewekt uit rivieren en beken over de hele wereld om elektriciteit te genereren. De hoeveelheid elektriciteit die wordt opgewekt, is afhankelijk van het hoogteverschil en het watervolume, maar in het geval van Japan, bijvoorbeeld, wordt met één watermolen van de Itoshiro Bamba Clean Flow Hydroelectric Power Plant in de provincie Gifu 125 kW elektriciteit opgewekt voor ongeveer 150 huishoudens, bij een hoogteverschil van 111 meter.

Naast deze kleine hydropower wordt ook getijdenstroomenergie gebruikt uit de zee en rivieren. Omdat de zee altijd in beweging is, kan getijdenstroomenergie zowel 's nachts als overdag een stabiele elektriciteitsvoorziening bieden, en doordat de structuur eenvoudig is, is er geen grote infrastructuur nodig, wat een groot voordeel is.

Door kleine en middelgrote windturbines toe te voegen aan de bovengenoemde systemen, zal de elektriciteitsproductie toenemen wanneer de wind waait. Er zijn verschillende soorten windturbines ontwikkeld, en als er gekozen wordt voor een verticale as-windturbine, kan deze zich horizontaal draaien, waardoor deze geschikt is voor wind uit alle richtingen. In Proutdorp zullen de gemeenten kleine en middelgrote energie-installaties bouwen en beheren, en de voorkeur geven aan het lokaal opwekken van gedistribueerde energie. Grote windturbines zullen geen prioriteit hebben.

De magnesiumbatterijen, kleine hydro-elektrische centrales, getijdenstroomenergie en windenergie die hier zijn genoemd, stoten geen kooldioxide of andere broeikasgassen uit tijdens het opwekken van energie. Dit maakt ze een oplossing voor het probleem van de opwarming van de aarde en zorgt voor een stabiele en duurzame manier van energieopwekking. Daarnaast wordt gestreefd naar de diversificatie van hernieuwbare energiebronnen door ook andere energiebronnen tegelijkertijd te gebruiken.

Een van deze alternatieve energiebronnen is het gebruik van vacuümbuizen voor zonnewarmwaterverwarmers, waarmee warm water uit zonne-energie wordt gemaakt voor gebruik in badkamers en keukens. Deze systemen combineren een zonnestraler die de zonne-energie verzamelt met een opslagsysteem voor het warme water. In Japan kan de temperatuur in de zomer variëren van 60°C tot 90°C, terwijl deze in de winter rond de 40°C ligt.

Daarnaast wordt het gebruik van zonnewarmtepanelen overwogen. Deze panelen verwarmen de lucht tot ongeveer 50°C, en de verwarmde lucht wordt via leidingen naar de woning geleid om deze te verwarmen.

Omdat deze systemen gebruik maken van zonne-energie, zijn de richting en hoek van de installatie van de zonnewarmwaterverwarmers en de zonnewarmtepanelen van groot belang. In Japan is het het meest effectief om deze in de richting van het zuiden te installeren, waarbij dit als 100% wordt beschouwd. Bij installatie richting het oosten of westen kan nog 80% van de effectiviteit worden behaald. De ideale hoek voor de panelen is tussen de 20° en 30°, en ze kunnen zowel op het dak als op de grond worden geplaatst. Wanneer ze op het dak worden geplaatst, moet het dak worden aangepast om het verwarmingsoppervlak te vergroten.

De zonnewarmwaterverwarmers en zonnewarmtepanelen maken het mogelijk om de warmte op een eenvoudige manier te gebruiken, wat resulteert in een eenvoudige structuur.

Vervolgens wordt overwogen om voor verlichting en andere toepassingen op locaties zonder elektriciteitsdraden gebruik te maken van plantenenergie of ultrakleine hydro-elektrische centrales. Plantenenergie werkt door twee elektroden in de grond te steken, waarbij een zwakke elektrische stroom wordt opgewekt. De opgewekte stroom is echter erg klein, met een spanning van ongeveer 1,5 volt per elektrode. In een experiment werd 100 van deze elektroden aangesloten, waardoor een energieproductie van meer dan 100 volt, geschikt voor huishoudelijke stroom, werd bereikt. De elektroden in dit experiment werden gemaakt van magnesium en bincho-hout, en er worden geen zeldzame metalen of andere natuurlijke hulpbronnen gebruikt.

Daarnaast is er een draagbare ultrakleine hydro-elektrische centrale ontwikkeld die 1 meter lang is en in staat is om energie op te wekken bij een hoogteverschil van 1 meter in een beek. Deze centrale kan 5W opwekken bij een waterstroom van 10 liter per seconde.

In Finland wordt ook gebruik gemaakt van zandbatterijen. Deze slaan elektriciteit die wordt verkregen via zonne- of windenergie op in de vorm van warmte in zand. De isolatietank heeft een breedte van 4 meter en een hoogte van 7 meter, en bevat 100 ton zand. Deze opgeslagen warmte wordt gebruikt om warmte te leveren aan de omliggende regio, voor bijvoorbeeld de verwarming van gebouwen en het verwarmen van zwembaden. Het zand, dat tot meer dan 500 graden Celsius kan worden verhit, is in staat om energie gedurende enkele maanden op te slaan. De levensduur van de tank is tientallen jaren. Zand kan overal worden gebruikt, zolang het droog is en geen brandbare afvalstoffen bevat. Dit systeem is ook toepasbaar in Japan.

In Finland is berekend dat een zandbatterij die warmte levert aan een gebied van 35.000 inwoners een opslagtank van 25 meter hoog en 40 meter in diameter nodig heeft.

De zandbatterij heeft een eenvoudige structuur en bestaat uit pijpen, kleppen, ventilatoren en elektrische verwarmingselementen, waardoor de bouwkosten laag blijven.

Ook in de Verenigde Staten wordt gewerkt aan zandbatterijen, maar in dit geval wordt silica-zand tot 1200 graden Celsius verhit en opgeslagen in een isolerende betonnen opslagcontainer. Om elektriciteit op te wekken, wordt het zand gebruikt om water te verhitten, en de stoom die hierbij vrijkomt draait een turbine met veel bladen. Deze turbine is verbonden met een generator, die de elektriciteit produceert. Voor de opwekking van elektriciteit uit warmte is deze apparatuur noodzakelijk.

Dit is de manier waarop Proutdorp energie opwekt en opslaat. Vervolgens wordt gekeken naar reeds bestaande energieopwekkingsmethoden en waarom deze mogelijk niet in aanmerking komen.

Een van de opties is waterstof. Wanneer waterstof als brandstof wordt gebruikt, komt er geen kooldioxide vrij, maar de productie ervan veroorzaakt wel uitstoot. Bijvoorbeeld, het maken van waterstof uit fossiele brandstoffen zoals aardgas, olie en steenkool stoot grote hoeveelheden kooldioxide uit en zal uiteindelijk geconfronteerd worden met uitputting van de hulpbronnen, waardoor het geen haalbare optie is.

Er is ook een methode waarbij water via elektrolyse wordt gesplitst met elektriciteit van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie of windenergie. Deze methode heeft een lage kooldioxide-uitstoot, maar vereist grote hoeveelheden water, wat de watertekorten, die al worden versneld door de opwarming van de aarde, verder zou verergeren.

Daarnaast wordt bij deze water-elektrolyseplanten gebruik gemaakt van zeldzame metalen zoals iridium. Als de huidige hoeveelheden worden aangehouden, wordt verwacht dat de consumptie van dit metaal tegen 2050 meer dan het dubbele zal zijn van de beschikbare voorraden, wat leidt tot een uitputting, waardoor dit geen duurzame keuze is.

Verder zijn er methoden voor het produceren van gas, elektriciteit en waterstof uit biomassa. Biomassa omvat dierlijke en menselijke uitwerpselen, landbouwafval zoals stro en rijstschillen, voedselresten, hout en andere biologische materialen. Bijvoorbeeld, in een huishouden kan een biogas-toilet worden gebruikt waarin koeienmest wordt geplaatst. Koeienmest bevat methaangebonden bacteriën, en door er menselijke uitwerpselen, voedselresten en onkruid aan toe te voegen, kan biogas ontstaan via fermentatie. Dit biogas bestaat voor 60% uit methaan en 40% uit kooldioxide. Aangezien methaan een belangrijke veroorzaker van de opwarming van de aarde is, wordt het gebruik van biogas wereldwijd steeds moeilijker.

Waterstof kan worden opgeslagen door hoge druk, het koelen tot vloeibare waterstof bij -253°C, of via waterstofopslaglegeringen. Daarna is er de benodigde infrastructuur om het te transporteren. Deze infrastructuur is echter complex en grootschalig, wat het een ongeschikte optie maakt.

Daarnaast bevatten zonnepanelen voor zonne-energie schadelijke stoffen, en aangezien de uiteindelijke verwijdering vaak betekent dat ze begraven moeten worden, is dit geen duurzame oplossing.

Geothermische energie is ook geen optie vanwege de lange tijd die nodig is voor onderzoek, boringen en het aanleggen van pijpleidingen, evenals de beperkte locaties waar het kan worden toegepast.

En kern van kernenergie leidt tot een ramp en het uranium, de brandstof, is eindig en zal uiteindelijk opraken, waardoor het geen optie is. Thermische elektriciteitscentrales maken ook gebruik van fossiele brandstoffen die op een dag uitgeput raken en stoten veel kooldioxide uit, waardoor deze ook geen optie is.

Daarnaast zijn de lithiumbatterijen die gebruikt worden in elektrische voertuigen, elektrische fietsen en smartphones, niet duurzaam vanwege het gebruik van begrensde hulpbronnen zoals lithium en kobalt. Deze worden dan ook niet gebruikt.

Samenvattend kunnen we stellen dat magnesiumbatterijen, kleine waterkrachtcentrales, getijdenenergie en kleinschalige windenergie de belangrijkste pijlers zullen zijn, met daarbovenop zonne-energie verwarmingssystemen, zonnecollectorpanelen, plantaardige energie, ultrakleine waterkrachtcentrales en zandbatterijen, afhankelijk van de situatie.

Op deze manier wordt geprobeerd om elektriciteit te genereren uit de zee, rivieren en land en deze te delen. Dit wordt aangevuld met woningisolatie, waardoor het elektriciteitsverbruik wordt verminderd. Zo wordt er geleefd op alleen hernieuwbare energie, zonder het gebruik van uitputbare bronnen. In een maatschappij met geld wordt economische activiteit uitgevoerd, en door de concurrentie worden enorme hoeveelheden elektriciteit verbruikt. Als deze economische activiteit niet meer bestaat, wordt de benodigde elektriciteit drastisch verminderd en zal de uitstoot van kooldioxide aanzienlijk afnemen, wat een krachtige maatregel tegen klimaatverandering zal zijn.