オフグリッド

オフザグリッドまたはオフグリッドは、 1つ以上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およびライフスタイル^[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まれ、住宅から小さなコミュニティにまで拡大できます。オフザグリッド生活では、建物と人々が自給自足できるため、通常のユーティリティが届かない孤立した場所では有利であり、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できるだけでなく、食品、廃棄物、廃水を管理できなければなりません。

エネルギー

電力や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]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、建物内の通常の屋内空気環境と地下の温度差を利用する地熱エネルギーなどがあります。^[3]エネルギー不足を簡単に解消することは可能です（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）^[4]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エンジンを使用しています。^[5]

電力

グリッド接続された建物は発電所から電気を受け取りますが、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使用して電力に変換します。2017年の世界のエネルギー源の内訳^[6]によると、主にグリッド電力に依存している地球では、非再生可能資源の大部分が使用され、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部分を占めています。55％の人々が電気を利用できないアフリカのようにグリッドから外れている場合^[7]、建物や住宅は周囲の再生可能エネルギー源を利用する必要があります。再生可能エネルギー源は最も豊富であり、自給自足を可能にするためです。

太陽光発電

太陽エネルギーを利用する太陽光発電（PV）は、オフグリッドの建物にとって最も人気のあるエネルギーソリューションの1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は太陽放射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、および急速シャットダウン制御が含まれます。^[8]これらのシステムにより、オフグリッドのサイトはグリッドに接続せずにエネルギーを生成することができます。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つ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することができます。風力タービンの構成要素は、風に押されるブレード、ギアボックス、コントローラー、発電機、ブレーキ、タワーで構成されています。^[9]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、タービンの空力出力係数によって決まります。^[10]

マイクロ水力発電

水が豊富な場所では、水力発電は有望なエネルギーソリューションです。大規模な水力発電にはダムと貯水池が必要であり、小規模なマイクロ水力発電では、水位が一定の川でタービンを使用することができます。^[11]^[12]生成される機械的動力の量は、風力タービンと同様に、川の流れ、タービンのサイズ、水の密度、および電力係数の要因です。波と潮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。^[13]

バッテリー

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向けられます。これにより、再生可能エネルギーの生産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対応できます。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。^[14]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。^[15]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（NMC）バッテリーとリン酸鉄リチウム（LFPまたはLiFePo4）バッテリーの2種類のリチウムイオンバッテリーを使用しています。^[16]

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に、多くのオフグリッドコミュニティ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、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などの従来の再生可能エネルギー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グリッドを拡張または維持するよりも安価で効果的です。^[17]

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、少量だが継続的に電力を消費する遠隔地の用途は、使用済み核燃料から抽出するか専用施設で製造した必要な放射性同位元素を使用した放射性同位元素熱電発電機(RTG) によって電力供給されていました。ソビエト連邦と米国はどちらも、地球上で多数のそのような装置を使用しており、火星の軌道を超えるすべての深宇宙探査機 (さらには太陽系内の探査機) には、太陽電池パネルが単位質量あたり十分な電力を供給できなくなった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、直流としてバッテリーに蓄えられるため、 DCビルではACからDC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 ライト、その他の電化製品に DC 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% DC電源の住宅にするために必要です。AC住宅を DC に改造する場合は、電気パネル、回路ブレーカー、ヒューズをDC 対応の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、グリッドに売電するためにインバータが必要であり、グリッド接続電気システムを使用している場合は、グリッドをバックアップとして使用する必要があります。DC 電気は、長距離では電力線で効率的に伝送されませんが、現場で発電してバッテリーに蓄えれば、DC のままにして、そのように電化製品を反転せずに稼働させる方が 10 ～ 20 パーセント効率的です。^[18]^[19]^[20]

温度制御

太陽エネルギーを利用した受動的なオフグリッド冷却システムには、住宅の冷房や冷蔵に使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オンデマンドエネルギーを可能にするものも含まれる。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る。^[21]^[22]

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。^{[23]さらに、オフグリッド通信技術は、環境、セキュリティ、農業の監視だけでなく、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

ドローンは、特に世界の最も遠隔地でのオフグリッド医療に使用されています。通信を可能にすることで、検査サンプル、医薬品、ワクチン、食料、水、抗毒素を配達します。^[24]^[25]

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（バイオガス生成を使用）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。^[26]

水と衛生

水はオフグリッド環境では重要な考慮事項であり、環境を活用するために効率的に収集、使用、廃棄する必要があります。屋内で家庭用に水を供給する方法は多数あり、地域のアクセス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。適切な淡水化を行えば、海も検討対象となります。

井戸と泉

この伝統的な方法は、地下に水が豊富に存在する場所、通常は地下水面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するものである。^[27]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がある。^[28]井戸水は定期的に検査し、水の味、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る。^[29]

雨水集水域

このシステムは天候に頼って水を供給する。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る。^[30]雨水は通常、建物の屋根から貯水タンクに集められ、必要になるまで貯められる。

外国からの供給

もう一つの、自給自足には程遠い方法は、大量のきれいな水を貯蔵場所まで運ぶことです。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、オフグリッドの場所まで輸送することに依存しています。^[31]

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。^[32]

処理

水がどこから来ようとも、飲用や屋内での使用が安全でなければなりません。水質に関するさまざまな問題に対して、さまざま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ます。^[33]

化学処理

水を消毒するために、微生物を殺す塩素、二酸化塩素、オゾンなどが導入されます。^[34]

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。^[35]

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。^[36]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^[37]、飲料水として適さないものもありますが、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。

軟水化

水中に特定のミネラルが存在すると硬水となり、時間が経つとパイプが詰まり、石鹸や洗剤の効果を阻害し、グラスや食器に汚れが付着する原因となります。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、硬質ミネラルを沈殿させます。^[38]

使用方法と衛生

オフグリッドの建物では、水の供給が不足しないように水を効率的に使用する必要があります。これは最終的には習慣に依存しますが、対策には、蛇口、シャワーヘッド、トイレに低流量器具を使用し、蛇口の流量または1回の洗浄あたりの水量を減らして、使用される水の総量を減らすことが含まれます。トイレの水は、コンポストトイレの使用によって排除できます。^[39]自動漏水検知器と蛇口閉鎖器は、無駄な水の量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、非飲料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、廃水システムも組み込む必要があります。オンサイトの廃水管理は、通常、貯蔵と浸出によって行われます。これには、中水と汚水を浄化槽または曝気槽に貯蔵して処理することが含まれます。この浄化槽または曝気槽は、水がゆっくりと地中に浸透する浸出フィールドに接続されています。より高価な廃水処理オプションも利用できますが、これは環境を汚染することなく廃水を処分するための一般的な信頼できる方法です。

金融

オフグリッド化は、現金、キャッシュカード、暗号通貨、代替コミュニティ通貨、オフグリッドピアツーピアレンディング、地金コインを使用することで実現できます。銀行破綻、銀行詐欺、資産凍結、電磁パルス、債権者や債権回収業者から金融資産を保護するのに役立つ可能性があります。^[40]

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、発展途上国では信頼できない可能性の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、危険な場合もあるバッテリー、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対処していますが、地球温暖化や気候変動の一因となるグリッド接続の建物を置き換える際に、全体としてオフグリッドに移行することが環境への影響を軽減するのに役立つ実行可能なオプション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の先住民族および北部のオフグリッドコミュニティがあり、その定義は「北米の電力網にも天然ガスのパイプ網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、居住地に少なくとも10棟の恒久的な建物がある」です。^[41] 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すると、大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、燃料流出のリスクが高まります。
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し、環境リスクが生じる可能性があります。
燃料タンクの漏れにより土壌と地下水が汚染される。
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。^[41]

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、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、世界的な問題に寄与する可能性があります。^[42]

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コンセプトは、コミュニティに住むすべての人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、水をすべて自給する必要があります。再生可能エネルギー、オンサイト水源、持続可能な農業、垂直農法の技術を使用することは、コミュニティをオフグリッドにするために最も重要です。エリック・ウィッヒマン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つの自給自足の近隣に組み合わせ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近隣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、電力網から電気を購入するよりも、自分で電気を生成する方が安くなります。これは、機器のコスト、再生可能エネルギー源の可用性、およびグリッド接続のコストによって異なります。たとえば、特定の遠隔地では、グリッド接続が法外な費用がかかるため、すぐにグリッドパリティが達成されます。

これは、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、従来の公共設備接続にかかる高額な初期費用を避けるためです。また、外部の公共設備の費用が法外に高かったり、遠すぎて現実的でない家に住むことを選択する人もいます。ニック・ローゼンは著書『 How to live off-grid』 で、オフグリッドになる7つの理由を挙げています。上位2つは、節約と二酸化炭素排出量の削減です。他には、サバイバリスト、石油経済の崩壊に備える、田舎に生命を取り戻す、などがあります。^[43]

疎外されたコミュニティのためのオフグリッド電力

信頼性の高い集中型電力システムは、安定した供給を提供し、社会と経済を強化してきました。^[44]電気は、生産性、学習、汚染物質とな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改善す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。^[45]^現在のグリッド電力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。 [46]研究者は、集中型エネルギーインフラの欠如は、変化する気候や悪天候による生産性と財産への損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。 ^[46]^[47]さらに、化石燃料発電による気候の悪化、異常気象や電子操作に対する脆弱性、ますます複雑化する設計と規制プロセスに直面して、集中型発電と配電の利点は後退しています。^[44]

分散型のオフグリッドエネルギーシステムは、全国的な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。^[47]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、エネルギー効率に関する知識、行動、製品を蓄積することができ、送電網の信頼性^[47]とカーボンニュートラル性が高まると同時に、さらなる回復力をもたらす。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。^[46]^[48]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、慣習を反映すべきである。^[45]^[49]

オフグリッド電気システムは、個々の住宅や、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によって電力を供給できます。ケニアでは、ムペケトニ郡が1994年に約4万ドルの支出で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軒の住宅と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。^[50] MEPは、MEPの電力で動く道具を使う職人の生産性が向上したために製品の価値が下がり、価格を下げる必要が生じたとき、予期せぬ需要と供給の効果を示しました。しかし、販売量の増加により、最終的にはこれらの損失は相殺されました。^[50] MEPの電力は、井戸の汲み上げに加えて農産物の冷蔵保存を容易にし、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が、夕方に電灯の下でその時間を勉強に使えるようになった。^[50] 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。^[50] MEPのオフグリッドプロジェクトは、地域住民に直接的および間接的な利益を数多くもたらし、MEPは電気の使用促進を重視し、地域住民は電気の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。^[50]

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。^{[32]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、はるかに効率的で効果的または必要であり、したがって、代替手段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。