オフグリッド
太陽光パネルと雨水利用住宅

オフザグリッドまたはオフグリッドとは、1つまたは複数の公共設備に依存せずに独立した方法で設計された建物やライフスタイル[ 1 ]の特徴です。「オフザグリッド」という用語は、伝統的に電力網に接続されていないことを指しますが、水道、ガス、下水道システムなどの他のユーティリティも含み、住宅から小規模コミュニティにまで規模が及ぶ可能性があります。オフザグリッド生活は、建物と人々の自給自足を可能にします。これは、通常のユーティリティが届かない孤立した場所で有利であり、環境への影響と生活費を削減したい人にとって魅力的です。一般的に、オフグリッドの建物は、エネルギーと飲料水を自ら供給し、食料、廃棄物、廃水を管理できなければなりません。

エネルギー

電力と暖房用のエネルギーは、炭化水素の燃焼（ディーゼル発電機、プロパンガス暖房など）から得ることも、太陽光（特に太陽光発電）、風力、マイクロ水力などの再生可能エネルギー源を使用して現場で生成することもできます。[ 2 ] [ 3 ]その他のエネルギー形態には、木材、廃棄物、アルコール燃料の形をとるバイオマスや、建物の通常の屋内空気環境に対する地下温度の差を利用する地熱エネルギーなどがあります。[ 4 ]エネルギー不足を簡単に解消することも可能です（たとえば、オールド・オーダー・アーミッシュなどの太陽光や風力技術を介して- 使用され認可されていますが、全員が同意しているわけではありません）[ 5 ]やオールド・オーダー・メノナイトのコミュニティ、そして多くのアーミッシュの人々は今でも蒸気機関を使用しています。[ 6 ]

電力

系統接続された建物は発電所から電力を受け取ります。発電所は主に石炭や天然ガスなどの天然資源をエネルギーとして利用し、電力に変換します。2017年の世界エネルギー源の内訳[ 7 ]によると、地球は主に系統電力に依存しており、非再生可能資源の大部分を使用していますが、太陽光発電や風力発電などの一般的な再生可能エネルギーはわずかな割合を占めています。55%の人々が電力にアクセスできないアフリカのように、系統から外れている場合[ 8 ]、建物や住宅は周囲の再生可能エネルギー源を活用する必要があります。なぜなら、再生可能エネルギーは最も豊富であり、自給自足を可能にするからです。

太陽光発電

立体継ぎ目の金属屋根に薄膜太陽電池を設置した3Dスケッチ

太陽光発電（PV）は、太陽エネルギーを利用し、オフグリッド建築物における最も人気のあるエネルギーソリューションの一つです。PVアレイ（ソーラーパネル）は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換します。PVは日射量と周囲温度に依存します。PVシステムに必要なその他のコンポーネントには、充電コントローラ、インバータ、ラピッドシャットダウンコントローラなどがあります。[ 9 ]これらのシステムは、オフグリッド施設に電力網に接続することなく発電する能力を提供します。ブルームバーグ・ニュー・エナジー・ファイナンスは四半期ごとに、前四半期の実際のプロジェクトに基づいてメーカーを評価し、Tier 1ソーラーモジュール（パネル）メーカーのリストを公開しています。

風力タービン

風力エネルギーは風力タービンによって利用されます。風力タービンの構成要素は、風力によって押されるブレード、ギアボックス、制御装置、発電機、ブレーキ、そしてタワーで構成されています。[ 10 ]風力タービンから得られる機械的動力の量は、風速、空気密度、ブレードの回転面積、そしてタービンの空力出力係数によって決まります。[ 11 ]

マイクロ水力発電

水が豊富な地域では、水力発電は有望なエネルギーソリューションです。大規模水力発電はダムと貯水池を必要とし、小規模マイクロ水力発電は水位が一定の河川でタービンを用いて発電します。[ 12 ] [ 13 ]発電量は、風力タービンと同様に、河川の流量、タービンのサイズ、水の密度、そして出力係数によって決まります。波力や潮力のエネルギーも沿岸地域に電力を供給することができます。[ 14 ]

電池

再生可能エネルギーが現在必要のないエネルギーを生産する場合、その電気エネルギーは通常、バッテリーの充電に使われます。これにより、再生可能エネルギーの生産量が一定でないために生じる間欠性の問題が解決され、建物の負荷の変動にも対応できます。オフグリッド太陽光発電システムとバッテリーシステムの規模決定方法については、こちらをご覧ください。[ 15 ]一般的なバッテリーには、鉛蓄電池とリチウムイオンバッテリーがあります。[ 16 ]ポータブルバッテリーと非ポータブルバッテリーがあります。これらのポータブル発電所は設置が不要で、さまざまなシナリオで使用できるため、遠隔地でよく使用されます。[ 17 ]これらのポータブルバッテリーの技術は長年にわたって大きく進化してきました。ほとんどのポータブル発電所は、ニッケルマンガンコバルトとリン酸鉄リチウムの2種類のリチウムイオンバッテリーを使用しています。[ 18 ]

ハイブリッドエネルギーシステム

断続性の問題やシステム障害から保護するため、多くのオフグリッドコミュニティではハイブリッドエネルギーシステムを構築しています。これは、太陽光発電などの従来の再生可能エネルギーと、風力、マイクロ水力、バッテリー、さらにはディーゼル発電機を組み合わせたものです。これは、孤立したコミュニティに電力網を拡張したり維持したりするよりも、安価で効果的です。[ 19 ]

放射性同位元素熱電発電機

歴史的に、灯台や気象観測所など、微量ながらも継続的に電力を消費する遠隔地の用途には、使用済み核燃料から抽出された、あるいは専用施設で製造された放射性同位元素を用いた放射性同位体熱電発電機（RTG）が用いられてきました。ソ連とアメリカ合衆国は地球上で多数のこのような装置を採用しており、火星軌道を越えたほぼすべての深宇宙探査機（さらには太陽系内部の探査機も）には、太陽電池パネルでは質量当たりの電力供給が不十分な場合に電力を供給するためにRTGが搭載されています。

直流ビル

太陽光発電で発電された電気は直流であり、直流のままバッテリーに蓄えられるため、 DC対応の建物では交流から直流への変換が不要になります。家庭内の電力の3分の1は、 すでに電子機器、LED照明、その他の家電製品に直流として使用されています。DC家電製品の市場は成熟しつつあり、これは100%直流電源の住宅にするために不可欠です。交流住宅を直流に改修する場合は、配電盤、ブレーカー、ヒューズをDC対応部品に交換する必要があります。ネットメータリングでは、電力網に電力を売り戻すためにインバータが必要であり、系統連系システムを使用している場合は、系統をバックアップとして使用する必要があります。直流電気は電力線を長距離にわたって効率的に送電できませんが、発電して敷地内でバッテリーに蓄電すれば、直流のままで家電製品を直流に変換せずに稼働させる方が10～20%効率が向上します。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

温度制御

屋外薪ボイラー

太陽エネルギーを利用した受動的なオフグリッド冷房システムには、住宅の冷房や冷蔵に利用できるものがあり、電気部品を必要とせず、化学的に貯蔵されたエネルギーをオンデマンドで利用できるものも含まれています。このようなシステムは、気候変動の緩和と適応に役立つ可能性があります。[ 23 ] [ 24 ]

コミュニケーション

BATMANのようなメッシュネットは、従来のインフラなしで通信を維持または確立するために使用できます。[ 25 ]さらに、オフグリッド通信技術は、環境、セキュリティ、農業の監視、緊急時の通信や調整（作業割り当てなど）にも使用できます。

健康管理

CDCによると、オフグリッドや農村部で暮らす人々は、都市部で暮らす人々よりもはるかに多くの健康問題に直面しており、適切な医療へのアクセスが困難なため、都市部に住む人々と比較して死亡率も大幅に高い。[ 26 ]オフグリッド技術は、医療システムの改善にも活用でき、医療施設に信頼性の高いエネルギー源を提供し、照明から救命に不可欠な機器まであらゆるものに電力を供給することができる。[ 27 ]ドローンは、特に世界の最も遠隔地において、オフグリッド医療に活用されている。通信機能を備えたドローンは、検査サンプル、医薬品、ワクチン、食料、水、抗毒素などを配送する。[ 28 ] [ 29 ]

廃棄物管理

西ヨーロッパの小規模廃棄物管理技術は、多くの場合、特定の廃棄物や標準化された廃棄物を対象としており、主に好気性処理（植物を使用）と嫌気性処理（バイオガス生産を使用）の2つの主要な戦略のいずれかを使用していると報告されています。[ 30 ]

水と衛生

浄化槽システム

オフグリッド環境において、水は極めて重要な考慮事項です。環境を有効活用するためには、水を効率的に収集、使用、廃棄する必要があります。家庭内の家庭用水を供給する方法は数多くあり、地域のアクセス状況や好みによって異なります。

出典

地元の水域

近くの小川、池、川、湖は、真水を簡単に入手できる場所です。適切な淡水化設備があれば、海水も検討できます。

井戸と泉

この伝統的な方法では、地下に水が豊富に存在する場所、通常は地下水位または帯水層まで掘り下げ、それを汲み上げて使用したり、地下水が地表に出てくる泉で集めたりします。[ 31 ]地下水を建物に供給するシステムには、風力や太陽光で駆動するポンプや手動ポンプなどがあります。[ 32 ]井戸水は定期的に検査し、味、臭い、外観に変化があった場合にも検査して水質を確保する必要があります。[ 33 ]

雨水集水域

このシステムは、天候に頼って水を供給するシステムです。集水システムは、利用者の水需要と地域の降雨特性に基づいて設計されます。[ 34 ]雨水は通常、建物の屋根から貯水タンクに送られ、そこで必要になるまで貯水されます。

外国からの供給

自給自足性が低いもう一つの方法は、大量のきれいな水を貯蔵場所まで運ぶというものです。このシステムは、他の場所できれいな飲料水にアクセスし、オフグリッドの貯蔵場所まで輸送する必要があります。[ 35 ]

デバイス

大気水生成装置はオフグリッド水生成の大きな可能性を秘めている。[ 36 ]

処理

水がどこから供給されているかに関わらず、飲用および屋内での使用が安全でなければなりません。水質に関する様々な問題に対して、様々な水処理戦略が利用可能です。

濾過

物理的な障壁は水を通過させ、水中の不純物をブロックし、フィルターが十分に細かい場合は生物学的汚染物質を濾過することができる。[ 37 ]

化学処理

水を消毒するために、塩素、二酸化塩素、オゾンなどが導入され、微生物を殺します。[ 38 ]

紫外線（UV）

UVシステムは、ろ過された水に紫外線を放射する電球を使用して、あらゆる種類のウイルス、細菌、原生動物を殺します。[ 39 ]

電気化学的に活性化された溶液

あまり一般的ではないアプローチですが、これは生物学的汚染物質を消毒するために少量の塩溶液を加えた水に電流を流すというものです。[ 40 ]ろ過と組み合わせることで、安全な飲料水を提供する手段となります。

淡水化

地下水の中には塩分濃度が高いものもあり[ 41 ]、飲料水として適さないものもあります。これは蒸留によって固定されます。沿岸地域は、塩分を除去する淡水化プラントを利用して海から水を得ることで恩恵を受けることができます。

水の軟化

水中に含まれる特定のミネラルは硬水となり、時間の経過とともに配管を詰まらせたり、石鹸や洗剤の効きを悪くしたり、グラスや食器に汚れが付着したりすることがあります。軟水化システムはナトリウムイオンとカリウムイオンを導入し、硬水ミネラルを沈殿させます。[ 42 ]

使用方法と衛生

オフグリッドの建物では、水資源の枯渇を防ぐために効率的な水の使用が必要です。これは最終的には習慣に依存しますが、対策としては、蛇口、シャワーヘッド、トイレに低流量器具を取り付けることで、蛇口の流量または1回の洗浄あたりの水量を減らし、使用する水の総量を減らすことが挙げられます。トイレでは、コンポストトイレの使用により水をなくすことができます。[ 43 ]自動漏水検知器と蛇口の閉鎖により、水の無駄遣いを減らすことができます。グレーウォーターリサイクルは、蛇口、シャワー、食器洗い機、洗濯機からの水を再利用することで、さらに水を節約できます。これは、グレーウォーターを貯蔵および処理することで行われ、その後、飲料水以外の水源として再利用できます。

オフグリッド住宅が下水道に接続されていない場合は、排水システムも設置する必要があります。敷地内の排水管理は通常、貯留と浸出によって行われます。これは、中水と汚水を浄化槽または曝気槽に貯留し、処理した後、浸出場に接続してゆっくりと地中に浸透させる方法です。より高価でより安価な排水処理方法もありますが、これは環境を汚染することなく排水を処理するための、一般的に信頼できる方法です。

環境への影響と持続可能性

オフグリッドの建物やコミュニティは主に再生可能エネルギーに依存しているため、オフグリッド生活は一般的に環境に優しく、悪影響はほとんどありません。ハイブリッドエネルギーシステムはまた、発展途上国では信頼性が低い場合がある公共インフラへの接続に依存せず、コストもかからない持続可能な生活方法をコミュニティに提供します。一般的に、環境への影響に関する個別の懸念としては、温室効果ガスを排出するディーゼル発電機、製造に多くの資源を使用し有害となる可能性のあるバッテリー、そして固形廃棄物や廃水による自然環境の汚染などがあります。以下の懸念は環境への悪影響に関するものですが、地球温暖化や気候変動の一因となるグリッド接続された建物を置き換える際に、オフグリッド化を全体として行うことは、環境への影響を軽減する実行可能な選択肢であることに留意することが賢明です。

カナダのオフグリッドコミュニティにおけるディーゼル発電機の懸念

カナダには約175の先住民および北部のオフグリッドコミュニティがあり、これらは「北米の電力網にも天然ガスパイプラインにも接続されていないコミュニティであり、恒久的または長期的（5年以上）であり、少なくとも10棟の恒久的な建物がある」と定義されています。[ 44 ]カナダ先住民問題・北部開発省は、これらのオフグリッドコミュニティに関する環境上の懸念事項を次のように挙げています。

  • 大量のディーゼル燃料を燃焼させると、相当量の温室効果ガスが排出されます。これは気候変動に寄与し、地域社会に悪影響を及ぼします。
  • 燃料は飛行機、トラック、はしけなどで長距離輸送する必要があり、燃料流出の危険性が高まります。
  • 冬季の道路でトラックによる燃料輸送は、車両からの温室効果ガス排出量の増加により環境に悪影響を及ぼします。
  • 燃料の輸送中および保管中に燃料流出が発生する可能性があり、環境リスクをもたらします。
  • 燃料タンクの漏れにより土壌と地下水が汚染されます。
  • 発電機は、特に静かで遠隔地のコミュニティでは、騒音や混乱を引き起こす可能性があります。
  • ディーゼル発電機からの排出物は地域住民の健康問題の一因となる可能性がある。[ 44 ]

オフグリッドの建物で使用されるシステムの環境への影響も考慮する必要があります。これは、組み込まれたエネルギー、組み込まれた炭素、材料の選択と供給源によるもので、気候変動、大気、水、土壌の汚染、資源の枯渇など、世界的な問題の一因となる可能性があります。[ 45 ]

持続可能なコミュニティ

持続可能なオフグリッドコミュニティの構想は、コミュニティに住むすべての人々の基本的なニーズを考慮に入れなければなりません。真に自給自足になるためには、コミュニティは電力、食料、住居、水をすべて自給自足する必要があります。再生可能エネルギー、敷地内の水源、持続可能な農業、垂直農法の活用は、コミュニティをオフグリッド化する上で非常に重要です。エリック・ウィッヒマン氏による最近のコンセプトデザインは、これらすべての技術を1つの自給自足の地域に統合した、複数世帯のコミュニティを示しています。コミュニティを拡大するには、最初のモデルと同じモデルを使用して地域を追加するだけです。自給自足のコミュニティは、廃棄物と二酸化炭素排出量を制御することで環境への影響を軽減します。

経済的考慮

グリッドパリティが達成された場合、送電網から電力を購入するよりも自家発電する方が安くなります。これは、設備費、再生可能エネルギー源の利用可能性、そして送電網への接続費用に依存します。例えば、一部の遠隔地では送電網への接続費用が法外に高額になるため、グリッドパリティは直ちに達成されます。グリッドパリティが直ちに達成されると、これらの地域の住民は強制的にオフグリッドな生活を強いられ、大規模な経済発展の可能性が失われます。[1]

オフグリッド化は、休暇用の別荘など、たまにしか人がいない住宅で行われることが多く、従来の公共サービス接続にかかる初期費用の高額化を避けるためです。また、外部の公共サービスの費用が法外に高かったり、遠すぎて現実的でない場所にある家に住むことを選択する人もいます。オフグリッド生活者は主に2種類に分けられます。1つは、自らのエネルギーと燃料（食料も含む）を自給自足しようと決意してオフグリッド生活を送る人と、もう1つは、すぐにグリッドパリティが実現するか、単にグリッドに接続するには遠すぎて費用がかかりすぎるという理由でオフグリッド生活を受け入れざるを得なかった人です。[ 46 ]しかし、前者のグループは最も稀で、後者のグループは選択ではなく、経済的な必要性とライフスタイルの必要性が混ざり合ってオフグリッド生活を送っています。[ 47 ]

社会的弱者コミュニティへのオフグリッド電力供給

信頼性の高い集中型電力システムは、供給の安定性を提供し、社会と経済を強化してきました。[ 48 ]電気は、生産性、学習、汚染物質を排出するバイオマス燃料源を使わない調理など、家庭での衛生的な最終用途を向上させる機会を提供しますが、2016年の時点で、世界中の人々の20％が電気なしで生活していました。[ 49 ]現在の送電網の不足から普遍的なアクセスまでのギャップを埋めるには、厳しいスケジュールでも17兆米ドルと30年かかると予測されています。[ 50 ]研究者は、集中型エネルギーインフラの欠如は、気候変動や悪天候による生産性と財産への被害に対する回復力の低下につながる可能性があると主張しています。[ 50 ] [ 51 ]さらに、化石燃料発電による気候の悪化、極端な気象現象や電子操作に対する脆弱性、ますます複雑化する設計および規制プロセスに直面して、中央集中型の発電と配電の利点は減少しています。[ 48 ]

分散型のオフグリッドエネルギーシステムは、国の送電網を農村部の顧客に拡張する代わりに、持続可能な暫定的な代替手段となり得る。[ 51 ]限られたオフグリッド電力を最終的な送電網アクセスへの足がかりとして利用する者は、エネルギー効率の高い知識、行動、製品を蓄積することで、送電網の信頼性[ 51 ]とカーボンニュートラル性が向上するとともに、回復力を高めることができる。しかし、オフグリッド電力を農村部のユーザーに提供する際に、その使用方法や応用に関するトレーニングや教育を行わないと、十分に活用されない可能性がある。[ 50 ] [ 52 ]この可能性に対抗するために、オフグリッドシステムは、ホストコミュニティの文化的構造、価値観、慣習を反映する必要がある。[ 49 ] [ 53 ]

オフグリッド電気システムは、個々の住宅またはマイクログリッドと呼ばれる共有の取り決めでリンクされたコミュニティに電力を供給することができます。さらに、再生可能エネルギー源または従来の化石燃料で稼働させることができます。ケニアでは、ムペケトニ郡が1994年に約4万ドルを費やしてコミュニティベースのディーゼル駆動マイクログリッドプロジェクト（ムペケトニ電力プロジェクト[MEP]）を開始し、最終的に105戸の住宅と116の商業、教育、政府、医療の建物に電力を供給するまでに成長しました。[ 54 ] MEPでは、MEPの電力で稼働する道具を使用する職人の生産性が向上したため、製品の価値が下がり、価格を下げる必要が生じ、予期せぬ需給効果が示されましたが、最終的には販売量の増加によりこれらの損失は相殺されました。[ 54 ] MEPの電力は、農産物の冷蔵保存を可能にしたほか、井戸の汲み上げも可能になった。これにより、以前は1日に数時間を費やして水汲みをしていた生徒たちは、その時間を夕方の電灯の下で勉強に充てることができた。[ 54 ] MEPが供給する電力はまた、電灯と汲み上げ水を通じて、地元の学校の授業時間と衛生状態を拡大した。[ 54 ] MEPのオフグリッドプロジェクトは、地域住民に数多くの直接的、間接的な利益をもたらした。MEPは電力利用の促進を重視し、地域住民は電力使用に対して名目上の料金を支払う能力があったため、プロジェクトは運用開始から10年間で94パーセントの費用回収を達成した。[ 54 ]

代替案との関係

オフグリッド発電は、水生成装置や恒久的な水道管網の場合のように、恒久的なインフラを開発する取り組みを妨げることがある。[ 36 ]さらに、持続可能なエネルギーのためのスマートグリッドやスーパーグリッドの場合のように、グリッドは多くの場合はるかに効率的かつ効果的であったり必要であったりする可能性があり、したがって、代替案の自律的なコミュニティ開発、フォールバック、災害対応、一時移転中のその他の人道支援、および長期的なインフラ開発の初期サポートとして大規模にのみ役立つ場合が多い。

オフグリッド教育環境としての陸上実験室

ランドラボは、学生がオフグリッドの技術と手法を学ぶための屋外教室環境を提供します。ランドラボでは、パーマカルチャー、太陽光発電、雨水貯留、畜産、堆肥作り、市場向け園芸、バイオチャーシステム、メタン発酵装置、ロケットマスヒーター、園芸、生態学など、数え切れないほどのオフグリッドの概念を学ぶことができます。

公立学校、チャーター スクール、私立学校、ホームスクールはすべて、ランド ラボ環境を使用して、生徒に持続可能性、自立、生態系について教えることでメリットを得ることができます。

参照

  • ハイブリッド風力/太陽光発電システムの配線図
    ハイブリッド風力/太陽光発電システムの配線図
  • 不完全なDIY風力発電システム
    不完全なDIY風力発電システム
  • アクティブソーラーヒーティングシステムの概略図
    アクティブソーラーヒーティングシステムの概略図
  • 処理池は水の浄化に使用できる
    処理池は水の浄化に使用できる
  • 熱と冷気の貯蔵は、家庭用温室での使用や家自体の暖房のためにヒートポンプと組み合わせることができる。
    熱と冷気の貯蔵は、家庭用温室での使用や家自体の暖房のためにヒートポンプと組み合わせることができる。
  • キューバにある仮設発電所。鉛蓄電池、ソーラーパネル、コントローラーで構成されている。
    キューバにある仮設発電所。鉛蓄電池、ソーラーパネル、コントローラーで構成されている。

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