Введение

Отсутствие подключения к централизованным сетям

Жизнь вне сети (или автономное существование) – это характеристика зданий и образа жизни, спроектированных для независимости от одной или нескольких централизованных сетей коммунального обеспечения. Изначально термин "вне сети" относился к отсутствию подключения к электросети, но может также включать независимость от водоснабжения, газоснабжения и канализации, и применяется как к отдельным домам, так и к небольшим поселениям. Автономное существование позволяет зданиям и людям быть самодостаточными, что особенно выгодно в отдаленных районах, где нет доступа к обычным коммунальным услугам, а также привлекательно для тех, кто стремится снизить воздействие на окружающую среду и расходы на жизнь. Как правило, здание, не подключенное к сетям, должно самостоятельно обеспечивать себя энергией и питьевой водой, а также решать вопросы питания, утилизации отходов и очистки сточных вод.

Энергия

Энергия для производства электроэнергии и отопления может быть получена путем сжигания углеводородов (например, дизель-генераторы, пропановое отопление) или выработана на месте с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная (особенно с использованием фотоэлектрических элементов), ветровая или малая гидроэнергетика. К другим формам энергии относятся биомасса, обычно в виде древесины, отходов и спиртового топлива, а также геотермальная энергия, использующая разницу температур под землей для регулирования внутренней среды воздуха в зданиях. Возможно полное устранение дефицита энергии, например, с помощью солнечных и ветровых технологий, как это происходит в общинах старых орденов амишей (хотя их использование допускается, не все с этим согласны) и меннонитов, и многие амиши до сих пор используют паровые двигатели.

Электроэнергия

Соединенные с сетью здания получают электроэнергию от электростанций, которые в основном используют природные ресурсы, такие как уголь и природный газ, для преобразования в электрическую энергию. Анализ мировых источников энергии за 2017 год показывает, что мир, в основном зависящий от электросети, использует преимущественно невозобновляемые источники, в то время как популярные возобновляемые источники энергии, такие как солнечная фотоэлектрика и ветровая энергия, составляют лишь небольшую долю. В тех случаях, когда здания и дома не подключены к сети, например, в Африке, где 55% населения не имеют доступа к электричеству, необходимо использовать местные возобновляемые источники энергии, поскольку они наиболее доступны и обеспечивают самообеспечение.

Солнечная фотоэлектрическая энергия

Солнечные фотоэлектрические установки (ФЭУ), использующие энергию солнца, являются одним из самых популярных источников энергии для автономных зданий. Фотоэлектрические массивы (солнечные панели) позволяют преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Производительность ФЭУ зависит от солнечной радиации и температуры окружающей среды. Другие компоненты, необходимые для ФЭУ, включают контроллеры заряда, инверторы и устройства быстрого отключения. Эти системы позволяют автономным объектам вырабатывать энергию без подключения к электросети. Каждый квартал Bloomberg New Energy Finance оценивает производителей на основе реализованных проектов за предыдущий квартал и публикует список производителей солнечных модулей (панелей) первого уровня (Tier 1).

Ветряные турбины

Энергию ветра можно использовать с помощью ветряных турбин. Компоненты ветряных турбин состоят из лопастей, приводимых в движение ветром, редукторов, контроллеров, генераторов, тормозов и башни. Объем механической мощности, извлекаемой из ветряной турбины, зависит от скорости ветра, плотности воздуха, площади, описываемой вращающимися лопастями, и аэродинамического коэффициента мощности турбины.

Микрогидро

Там, где вода в изобилии, гидроэнергетика представляет собой перспективное энергетическое решение. Крупномасштабная гидроэнергетика предполагает строительство плотины и создание водохранилища, а малая гидроэнергетика может использовать турбины в реках с постоянным уровнем воды. Объем вырабатываемой механической мощности зависит от расхода воды, размера турбины, плотности воды и коэффициента эффективности, подобно ветровым турбинам. Энергия волн и приливов также может обеспечивать электроэнергией прибрежные зоны.

Аккумуляторы

Когда возобновляемые источники энергии вырабатывают энергию, которая в данный момент не требуется, электрическая энергия обычно направляется на заряд аккумулятора. Это решает проблему непостоянства выработки возобновляемой энергии и позволяет учитывать колебания потребления в зданиях. К распространенным типам аккумуляторов относятся свинцово-кислотные и литий-ионные.

Гибридные энергетические системы

Для защиты от перебоев в работе и системных сбоев многие сообщества, не подключенные к централизованной сети, создают гибридные энергетические системы. Эти системы объединяют традиционные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные фотоэлектрические установки, ветрогенераторы, малые гидроэлектростанции, аккумуляторы и даже дизельные генераторы. Это может быть более экономичным и эффективным решением, чем прокладка или обслуживание линий электропередач до удаленных населенных пунктов.

Термоэлектрический генератор радиоизотопов

Исторически удаленные объекты, такие как маяки, метеостанции и подобные им, потребляющие небольшое, но постоянное количество энергии, питались от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ), радиоизотопы для которых извлекались из отработавшего ядерного топлива или производились на специализированных предприятиях. И Советский Союз, и Соединенные Штаты использовали множество таких устройств на Земле, а каждый глубокий космический зонд, достигающий орбиты за Марсом (и даже некоторые в пределах внутренней Солнечной системы), был оснащен РТГ для обеспечения энергией там, где солнечные панели не обеспечивают достаточную мощность на единицу массы.

Контроль температуры

Типы пассивных систем охлаждения на солнечной энергии, не подключенных к сети, могут использоваться для охлаждения домов и/или холодильного оборудования, включая системы, не требующие электрических компонентов и обеспечивающие химическое хранение энергии по запросу. Это может быть полезно для смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним.

Сообщения

Сети, такие как B. A. T. M. A. N., могут быть использованы для поддержания или восстановления связи без использования традиционной инфраструктуры. Более того, технологии внесетевой связи могут применяться для экологического, охранного и сельскохозяйственного мониторинга, а также для экстренной связи и координации – например, для распределения задач.

Здравоохранение

Беспилотники используются для оказания медицинской помощи в удаленных районах, особенно в самых отдаленных регионах мира. Благодаря обеспеченной связи они доставляют образцы для анализов, лекарства, вакцины, продукты питания, воду и противоядия.

Управление отходами

Сообщалось, что в Западной Европе для переработки небольших объемов отходов, часто специфических или стандартизированных, чаще всего применяются две основные стратегии: аэробная (с использованием растений) и анаэробная обработка (с получением биогаза).

Вода и санитария

Вода – важнейший аспект автономного образа жизни, требующий эффективного сбора, использования и утилизации для гармоничного взаимодействия с окружающей средой. Существует множество способов обеспечения водой для бытовых нужд внутри помещений, выбор которых зависит от местных условий и предпочтений.

Местные водоемы

Близлежащие ручьи, пруды, реки и озера обеспечивают легкий доступ к пресной воде. Океаны также могут быть использованы при условии проведения опреснения.

Скважины и источники

Этот традиционный метод предполагает копание до уровня, где вода находится в изобилии под землей, как правило, до уровня грунтовых вод или водоносного горизонта, и ее извлечение для использования, либо сбор воды из источников, где подземные воды выходят на поверхность. Системы подачи подземных вод в здания могут включать насосы, работающие от ветра или солнца, или ручные насосы. Качество воды из скважин следует регулярно проверять, а также при любых изменениях ее вкуса, запаха или внешнего вида.

Дождевые бассейны водосбора

Эта система полагается на погодные условия для обеспечения водой. Системы сбора дождевой воды проектируются с учетом потребностей пользователей в воде и местных особенностей выпадения осадков. Дождевая вода обычно собирается с крыши здания и направляется в резервуары для хранения, откуда используется по мере необходимости.

Зарубежные поставки

Другой, менее автономный метод предполагает подвоз больших объемов чистой воды к месту ее хранения. Эта система требует наличия доступа к чистой питьевой воде в другом месте и ее транспортировки к объекту, не подключенному к централизованным сетям.

Устройства

Атмосферные генераторы воды обладают большим потенциалом для автономного водоснабжения.

Лечение

Каким бы ни был источник воды, она должна быть безопасной для питья и использования в помещении. Для решения различных проблем с качеством воды существуют разные методы водоподготовки.

Фильтрация

Физический барьер пропускает воду и задерживает примеси, а при достаточно мелкой пористости фильтра – и биологические загрязнения.

Химическая обработка

Для дезинфекции воды вводят такие вещества, как хлор, диоксид хлора и озон, которые уничтожают микроорганизмы.

Ультрафиолетовое излучение (УФ)

Ультрафиолетовая система использует лампы, излучающие ультрафиолетовый свет в отфильтрованную воду для уничтожения всех видов вирусов, бактерий и простейших.

Растворы, активированные электрохимическим путем

Менее распространенный метод заключается в пропускании электрического тока через воду с небольшим добавлением солевого раствора для дезинфекции биологических загрязнений. В сочетании с фильтрацией это позволяет получать безопасную питьевую воду.

Обезсольчение

Некоторые грунтовые воды могут иметь высокую степень засоленности и быть непригодными для питья, что исправляется с помощью дистилляции. Прибрежные населенные пункты могут получать воду из океана, используя опреснительные установки, которые удаляют соль.

Омягчение воды

Присутствие определенных минералов в воде приводит к образованию жесткой воды, которая со временем может засорять трубы, снижать эффективность мыла и моющих средств, а также оставлять на стеклах и посуде налет. Системы умягчения воды добавляют ионы натрия и калия, которые вызывают выпадение в осадок минералов, вызывающих жесткость.

Использование и санитария

Для зданий, не подключенных к централизованным сетям, необходимо эффективное использование воды, чтобы избежать истощения запасов. Хотя это в конечном итоге зависит от привычек пользователей, меры включают установку водосберегающей сантехники – кранов, душевых леек и унитазов – которые снижают расход воды при открытии крана или объем воды на смыв, тем самым уменьшая общее потребление. Использование компостирующего туалета позволяет полностью исключить потребление воды в туалете. Автоматические датчики утечек и устройства автоматического перекрытия воды помогают сократить потери воды. Повторное использование серой воды – воды из кранов, душевых кабин, посудомоечных и стиральных машин – позволяет дополнительно экономить воду. Это достигается путем хранения и очистки серой воды, которую затем можно использовать для технических нужд, не пригодных для питья. Если автономный дом не подключен к канализационной системе, необходимо предусмотреть систему очистки сточных вод. Обычно локальная очистка сточных вод осуществляется путем хранения и фильтрации. Это предполагает хранение серой и черной воды в септике или аэрационном резервуаре для предварительной обработки, с последующим отводом в фильтрационное поле, где вода медленно просачивается в грунт. Существуют и более дорогие системы очистки сточных вод, однако данный метод является распространенным и надежным способом утилизации сточных вод без загрязнения окружающей среды.

Влияние на окружающую среду и устойчивость

Поскольку здания и сообщества, не подключенные к сети, в основном полагаются на возобновляемые источники энергии, жизнь вне сети, как правило, благоприятна для окружающей среды и оказывает незначительное негативное воздействие. Гибридные энергетические системы также предоставляют сообществам устойчивый образ жизни, избавляя от зависимости и затрат, связанных с подключением к общественной инфраструктуре, которая может быть ненадежной в развивающихся странах. Основные экологические проблемы, связанные с автономным энергоснабжением, – это использование дизельных генераторов, производящих парниковые газы, аккумуляторов, требующих значительных ресурсов для производства и представляющих потенциальную опасность, а также загрязнение окружающей среды твердыми отходами и сточными водами. Важно отметить, что, несмотря на указанные негативные воздействия, переход на автономное энергоснабжение в целом является эффективным способом снижения нагрузки на окружающую среду, особенно при замене зданий, подключенных к сети и способствующих глобальному потеплению и изменению климата.

Устойчивые сообщества

Концепция устойчивого автономного сообщества должна учитывать основные потребности всех его жителей. Чтобы стать по-настоящему самодостаточным, сообществу необходимо самостоятельно обеспечивать себя электроэнергией, продовольствием, жильем и водой. Использование возобновляемых источников энергии, местного источника воды, устойчивое сельское хозяйство и методы вертикального земледелия имеют решающее значение для обеспечения автономности сообщества. Недавний концептуальный проект Эрика Вичмана демонстрирует многоквартирное сообщество, объединяющее все эти технологии в самодостаточный район. Для расширения сообщества достаточно добавлять новые районы, используя ту же модель, что и первая. Самодостаточное сообщество снижает негативное воздействие на окружающую среду за счет контроля над отходами и углеродным следом.

Экономическое возмещение

В ситуациях, когда достигнут сетевой паритет, становится дешевле производить собственную электроэнергию, чем покупать её из сети. Это зависит от стоимости оборудования, доступности возобновляемых источников энергии и стоимости подключения к сети. Например, в некоторых отдалённых районах подключение к сети было бы непомерно дорогим, что сразу привело бы к достижению сетевого паритета. Это часто делается для жилых зданий, которые используются нерегулярно, например, для дач, чтобы избежать высоких первоначальных затрат на традиционные подключения к коммунальным сетям. Другие люди предпочитают жить в домах, где стоимость подключения к внешним коммунальным услугам слишком высока, или где расстояние до них делает это непрактичным. В своей книге "Как жить вне сети" Ник Розен перечисляет семь причин для перехода на автономное энергоснабжение. Две главные из них – экономия денег и снижение углеродного следа. Среди других причин – стремление к самообеспечению, подготовка к возможному краху нефтяной экономики и возрождение сельской жизни.

Электроэнергия для маргинализированных общин

Надежные централизованные системы электроснабжения обеспечивают стабильность поставок, что способствует развитию общества и его экономики. Электричество открывает возможности для повышения производительности, улучшения образования и соблюдения гигиенических норм в быту, например, приготовление пищи без использования загрязняющих источников топлива на основе биомассы, однако по состоянию на 2016 год 20 процентов населения мира жили без доступа к нему. По оценкам, для преодоления разрыва между текущим недостаточным обеспечением электроэнергией и всеобщим доступом потребуется 17 триллионов долларов США и 30 лет, даже при самом жестком графике реализации. Исследователи утверждают, что отсутствие централизованной энергетической инфраструктуры может привести к низкой устойчивости к ущербу для производительности и имущества, вызванному изменением климата и неблагоприятными погодными условиями. Кроме того, преимущества централизованной генерации и распределения электроэнергии уменьшаются в условиях ухудшения климата из-за генерации на ископаемом топливе, уязвимости к экстремальным погодным явлениям и электронному воздействию, а также все более сложным процессам проектирования и регулирования. Чтобы противодействовать этой тенденции, автономные системы электроснабжения должны учитывать культурные особенности, ценности и нормы принимающих сообществ. Автономные электрические системы могут обеспечивать энергией отдельные дома или сообщество, объединенное в общую структуру, известную как микросеть. Кроме того, они могут работать на возобновляемых источниках энергии или на традиционном ископаемом топливе. В Кении поселок Мпекетони начал реализацию проекта микросети на дизельном топливе (Проект электроснабжения Мпекетони [MEP]) в 1994 году с финансированием в размере около 40 000 долларов США, и в конечном итоге расширился до обслуживания 105 жилых домов и 116 коммерческих, образовательных, государственных и медицинских учреждений. MEP продемонстрировал неожиданные эффекты спроса и предложения: ремесленники, использующие инструменты, работающие от электроэнергии MEP, увеличили свою производительность настолько, что это привело к снижению стоимости их продукции, что потребовало снижения цен; однако более высокие объемы продаж в конечном итоге компенсировали эти потери. Электроэнергия, предоставляемая MEP, обеспечила возможность хранения сельскохозяйственной продукции в холодных условиях, а также водоснабжение с помощью насосов, что позволило учащимся, которые ранее тратили несколько часов в день на доставку воды, использовать это время для учебы по вечерам при электрическом свете. Электроэнергия, предоставляемая MEP, также способствовала увеличению учебных часов и улучшению санитарных условий в местных школах за счет электрического освещения и насосной воды. Проект MEP, реализованный в автономном режиме, принес многочисленные прямые и косвенные выгоды членам сообщества, и благодаря тому, что MEP уделял особое внимание продвижению использования электроэнергии и сообщество имело возможность платить небольшую плату за ее использование, проект достиг 94-процентной окупаемости затрат в течение первых десяти лет эксплуатации.

Отношение к альтернативным вариантам

Производство энергии вне сети иногда может затруднять развитие постоянной инфраструктуры – например, в случае устройств для генерации воды и постоянных трубопроводных сетей водоснабжения. Более того, сети зачастую могут быть существенно более эффективными и действенными или необходимыми – например, интеллектуальные и сверхсети для устойчивой энергетики – и поэтому часто полезны лишь в крупных масштабах для автономного развития общин в качестве резервного варианта, при реагировании на стихийные бедствия, для оказания другой гуманитарной помощи во время временного перемещения и для начальной поддержки долгосрочного развития инфраструктуры.

Ланд-лаб. как офф-решетка образовательных средах

Ланд-лаб предоставляет студентам учебную среду под открытым небом для изучения технологий и методов автономного жизнеобеспечения. В ланд-лабе студенты могут изучать пермакультуру, фотоэлектричество, сбор дождевой воды, животноводство, компостирование, товарное садоводство, системы биочара, метановые установки, печи Роккет, садоводство, экологию и множество других концепций автономного образа жизни. Государственные школы, чартерные школы, частные школы и домашнее обучение могут получить пользу от использования среды ланд-лаба для обучения студентов принципам устойчивого развития, независимости и экологическим системам.