14.3: Відновлювані джерела енергії

Гідроенергетика

Гідроенергетика (гідроелектростанція) вважається чистим і відновлюваним джерелом енергії, оскільки вона безпосередньо не виробляє викидів забруднювачів повітря, а джерело енергії регенерується. Однак гідроенергетичні греблі, водосховища та робота генераторів можуть мати вплив на навколишнє середовище. На малюнку нижче показана електростанція Гувера, розташована на річці Колорадо. Гідроенергетика забезпечує 35 відсотків споживання відновлюваної енергії США. У 2003 році потужність становила 96 000 МВт, і, за оцінками, потужність 30 000 МВт є нерозвиненою.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Електростанція Гувера Вид на електростанцію Гувера на річці Колорадо, як видно зверху. Джерело: Міністерство внутрішніх справ США

Міграція риби до їх нерестових районів вище за течією може перешкоджати гребля, яка використовується для створення водосховища або для відводу води на річкову гідроелектростанцію. Водойма та експлуатація греблі можуть впливати на природне водне середовище існування через зміни температури води, хімії, характеристик течії та мулових навантажень, що може призвести до значних змін екології та фізичних характеристик річки вгору та вниз за течією. Будівництво водойм може призвести до охоплення природних територій, ферм та археологічних пам'яток та змусити населення переселятися. Гідротурбіни вбивають і травмують деякі риби, які проходять через турбіну, хоча є способи зменшити цей ефект. У районах, де лосось повинен подорожувати вгору за течією, щоб нереститися, наприклад, вздовж річки Колумбія у Вашингтоні та Орегоні, греблі заважають. Цю проблему можна частково полегшити, використовуючи «рибні сходи», які допомагають лосося встати на греблі.

Вуглекислий газ і метан також можуть утворюватися у водоймах, де вода більш застійна і викидається в атмосферу. Точна кількість парникових газів, що виробляються з водойм ГЕС, є невизначеною. Якщо водойми розташовані в тропічних та помірних регіонах, включаючи США, ці викиди можуть дорівнювати або перевищувати парниковий ефект викидів вуглекислого газу від еквівалентної кількості електроенергії, виробленої за допомогою викопного палива (EIA, 2011).

Малі гідроенергетичні системи

Масштабні проекти гідроенергетики греблі часто критикуються за їх вплив на середовище існування дикої природи, міграцію риб та водний потік та якість. Однак невеликі проекти, що працюють на річці, позбавлені багатьох екологічних проблем, пов'язаних з їх великомасштабними родичами, оскільки вони використовують природний потік річки, і, таким чином, виробляють відносно невеликі зміни в руслі та потоці потоку. Греблі, побудовані для деяких проектів, що протікають на річці, дуже малі і витрачають мало води - і багато проектів взагалі не вимагають греблі. Таким чином, такі ефекти, як виснаження кисню, підвищення температури, зниження потоку та відмова від допоміжних засобів міграції вище за течією, таких як рибні сходи, не є проблемами для багатьох проектів, що працюють на річці.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Мікрогідроенергетична система. Незважаючи на те, що існує кілька способів використовувати рухому воду для отримання енергії, системи, які не потребують великих резервуарів для зберігання, часто використовуються для мікрогідро, а іноді і для невеликих гідротехнічних проектів. Для гідропроектів, що працюють на річці, порція води річки відводиться в канал, трубопровід або трубопровід під тиском (пенсток), який подає його на водяне колесо або турбіну. Рухома вода обертає колесо або турбіну, яка обертає вал. Рух вала може бути використаний для механічних процесів, таких як перекачування води, або він може бути використаний для живлення змінного натора або генератора для виробництва електроенергії.

Невеликі гідроенергетичні проекти пропонують рішення без викидів енергії для багатьох віддалених громад у всьому світі, таких як Непал, Індія, Китай та Перу, а також для високо розвинених країн, таких як США. Малі - гідросистеми - це ті, які виробляють від 0,01 до 30 МВт електроенергії. Гідроенергетичні системи, що виробляють до 100 кіловат (кВт) електроенергії, часто називають мікрогідросистемами (рисунок вище). Більшість систем, що використовуються власниками будинку та малого бізнесу, кваліфікуються як мікрогідросистеми. Насправді система потужністю 10 кВт, як правило, може забезпечити достатню потужність для великого будинку, невеликого курорту або хобі ферми.

Тверді побутові відходи

Відходи в енергетичні процеси набирають поновлений інтерес, оскільки вони можуть вирішити відразу дві проблеми — утилізація відходів у міру зменшення потужності полігону та виробництва енергії з відновлюваних ресурсів. Багато з впливу на навколишнє середовище подібні до впливу вугільної установки - забруднення повітря, утворення золи тощо Оскільки джерело палива менш стандартизоване, ніж вугілля та небезпечні матеріали можуть бути присутніми у твердих побутових відходах (ТПВ), або смітті, сміттєспалювальних установках та електростанціях від відходів до енергії потрібно очистити стек гази шкідливих матеріалів. EPA США регулює ці рослини дуже суворо і вимагає встановлення пристроїв проти забруднення. Крім того, під час спалювання при високій температурі багато токсичних хімічних речовин можуть розпастися на менш шкідливі сполуки.

Зола цих рослин може містити високі концентрації різних металів, які були присутні в вихідних відходах. Якщо зола досить чиста, її можна «переробляти» як покриття полігону ТПВ або будувати дороги, цементний блок і штучні рифи.

Біомаса

Біомаса отримується з рослин. Приклади включають тирсу пиломатеріалів, шлам паперової фабрики, відходи двору або вівсяні лушпиння з заводу з переробки вівсяних пластівців. Основною проблемою біомаси є визначення того, чи дійсно вона є більш стійким варіантом. Для отримання енергії часто потрібна енергія, а біомаса є одним із прикладів, коли обробка, щоб зробити її, не може бути компенсована енергією, яку вона виробляє. Наприклад, спалювання біомаси може збільшувати або зменшувати викиди забруднювачів повітря залежно від типу біомаси та видів палива або джерел енергії, які вона замінює. Біомаса зменшує попит на викопне паливо, але коли рослини, які є джерелами біомаси, вирощуються, майже еквівалентна кількість\(\ce{CO2}\) захоплюється за допомогою фотосинтезу, таким чином вона переробляє вуглець. Якщо ці матеріали вирощувати та збирати сталим способом, чистого збільшення\(\ce{CO2}\) викидів не може бути. Кожен тип біомаси повинен бути оцінений на предмет екологічного та соціального впливу, щоб визначити, чи дійсно він сприяє стійкості та зменшенню впливу на навколишнє середовище.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Тріска Фотографія показує купу тріски, які є різновидом біомаси. Джерело: Ульріхюльріх

Тверда біомаса: спалювання деревини

Використання деревини та деревного вугілля, виготовленого з деревини, для опалення та приготування їжі може замінити викопне паливо і може призвести до зниження\(\ce{CO2}\) викидів. Якщо деревину збирають з лісів або лісових ділянок, які потрібно проріджувати, або з міських дерев, які все одно падають або потребують вирубки, то використання її для біомаси не впливає на ці екосистеми. Однак деревний дим містить шкідливі забруднювачі, такі як чадний газ та тверді частинки. Для опалення будинку він найбільш ефективний і найменш забруднює при використанні сучасної дров'яної печі або камінної топки, які призначені для виділення невеликої кількості твердих частинок. Однак у місцях, де дрова та деревне вугілля є основними паливами для приготування їжі та опалення, наприклад, у нерозвинених країнах, деревина може бути заготовлена швидше, ніж дерева можуть рости, що призводить до вирубки лісів.

Біомаса також використовується в більших масштабах, де є невеликі електростанції. Наприклад, Colgate College мав дров'яний котел з середини 1980-х років, і за один рік він переробляв приблизно 20 000 тонн місцевої та стійко заготовленої деревної тріски, що еквівалентно 1,17 мільйона галонів (4,43 мільйона літрів) мазуту, уникаючи 13,757 тонн викидів та заощаджуючи університет понад 1,8 мільйона доларів витрат на опалення. Парогенеруюча дров'яна установка університету в даний час задовольняє більше 75 відсотків потреб кампуса в тепло і побутової гарячої води.

Газова біомаса: звалищний газ або біогаз

Звалищний газ і біогаз - це свого роду техногенний «біогенний» газ, про який говорилося вище. Метан і вуглекислий газ утворюються в результаті біологічних процесів на очисних спорудах, сміттєзвалищах, анаеробному компостуванні та системах поводження з гноєм худоби. Цей газ захоплюється і спалюється для отримання тепла або електроенергії, як правило, для генерації на місці. Електроенергія може замінити електроенергію, вироблену спалюванням викопного палива, і призвести до чистого скорочення\(\ce{CO2}\) викидів. Єдиний вплив на навколишнє середовище - це будівництво самого заводу, подібного до впливу заводу на природному газі.

Рідке біопаливо: етанол та біодизель

Біопаливо можна вважати вуглецево-нейтральним, оскільки рослини, які використовуються для їх виготовлення (наприклад, кукурудза та цукрова тростина для етанолу та соєві боби та пальмова олія для біодизеля) поглинають у\(\ce{CO2}\) міру зростання та можуть компенсувати\(\ce{CO2}\) вироблене біопаливо та спалювати. Розрахунок чистої енергії або\(\ce{CO2}\) виробленої або зменшеної в процесі виробництва біопалива має вирішальне значення для визначення його впливу на навколишнє середовище. Навіть якщо вплив на навколишнє середовище є чистим позитивним, необхідно враховувати економічні та соціальні наслідки вирощування рослин на паливо, оскільки земля, добрива та енергія, що використовуються для вирощування біопаливних культур, можуть бути використані для вирощування продовольчих культур замість цього. Конкуренція землі за паливо проти продуктів харчування може підвищити ціну на продукти харчування, що негативно позначається на суспільстві. Це також може зменшити постачання продовольства, збільшуючи недоїдання та голод у всьому світі. Біопаливо може бути отримано з частин рослин, які не використовуються в їжу (целюлозна біомаса), тим самим зменшуючи цей вплив. Целюлозна сировина етанолу включає місцеві прерійні трави, швидко зростаючі дерева, тирсу і навіть макулатуру. Крім того, в деяких куточках світу були вирубані великі площі природної рослинності та лісів, щоб виростити цукрову тростину для етанолу та сої та пальмових олійних дерев для виготовлення біодизеля. Це не стійке землекористування.

Біопаливо зазвичай замінює нафту і використовується для живлення транспортних засобів. Хоча етанол має більш високі октанові та етанол-бензинові суміші, що горять чистіше, ніж чистий бензин, вони також є більш летючими і, таким чином, мають більш високі «випарні викиди» з паливних баків та обладнання для дозування. Ці викиди сприяють утворенню шкідливого, наземного озону і смогу. Бензин вимагає додаткової обробки для зменшення викидів випарів перед змішуванням з етанолом.

Біодизель може бути виготовлений з відпрацьованого рослинного масла і виробляється на дуже місцевій основі. Порівняно з нафтовим дизелем, спалювання біодизеля виробляє менше оксидів сірки, твердих частинок, чадного газу та незгорілих та інших вуглеводнів, але більше оксиду азоту.

Соціальні та екологічні мотивації виробництва біопалива

Біопаливо - це паливо, виготовлене з біомаси. Найвідомішим прикладом є етанол, який можна легко ферментувати з соку цукрової тростини, як це робиться в Бразилії. Етанол також можна ферментувати з розщепленого (осаклірованого) кукурудзяного крохмалю, як це робиться в основному в Сполучених Штатах. Зовсім недавно зусилля були присвячені виготовленню замінного вуглеводневого біопалива, яке називається зеленим бензином, зеленим дизелем або зеленим реактивним паливом. У цій главі обговорюється потреба в біопаливі, види біопалива, яке можна виробляти з різних наявних сировинок біомаси, а також переваги та недоліки кожного палива та сировини. Також розглянуто різні способи виробництва біопалива.

Потреба в відновлюваних транспортних паливах

У сирої нафти, вугілля та природного газу (спільно називають викопним паливом) наша планета забезпечила нас джерелами енергії, які легко отримати та перетворити на корисне паливо та хімічні речовини. Однак ця ситуація незабаром зміниться через кілька десятиліть для нафтової нафти та через кілька століть для вугілля та природного газу. Пікова нафта відноситься до піку видобутку нафти, який повинен відбуватися, оскільки нафтова сировина закінчується.

Оскільки нафта стає все важче і важче знайти, тепер нам доводиться отримувати її з менш доступних місць, таких як далеко під океаном, що призвело до важкоремонтних аварій, таких як розлив нафти Deepwater Horizon у травні 2010 року. Додатковим ефектом є більш висока вартість переробки нафти, оскільки вона надходить з більш віддалених місць або в менш бажаних формах, таких як товстий, кам'янистий «дігтярний пісок» або «нафтовий пісок», знайдений у Канаді чи Венесуелі. Загалом, використання нафтової нафти не може перевищувати кількість виявленої нафти, і якщо припустити, що жодних великих відкриттів нафти не попереду, видобуток нафти з сирої має почати зменшуватися. Деякі аналітики вважають, що цей пік вже стався.

Додатковим аспектом дефіциту нафти є енергонезалежність. В даний час Сполучені Штати імпортують близько двох третин своєї нафти, що робить її залежною від користі країн, які володіють великою кількістю нафти. Близькосхідні країни належать до тих, у кого найбільші запаси нафти. Завдяки економіці та рівню життя, заснованому на імпортованій нафті, легко зрозуміти, чому Сполучені Штати глибоко залучені до політики Близького Сходу.

Другою важливою мотивацією для відходу від нафтової сировини є глобальні зміни клімату. Хоча в даний час обговорюється співвідношення концентрації вуглекислого газу (\(\ce{CO2}\)) в атмосфері з середньою глобальною температурою, зростання\(\ce{CO2}\) в нашій атмосфері, що виникло внаслідок спалювання викопного палива з часів промислової революції, становить від приблизно 280 ppm до приблизно 390 ppm в даний час, і не можна відмовляти. Необхідні джерела енергії, такі як вітер, сонячна енергія, ядерна енергія та біомаса, які мінімізують або усувають викид атмосфери\(\ce{CO2}\). Біомаса включена в цей список, оскільки вуглець, що входить до складу рослинного волокна, береться з атмосфери в процесі фотосинтезу. Спалювання палива, отриманого з біомаси, вивільняє\(\ce{CO2}\) назад в атмосферу, де воно знову може бути включено в рослинну масу. Закон про енергетичну незалежність та безпеку (EISA) 2007 року визначає вдосконалене біопаливо як таке, яке знижує викиди парникових газів у життєвому циклі (викиди від усіх процесів, пов'язаних з отриманням, переробкою та, нарешті, спалюванням палива) на 60% щодо базового рівня нафтової нафти 2005 року.

Геотермальна енергія

П'ять відсотків портфеля відновлюваних джерел енергії США припадає на геотермальну енергію. Температура надр землі забезпечує нескінченний енергетичний ресурс. Вплив геотермальної енергії на навколишнє середовище залежить від того, як вона використовується. Безпосереднє використання та опалення практично не мають негативного впливу на навколишнє середовище.

Геотермальні електростанції не спалюють паливо для виробництва електроенергії, тому їх рівень викидів дуже низький. Вони виділяють менше одного відсотка викидів вуглекислого газу заводу з викопного палива. Геотермальні установки використовують скруберні системи для очищення повітря від сірководню, який природним чином міститься в парі і гарячій воді. Вони виділяють на 97 відсотків менше кислотних сполук сірки, що викликають дощ, ніж викидаються заводами викопного палива. Після того, як пара і вода з геотермального резервуара були використані, їх нагнітають назад в землю.

Геотермальні системи наземних джерел використовують систему теплообміну, яка працює в надрах приблизно на 20 футів (5 метрів) нижче поверхні, де земля знаходиться при постійній температурі. Система використовує землю як джерело тепла (взимку) або радіатор (влітку). Це зменшує споживання енергії, необхідної для генерації тепла від газу, пари, гарячої води, а також чиллера та звичайних електричних систем кондиціонування.

Сонячна енергія

Сонячна енергія має мінімальний вплив на навколишнє середовище, в залежності від того, де вона розміщена. У 2009 році один відсоток відновлюваної енергії, виробленої в Сполучених Штатах, припадав на сонячну енергію (1646 МВт) з восьми відсотків загальної генерації електроенергії з відновлюваних джерел. Виробництво фотоелектричних (PV) елементів створює деякі небезпечні відходи від хімічних речовин і розчинників, що використовуються в обробці. Часто сонячні батареї розміщують на дахах будівель або над паркінгами або інтегрують в будівництво іншими способами. Однак великі системи можуть бути розміщені на суші і особливо в пустель, де ці тендітні екосистеми можуть бути пошкоджені, якщо не буде доглянуто. Деякі сонячні теплові системи використовують потенційно небезпечні рідини (для передачі тепла), які потребують належного поводження та утилізації. Концентровані сонячні системи, можливо, доведеться регулярно очищати водою, яка також потрібна для охолодження турбогенератора. Використання води з підземних свердловин може вплинути на екосистему в деяких посушливих місцях.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Сонячні установки на даху Сонячна установка на даху на Дуглас-Холі в Університеті штату Іллінойс в Чикаго не впливає на земельні ресурси, виробляючи електроенергію з нульовими викидами. Джерело: Управління сталого розвитку, UIC

Вітер

Вітер є поновлюваним джерелом енергії, яке є чистим і має дуже мало екологічних проблем. Вітрові турбіни стають більш помітною пам'яткою у Сполучених Штатах, навіть у регіонах, які, як вважають, мають менший вітровий потенціал. Вітряні турбіни (їх часто називають вітряними млинами) не виділяють викидів, що забруднюють повітря або воду (за рідкісним винятком), і їм не потрібна вода для охолодження. На кінець 2010 року у вітроенергетичній галузі США було встановлено 40 181 МВт потужності вітрової енергії, при цьому лише у 2010 році встановлено 5116 МВт, що забезпечує понад 20 відсотків встановленої вітрової енергії по всьому світу. За даними Американської вітроенергетичної асоціації, понад 35 відсотків усіх нових електрогенеруючих потужностей в США з 2006 року припадає на вітер, перевершений лише природним газом.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Вітрова ферма Twin Groves, Іллінойс Вітроенергетика стає все більш популярним джерелом енергії в Сполучених Штатах. Джерело: Управління сталого розвитку, UIC

Оскільки вітрова турбіна має невеликий фізичний слід щодо кількості виробленої електроенергії, багато вітроелектростанцій розташовані на сільськогосподарських, пасовищних та лісових угіддях. Вони сприяють економічній стійкості, забезпечуючи додатковий дохід фермерам та скотоводам, дозволяючи їм залишатися в бізнесі та утримувати своє майно від розробки для інших цілей. Наприклад, енергію можна виробляти шляхом установки вітрових турбін в горах Аппалачі США замість того, щоб займатися видаленням вершини гори для видобутку вугілля. Берегові вітрогенератори на озерах або океані можуть мати менший вплив на навколишнє середовище, ніж турбіни на суші.

Вітрові турбіни мають кілька екологічних проблем. Є естетичні проблеми для деяких людей, коли вони бачать їх на ландшафті. Кілька вітрових турбін загорівся, а деякі просочилися мастильними рідинами, хоча це відносно рідко. Деяким людям не подобається звук, який видають лопатки вітрових турбін.

Було виявлено, що турбіни спричиняють смерть птахів та кажанів, особливо якщо вони розташовані вздовж їх міграційного шляху. Це викликає особливе занепокоєння, якщо вони знаходяться під загрозою або зникаючими видами. Існують способи пом'якшити цей вплив, і в даний час він досліджується.

Є деякі невеликі наслідки від будівництва вітрових проектів або ферм, такі як будівництво службових доріг, виробництво самих турбін та бетон для фундаментів. Однак загальний аналіз показав, що турбіни виробляють набагато більше енергії, ніж кількість, яка використовується для їх виготовлення та встановлення.

Інтерес до відновлюваної енергетики

Сильний інтерес до відновлюваної енергетики в сучасну епоху виник у відповідь на нафтові шоки 1970-х років, коли Організація країн-експортерів нафти (ОПЕК) ввела нафтові ембарго і підняла ціни в переслідуванні геополітичних цілей. Дефіцит нафти, особливо бензину для транспортування, і можливе подорожчання нафти приблизно в 10 разів з 1973 по 1981 рік порушили соціально-економічну роботу багатьох розвинених країн і підкреслили їх нестабільну залежність від іноземних енергопостачання. Реакцією в Сполучених Штатах став перехід від нафти і газу до рясного внутрішнього вугілля для виробництва електроенергії та введення стандартів економії палива для транспортних засобів для зменшення споживання нафти для транспортування. Інші розвинені країни без великих запасів викопних копалин, такі як Франція та Японія, вирішили підкреслити ядерну (Франція до рівня 80 відсотків і Японія до 30 відсотків) або розробити внутрішні відновлювані ресурси, такі як гідроенергетика та вітер (Скандинавія), геотермальна (Ісландія), сонячна енергія, біомаса та електроенергія та тепло. Оскільки ціни на нафту впали наприкінці 1980-х років, інтерес до відновлюваних джерел енергії, таких як вітер та сонячна енергія, які зіткнулися зі значними технічними та вартісними бар'єрами, у багатьох країнах знизився, тоді як інші відновлювані джерела енергії, такі як гідроенергія та біомаса, продовжували зростати.

Зростаюча ціна і волатильність нафти з 1998 року, а також зростаюча залежність багатьох розвинених країн від іноземної нафти (60 відсотків США і 97 відсотків японської нафти було імпортовано в 2008 році) стимулювали поновлений інтерес до відновлюваних альтернатив для забезпечення енергетичної безпеки. Нове занепокоєння, невідоме в попередніх нафтових кризах, додало подальшої мотивації: наші знання про викиди парникових газів та їх зростаючий внесок у глобальне потепління та загрозу зміни клімату. Додаткова економічна мотивація, висока вартість іноземних платежів нафти країнам-постачальникам (приблизно $350 млрд на рік для США за цінами 2011 року), ставала все більш важливою, оскільки розвинені країни намагалися оговтатися після економічного спаду 2008 року. Ці проблеми енергетичної безпеки, викидів вуглецю та зміни клімату призводять до значного збільшення стандартів економії палива, переходу палива на транспортування з невизначеної та летючої іноземної нафти на вітчизняну електроенергію та біопаливо та виробництво електроенергії з низьковуглецевих джерел.

Фізичне походження відновлюваної енергії

Хоча відновлювана енергія часто класифікується як гідроенергія, сонячна, вітрова, біомаса, геотермальна енергія, хвиля та приплив, всі форми відновлюваної енергії виникають лише з трьох джерел: світла сонця, тепла земної кори та гравітаційного тяжіння Місяця та сонця. Сонячне світло забезпечує на сьогоднішній день найбільший внесок у відновлювану енергію. Сонце забезпечує тепло, яке рухає погодою, включаючи утворення областей високого та низького тиску в атмосфері, які роблять вітер. Сонце також генерує тепло, необхідне для випаровування океанської води, яка в кінцевому підсумку падає над сушею, створюючи річки, що керують гідроенергією, а сонце є джерелом енергії для фотосинтезу, який створює біомасу. Сонячна енергія може бути безпосередньо захоплена для води та опалення приміщень, для керування звичайними турбінами, які виробляють електроенергію, і як енергія збудження для електронів у напівпровідниках, які керують фотоелектрикою. Сонце також відповідає за енергію викопного палива, створеного з органічних залишків рослин і морських організмів, стиснутих і нагрітих при відсутності кисню в земній корі протягом десятків - сотень мільйонів років. Однак часова шкала регенерації викопного палива занадто довга, щоб вважати їх поновлюваними в людському плані.

Геотермальна енергія походить від тепла, що піднімається на поверхню від земного розплавленого залізного ядра, створеного під час формування та стиснення ранньої землі, а також від тепла, що виробляється безперервно радіоактивним розпадом урану, торію та калію в земній корі. Приливна енергія виникає внаслідок гравітаційного тяжіння Місяця і більш віддаленого сонця на земних океанах, поєднаного з обертанням землі. Ці три джерела - сонячне світло, тепло, захоплене в ядрі землі і безперервно генерується в її корі, і гравітаційна сила Місяця і сонця на океанах - складають всю відновлювану енергію.

Як відносні новачки у виробництві енергії, відновлювана енергія, як правило, працює з меншою ефективністю, ніж її звичайні аналоги. Наприклад, найкращі комерційні сонячні фотоелектричні модулі працюють з ефективністю близько 20 відсотків, порівняно з майже 60 відсотковою ефективністю для найкращих турбін природного газу комбінованого циклу. Фотоелектричні модулі в лабораторії працюють вище 40 відсотків ефективності, але занадто дорогі для загального використання, показуючи, що є достатній запас для підвищення продуктивності та зниження витрат. Вітрові турбіни наближаються до своєї теоретичної межі в 59 відсотків (відомий як закон Беца), часто досягаючи 35-40 відсотків ефективності. Біомаса, як відомо, неефективна, як правило, перетворює менше одного відсотка падаючого сонячного світла в енергію, що зберігається в хімічних зв'язках її коренів, стебел і листя. Розведення та генетична модифікація можуть покращити цю погану енергоефективність, хоча сотні мільйонів років еволюції з моменту появи мультицелюльних організмів не дали значного прогресу. Геотермальна енергія вже є у вигляді градієнтів тепла та температури, так що стандартні методи теплотехніки можуть бути застосовані для підвищення ефективності. Хвильова та приливна енергія, хоча і продемонстрована на декількох робочих підприємствах, знаходяться на ранніх стадіях розвитку, і їх технологічний розвиток залишається значною мірою невивченим.

Ємність і географічний розподіл

Незважаючи на те, що відновлювані джерела енергії, такі як вітер та сонячна енергія, зазнали значного зростання в останні роки, вони все ще становлять невелику частину загальних світових потреб у енергії. Найбільша частка припадає на традиційну біомасу, в основному паливну деревину, зібрану в традиційних суспільствах для побутового приготування їжі та опалення, часто без урахування стійкої заміни. Гідроенергетика є наступним найбільшим вкладником, усталеною технологією, яка зазнала значного зростання в 20 столітті. Інші учасники є більш пізніми та меншими за внеском: опалення води та простору шляхом спалювання біомаси або збирання сонячного та геотермального тепла, біопаливо, отримане з кукурудзи або цукрової тростини, та електроенергія, що виробляється з вітрової, сонячної та геотермальної енергії. Вітрова та сонячна електроенергія, незважаючи на їх велику потужність та значне недавнє зростання, все ще внесли менше одного відсотка загальної енергії в 2008 році.

Потенціал відновлюваних джерел енергії різко змінюється. Сонячна енергія на сьогоднішній день є найбільш рясною, доставляється на поверхню землі зі швидкістю 120 000 терават (TW), порівняно з глобальним використанням людиною 15 ТВт. Щоб поставити це в перспективі, покриття 100х100 км2 пустелі з 10-відсотковими ефективними сонячними елементами виробляло б 0,29 ТВт енергії, що становить близько 12 відсотків світового попиту людини на електроенергію. Для забезпечення всіх потреб у електроенергії землі (2.4 ТВт у 2007 році) потрібно 7,5 таких квадратів, площа приблизно розміром з Панаму (0,05 відсотка від загальної площі землі). Звичайні запаси нафти в світі оцінюються в три трильйони барелів, включаючи всю нафту, яка вже була відновлена і яка залишається для подальшого відновлення. Сонячний енергетичний еквівалент цих запасів нафти доставляється на землю Сонцем за 1,5 дня.

Глобальний потенціал виробництва електроенергії та транспортування палива з сонячної, вітрової та біомаси обмежується географічною доступністю земель, придатних для отримання кожного виду енергії (описується як географічний потенціал), технічною ефективністю процесу перетворення (зменшення географічного потенціал до технічного потенціалу), а також економічні витрати на будівництво та експлуатацію технології перетворення (зниження технічного потенціалу до економічного потенціалу). Ступінь, до якої фактично розвивається глобальний потенціал відновлюваних ресурсів, залежить від багатьох невідомих факторів, таких як майбутній ступінь економічного та технологічного прогресу в країнах, що розвиваються і розвиваються, ступінь глобалізації через ділові, інтелектуальні та соціальні зв'язки між країн і регіонів, а також відносне значення екологічних та соціальних програм у порівнянні з економічними та матеріальними цілями. Сценарії оцінки розвитку відновлюваних джерел енергії за різних припущень щодо світових економічних, технологічних та соціальних траєкторій показують, що сонячна енергія має 20-50 разів більший потенціал вітру або біомаси для виробництва електроенергії, і що кожна окремо має достатній потенціал для забезпечити світові потреби в електроенергії в 2050 році (de Vries, 2007).

Географічний розподіл корисної відновлюваної енергії досить нерівномірний. Сонячне світло, яке часто вважається відносно рівномірно розподіленим, зосереджено в пустель, де хмарний покрив рідкісний. Вітри на 50 відсотків сильніші і стійкіші в офшорі, ніж на суші. Гідроенергетичний потенціал зосереджений в гірських районах з великою кількістю опадів і танення снігу. Біомаса вимагає наявних земель, які не конкурують з виробництвом продуктів харчування, і достатнього сонця та дощу для підтримки зростання.

Вітрові та сонячні ресурси в США

Сполучені Штати мають в достатку поновлюваних ресурсів. Сонячне опромінення на південному заході США є винятковим, еквівалентним опроміненню Африки та Австралії, які містять найкращі сонячні ресурси у світі. Значна частина Сполучених Штатів має сонячне опромінення настільки ж добре або краще, ніж Іспанія, вважається найкращою в Європі, і набагато вище, ніж Німеччина. Зміна опромінення над Сполученими Штатами приблизно в два рази, досить однорідна порівняно з іншими поновлюваними ресурсами. Розмір Сполучених Штатів додає його ресурсу, що робить його першочерговою можливістю для розвитку сонячної енергії.

Вітровий ресурс США, хоча і рясний, менш однорідний. Сильні вітри вимагають стійких градієнтів температури та тиску, щоб керувати ними та підтримувати їх, і вони часто пов'язані з топологічними особливостями, такими як гірські хребти або берегові лінії. Карта берегового вітру Сполучених Штатів показує цю закономірність, з найкращим вітром уздовж коридору північ-південь приблизно на середині континенту. Офшорні вітри над Великими озерами та східним та західним узбережжями сильніші та стійкіші, хоча вони охоплюють менші площі. Технічний потенціал для наземної вітроенергетики становить понад 8000 ГВт потужності (Lu, 2009; Black & Veatch, 2007), а офшорний - 800 - 3000 ГВт (Lu, 2009; Schwartz, Heimiller, Haymes, & Musial, 2010). Для порівняння, США використовували електроенергію у 2009 році зі швидкістю 450 ГВт, усередненої за денно-нічні та літньо-зимові піки та долини.

Бар'єри для розгортання

Відновлювана енергетика стикається з декількома бар'єрами для її широкого впровадження Вартість одна з найсерйозніших. Незважаючи на те, що вартість відновлюваних джерел енергії значно знизилася в останні роки, більшість з них все ще дорожче, ніж традиційні альтернативи викопних копалин. Викопні енергетичні технології мають більш тривалий досвід упорядкування виробництва, включення нових матеріалів, використання економії масштабу та розуміння основних фізичних та хімічних явищ процесу перетворення енергії. Найнижча вартість електроенергії виробляється природним газом та вугіллям, серед яких гідро- та вітрова енергія. Вартість, однак, не є ізольованою метрикою; її потрібно порівнювати з альтернативами. Однією з невизначеностей сучасного бізнес-середовища є кінцева вартість викидів вуглецю. Якщо уряди встановлять ціну на викиди вуглецю, щоб компенсувати соціальні витрати на глобальне потепління та загрозу зміни клімату, відносна вартість відновлюваних джерел енергії стане більш привабливою, навіть якщо їх абсолютна вартість не зміниться. Ця політична невизначеність у можливій вартості виробництва електроенергії на основі вуглецю є основним фактором майбутньої економічної привабливості відновлюваної енергетики.

Другим бар'єром для широкого розгортання відновлюваної енергетики є громадська думка. На споживчому ринку продажі безпосередньо обирають громадську думку, і зв'язок між розгортанням та громадським прийняттям є негайним. Відновлювана енергетика - це не вибір, який роблять окремі споживачі. Натомість вибір енергії робиться урядовими політиками на міському, державному та федеральному рівнях, які балансують занепокоєння щодо загального блага, «справедливості» для зацікавлених сторін та економічних витрат. Тим не менш, громадське визнання є основним фактором збалансування цих проблем: сильно прихильний або несприятливий варіант енергії буде відображений у рішеннях уряду через представників, обраних громадськістю або відповідаючи на них. Діапазон прийняття переходить від сильно позитивного для сонячної до сильно негативного для ядерної. Невідповідність у прийнятті громадськості та економічних витратах цих двох енергетичних альтернатив вражає: сонячна енергія є одразу найдорожчою альтернативою та найприйнятнішою для громадськості.

Важливість громадської думки ілюструється ядерною катастрофою на Фукусімі 2011 року. Землетрус і цунамі, які в кінцевому підсумку спричинили розплавлення палива в декількох реакторах комплексу Фукусіма та викид радіації в населеному пункті, змусили багатьох громадськості у багатьох країнах поставити під сумнів безпеку реакторів та підприємства атомної електроенергетики в цілому. Відповідь була швидкою, оскільки деякі країни зареєстрували консенсус громадськості щодо різких дій, таких як відключення ядерної електроенергії, коли термін дії ліцензій на нині діючі реактори закінчується. Хоча його остаточна резолюція є невизначеною, раптовий і серйозний вплив події Фукусіми на громадську думку показує ключову роль, яку відіграє соціальне прийняття у визначенні нашої енергетичної траєкторії.

Автори та атрибуція

• Template:ContribCCEssofEnvSc