Elektrik santrali olarak kullanılan binalar
Sürdürülebilir bina kavramı, mimarlar arasında oldukça popüler bir terim. Yine de gerçek, yıllar önce inşa edilmiş binalarda yaşayan pek çok kişi için fütürist tasarımlardan çok uzakta, çoğunlukla verimsiz olarak inşaa edilmiş olan evlerimiz enerjiyi resmen yutuyorlar. Fakat bu durum, binaların elektrik santrallerini oluşturduğu yeni şehirler yaratmak amacıyla bir araya gelen iş ve akademi dünyası sayesinde çok yakında değişebilir.
Çevre teknolojisi konusunda önde gelen bilim insanları geleceğin evlerini sihirli bir şekilde tarif ediyor. Onlara göre bu evlerde kullanılan malzemeler, çevreyle uyum içinde çalışan materyallerden oluşacak.
Bu, fosil yakıtların ve nükleer enerjinin yerini sayısız teknolojinin aldığı bir dünya. Bu; kimya, biyoloji, nanoteknoloji, malzeme bilimi ve biyomimikri alanlarının, canlı ve birbirine bağlı bir şehir yaratmak amacıyla bir araya geldiği bir gelecek. Bu, alglerle kaplı canlı duvarların ışık ve gölge yaratmak üzere güneşle etkileşime girdiğinde, güneş enerjisinin her cepheden farklı biçimlerde toplandığı ve mevsim aralarında depolandığı ve akıllı yalıtımın çevreye düzen getirdiği bir yer. Bu; ev, işyeri, araba ve okulların, gündüzleri evlerden, geceleri de işyerlerinden elde edilen enerjinin en ihtiyaç duyulan yerlere verilmek üzere toplanması için çevre ile doğal bir etkileşimde bulunarak canlı organizmaları taklit ettiği, birbirine bağlı bir dünya.
Son dönemlerde meydana gelen inovasyonların bir çoğu, iklim değişikliği tehdidi karşısında ortaya çıkmıştır. Birleşmiş Milletler Çevre Programı tarafından gerçekleştirilen bir araştırma, akıllı bina yapılarının zararlı sera gazı emisyonunu ekonomik bir şekilde kesmeye yönelik mükemmel bir fırsat sağladığını ortaya koyuyor. Binalar, dünya çapındaki enerji kaynaklarının yüzde 40'ını tüketiyor ve gezegendeki sera gazının üçte birini yayıyor ki; bu rakam şehirlerin artan nüfusu ile birlikte daha artacak.
“Kâğıt da dâhil olmak üzere her şeyden güneş pili yapabiliriz.”
Yrd. Doç. Dr. Trisha Andrew, Wisconsin-Madison Üniversitesi Kimya Bölümü
Bilim adamlarının geleceğe yönelik bir vizyon belirlemedeki esas problemi, bunun bizim mevcut dünyadaki gerçek deneyimlerimizle çok az ilişkili olması. İster Berlin ister Şanghay'da yaşayın veya ister Rio ya da Milwaukee'de yaşayın, etrafınız son 100 yılda tasarım açısından çok az değişikliğe uğramış ve son 50 yılın az gelişmiş teknolojisini kullanan binalarla sarılı. Günlük yaşantımızda karşılaştığımız en gelişmiş teknoloji, ağır kristalize silikon güneş panelleri ve rüzgâr türbinleri ile sınırlı.
Bu durum çok yakında değişebilir. Bu değişimin katalizörü ise, akademik enstitülerin laboratuvarlarında ve büyük şirketlerin toplantı odalarında sessiz sedasız gerçekleşen bir devrim. İnsanlar, yapı tasarımlarında yenilikçi fikirlerin bir sonu olmadığını bilse de, bu yeni teknolojileri daha büyük pazarlara taşıma konusuyla yeterince ilgilenmiyorlar. Asıl soru şu ki, bu teknolojiyi gerçek bir fark yaratmak amacıyla geniş bir ölçekte üretirken aynı zamanda nasıl ekonomik ve karlı bir hale getirebiliriz?
Belfast - İrlanda'da bulunan Queens Üniversitesi Araştırma Başkanı ve Sürdürülebilir Mimari Profesörü Greg Keeffe, mimar ve tasarımcıların, otomobil üreticileri tarafından kullanılan seri üretim tekniklerinden öğrenebilecekleri bir şeyler olduğuna inanıyor
Günümüzde evlerimizi bize kalan küçücük şehir alanlarına yerleştirme ihtiyacından dolayı, her bir binanın ayrı ayrı tasarlanması anlamına geldiğini öne sürüyor. Bu da, seri üretime uygun türde bir inovasyon geliştirmeye olanak tanımıyor.
Profesör Keeffe, "Dışarıda E sınıfı bir Mercedes'in durduğu ortalama bir eve baktığınızda, evin arabaya kıyasla çok loş olduğunu görürsünüz", diyor. "Daha endüstrileşmiş, kişiye özel bir seri üretime ihtiyaç duyduğumuza inanıyorum, fakat bu, binaların otomobillerden çok farklı tasarlanmış olması nedeniyle şu anda imkânsız bir şey. Bir aracın her bir öğesinin tasarlanmasının ardında yıllarca süren bir düşünce var, fakat binaların birbirinden farklı olması nedeniyle, bir binanın her bir öğesi üzerinde bu kadar çok düşünülmüyor."
Enerji kaynaklarının %40'ı
Binalar, dünya çapındaki enerji kaynaklarımızın %40'ını tüketiyor ve gezegendeki sera gazının üçte birini yayıyor. Bu rakam şehirlerin artan nüfus sebebiyle daha da artacak.
10 GW'lık enerji
SPECIFIC tarafından yapılan hesaplamalara göre, Tata Steel tarafından her yıl üretilen çeliğin sadece %10'unda bu akıllı kaplama kullanıldığı takdirde, 10 GW oranında ya da bir nükleer santralin bir yıllık enerji üretimine eşdeğer miktarda enerji üretilebiliyor.
Laboratuvar deneylerinden endüstriyel üretime
Bu zorlukları ele almak üzere yakın zamanda kurulmuş olan İnovatif Fonksiyonel Endüstriyel Kaplamalar için Sürdürülebilir Ürün Mühendisliği Merkezi (SPECIFIC), inovasyon ve üretim arasında duran bilgi uçurumunu kapatmakla görevli, endüstriyel ve akademik bir konsorsiyum. Temelleri yıllar önce atılmış olan ve Galler'de bulunan Swansea Üniversitesi tarafından yürütülen bu proje, Gal ve İngiliz hükümeti ile Tata Steel, NSG-Pilkington Glass ve BASF gibi ana sektörel ortaklar tarafından finanse ediliyor.
SPECIFIC’in amacı, binaları geleceğin elektrik santrallerine dönüştürmek. Duvarların ve çatıların yenilenebilir enerjiyi toplayıp depolamasını ve yaymasını sağlayan akıllı kaplamalar kullanarak, yapı malzemeleri ve tasarım alanındaki son teknoloji ve global gelişmelerden faydalanmak amacıyla İngiliz üniversiteleri arasında bağlantı görevi görmeyi hedefliyor. Çoğunlukla çelik ve cam üzerinde çalışılan projede, inşaat sektörünün en azından bir kısmında köklü değişiklikler yapmayı amaçlayan sıra dışı gelişmeler hâlihazırda deneyimlenmiş durumda.
SPECIFIC projesinin CEO'su olan Kevin Bygate, 120'yi aşkın bilim adamı, teknoloji uzmanı ve mühendisten oluşan ve hepsi de mevcut teknolojiyi üst kaliteye en iyi şekilde taşıyarak laboratuvar ölçekli inovasyonları geniş ölçekte üretilebilen ürünlere dönüştürmeye odaklanmış bir ekibi yönetiyor.
"İlk buluş basamağında yer alan pek çok üniversite ve araştırma enstitüsü mevcut. Bunun fiziksel olarak anlamı şu; başparmak büyüklüğünde bir şey yaratıyorlar, bu parmağın üzerinde de toplu iğne başı kadar küçük bir nokta var ve bu nokta çok ilginç şeyler sağıyor", diye ifade ediyor Bygate. "Bu aşamada, geliştirilebilecek bir süreçten faydalanarak, bu işlevi verimli malzemelerle tekrarlamaya çalışıyoruz. Bir metre genişliğinde plakalar üretmek için önce numuneleri kullanıyor, ardından, binalarda kullanılacak kadar geniş bir mazleme üretebilmek için iki makaralı sistemden faydalanıyoruz."
Ürünlerden biri, binaya çarpan güneş enerjisinin ortalama %50'sini (iyi koşullarda %75'ini) emebilen bir sızdırmalı güneş enerjisi toplayıcısı. Sızdırmalı güneş enerjisi toplayıcıları, mevcut ya da yeni bir duvar veya çatı üzerine mikro gözenekli ek bir çelik kaplama olarak yerleştiriliyor, bu da bina yüzeyi ile metal kaplama arasında bir sıcak hava boşluğu yaratıyor. Isınan hava, binanın o anki enerji ihtiyacını karşılamak ya da daha sonrası için depolanmak üzere bu boşluktan çekilip binaya aktarılıyor.
Proje ortağı olan Tata Steel, İngiltere'de depo, süpermarket ve perakende mağaza inşaatları için çelik üretimi yapıyor. SPECIFIC tarafından yapılan hesaplamalara göre, Tata Steel tarafından her yıl üretilen çeliğin sadece %10'unda bu akıllı kaplama kullanıldığı takdirde, 10 GW oranında ya da bir nükleer santralin bir yıllık enerji üretimine eşdeğer miktarda enerji üretilebiliyor.
Bygate, ortaya çıkan güneş enerjisi toplayıcılarının gelecekteki temel enerji kaynağı olabileceğine inanıyor. "Bu işin yapılabileceğini kanıtlayabiliriz; şu anda piyasaya sürmek amacıyla iş modelini inceliyoruz", diyor. "Ürünün toplum tarafından kabul görme ve benimsenme oranına bağlı olarak, bu teknolojiyi kullanarak 2020 yılına dek İngiltere'nin yenilenebilir enerjisinin üçte birini üretebilirsiniz."
Güneş enerjisinin toplanması kadar önemli olan bir konu da, bunun depolanması. Bataryalar, sıcak su depoları ve yeraltı ısı depoları bu konuda potansiyele sahip olsa da, hepsi de çok büyük miktarda yer kaplıyor. Enerjinin bir kısmının kullanılmadan birkaç saat önce depolanması gerekirken, geri kalan kısmının mevsim aralarında kullanılması (örneğin; kış mevsiminde kullanılmak üzere yaz mevsiminde depolanması) gerekiyor.
SPECIFIC bu alanda da başarıya ulaşmış durumda. Projenin akademik araştırma programını yürüten Profesör Dave Worsley, konuyu şu şekilde açıklıyor: "Üzerinde çalıştığımız şey, çok büyük miktarda enerjiyi hapseden ya da serbest bırakan bir termokimyasal depo; bunun temelinde, tıpkı terlerken olduğu gibi suyu çeken ya da serbest bırakan bir tuz kullanılıyor."
Bu olanak, enerjiyi o kadar verimli bir şekilde hapsedip serbest bırakabiliyor ki, Worsley, bu çözümün mevsimler arası depolamaya uygun olacağına ve enerji depolamada su kullanımına kıyasla on kat daha az yer kaplayacağına inanıyor.
Güneş boyaları
Bilim adamları, yıllardır güneş enerjisini toplamak üzere evlerde kullanılabilecek ekonomik fotovoltaik boyaların üretimine dair öngörülerde bulunuyor. Fakat gerçek şu ki, böyle bir ürünün piyasaya sürülmesine daha çok var. Fakat Wisconsin-Madison Üniversitesi Kimya Bölümü'nde görev yapan Yrd. Doç. Dr. Trisha Andrew tarafından yürütülen çalışma, bizi buna bir adım daha yaklaştırıyor.
Boyalara karıştırılabilen organik fotovoltaik cihazlar 1990lı yıllardan beri mevcut. Karbon, hidrojen, nitrojen ve sülfür gibi materyallerden yapılan bu cihazların üretimi masrafsız olsa da, silikon bazlı materyallere kıyasla oldukça verimsiz ve kısa ömürlü.
Birkaç yıl önce Andrew ve meslektaşları, sorunun çözümünü hiç beklemedikleri bir anda bulmuşlar. Elektronik cihazları çalıştırabilen, üretimi çok ucuz olan ve dolayısıyla eskidiğinde kolayca değiştirebileceğiniz bir fotovoltaik malzeme neden yapılamasın ki?
“Örneğin, bölgenizde CO2 emisyonu oluşturuyorsanız, bu emisyonu alıp ön cepheye aktarabilirsiniz.”
Yardımcı Direktör Dr. Jan Wurm, Arup'un Avrupa Araştırma Başkanı ve BIQ (Biyolojik Zekâlı Sistem) Evi Yöneticisi
"Bu malzemeleri nasıl ticari hale getirebilirsiniz? Bu soruyu daha önce kendimize hiç sormadık", diye açıklıyor Andrew. "Bu soruyu ilaç şirketleri her gün soruyor. Kimyasal sentez ile aynı süreci takip ediyorduk, dolayısıyla atmamız gereken en mantıklı adım, 'kimyasal sentezin en yüksek vat miktarı başına sunulan fiyat üzerindeki etkisi ne' sorusunu sormaktı."
Üretim sürecine odaklanan Andrew, ev eşyalarını güneş enerjisi ile çalıştırabilen, hâlihazırda ticari açıdan uygulanabilir bir ürüne sahip olduklarını keşfetti. Her birinin üretim maliyeti 50 sentten daha az olduğu için, fotovoltaik hücrelerin 6 ay ila 2 yıl arasında kullanılabiliyor olması çok da fark etmeyecekti.
Şu anda, üzerine genç bir şirket inşa ettiğimiz son derece gelecek vadeden gelişmiş sonuçlara sahibiz. Kâğıt da dâhil olmak üzere her şeyden güneş pili yapabiliriz. Bu, silikonla yapabileceğiniz bir şey değil", diye ifade ediyor Andrew. "Bilimsel ve mantıksal açıdan, boyaya erişimimiz mevcut. İlk aşama, yolunda gittiği takdirde, bu boya ortaya çıkacaktır, fakat ortaya çıkışı muhtemelen en az on yıl sürecektir."
Yeşil binalar
Zaman zaman, binalar hakkındaki düşüncelerimizi değiştiren yeni bir teknoloji ortaya çıkıyor. Hamburg Uluslararası Yapı Fuarında sergilenen, dünyanın ilk "biyo-uyarlanabilir cepheli" evi, işte tam da böyle bir etkiye sahip. Mimarların ve tasarımcıların malzeme ile biyolojik dünya arasındaki engelleri kırabilmesi için heyecan verici fırsatlar sunuyor ve bizi yaşayan bir şehir vizyonuna daha da yaklaştırıyor.
BIQ (Biyolojik Zekâlı Sistem) olarak bilinen bu ev, uluslararası Arup danışmanları da dâhil olmak üzere bir grup mimar, mühendis ve tasarım şirketi arasında gerçekleşen işbirliğinin bir sonucu.
Arup'un Avrupa araştırma başkanı olan ve BIQ evinin yöneticiliğini yürüten Yardımcı Direktör Dr.-Ing. Jan Wurm, bu yeni teknolojiyi "biyo-yararlanma" olarak tanımlıyor. "Isı ve biyokütle üretmek için mikro algler yaratıyoruz, dolayısıyla bu tıpkı bir bitkinin ya da ağacın büyümesi gibi biyolojik bir süreç. Fotosentez ile aynı süreci takip ediyor, bunu sadece kontrollü bir ortamda gerçekleştiriyoruz", diye açıklıyor.
BIQ evinde, sudaki mikro algleri iki cam tabakası arasına hapseden biyoreaktör cephelerinden oluşan bir ön cephe bulunuyor. Bu mikro algler güneş ışığına maruz kaldığında, fotosentez süresince her 7 saatte bir kütleleri iki katına çıkıyor. Bu yeşil "kaplama", binanın içini soğutan doğal bir gölge oluşturuyor.
Bu algler aynı zamanda eve iki muhtemel enerji kaynağı da sağlıyor. Bunlardan ilki, cam tabaka arasına hapsolan suyun yakaladığı güneş ısısı. Güneş ışınları suyu ısıtıyor, su da yeşil algler içerdiği için temiz suya kıyasla çok daha hızlı bir şekilde ısınıyor. Bu ısı sudan çekiliyor ve ileride kullanmak üzere yer altında depolanıyor. İkinci enerji kaynağı ise, alglerin kendilerinin toplanmasından elde ediliyor. Bunu yapabilmek için, merkezi bir yüzdürme cihazı aracılığıyla oksijen pompalanıyor, böylece algler yüzeyden toplanabiliyor. Algler aynı zamanda, bir güç kaynağı olarak metan üretmek amacıyla binanın biyokütle santraline aktarılabiliyor.
"Sistem, dilediğiniz takdirde, su, karbon, ısı ve hatta besin gibi farklı akış ve döngüleri bir araya getiriyor. Böylece, endüstriyel bir simbiyoz yaratabiliyorsunuz", diye ifade ediyor Wurm. "Örneğin, bölgenizde CO2
emisyonu oluşturuyorsanız, bu emisyonu alıp ön cepheye aktarabilirsiniz." Mimarları heyecanlandıran şey, gün boyunca değişen canlı bir ön cephe tasarımı fırsatı ile birlikte, binanın kendi ortamına ait doğal bir döngü içerisine dâhil edilmesi fikri.
"Gün boyunca ve mevsim geçişlerinde oluşan renk değişimi çok ilgi çekici. Kabarcıkların ışıltı oluşturması için arka kısma yansıtıcı cam, ara katman, vs. ne isterseniz koyabilirsiniz", diyor.
Görünen o ki, enerji sorunumuzun sihirli bir çözümü yok. Geleceğin elektrik santralleri, birçok farklı teknolojiden oluşacak. Biyoreaktör cephe, diğer enerji dönüştürme teknikleri ile uyumlu olarak çalışacak şekilde tasarlandı. İşte tam da burada, Wurm farklı teknolojilerin değiş tokuş edildiği ve simbiyotik ağ içerisinde kullanılabilir enerji sağladığı bir organizma olarak, birbirine bağlı bir şehirden söz ediyor. Yaşayan bir şehir şekillenmeye başlıyor, biyoreaktör cephelerin bu kadar ilgi çekmesinin nedeni de bu.
Isıyı içeride tutmak
Peki, mevcut binalar ne olacak? Sızdırmalı güneş enerjisi toplayıcıları ve üçüncü nesil fotovoltaik gelecekte güçlendirme çalışmalarına uyarlanabilecek olsa da, biyoreaktör cepheler sıradan bir evin ön tarafına takılabilecek türden bir şey değil.
Yerel güçlendirme piyasasında hedeflediğimiz en modern gelişme ise, akıllı yalıtım. Ana hedef, estetikten ödün vermeden ısı verimliliğini artırmak. BASF yıllardır farklı özelliklere sahip yalıtım malzemeleri geliştiriyor. Son 7 yıldır, nanoölçek bazında gözenek içeren SlentiteTMadında yeni bir yalıtım malzemesi türü üzerinde çalışıyor.
Şu an üretimi deneme aşamasında olan bu ürün, eşdeğer bir yalıtıma kıyasla %25 ila %50 daha ince olan, son derece verimli bir yalıtım sağlayan saf bir poliüretan aerojel. Su buharını emip serbest bırakarak, bina içerisinde nemi dengeleyebilme gibi eşsiz bir niteliğe sahip. Bu yeni malzemeyi üretmiş olan BASF ekibinin lideri Dr. Marc Fricke, "Hem iç hem de dış yalıtımda temel uygulama alanı olarakı mevcut binaların tadilatı ve yeni binalar olarak görüyoruz", diye ifade ediyor.
Al Bahar Kuleleri
Sürekli yoğun güneş ışığı alan ve çok sıcak olan Abu Dhabi'de öncelik, binaların serin kalmasını sağlamak. Şehrin ufkuna inşa edilen iki yeni bina olan Al Bahar Towers, ilhamını geleneksel İslam mimarisinde gölge sağlamak için kullanılan bir tel kafes olan maşrabiyadan alıyor. Bu kuleler, dinamik ve akıllı bir cephe ile yalıtılıp soğutuluyor. Binanın dışındaki kafes, içeride gölge oluşturmak amacıyla güneşin hareketlerine tepki verecek şekilde programlanıyor. Görenler bunun binlerce şemsiyenin güneşin hareketlerine göre açılıp kapanmasına benzediğini söylüyor. Bu gölgeleme teknolojisini uygulayan Aedas mimarları, binaya giren doğal ışık miktarını kısıtlama gibi bir dezavantaja sahip olduğu için, koyu renkli cam kullanmıyor. 25 katlı bu ikiz kulelerde, eşdeğer bir ofis alanına kıyasla çok daha az bir iklimlendirme ve yapay ışık gerekiyor, dolayısıyla enerji tüketimi %50 azalıyor.
Akan sudan elektrik üretimi
Seoul Devlet Üniversitesi araştırma görevlileri, suyun hareketini, sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak kullanabilmenin bir yolunu buldular. Bu yeni teknik, zayıf bir elektrik iletkenliğine sahip, fakat güç üretimi için elektrostatik bir alanı desteklemeye yardımcı olabilecek porselen, cam ve plastik gibi yalıtkan materyallerin niteliklerinden faydalanıyor.
Güney Koreli bilim insanları, yalıtkan bir materyal suya yerleştirildiği takdirde, bu materyalin dış kısmında bir elektrik tabakası oluştuğunu buldular. İşte, bir elektrot üzerinde elektrik yükü üreten şey, su ile yalıtkan tabaka arasındaki bu sapma. Kore Elektrik Teknolojisi Enstitüsü ile çalışan ekip, basit bir yalıtkan transformatörü enerji toplayacak şekilde uyarladı. 30 mikrolitre miktarındaki tek bir su damlasının hareketinin, yeşil bir LED ışığını yakmaya yetecek kadar güç ürettiğini buldular. Bu keşif, tuvalet sifonundan ve binalardan akıp giden yağmur suyundan enerji toplama olanağının önünü açıyor.
Çin'deki Pasif Ev
Yalıtım, sürdürülebilir konut alanındaki son dönemlerin en önemli gelişmelerinden biri olan Pasif Ev'lerin ardındaki itici güç. Bir Alman konsepti olan Pasif Ev, ısı kaybını azaltarak herhangi bir ısıtma sistemi kullanmadan yıl boyunca konfor sağlayan, son derece iyi yalıtılmış bir barınak.
Bu, ülkenin ilk Pasif Evi olan Bruck projesini bu yılın Nisan ayında uygulamaya koymuş, Çin'in en büyük emlak şirketlerinden biri olan Landsea Group'un dikkatini çekmiş bir konsept.
Kışlarının çok soğuk, yazlarının ise aşırı derecede sıcak ve nemli olması ile bilinen bir bölge olan Güney Çin'in Zhejiang Vilayeti, Changxing İlçesine kurulmuş olan Bruck projesi, Pasif Ev projesinin sergilendiği araştırma merkezini ziyaret eden delegelerin kaldığı bir otel. Landsea, Pasif Evin Changxing'in zorlu ikliminde işe yaradığı kanıtlanabildiği takdirde, bu projenin Çin'in diğer bölgelerinde de uygulanabileceğine inanıyor. Landsea'de inşaat ve sürdürülebilirlik mühendisi olarak görev yapan Kai Zou, bunu, "Bu teknolojiler Çin'de geniş çaplı olarak uygulanabilir, fakat her bir farklı iklim bölgesindeki yerel koşullara en uygun tasarımı ve teknolojiyi seçmemiz gerekiyor", şeklinde açıklıyor.
Sürdürülebilir konut ihtiyacına her geçen gün daha fazla yoğunlaşan Çin hükümeti sayesinde, Çin'deki inşaat sektörü, enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik yeni fikirlere karşı çok daha açık. Landsea, şu an dünyanın en büyük konut pazarlarından birinde Pasif Ev fikrini desteklemenin tam zamanı olduğuna inanıyor.
Alg cepheler, fotovoltaik boyalar, akıllı duvarlar ve çatılar, klasik enerji kaynaklarını ortadan kaldıran yaşayan binalar..Bunların hepsi kulağa çok çağ ötesi geliyor olabilir. Fakat yeni nesil girişimciler ve akademisyenler başarıya ulaştığı takdirde, bu gelişmiş teknolojiler düşündüğümüzden çok daha yakın bir gelecekte yaşadığımız binalarda boy göstermeye başlayacak.
