به گزارش سرویس ترجمه خبرگزاری ایمنا، بحران جهانی آب‌وهوا نیاز به ارائه راهکار در بسیاری از زمینه‌ها از برنامه‌ریزی برای پیشگیری تا مقابله با بحران‌های ناشی از تغییرات اقلیمی دارد. یکی از مهم‌ترین زمینه‌ها بخش تولید انرژی است که سهم عظیمی در انتشار گازهای گلخانه‌ای، تولید زباله و آلودگی منابع آب دارد. گذار به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر یکی از اصول اولیه در کاهش تأثیرات زیست‌محیطی، تولید انرژی است که در بخش ساخت‌وساز نیز مورد توجه قرار گرفته است چراکه این صنعت ۳۷ درصد از کل انرژی جهان را مصرف می‌کند.
در سال‌های اخیر بعضی از ساختمان‌ها با گنجاندن منابع انرژی تجدیدپذیر در سازه خود، یک گام فراتر رفته و از نظر تولید و مصرف انرژی به خودکفایی رسیده‌اند. موفقیت این راهکارها به حدی است که ساختمان‌ها مازاد برق تولیدشده را در اختیار ساختمان‌های مجاور و حتی شبکه برق محلی قرار می‌دهند. طراحی ساختمان‌های مولد انرژی به‌گونه‌ای است که با تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر همچون انرژی خورشیدی، بادی، زیست‌توده و زمین گرمایی، وابستگی به سوخت‌های فسیلی و ردپای کربن را کاهش می‌دهد و به پایداری ساختمان کمک می‌کند.
ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر در ساختمان‌ها
فناوری‌های مختلف انرژی تجدیدپذیر را می‌توان در ساختمان‌های مدرن ادغام کرد. برای مثال سیستم‌های فتوولتائیک نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند در حالی که سیستم‌های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشید برای گرمایش ساختمان بهره‌برداری می‌کنند. نصب توربین‌های بادی کوچک روی بام یا در محلی نزدیک به ساختمان می‌تواند بسته به موقعیت تا ۱۵ درصد از نیازهای انرژی کل یک ساختمان را تأمین کند.
سیستم‌های انرژی زمین‌گرمایی با استفاده از دمای پایدار زیر زمین، گرمایش و سرمایش را از طریق پمپ‌های گرمایی فراهم می‌کند که بسیار کارآمد و سازگار با محیط زیست است. زیست‌توده نیز یکی از منابع تجدیدپذیری است که به‌تازگی برای گرمایش و تأمین برق ساختمان استفاده می‌شود و با تبدیل مواد آلی به انرژی قابل استفاده، ضایعات را کاهش می‌دهد.
نماهای جلبکی از قابلیت‌های فتوسنتزی میکروجلبک‌ها بهره‌برداری می‌کند که با جذب دی‌اکسیدکربن و تولید اکسیژن، به کارایی انرژی و بهبود کیفیت هوای اطراف ساختمان کمک می‌کند. استفاده از سیمان الکتریکی در نمای ساختمان‌ها که از ویژگی‌های منحصربه‌فرد بتن اصلاح‌شده برای ایجاد ابرخازن‌ها بهره‌برداری می‌کند، یکی دیگر از راهکارهای ساختمان‌های مولد انرژی برای کاهش وابستگی به شبکه و پایداری است.
ساختمان‌های انرژی‌صفر
مفهوم ساختمان‌های انرژی‌صفر به‌ویژه در اروپا با استقبال گسترده‌ای روبه‌رو شده است. یک ساختمان انرژی‌صفر به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که انرژی مصرفی مورد نیاز خود را با روش‌های تجدیدپذیر تولید کند و این هدف به‌کمک ترکیبی از تدابیر افزایش راندمان انرژی و تولید انرژی تجدیدپذیر در محل به دست می‌آید.
ساختمان‌های انرژی‌صفر از عایق‌کاری پیشرفته، پنجره‌های با راندمان بالا و لوازم‌خانگی کم‌مصرف استفاده می‌کنند تا مصرف انرژی را به حداقل برسانند. این ساختمان‌ها به‌طور معمول مجهز به پنل‌های خورشیدی، سیمان‌های مولد انرژی، جلبک‌ها و دیگر فناوری‌های تجدیدپذیر در نما و بام هستند که انرژی کافی برای نیازهای عملیاتی خود را تولید می‌کنند. بسیاری از ساختمان‌های انرژی‌صفر با استفاده از هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و شبکه‌های هوشمند متصل، امکان پاسخ‌دهی بهتر به تقاضا و مدیریت منابع انرژی را فراهم می‌آورند و به ثبات شبکه کمک می‌کنند.
مزایای ساختمان‌های مولد انرژی
ساختمان‌ها می‌توانند با تولید انرژی پاک در محل، به‌طور قابل‌توجهی انتشار گازهای گلخانه‌ای خود را کاهش دهند. سرمایه‌گذاری در فناوری‌های تجدیدپذیر می‌تواند به صرفه‌جویی‌های قابل‌توجهی در صورتحساب‌های خدماتی منجر شود. تکامل ساختمان‌ها به‌عنوان تولیدکنندگان انرژی، گامی حیاتی در راستای دستیابی به پایداری در توسعه شهری است زیرا ساختمان‌های مجهز به تجهیزات انرژی تجدیدپذیر می‌توانند در زمان قطع برق یا خرابی شبکه همچنان به فعالیت خود ادامه دهند.
صنعت ساخت‌وساز می‌تواند با یکپارچه‌سازی تکنولوژی‌های تجدیدپذیر و پیروی از اصول انرژی‌صفر، نقش مهمی در مقابله با تغییرات اقلیمی ایفا کند و در عین حال مزایای اقتصادی و افزایش امنیت انرژی را فراهم آورد. با پیشرفت سیاست‌ها و فناوری، طراحی ساختمان‌های آینده تأکید بیشتری بر خودکفایی و مسئولیت زیست‌محیطی خواهد داشت.
نمای جلبکی در ساختمان‌ها
ساختمان‌هایی که با نماهای جلبکی مجهز شده‌اند، رویکردی نوآورانه‌ای را در معماری پایدار نشان می‌دهند که از موجودات زنده برای تولید انرژی و بهبود ویژگی‌های زیست‌محیطی استفاده می‌کنند. این فناوری از قابلیت فتوسنتز میکروجلبک‌ها بهره‌برداری می‌کند که می‌توانند دی‌اکسید کربن را جذب و اکسیژن تولید کنند و در نتیجه راندمان انرژی ساختمان را افزایش و کیفیت هوای داخل و پیرامون ساختمان را ارتقا دهند.
نماهای جلبکی از فتوبیوراکتورها تشکیل می‌شوند که پنل‌های شفاف پرشده با آب و جلبک هستند. میکروجلبک‌های داخل فتوبیوراکتورها نور خورشید و دی‌اکسید کربن را جذب و آنها را از طریق فتوسنتز به زیست‌توده تبدیل می‌کنند. این فرایند نسبت به استفاده از گیاهان بزرگ‌تر، بسیار کارآمدتر است، زیرا ساختار تک‌سلولی جلبک‌ها به آنها اجازه می‌دهد که به‌سرعت تکثیر شوند و با سرعتی ۱۰ برابر گیاهان دیگر رشد کنند. این سیستم‌ها می‌توانند تا پنج گرم در هر فوت مربع در هر روز دی‌اکسیدکربن جذب کنند که به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مربوط به عملیات ساختمانی کمک می‌کند.
زیست‌توده تولیدشده در این سیستم قابل برداشت است و می‌تواند به سوخت‌های زیستی تبدیل شود یا به‌طور مستقیم برای گرمایش ساختمان مورد استفاده قرار گیرد، همچنین گرمای تولیدشده از نوری که توسط جلبک‌ها جذب نشده است، می‌تواند برای نیازهای گرمایشی ساختمان استفاده شود.
علاوه‌بر تولید انرژی، نماهای جلبکی با فیلتر کردن آلاینده‌ها و تولید اکسیژن به بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان کمک می‌کنند و بار حرارتی کلی ساختمان را کاهش می‌دهند که نتیجه آن کاهش مصرف انرژی برای تهویه، گرمایش و سرمایش است. ظاهر سبز نماهای جلبکی ویژگی معماری منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهد که می‌تواند طراحی بیوفیلیک را ارتقا دهد.
چالش‌ها و چشم‌انداز آینده
در حالی که مفهوم نماهای جلبکی در صنعت ساخت‌وساز بسیار امیدوارکننده است اما چالش‌هایی برای پذیرش گسترده آن وجود دارد که نخستین مورد نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بالا برای یکپارچه‌سازی فتوبیوراکتورها است. تأمین شرایط رشد بهینه برای جلبک‌ها نیاز به نظارت و مدیریت دقیق دارد و توسعه سیستم‌های مؤثر که بتوانند در انواع ساختمان‌ها پیاده‌سازی شوند، نیاز به تحقیقات بیشتری دارد. پیشرفت فناوری و افزایش آگاهی عمومی نسبت به پایداری می‌تواند استفاده از نماهای جلبکی را در معماری شهری بیشتر ترویج کند و ساختمان‌ها را به شرکت‌کنندگان فعال در تولید انرژی و حفاظت از محیط زیست تبدیل کند.
خانه ب. ای.کو در هامبورگ
خانه ب. ای.کو در هامبورگ آلمان، نمونه‌ای پیشگام در استفاده از این فناوری است که در سال ۲۰۱۳ تکمیل شد و دارای نمایی متشکل از ۱۲۹ فتوبیوراکتور است که به‌طور کلی مساحتی برابر با ۲۰۰ متر مربع را پوشش می‌دهد. نمای جلبکی حدود ۴۵ تا ۵۰ درصد از نیازهای انرژی ساختمان را تأمین می‌کند که معادل ۸۵.۵ مگاوات‌ساعت در سال است. این سیستم سالانه نزدیک به ۱۰۰ تن دی‌اکسید کربن کمتری تولید می‌کند و به‌طور قابل‌توجهی به پایداری ساختمان کمک می‌کند.
این ساختمان مدل جدیدی از زندگی را پیشنهاد کرده است که بر پایه جدا نبودن محل کار و زندگی است. دو طبقه از این ساختمان ۱۵ طبقه هیچ اتاقی ندارد و به‌عنوان یک فضای همه‌کاره بزرگ طراحی شده است که ساکنان می‌توانند در صورت موافقت همه اعضا آن را برای کاربرد موردنظر خود پیکربندی کنند.
نمای جلبکی در ساختمان‌های تجاری
طرح‌هایی برای جایگزینی پنل‌های دیواری سنتی ساختمان‌های تجاری با پنل‌های جلبکی ارائه شده است که بیوراکتورها را بین ورق‌های اکریلیک ادغام می‌کند و علاوه‌بر مزایای زیبایی‌شناسی، با کاهش بار گرمایشی و سرمایشی، راندمان انرژی ساختمان را نیز بهبود می‌بخشد. نمای جلبکی می‌تواند دی‌اکسید کربن را جذب و اکسیژن تولید کند و به بهبود کیفیت هوای داخلی کمک کند و در بعضی سناریوهای تجاری می‌تواند مصرف کلی انرژی را تا ۵۰ درصد کاهش دهد.
نمای سیمان الکتریکی در ساختمان‌ها
سیمان الکتریکی یک نوآوری تحول‌گرا در صنعت ساخت‌وساز است که به ساختمان‌ها این امکان را می‌دهد که از ویژگی‌های منحصربه‌فرد بتن اصلاح‌شده برای ایجاد ابرخازن‌ها بهره‌برداری کنند و انرژی الکتریکی را به‌طور مؤثر استفاده و ذخیره کنند. تحقیقات متنوعی از جمله در مؤسسه فناوری ماساچوست روی نوعی بتن اصلاح‌شده انجام شده است که می‌تواند به‌عنوان ابرخازن عمل کند. این بتن به‌وسیله مخلوط کردن سیمان پرتلند با کربن سیاه و آب تولید می‌شود؛ کربن سیاه شبکه‌ای رسانا درون بتن ایجاد می‌کند که به محض سخت شدن، می‌تواند برق را بدون نیاز به سیستم‌های سیم‌کشی سنتی ذخیره کند.
زمانی که انرژی به این سیمان اعمال می‌شود، یون‌ها در کربن سیاه ذخیره می‌شوند و یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند، به این ترتیب سیمان می‌تواند انرژی را همچون یک باتری اما با قابلیت‌های شارژ و تخلیه سریع‌تر ذخیره کند. یک بلوک از این سیمان الکتریکی که هر ضلع آن ۳.۵ متر است می‌تواند حدود ۱۰ کیلووات‌ساعت انرژی ذخیره کند که برای نیازهای روزانه یک خانوار متوسط کافی است.
استفاده از این سیمان به ساختمان‌ها کمک می‌کند تا انرژی اضافی از منابع تجدیدپذیر همچون پنل‌های خورشیدی را جذب و در موقع نیاز از آن استفاده کنند. سیمان الکتریکی با کاهش وابستگی به باتری‌های معمولی و سوخت‌های فسیلی به ایجاد یک صنعت ساختمان پایدارتر کمک می‌کند. قابلیت شارژ سریع و تخلیه انرژی بر حسب نیاز، این فناوری را برای ادغام با منابع انرژی تجدیدپذیر ایده‌آل می‌کند. استفاده از مواد رایج همچون سیمان و کربن سیاه می‌تواند هزینه‌ها را نسبت به فناوری‌های باتری سنتی کاهش دهد که نیاز به فلزات نادر دارند.
بتن ابرخازن ام‌آی‌تی
تیم تحقیقاتی ام‌آی‌تی پتانسیل این فناوری را از طریق ایجاد ابرخازن‌هایی از بتن نشان داده است که می‌توانند دستگاه‌های کوچکی همچون لامپ‌های ال‌ای‌دی و کنسول‌های دستی را تغذیه کنند. این تیم در نظر دارد از فناوری خود در ساختمان‌های مولد انرژی استفاده کند که علاوه‌بر تأمین انرژی ساختمان می‌توانند انرژی را ذخیره کنند و در صورت خرابی یا قطع شبکه آن را برای مصرف دیگر کاربران آزاد کنند.
جاده‌های ذخیره‌کننده انرژی
کاربرد دیگر سیمان‌های الکتریکی در جاده‌هایی است که انرژی موردنیاز وسایل نقلیه برقی را تأمین می‌کند و این امکان را برای آنها فراهم می‌کند تا حین حرکت به‌صورت بی‌سیم شارژ شوند. این مفهوم می‌تواند زیرساخت‌های حمل‌ونقل را با تبدیل جاده‌ها به منابع انرژی پویا متحول کند.
چالش‌ها و ملاحظات سیمان الکتریکی
ترکیب مواد رسانا با سیمان ممکن است ظرفیت باربری بتن را تحت تأثیر قرار دهد و برای کارآمد بودن نیازمند ملاحظات طراحی دقیق است. تولید سیمان انرژی‌بر است و دی‌اکسیدکربن قابل‌توجهی آزاد می‌کند، بنابراین ایجاد تعادل بین این تأثیرات و مزایای سیمان الکتریکی امری ضروری است. با توجه به اینکه این فناوری هنوز در حال توسعه است، تحقیقات بیشتری برای بهینه‌سازی عملکرد و قابلیت مقیاس‌پذیری آن برای استفاده گسترده باید انجام شود.