Off-the-grid или off-grid — это характеристика зданий и образа жизни [1], разработанных независимым образом без зависимости от одной или нескольких коммунальных служб . Термин «off-the-grid» традиционно относится к отсутствию подключения к электросети , но может также включать другие коммунальные услуги, такие как вода, газ и канализация, и может масштабироваться от жилых домов до небольших сообществ. Off-the-grid проживание позволяет зданиям и людям быть самодостаточными, что выгодно в изолированных местах, куда обычные коммунальные услуги не доходят, и привлекательно для тех, кто хочет снизить воздействие на окружающую среду и стоимость жизни. Как правило, off-the-grid здание должно иметь возможность поставлять энергию и питьевую воду для себя, а также управлять продуктами питания, отходами и сточными водами.
Энергия для электроснабжения и отопления может быть получена путем сжигания углеводородов (например, дизельные генераторы, пропановое отопление) или сгенерирована на месте с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнечная (особенно с фотоэлектрическими установками ), ветряная или микрогидроэлектростанция . [2] Дополнительные формы энергии включают биомассу, обычно в виде древесины, отходов и спиртового топлива, а также геотермальную энергию, которая использует разницу в температуре под землей и обычных внутренних воздушных средах зданий. [3] Можно просто устранить нехватку энергии (например, с помощью солнечных и ветровых технологий, таких как в общинах амишей старого порядка — хотя они используются и санкционированы, не все согласны) [4] и общинах меннонитов старого порядка , и многие амиши все еще используют паровые двигатели . [5]
Сетевые здания получают электроэнергию от электростанций, которые в основном используют природные ресурсы, такие как уголь и природный газ, в качестве энергии для преобразования в электроэнергию. Разбивка мировых источников энергии за 2017 год [6] показывает, что земной шар, в основном зависящий от сетевой энергии, использует большую часть невозобновляемых источников энергии, в то время как популярные возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра, составляют небольшую часть. Когда здания и дома находятся вне сети, например, в Африке, где 55% людей не имеют доступа к электричеству, [7] они должны использовать возобновляемые источники энергии вокруг них, потому что они наиболее распространены и позволяют обеспечить самодостаточность.
Солнечные фотоэлектрические системы (ФЭ), использующие энергию солнца, являются одним из самых популярных энергетических решений для зданий, не подключенных к электросети. Массивы ФЭ (солнечные панели) позволяют преобразовывать энергию солнца в электрическую энергию. ФЭ зависит от солнечного излучения и температуры окружающей среды. Другие компоненты, необходимые в фотоэлектрической системе, включают контроллеры заряда, инверторы и средства управления быстрым отключением. [8] Эти системы дают возможность автономным объектам генерировать энергию без подключения к сети. Каждый квартал Bloomberg New Energy Finance оценивает производителей по их фактическим проектам за предыдущий квартал и публикует список производителей солнечных модулей (панелей) первого уровня.
Ветровая энергия может быть использована ветряными турбинами. Компоненты ветряных турбин состоят из лопастей, которые толкаются ветром, редукторов, контроллеров, генераторов, тормозов и башни. [9] Количество механической энергии, полученной от ветряной турбины, зависит от скорости ветра, плотности воздуха, площади вращения лопастей и аэродинамического коэффициента мощности турбины. [10]
Там, где воды много, гидроэнергетика является перспективным энергетическим решением. Крупномасштабная гидроэнергетика включает плотину и водохранилище, а микрогидроэнергетика малого масштаба может использовать турбины в реках с постоянным уровнем воды. [11] [12] Количество вырабатываемой механической энергии зависит от расхода потока, размера турбины, плотности воды и коэффициента мощности, аналогично ветровым турбинам. Энергия волн и приливов также может обеспечивать электроэнергией прибрежные районы. [13]
Когда возобновляемые источники энергии производят энергию, которая в данный момент не нужна, электрическая энергия обычно направляется на зарядку аккумулятора. Это решает проблемы с перебоями, вызванные непостоянным производством возобновляемых источников энергии, и позволяет изменять нагрузку на здание. Обычные аккумуляторы включают свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы. [14]
Чтобы защититься от проблем с перебоями и системными сбоями, многие сообщества, не подключенные к электросети, создают гибридные энергетические системы. Они объединяют традиционные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные фотоэлектрические системы, и ветровые, микрогидроэлектростанции, батареи или даже дизельные генераторы. Это может быть дешевле и эффективнее, чем расширение или поддержание сетей в изолированных сообществах. [15]
Исторически отдаленные приложения, такие как маяки, метеостанции и тому подобное, которые потребляют небольшое, но постоянное количество энергии, питались от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) с необходимыми радиоизотопами, либо извлеченными из отработанного ядерного топлива , либо произведенными на специальных объектах. И Советский Союз, и Соединенные Штаты использовали многочисленные такие устройства на Земле, и каждый зонд глубокого космоса, достигший орбиты Марса (и даже некоторые во внутренней части Солнечной системы), имел РИТЭГ для обеспечения питания там, где солнечные панели больше не вырабатывают достаточно электроэнергии на единицу массы.
Электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрическими системами, является постоянным током и хранится в батареях в качестве постоянного тока, а здания постоянного тока устранят необходимость в преобразованиях из переменного тока в постоянный . Треть электроэнергии в доме уже используется в качестве постоянного тока для электроники , светодиодных ламп и других приборов . Рынок бытовых приборов постоянного тока развивается, что необходимо для того, чтобы дом на 100% питался постоянным током. Электрическую панель , автоматические выключатели и предохранители необходимо заменить на компоненты, совместимые с постоянным током, если дом переменного тока переоборудуется в постоянный ток. Для чистого измерения , чтобы продать обратно в сеть, все еще потребуется инвертор , а также для использования сети в качестве резерва, если все еще используется сетевая электрическая система . Электроэнергия постоянного тока не передается эффективно по линиям электропередач на большие расстояния, но если ее генерировать и хранить в батареях на месте, то на 10-20 процентов эффективнее сохранять ее в виде постоянного тока и таким образом запускать приборы без инвертирования . [16] [17] [18]
Типы пассивных автономных систем охлаждения на солнечной энергии могут использоваться для охлаждения домов и/или заморозки – включая некоторые, которые не требуют электрических компонентов и позволяют химически хранить энергию по требованию. Такие могут быть полезны для смягчения последствий изменения климата и адаптации . [19] [20]
Такие сети , как BATMAN, могут использоваться для поддержания или установления связи без традиционной инфраструктуры. [21] Более того, технологии связи вне сети могут использоваться для мониторинга окружающей среды, безопасности и сельского хозяйства, а также для экстренной связи и координации, например, для распределения рабочих мест .
Дроны использовались для внесетевого здравоохранения, особенно в самых отдаленных регионах мира. При наличии связи они доставляют образцы для испытаний, лекарства, вакцины, еду, воду и противоядия. [22] [23]
Сообщается, что мелкомасштабные методы управления отходами в Западной Европе, часто для специфических или стандартизированных отходов, в основном используют одну из двух основных стратегий: аэробную (с растениями) и анаэробную обработку (с производством биогаза ). [24]
Вода является важнейшим фактором в среде, не подключенной к электросети, ее необходимо эффективно собирать, использовать и утилизировать, чтобы использовать окружающую среду. Существует много способов подачи воды для бытового использования в помещениях, которые различаются в зависимости от местного доступа и предпочтений.
Близлежащие ручьи, пруды, реки и озера являются легкими точками доступа к пресной воде. Океаны также могут рассматриваться при надлежащем опреснении.
Этот традиционный метод включает в себя рытье скважины до места, где вода присутствует и в изобилии под землей, обычно до уровня грунтовых вод или водоносного слоя, и подъем ее для использования или сбор в источниках, где грунтовые воды выходят на поверхность. [25] Системы для подачи грунтовых вод в здания включают в себя насосы, работающие на ветру и солнце, или ручные насосы. [26] Колодезную воду следует проверять регулярно и при изменении вкуса, запаха или внешнего вида воды, чтобы убедиться в ее качестве. [27]
Эта система полагается на погоду для обеспечения водой. Системы водосбора проектируются на основе потребности пользователей в воде и местных характеристик осадков. [28] Дождевая вода обычно направляется с крыши здания в резервуары для воды, где вода хранится до тех пор, пока она не понадобится.
Другой, менее самодостаточный метод предполагает доставку больших объемов чистой воды на место ее хранения. Эта система опирается на доступ к чистой питьевой воде в другом месте и транспортировку на место, не подключенное к электросети. [29]
Атмосферные генераторы воды имеют большой потенциал для автономной генерации воды. [30]
Откуда бы ни поступала вода, она должна быть безопасной для питья и использования в помещении. Для решения различных проблем с качеством воды существуют различные стратегии очистки воды.
Физический барьер пропускает воду и блокирует примеси в воде, а если фильтр достаточно тонкий, он может отфильтровывать биологические загрязнители. [31]
Для дезинфекции воды в нее вводят хлор, диоксид хлора и озон, которые убивают микроорганизмы. [32]
УФ-система использует лампы, которые излучают ультрафиолетовый свет в отфильтрованную воду, чтобы убить все типы вирусов, бактерий и простейших. [33]
Менее типичный подход заключается в применении тока к воде, в которую добавлен небольшой солевой раствор для дезинфекции биологических загрязнителей. [34] В сочетании с фильтрацией это является средством обеспечения безопасной питьевой водой.
Некоторые грунтовые воды могут иметь высокий уровень солености [35] и могут быть непригодными для питья, что устраняется путем дистилляции. Прибрежные сообщества могут извлечь выгоду, получая воду из океана с помощью опреснительных установок, которые удаляют соль.
Присутствие определенных минералов в воде делает воду жесткой, что может со временем засорить трубы, помешать мылу и моющим средствам и может оставить накипь на стаканах и посуде. Системы смягчения воды вводят ионы натрия и калия, которые заставляют твердые минералы выпадать в осадок. [36]
Для зданий, не подключенных к электросети, необходимо эффективное использование воды, чтобы предотвратить истощение запасов воды. Хотя это в конечном итоге зависит от привычки, меры включают в себя установку кранов, душевых лей и туалетов с низким расходом воды, что снижает расход кранов или объем воды на смыв, чтобы сократить общее количество используемой воды. Вода может быть устранена в туалетах с помощью использования компостного туалета . [37] Автоматические детекторы утечек и затворы кранов могут сократить количество сбрасываемой воды. Переработка серой воды может дополнительно сэкономить воду за счет повторного использования воды из кранов, душевых, посудомоечных машин и стиральных машин. Это делается путем хранения и обработки серой воды, которую затем можно повторно использовать в качестве источника непитьевой воды.
Если автономный дом не подключен к канализации, система сточных вод также должна быть включена. Управление сточными водами на месте обычно осуществляется путем хранения и выщелачивания. Это включает хранение серой и черной воды в септике или аэротенке для очистки, который подключен к полю выщелачивания, которое медленно позволяет воде просачиваться в землю. Хотя также доступны более дорогие варианты очистки сточных вод, это распространенный надежный способ утилизации сточных вод без загрязнения окружающей среды.
Финансовый выход из сети может быть осуществлен с помощью наличных , денежных карт , криптовалют , альтернативных общественных валют , внесетевого однорангового кредитования и инвестиционных монет . Это может быть полезно для защиты финансовых активов от банковских банкротств , банковского мошенничества , замораживания активов , электромагнитного импульса и от кредиторов или коллекторов . [38]
Поскольку автономные здания и сообщества в основном полагаются на возобновляемые источники энергии, автономная жизнь, как правило, полезна для окружающей среды с небольшим негативным воздействием. Гибридные энергетические системы также предоставляют сообществам устойчивый способ жизни без зависимости и затрат на подключение к общественной инфраструктуре, которая может быть ненадежной в развивающихся странах. Как правило, отдельные проблемы воздействия на окружающую среду связаны с использованием дизельных генераторов, которые производят парниковые газы, аккумуляторов, которые используют много ресурсов для производства и могут быть опасными , и загрязнением в естественной среде твердыми отходами и сточными водами. Разумно отметить, что, хотя проблемы, перечисленные ниже, касаются негативного воздействия на окружающую среду, в целом выход из сети является жизнеспособным вариантом, помогающим снизить воздействие на окружающую среду при замене подключенных к сети зданий, которые способствуют глобальному потеплению и изменению климата.
В Канаде насчитывается около 175 аборигенных и северных автономных общин, определяемых как «община, которая не подключена ни к североамериканской электросети, ни к трубопроводной сети природного газа; она является постоянной или долгосрочной (5 лет или более), и в поселениях имеется не менее 10 постоянных зданий». [39] Министерство по делам аборигенов и развитию северных районов Канады перечисляет следующие экологические проблемы для этих автономных общин:
Воздействие систем, используемых в зданиях без подключения к электросети, на окружающую среду также необходимо учитывать из-за воплощенной энергии , воплощенного углерода , выбора и источника материалов, которые могут способствовать возникновению таких мировых проблем, как изменение климата, загрязнение воздуха, воды и почвы , истощение ресурсов и многое другое. [40]
Концепция устойчивого автономного сообщества должна учитывать основные потребности всех, кто живет в сообществе . Чтобы стать по-настоящему самодостаточным , сообществу необходимо будет обеспечить себя собственной электроэнергией , едой, жильем и водой . Использование возобновляемых источников энергии , местного источника воды , устойчивого сельского хозяйства и методов вертикального земледелия имеет первостепенное значение для отключения сообщества от сети. Недавний концептуальный проект Эрика Вичмана показывает многосемейное сообщество, которое объединяет все эти технологии в один самодостаточный район. Чтобы расширить сообщество, вы просто добавляете районы, используя ту же модель, что и первый. Самодостаточное сообщество снижает свое воздействие на окружающую среду, контролируя свои отходы и углеродный след .
В ситуациях, когда достигается сетевой паритет , становится дешевле производить собственную электроэнергию, чем покупать ее из сети. Это зависит от стоимости оборудования, доступности возобновляемых источников энергии и стоимости подключения к сети. Например, в некоторых отдаленных районах подключение к сети будет непомерно дорогим, в результате чего сетевой паритет будет достигнут немедленно.
Часто это делается в жилых зданиях, которые используются лишь изредка, например, в домах для отдыха, чтобы избежать высоких первоначальных затрат на традиционные коммунальные услуги. Другие люди предпочитают жить в домах, где стоимость внешних коммунальных услуг непомерно высока или находится на таком расстоянии, что это непрактично. В своей книге « Как жить вне сети» Ник Розен перечисляет семь причин для отказа от сетей. Две главные — экономия денег и сокращение углеродного следа. Другие включают выживальщиков , готовящихся к краху нефтяной экономики и возвращающих жизнь в сельскую местность. [41]
Надежные централизованные системы электроснабжения обеспечили постоянство поставок, что укрепило общества и их экономику. [42] Электричество предоставляет возможности для повышения производительности, обучения и гигиеничного конечного использования в домашних условиях, например, для приготовления пищи без использования загрязняющих источников биомассы, однако по состоянию на 2016 год 20 процентов людей во всем мире жили без него. [43] Прогнозируется, что для преодоления разрыва между текущим недообеспечением электросетей и всеобщим доступом потребуется 17 триллионов долларов США и 30 лет даже при строгом графике. [44] Исследователи утверждают, что отсутствие централизованной энергетической инфраструктуры может привести к низкой устойчивости к ущербу производительности и имуществу от изменения климата и суровой погоды. [44] [45] Кроме того, преимущества централизованного производства и распределения электроэнергии отступают перед лицом климатической деградации из-за генерации на основе ископаемого топлива, уязвимости к экстремальным погодным явлениям и электронным манипуляциям, а также все более сложных процессов проектирования и регулирования. [42]
Децентрализованные, автономные энергетические системы могут представлять собой устойчивую промежуточную альтернативу расширению национальных сетей для сельских потребителей. [45] Те, кто использует ограниченную автономную электроэнергию в качестве ступеньки к возможному доступу к сети, могут накапливать энергоэффективные знания, поведение и продукты, которые обеспечивают дополнительную устойчивость, в то время как сетевые сети увеличивают надежность [45] и углеродную нейтральность . Однако предоставление автономных электростанций сельским пользователям без включения обучения и просвещения по их использованию и применению может привести к недоиспользованию. [44] [46] Чтобы противодействовать этой возможности, автономные системы должны отражать культурные структуры, ценности и нравы принимающих сообществ. [43] [47]
Автономные электрические системы могут питать отдельные дома или сообщество, связанное в общую схему, известную как микросеть . Кроме того, они могут питаться от возобновляемых источников энергии или от обычного ископаемого топлива. В Кении поселок Мпекетони начал общественный проект микросети на дизельном топливе (проект Mpeketoni Electricity Project [MEP]) в 1994 году с затратами около 40 000 долларов США и в конечном итоге вырос до обслуживания 105 домов и 116 коммерческих, образовательных, правительственных и медицинских зданий. [48] MEP продемонстрировал непредвиденные эффекты спроса и предложения, когда ремесленники, использующие инструменты, работающие от электроэнергии MEP, увеличили свою производительность настолько, что это привело к обесцениванию их товаров, что потребовало снижения их цен; однако более высокие объемы продаж в конечном итоге компенсировали эти потери. [48] Электроэнергия MEP способствовала охлаждению сельскохозяйственной продукции, в дополнение к откачке воды из скважин, что позволило студентам, которые ранее тратили несколько часов в день на то, чтобы принести воду, проводить это время за учебой вечером при электрическом освещении. [48] Электроэнергия, предоставляемая MEP, также увеличила часы обучения и санитарные условия в местных школах за счет электрического освещения и перекачиваемой воды. [48] Проект MEP по созданию автономной сети имел многочисленные прямые и косвенные выгоды для членов сообщества, и поскольку MEP подчеркивал необходимость поощрения использования электроэнергии, а сообщество имело возможность платить номинальные ставки за ее использование, проект достиг 94-процентного возмещения затрат за первые десять лет работы. [48]
Автономная генерация может иногда препятствовать усилиям по развитию постоянной инфраструктуры, например, в случае устройств для производства воды и постоянных сетей трубопроводного водоснабжения . [30] Более того, сети часто могут быть существенно более эффективными и действенными или необходимыми, например, в случае интеллектуальных сетей и суперсетей для устойчивой энергетики , и, следовательно, часто могут быть полезны только в больших масштабах для автономного развития сообществ альтернатив, в качестве запасного варианта, для реагирования на стихийные бедствия , для другой гуманитарной помощи во время временного переселения и для первоначальной поддержки долгосрочного развития инфраструктуры.
Земельные лаборатории предоставляют учебную среду на открытом воздухе для студентов, чтобы узнать о внесетевых технологиях и методах. В земельной лаборатории студенты могут узнать о пермакультуре, фотоэлектричестве, сборе дождевой воды, животноводстве, компостировании, товарном садоводстве, системах биоугля, метановых реакторах, ракетных нагревателях массы, садоводстве, экологии и бесчисленном множестве других внесетевых концепций.
Государственные школы, чартерные школы, частные школы и школы с домашним обучением могут извлечь пользу из использования условий наземной лаборатории для обучения учащихся основам устойчивого развития, независимости и экологических систем.
Развертывание 52 автономных энергосистем компанией Western Power в настоящее время завершено, что позволило ей удалить около 230 км воздушных линий электропередач. удалось избежать дорогостоящей замены около 230 км воздушных линий электропередач. Автономные энергосистемы (SAPS) объединяли различные объемы солнечной энергии, аккумуляторных батарей и резервного дизельного генератора, все в зависимости от потребностей и потребления клиента
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )