En noll-utsläppsstad i öknen

De första tipsen om projektet är synliga. En vit vägg sträcker sig genom öknen, som en kritstreck på en dammig spelplan. En buss med mörka fönster rör upp ett lågt moln, färja arbetare förbi ett kluster av stålkranar, två bärbara borriggar och ett stativ av betongpelare som spirar rostfärgat armeringsjärn. Ett högt trådstängsel skyddar rader av solpaneler monterade på betongkuddar.

Ökenstad: Masdar City-utvecklingen, nära Abu Dhabi, var i de första byggskedena i oktober förra året. I fjärran reser kranar den första byggnaden, ett forskningsinstitut.

Bygget är starten på ett stort experiment, ett försök att skapa världens första bilfria, noll-koldioxid-utsläpp, noll-avfallsstad. Staden, som ska stå färdig 2016, är centrum i Masdar-initiativet, en investering på 15 miljarder dollar från regeringen i Abu Dhabi, som är en del av Förenade Arabemiraten. Den nya utvecklingen, som byggs i utkanten av staden Abu Dhabi, kommer att drivas nästan helt på energi från solen och kommer att använda bara 20 procent så mycket ström som en konventionell stad av liknande storlek. Sopor kommer att sorteras och återvinnas eller användas för kompost; avloppsvatten kommer att behandlas till bränsle. Betongpelare kommer att lyfta staden sju meter från marken och skapa utrymme under för ett nätverk av automatiserade eltransporter som kommer att ersätta bilar. Planerare förutspår att utvecklingen kommer att locka till sig 1 500 renteknologiska företag, allt från stora internationella företag till nystartade företag och – så småningom – omkring 50 000 invånare.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Staden kommer att bli en oas av förnybar energi i ett land på fem miljoner, rikt på olja, som förbrukar mest naturresurser per capita i världen. Sett på ett sätt är det bara det senaste pråliga projektet i ett land som har definierats av dem. Förenade Arabemiraten är faktiskt redan hem för världens högsta byggnad och en enorm inomhusskidanläggning som har en 200 meter lång svart-diamantbacke. Fastighetsutvecklare har muddrat koraller och sand från havsbotten, samlat upp det i Persiska viken för att skapa öar i form av palmer och en karta över världen.

Ändå är många experter optimistiska om att staden kan bli en testbädd för nya tillvägagångssätt för de tekniska och arkitektoniska problemen som är involverade i att skapa miljömässigt hållbara städer. Även om arkitekter redan har designat och byggherrar byggt många små nollutsläppsbostäder och kommersiella byggnader, har projekt som involverar stora kommersiella byggnader för flera användningsområden inte levt upp till förväntningarna, använt för mycket energi eller misslyckats med att generera tillräckligt. En del av problemet är den växande komplexiteten som kommer med skalan, säger J. Michael McQuade, senior vice president för vetenskap och teknik på United Technologies i Hartford, CT; dagens designprogramvara har inte kunnat hantera det. Men Masdar City, som självt utvecklats med hjälp av omfattande modellering, kommer att kopplas från början för att samla in data som kan visa sig vara värdefulla för att utveckla bättre modeller. Den informationen skulle kunna göra framtida nollutsläppsstäder billigare och lättare att bygga.

• Klicka här för att höra hur det var att rapportera från Abu Dhabi för den här historien.

Och utvecklingen är tänkt att tjäna pengar, inte bara introducera ny teknik. Vi vill att Masdar City ska vara lönsamt, inte bara en fast kostnad, sa Khaled Awad, projektets chef för fastighetsutveckling, vid en enorm fastighetsmässa i Dubai i höstas. Om det inte är lönsamt som fastighetsutveckling är det inte hållbart. Men om det är det kan det vara replikerbart.

Om miljöingenjörer, genom att skaffa sig erfarenhet av att bygga denna vilda stad, blir mycket mer produktiva på att bygga nästa stad, börjar det här gå från att vara science fiction till något Houston skulle ta till sig, säger Matthew Kahn, professor i ekonomi vid University of California , Los Angeles. Gil Friend, VD för Natural Logic, ett företag med hållbar design baserat i Berkeley, Kalifornien, håller med. Jag ser Masdar å ena sidan som en lekplats för de rika, säger han, och å andra sidan som en FoU-möjlighet att implementera och testa teknik som, om det går bra, kommer att dyka upp i andra städer.

Multimedia

• Se en flygande animation av Masdar City-designen.

• Se ett diagram över Masdar-initiativets huvudkontor.

• Besök testfältet för solenergi i Masdar City.

Naturligtvis kommer mycket av det man har lärt sig från Masdar inte att gälla utanför Persiska vikens otroligt varma och soliga kust. En plats i Tyskland, som inte skulle få så mycket solljus, kunde inte förlita sig lika mycket på solenergi. En webbplats i San Francisco kanske inte behöver luftkonditionering, vilket gör information om avancerade kylsystem mindre relevant. Men om projektet når sina miljömål kommer det åtminstone att visa att sådana städer kan byggas. Folk säger: 'Jösses, det skulle vara bra. Det skulle vara en bra idé, men det är uppenbarligen inte möjligt, säger Friend. När du väl kan peka på något tar det bort många av dessa argument.

Energiöverskott: Masdars högkvarter, som visas i en arkitektonisk rendering, är designat för att generera mer förnybar el än den förbrukar; det skulle vara den första storskaliga fleranvändningsbyggnaden som gjorde det.

Breaking Ground
Masdar-initiativet är en del av en ambitiös plan för att omvandla en resursbaserad ekonomi – den tredje största exportören av olja i världen – till en baserad på kunskap och expertis. Namnet Masdar kommer från det arabiska ordet för källa, och planen är att göra Abu Dhabi till den alternativa energins Silicon Valley: en källa till talang, patent och nystartade företag inom just den industri som en dag skulle kunna utmana oljans överhöghet. Det är en minst sagt skrämmande utmaning, särskilt för en region som, enligt Awad, inte har varit känd för innovation på tusen år.

Staden var tänkt som en skattefri zon avsedd att locka till sig renteknologiska företag, till stor del från andra länder. (Den första hyresgästen, General Electric, planerar att bygga en 4 000 kvadratmeter stor anläggning.) Masdar Institute, den första delen av staden som ska byggas, är tänkt att vara vad Stanford University är för Silicon Valley. Utvecklat i samarbete med MIT, som organiserade läroplanen och hjälper till att välja ut och utbilda fakulteten, kommer institutet att vara en forskarskola som erbjuder magisterexamen och, så småningom, doktorsexamen. Dess första klass på 100 studenter börjar kurser i höst. Och om akademiker utvecklar lovande idéer och startar företag kan de vända sig till Masdar-initiativet för kapital. Av de 15 miljarder dollar som regeringen hittills har avsatt för initiativet är endast cirka 4 miljarder dollar avsedda som startpengar för att bygga stadens infrastruktur. (Staden förväntas kosta totalt 22 miljarder dollar, resten kommer från externa investerare.) De återstående 11 miljarderna är öronmärkta för en rad investeringar; Projekten hittills inkluderar en solcellsfabrik i Tyskland, en vindkraftspark till havs i Storbritannien och ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen i Nigeria.

Ändå är staden den mest synliga delen av initiativet. Det är det överlägset största nollutsläpps- och nollavfallsprojektet i världen, enligt flera experter. (En större ekostadsutveckling nära Shanghai strävar inte efter nollutsläpp.) Ansträngningar på andra håll har hittills varit begränsade till små till medelstora byggnader och små samhällen, som en serie effektiva radhus för 250 personer i Wallington, South London. En av de mest ambitiösa nollutsläppsbyggnaderna hittills, Lewis Center vid Oberlin College i Ohio, har 1 263 kvadratmeter golvyta. Masdar City kommer att täcka sex kvadratkilometer. Enbart huvudkontoret, som kommer att omfatta kontor samt butiks- och kulturutrymmen, kommer att uppta en 89 500 kvadratmeter stor struktur.

En detaljerad översiktsplan för staden är klar, liksom planerna för de första byggnaderna: Masdar-institutet och huvudkontoret. Staden – som kommer att innehålla lägenheter och laboratorier, men också fabriker, biografer, caféer, skolor, brandstationer och så vidare – är tänkt att generera lika mycket el som den förbrukar. Dess vatten kommer att återvinnas för att spara energikostnaderna för avsaltning. Vakuumrör under staden ska transportera sopor till en central plats, där det kommer att sorteras och så mycket som möjligt kommer att återvinnas. Skräp som inte kan återvinnas kommer att omvandlas till energi genom en förgasningsprocess och resterna införlivas i byggmaterial. Avloppsvatten kommer att renas och en del av det behandlas till ett torrt förnybart bränsle för att generera el. Transportsystemet kommer att omfatta en spårväg som förbinder utvecklingen till Abu Dhabis centrum och flygplatsen, samt ett personligt snabbtransitsystem (PRT) med stationer i hela staden. PRT, ett system av automatiserade elfordon, kommer att ansluta människor till järnvägen eller leverera dem till parkeringsgarage utanför staden.

Som är typiskt för nollutsläppsprojekt hittills kommer staden att delvis behöva förlita sig på fossila bränslen – både under konstruktionen och för ström på natten, när dess solpaneler inte kommer att producera någon el. Målet beskrivs egentligen bäst som noll netto koldioxidutsläpp: för att nå nollutsläppsmålet kommer utvecklarna att vända sig till ett system med koldioxidkrediter. När staden byggs kommer en 10 megawatts uppsättning solpaneler att leverera ström till den närliggande staden Abu Dhabi, vilket minskar efterfrågan på el från lokala naturgaseldade kraftverk under dagen. De sparade koldioxidutsläppen kommer att kompensera för de utsläpp som produceras på natten, när Masdar hämtar kraft från samma naturgasanläggningar. Denna solcellspanel och ytterligare paneler som kommer att installeras när bygget fortsätter och efterfrågan på el ökar, kommer också att kompensera koldioxidutsläppen från byggutrustning, från de processer som används för att tillverka byggmaterial som betong och till och med från konsulters flyg till Abu Dhabi från städer runt om i världen.

Energiöverskott: Masdars huvudkontors strukturella koner, som bär upp ett tak lastat med solpaneler, kommer att ge ljus och ventilation. Dammen hjälper till att kyla luften.

Hittills har utvecklarna stått för nästan allt, säger Pooran Desai, medgrundare av BioRegional, ett brittiskt företag som hjälpte till att utveckla nollutsläppsprojektet i London och har konsulterat för Masdar. Jag känner inte till något annat projekt som har varit så noggrant när det gäller sin koldioxidövervakning, säger Desai. De jagar varje molekyl av koldioxid.

Översiktsplanen
Dubai är en vidsträckt, bildominerad stad cirka en timmes bilresa från staden Abu Dhabi. Skyskrapor sträcker sig längs en 12-filig motorväg, Sheikh Zayed Road. Solljus värmer de oskuggade områdena till 46 °C på sommaren. Men det finns några platser i Dubai där en person kan gå utomhus mitt på dagen utan att riskera värmeslag, och alla är artefakter från det förflutna. Det finns täckta souks, skuggade marknadsplatser. Och det finns ett historiskt distrikt som heter Bastakiya, som bevarar en del av arkitekturen som skyddade lokalbefolkningen från värmen och fukten innan luftkonditioneringen kom. Husen och butikerna har tjocka väggar av torkad korall och gips som absorberar värme under dagen och släpper ut den långsamt på natten. Eftersom byggnaderna är tätt packade skuggar de både varandra och de smala passagerna mellan dem. Passagerna trattbrisar, kyler byggnaderna ytterligare.

När Gerard Evenden, en senior partner på det brittiska företaget Foster and Partners, började göra huvudplanen för Masdar City, tittade han på sådana traditionella konstruktioner för sätt att spara energi. Eftersom staden nästan helt kommer att vara beroende av el från solkraft, vilket är fem gånger priset på el från det lokala nätet, behöver staden vara ungefär fem gånger så energieffektiv som konkurrerande byggnationer i närheten.

En av de första sakerna Evenden gjorde var att subtrahera bilar: med motorvägarna borta kunde stadens byggnader separeras av passager som bara var 7 till 12 meter breda, tillräckligt nära för att skugga varandra men ändå tillräckligt långt ifrån varandra för att släppa in indirekt ljus. Det är ett billigt sätt att minska behovet av inte bara luftkonditionering utan även elektrisk belysning, det största avfallet på el i kommersiella byggnader. Isolering är också billigt: ​​i Masdar-institutet planerar Evenden att använda 30 centimeter tjock isolering för att hålla värmen ute. Han innehåller också skinn av kopparfolie som reflekterar ljus och leder värme bort från byggnaderna. Folien kommer att skyddas från ökendammet av en självrengörande teflonliknande plast. För att minska behovet av energikrävande avsaltning kommer Evendens design att minska vattenförbrukningen med 75 procent genom återvinning, lågflödesarmaturer och vattenfria urinaler.

En liten del av den energi som fortfarande behövs för att driva staden kommer från avfallsbaserat bränsle och kanske geotermisk kraft. Resten kommer från solen – men inte allt genom dyra solceller, som omvandlar solljus till elektricitet. Mycket billigare enheter som koncentrerar värme från solen kommer att värma vatten och köra en typ av luftkonditionering som kallas en absorptionskylare. (Detta är samma typ av teknik som används nu i propandrivna kylskåp.)

I teorin borde allt fungera. Men i praktiken har även mycket mindre ambitiösa projekt misslyckats. Oberlin Colleges Lewis Center har många av samma delar av energieffektiv design: tjock isolering, naturlig ventilation med värmeväxlare, gott om fönster för att kompensera behovet av elektrisk belysning och värmepumpar snarare än konventionella ugnar. En uppsättning solpaneler på 60 kilowatt på taket skulle producera lika mycket el under loppet av ett år som byggnaden förbrukar. Ändå använde byggnaden till en början för mycket energi, och solpanelerna var inte tillräckliga. För att uppnå noll nettoenergi var skolan tvungen att installera en extra solcellspanel i närheten, vilket mer än tredubblade den totala energiproduktionen. Det tillförde över en miljon dollar till en redan dyr byggnad, uppskattar John Scofield, en fysikprofessor vid Oberlin som har publicerat en detaljerad analys av byggnadens prestanda.

I allmänhet tycker arkitekter att det blir mycket svårare att förutsäga hur energieffektiva system kommer att samverka när byggnader blir större. I byggnader designade för att dra nytta av naturligt ljus, till exempel, kan designers installera sensorer för att automatiskt stänga av glödlampor när tillräckligt med ljus kommer in utifrån. Men lampor som tänds eller släcks i en avkänningszon kan påverka sensorerna i en annan. I vissa byggnader har detta skapat en återkopplingsslinga som gör att lamporna tänds och släcks irriterande.

Närliggande värme- och kylzoner kan också påverka varandra för att skapa komplexa och oförutsägbara återkopplingsslingor, särskilt när antalet zoner ökar. United Technologies J. Michael McQuade minns vad som hände när hans företag designade vad som skulle vara ett intelligent system för uppvärmning, ventilation och luftkonditionering för en ny byggnad i Paris. Systemet designades för att koordinera 3 000 olika zoner. När den byggnaden först sattes ihop var den en betydande energikonsument, och det krävdes en förnyelse av de integrerade styrsystemen för att få det rätt, säger McQuade.

Om byggnader med nollutsläpp ska vara ekonomiska, säger Scofield, kommer konstruktionerna att fungera från början. Om du inte får det rätt, säger han och pekar på fiaskot i Oberlin, är varje korrigering du gör så mycket dyrare än att göra rätt första gången.

Personlig transit
Masdar City kommer att höjas på betongpålar för att ge plats åt ett PRT-system (Personal Rapid Transit) som kommer att ersätta bussar och tåg med mindre fordon avsedda för fyra personer. Masdars planerare förväntar sig att systemet ska använda mindre energi än konventionella kollektivtrafik, och de säger att det också kommer att vara bekvämare.

I ett PRT-system hålls flera små fordon, ofta kallade pods, väntande på varje station. En individ eller en liten grupp går ombord på en och väljer en destination; podden fortsätter automatiskt till destinationen utan att stanna. I en typisk design liknar varje fordon en batteridriven golfbil, bara den är helt innesluten och något större – och den saknar ratt. Fordonet följer ett spår, som är kopplat till stationer med på- och avfarter, och en dator kontrollerar hur poddarna kommer in och ut från stationerna: ramperna låter enskilda pods göra stopp medan andra fortsätter längs huvudspåret uppe på toppen hastigheter. Simuleringar tyder på att systemen kan köras med så lite som en halv sekund mellan fordonen.

Men även om PRT:er ser lovande ut, har de inte kommit ikapp. Det beror delvis på att ett tidigt PRT-liknande system byggt på 1970-talet i Morgantown, WV, gav idén ett dåligt namn, säger Jerry Schneider, en emeritusprofessor i stadsplanering och civilingenjör vid University of Washington i Seattle och en mångårig förespråkare av PRT. Folk skulle kliva på fordonen och de skulle inte stanna, säger Schneider om systemet, en transitlinje med automatiserade bilar för cirka 20 personer. Tekniken har förbättrats sedan dess, säger han, men det har inte funnits en betydande demonstration i verkligheten av de uppdaterade systemen.

Två demonstrationsprogram är på gång. Den första, som kommer att transportera passagerare till en ny terminal på Heathrow International Airport nära London, kommer att öppna senare i år. Tester av det systemet pågår redan. Och den första etappen av systemet i Masdar City, som ska byggas av det holländska företaget 2GetThere, är planerad att vara på plats för öppnandet av Masdar Institute i höst.

Testbädden
Sameer Abu-Zaid svettas inte. Det är 39 °C med 74 procent luftfuktighet, men han säger att det är en trevlig dag – mycket svalare än sommaren i Abu Dhabi, då temperaturen kan nå 49 °C. Abu-Zaid, som ursprungligen kommer från Jordanien och senast var chef på en tillverkare av halvledarutrustning i Silicon Valley, kommer att hantera Masdar Citys kraft- och distributionsinfrastruktur. Alla dessa moduler har testats på fabrikerna, säger han när han ger en rundtur i en av de första synliga skyltarna i staden, en testplats där han sätter 41 solpaneler från olika tillverkare i deras takt. Men de har testats under standardtestförhållanden: 1 000 watt per kvadratmeter, 25 °C. Trevligt luftkonditionerat utrymme. Det är helt annorlunda här.

Damm från öknen täcker panelerna snabbt och dämpar effektivt ljuset som når dem. Abu-Zaid har lärt sig att bara fyra månaders damm minskar produktionen av solpanelerna med mer än 20 procent – ​​information som han kommer att använda för att bestämma hur ofta panelerna ska tvättas, vilket balanserar strömförlusten mot vattenförbrukningen.

Skuggig körfält: Solpaneler på taken ger solskydd i offentliga utrymmen mellan byggnader.

Ett annat problem är värmen. Solpanelernas mörka ytor absorberar solljus och höjer deras temperatur till så mycket som 80 °C. Värmen påverkar vissa solcellstekniker mer än andra. Några av de mest effektiva solpanelerna producerar också mindre ström när de blir varma. På grund av dessa avvägningar är det inte självklart vilka paneler som kommer att fungera bäst på Masdar-webbplatsen, säger Abu-Zaid. Vid testdiagrammet spårar sensorer hur mycket olika paneler värms upp, hur effektiva olika kylningsstrategier är och hur uteffekten förändras med temperaturen, bland andra faktorer.

Sådan datainsamling kommer att fortsätta i takt med att staden växer. Dess designers och ingenjörer kommer att mäta både energiförbrukning och energiproduktion. De kommer att spåra vattenförbrukningen ner till den individuella armaturen. På Masdars huvudkontor kan designers använda RFID-taggar i säkerhetsbrickor för att samla information om hur människor använder vatten och energi. Sådana mätningar kommer att göra det möjligt för designers och ingenjörer att jämföra stadens verkliga prestanda med prestandan som förutspåtts av laboratorietester och simuleringar.

Reality Check
I början av 1960-talet, medan USA skyndade sig att sätta en man på månen, var elektriska fläktar och lampor fortfarande ovanliga i Abu Dhabi, enligt Mohammed Al Fahim, en infödd i emiratet som har skrivit en sällsynt historia om platsen. Det dröjde inte länge efter det att olja upptäcktes där, och långt innan pengarna började flöda. Al Fahim kommer från en av de rikaste familjerna i området, men ändå dog både hans syster och senare hans mor på grund av brist på grundläggande hälsovård. Nu är medellivslängden i Abu Dhabi praktiskt taget densamma som i USA. Förr överlevde lokalbefolkningen på vatten från bräckta brunnar; nu dricker de färskt vatten från nya avsaltningsanläggningar. De ömtåliga och mycket brandfarliga palmbladshyddor som hyste de flesta människor har ersatts av glänsande skyskrapor av glas och stål.

På många sätt har utvecklingen av Abu Dhabi under de senaste decennierna speglat en frenetisk ansträngning att komma ikapp den utvecklade världen. Nu, på grund av projekt som Masdar City, har emiratet en chans att tävla vidare. Men sett till stadsutvecklingen framstår den som mycket vid ett vägskäl. Om några år, medan invånarna i Masdar City kommer att knipa kilowattimmar och använda vattenfria urinaler, kommer gocartarna att skrika runt en ny bana i en Ferrari-nöjespark i närheten, barnen kommer att skrika när de störtar nerför vattenrutschbanor kl. en ny vattenpark och massiva luftkonditioneringsapparater kommer att ryta när de kyler en ny supermall med 700 butiker. Det är allt en del av en 2 500 hektar stor utveckling som kommer att dvärga den 640 hektar stora Masdar City.

De två utvecklingarna är konkurrerande visioner för Abu Dhabis framtid. Om Masdar-projektet inte motiverar sig självt ekonomiskt kan det verkligen bara vara en grön lekplats för de rika, en miljönöjespark som i stort sett är irrelevant för utvecklingen av hållbar teknik i en bredare skala. Men om det är lönsamt kan det vara en drivkraft för hållbar stadsdesign. Då kan de oljerika utvecklarna i Förenade Arabemiraten och på andra håll ha en anledning att bygga fler gröna städer och hoppa över att bygga ytterligare en skidbacke i öknen. Och utvecklare över hela världen kommer att följa efter.

Kevin Bullis är Teknikgranskning energiredaktör.

Dölj