Автономность или автономность от сети — это характеристика зданий и образа жизни [1] , спроектированная независимым образом, без зависимости от одного или нескольких коммунальных предприятий . Термин «автономный» традиционно относится к отсутствию подключения к электрической сети , но может также включать в себя другие коммунальные услуги, такие как системы водоснабжения, газа и канализации, и может масштабироваться от жилых домов до небольших населенных пунктов. Жизнь вне сети позволяет зданиям и людям быть самодостаточными, что выгодно в изолированных местах, куда не могут добраться обычные коммунальные услуги, и привлекательно для тех, кто хочет снизить воздействие на окружающую среду и стоимость жизни. Как правило, автономное здание должно быть способно обеспечивать себя энергией и питьевой водой, а также управлять продуктами питания, отходами и сточными водами.
Энергия для электроснабжения и отопления может быть получена путем сжигания углеводородов (например, дизельными генераторами, пропановым отоплением) или генерироваться на месте с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия (особенно с помощью фотогальваники ), ветер или микрогидроэлектростанции . [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 в обычной воздушной среде внутри зданий. [3] Можно просто устранить нехватку энергии, например, с помощью солнечных и ветровых технологий, таких как у амишей старого порядка (хотя они используются и санкционированы, не все согласны) [4] и общин меннонитов старого порядка , и многие амиши до сих пор используют паровые двигатели. . [5]
Здания, подключенные к сети, получают электроэнергию от электростанций, которые в основном используют природные ресурсы, такие как уголь и природный газ, в качестве энергии для преобразования в электроэнергию. Анализ мировых источников энергии за 2017 год [6] показывает, что земной шар, в основном зависящий от энергосистемы, использует большую часть невозобновляемых источников энергии, в то время как популярные возобновляемые источники энергии, такие как солнечная фотоэлектрическая энергия и энергия ветра, составляют небольшую часть. Когда здания и дома отключены от сети, например, в Африке, где 55% населения страны не имеют доступа к электричеству, [7] здания и дома должны использовать преимущества окружающих их возобновляемых источников энергии, поскольку они являются наиболее распространенными и обеспечивают самодостаточность. .
Солнечные фотоэлектрические системы (PV), использующие энергию Солнца, являются одним из самых популярных энергетических решений для автономных зданий. Фотоэлектрические батареи (солнечные панели) позволяют преобразовывать энергию солнца в электрическую энергию. Фотоэлектрическая энергия зависит от солнечной радиации и температуры окружающей среды. Другие компоненты, необходимые в фотоэлектрической системе, включают контроллеры заряда, инверторы и средства управления быстрым отключением. [8] Эти системы дают автономным объектам возможность 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.
Энергию ветра можно использовать с помощью ветряных турбин. Компоненты ветряных турбин состоят из лопастей, которые толкаются ветром, редукторов, контроллеров, генераторов, тормозов и башни. [9] Количество механической энергии, улавливаемой ветряной турбиной, зависит от скорости ветра, плотности воздуха, площади вращения лопастей и коэффициента аэродинамической мощности турбины. [10]
Там, где воды много, гидроэнергетика является многообещающим энергетическим решением. Крупная гидроэнергетика предполагает плотину и водохранилище, а малая микро-ГЭС 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 ветряным турбинам. Энергия волн и приливов также может обеспечивать электроэнергией прибрежные районы. [13]
Когда возобновляемые источники энергии производят энергию, которая в настоящее время не нужна, электрическая энергия обычно направляется на зарядку аккумулятора. Это решает проблемы перебоев, вызванные непостоянным производством возобновляемых источников энергии, и позволяет варьировать нагрузку на здания. Общие батареи включают свинцово-кислотную батарею и литий-ионную батарею. [14]
Чтобы защититься от проблем с перебоями и сбоями систем, многие автономные сообщества создают гибридные энергетические системы. Они сочетают в себе традиционные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные фотоэлектрические системы, а также ветровые, микрогидроэлектростанции, батареи и даже дизельные генераторы. Это может быть дешевле и эффективнее, чем расширение или обслуживание сетей в изолированных сообществах. [15]
Исторически удаленные объекты, такие как маяки, метеостанции и тому подобное, которые потребляют небольшое, но непрерывное количество энергии, питались радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РТГ) с необходимыми радиоизотопами, которые либо извлекались из отработанного ядерного топлива , либо производились на специальных объектах. И Советский Союз, и Соединенные Штаты использовали множество подобных устройств на Земле, и каждый зонд дальнего космоса, выходящий за пределы орбиты Марса (и даже некоторые во внутренней части Солнечной системы), имел РИТЭГ для обеспечения электроэнергией там, где солнечные панели больше не обеспечивают достаточного количества электроэнергии. на единицу массы.
Типы пассивных автономных систем охлаждения на солнечной энергии могут использоваться для охлаждения домов и/или холодильного оборудования, в том числе такие, которые не требуют электрических компонентов и позволяют химически хранить энергию по требованию. Это может быть полезно для смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним . [16] [17]
Сети , такие как BATMAN, можно использовать для поддержания или установления связи без традиционной инфраструктуры. [18] Кроме того, технологии автономной связи могут использоваться для мониторинга окружающей среды, безопасности и сельского хозяйства, а также для экстренной связи и координации, например, при распределении работы .
Дроны использовались для оказания автономной медицинской помощи, особенно в самых отдаленных регионах мира. При включенной связи они доставляют тестовые образцы, лекарства, вакцины, продукты питания, воду и противоядия. [19] [20]
Сообщается, что мелкомасштабные методы управления отходами в Западной Европе, часто для конкретных или стандартизированных отходов, в основном используют одну из двух основных стратегий: аэробную (с помощью растений) и анаэробную обработку (с производством биогаза ). [21]
Вода является важнейшим фактором в автономной среде, которую необходимо эффективно собирать, использовать и утилизировать, чтобы использовать окружающую среду. Существует множество способов подачи воды для бытового использования внутри помещений, которые различаются в зависимости от местного доступа и предпочтений.
Близлежащие ручьи, пруды, реки и озера являются легкими доступами к пресной воде. Океаны также можно рассматривать при правильном опреснении.
Этот традиционный метод включает в себя раскопки там, где под землей присутствует и в изобилии вода, обычно до уровня грунтовых вод или водоносного горизонта, и подъем ее для использования или сбор у источников, где подземные воды выходят на поверхность. [22] Системы подачи подземной воды в здания включают ветряные и солнечные насосы или ручные насосы. [23] Колодезную воду следует проверять регулярно, а также при изменении вкуса, запаха или внешнего вида воды, чтобы убедиться в ее качестве. [24]
Эта система полагается на погоду для обеспечения водой. Водосборные системы проектируются с учетом потребности пользователей в воде и местных характеристик осадков. [25] 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 большого количества чистой воды к месту ее хранения. Эта система основана на доступе к чистой питьевой воде в другом месте и транспортировке к объекту, не имеющему электросети. [26]
Генераторы атмосферной воды имеют большой потенциал для автономного производства воды. [27]
Откуда бы ни берётся вода, она должна быть безопасной для питья и использования в помещении. Для решения различных проблем с качеством воды доступны различные стратегии очистки воды.
Физический барьер пропускает воду и блокирует примеси в воде, а если фильтр достаточно тонкий, то он может отфильтровывать биологические загрязнения. [28]
Для обеззараживания воды вводятся такие вещества, как хлор, диоксид хлора и озон, которые убивают микроорганизмы. [29]
В УФ-системе используются лампы, которые излучают ультрафиолетовый свет в фильтрованную воду, чтобы убить все типы вирусов, бактерий и простейших. [30]
Менее типичный подход заключается в воздействии тока на воду, в которую добавлен небольшой раствор соли для дезинфекции биологических загрязнений. [31] В сочетании с фильтрацией это средство обеспечивает безопасную питьевую воду.
Некоторые грунтовые воды могут иметь высокий уровень солености [32] и быть непригодными для питья, что фиксируется путем дистилляции. Прибрежные сообщества могут получить выгоду от получения воды из океана с помощью опреснительных установок, удаляющих соль.
Присутствие в воде определенных минералов приводит к ее жесткости, которая со временем может засорять трубы, мешать мылу и моющим средствам, а также оставлять накипь на стаканах и посуде. Системы умягчения воды вводят ионы натрия и калия, которые вызывают осаждение твердых минералов. [33]
Для автономных зданий необходимо эффективное использование воды, чтобы предотвратить истощение запасов воды. Хотя это в конечном итоге зависит от привычки, меры включают в себя приспособления с низким расходом для смесителей, душевых насадок и унитазов, которые уменьшают расход воды в смесителях или объем воды на один смыв, чтобы уменьшить общий объем используемой воды. Воду из туалетов можно удалить с помощью компостного туалета . [34] Автоматические детекторы утечек и затворы кранов могут сократить количество ненужной воды. Переработка бытовых сточных вод может еще больше сэкономить воду за счет повторного использования воды из кранов, душевых кабин, посудомоечных машин и стиральных машин. Это достигается путем хранения и очистки сточных вод, которые затем можно повторно использовать в качестве источника непитьевой воды.
Если автономный дом не подключен к канализационной системе, необходимо также включить систему сточных вод . Очистка сточных вод на месте обычно осуществляется путем хранения и выщелачивания. Это предполагает хранение бытовых и сточных вод в септическом резервуаре или аэротенке для очистки, который соединен с полем 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.
Поскольку автономные здания и сообщества в основном полагаются на возобновляемую энергию, жизнь вне сети, как правило, полезна для окружающей среды с небольшим негативным воздействием. Гибридные энергетические системы также предоставляют сообществам устойчивый образ жизни без зависимости и затрат на подключение к общественной инфраструктуре, которая может быть ненадежной в развивающихся странах. Как правило, отдельными проблемами воздействия на окружающую среду являются использование дизельных генераторов, которые производят парниковые газы, аккумуляторов, для производства которых используется много ресурсов и которые могут быть опасными , а также загрязнение окружающей среды твердыми отходами и сточными водами. Разумно отметить, что хотя приведенные ниже проблемы касаются негативного воздействия на окружающую среду, отказ от сети в целом является жизнеспособным вариантом, который поможет снизить воздействие на окружающую среду при замене подключенных к сети зданий, которые способствуют глобальному потеплению и изменению климата.
В Канаде насчитывается около 175 общин аборигенов и северных автономных сообществ, определяемых как «сообщество, которое не подключено ни к североамериканской электрической сети, ни к трубопроводной сети природного газа; оно является постоянным или долгосрочным (5 лет или более), и в поселениях имеется не менее 10 постоянных построек». [35] По делам аборигенов и развитию Севера Канада перечисляет следующие экологические проблемы для этих автономных сообществ:
Воздействие систем, используемых в автономных зданиях, на окружающую среду также необходимо учитывать из-за воплощенной энергии , воплощенного углерода , выбора и источника материалов, которые могут способствовать таким мировым проблемам, как изменение климата, загрязнение воздуха, воды и почвы , ресурсы истощение и многое другое. [36]
Концепция устойчивого автономного сообщества должна учитывать основные потребности всех, кто живет в сообществе . Чтобы стать по-настоящему самодостаточным , сообществу необходимо будет обеспечить всю свою собственную электроэнергию , еду, жилье и воду . Использование возобновляемых источников энергии , локального источника воды , методов устойчивого сельского хозяйства и вертикального земледелия имеет первостепенное значение для отключения общества от электросети. Недавний концептуальный проект Эрика Вичмана демонстрирует многосемейное сообщество, которое объединяет все эти технологии в один самодостаточный район. Чтобы расширить сообщество, вы просто добавляете районы, используя ту же модель, что и первая. Самодостаточное сообщество снижает свое воздействие на окружающую среду, контролируя отходы и углеродный след .
В ситуациях, когда достигнут сетевой паритет , становится дешевле производить собственную электроэнергию, чем покупать ее из сети. Это зависит от стоимости оборудования, наличия возобновляемых источников энергии и стоимости подключения к сети. Например, в некоторых отдаленных районах подключение к сети будет непомерно дорогим, в результате чего паритет сети будет достигнут немедленно.
Это часто делается для жилых зданий, которые используются лишь изредка, например, для дачных домиков, чтобы избежать высоких первоначальных затрат на традиционные подключения к инженерным сетям. Другие люди предпочитают жить в домах, где стоимость внешних коммунальных услуг непомерно высока, или на таком расстоянии, что это непрактично. В своей книге «Как жить вне сети» Ник Розен перечисляет семь причин для отключения от сети. Два главных направления – это экономия денег и сокращение выбросов углекислого газа. В число других входят выжившие , готовящиеся к краху нефтяной экономики и возвращающие жизнь в сельскую местность. [37]
Надежные централизованные системы электроснабжения обеспечили стабильность поставок, что укрепило общество и его экономику. [38] Электричество открывает возможности для повышения производительности, обучения и гигиенических целей в доме, таких как приготовление пищи без использования источников загрязняющего топлива из биомассы, однако по состоянию на 2016 год 20 процентов людей во всем мире жили без него. [39] По прогнозам, преодоление разрыва от нынешнего недостаточного обеспечения электросетью до всеобщего доступа потребует 17 триллионов долларов США и 30 лет даже при соблюдении строгого графика. [40] Исследователи утверждают, что отсутствие централизованной энергетической инфраструктуры может привести к низкой устойчивости к ущербу, причиняемому производительности и имуществу в результате изменения климата и суровых погодных условий. [40] [41] Кроме того, преимущества централизованного производства и распределения электроэнергии сходят на нет в условиях деградации климата из-за выработки электроэнергии на ископаемом топливе, уязвимости к экстремальным погодным явлениям и электронным манипуляциям, а также все более сложного проектирования и нормативных процессов. [38]
Децентрализованные автономные энергетические системы могут представлять собой устойчивую временную альтернативу расширению национальных сетей для сельских потребителей. [41] Те, кто использует ограниченную автономную мощность в качестве трамплина для возможного доступа к сети, могут накопить энергоэффективные знания, поведение и продукты, которые придают дополнительную устойчивость, в то время как надежность сетевых сетей повышается [41] и углеродная нейтральность . Однако предоставление автономной электроэнергии сельским пользователям без обучения и просвещения по вопросам ее использования и применения может привести к недостаточному использованию. [40] [42] Чтобы противодействовать этой возможности, автономные системы должны отражать культурные структуры, ценности и нравы принимающих сообществ. [39] [43]
Автономные электрические системы могут обеспечивать электроснабжение отдельных домов или сообществ, объединенных в общую систему, известную как микросеть . Кроме того, они могут питаться от возобновляемых источников энергии или от обычного ископаемого топлива. В Кении в 1994 году в поселке Мпекетони начался общественный проект микросети с дизельным двигателем (Проект электроэнергии Мпекетони [MEP]) с затратами примерно 40 000 долларов США, и в конечном итоге он вырос и стал обслуживать 105 жилых домов и 116 коммерческих, образовательных, правительственные и медицинские здания. [44] MEP продемонстрировал непредвиденные эффекты спроса и предложения, когда ремесленники, использующие инструменты, работающие на электричестве MEP, увеличили свою производительность настолько, что вызвали обесценивание своих товаров, что потребовало снижения их цен; однако более высокие объемы продаж в конечном итоге компенсировали эти потери. [44] Электричество MEP способствовало хранению сельскохозяйственной продукции в холодильнике, а также откачиванию скважин, что позволило студентам, которые раньше тратили несколько часов в день на доставку воды, проводить это время за учебой вечером при электрическом освещении. [44] Электричество, предоставленное МООС, также расширило часы обучения и улучшило санитарные условия в местных школах за счет электрического освещения и насосной воды. [44] Автономный проект МООС имел многочисленные прямые и косвенные выгоды для членов сообщества, и поскольку МООС делал упор на поощрение использования электроэнергии, а сообщество имело возможность платить номинальные ставки за ее использование, стоимость проекта составила 94 процента. восстановление за первые десять лет работы. [44]
Автономное производство электроэнергии иногда может препятствовать усилиям по развитию постоянной инфраструктуры – например, в случае с устройствами для производства воды и постоянными сетями водопроводного водоснабжения . [27] Кроме 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 сообщества, разрабатывающего альтернативы, как запасной вариант, для реагирования на стихийные бедствия , для другой гуманитарной помощи во время временного переселения и для первоначальной поддержки долгосрочного развития инфраструктуры.
Наземные лаборатории предоставляют учащимся классную среду на открытом воздухе, где они могут узнать об автономных технологиях и методах. В наземной лаборатории студенты могут узнать о пермакультуре, фотоэлектрических элементах, сборе дождевой воды, животноводстве, компостировании, огородничестве, биоугольных системах, реакторах метана, ракетных нагревателях, садоводстве, экологии и множестве других автономных концепциях.
Государственные школы, чартерные школы, частные школы и домашние школы могут извлечь выгоду из использования наземной лаборатории для обучения учащихся принципам устойчивости, независимости и экологических систем.
Компания Western Power завершила развертывание 52 автономных энергосистем, что позволило ей отключить около 230 км воздушных линий электропередачи.
удалось избежать дорогостоящей замены около 230 километров воздушных линий электропередачи.
Автономные энергосистемы (SAPS) сочетают в себе различное количество солнечной энергии, аккумуляторов и резервного дизель-генератора, все в зависимости от потребностей и потребления клиента.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )