Obnovljivi izvori energije
Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se dobijaju iz prirode te se mogu obnavljati; danas se sve više koriste zbog svoje neškodljivosti prema okolišu. Najčešće se koriste energije vjetra, sunca i vode.
Većina tehnologije obnovljivih izvora energije se na direktan ili indirektan način napaja iz Sunca. Sustav Zemljine atmosfere je uravnotežen tako da je toplinsko zračenje u svemir jednako pristiglom sunčevom zračenju što rezultira određenim energetskim stupnjem unutar Zemljinog atmosferskog sustava što u grubo možemo opisati kao Zemljina klima. Hidrosfera (voda) upije veći udio dolazećeg zračenja. Najviše zračenja se apsorbira pri maloj geografskoj širini u području oko ekvatora, ali se ta energija raspršuje u obliku vjetrova i morskih struja po cijelom planetu. Gibanje valova moglo bi imati važnu ulogu u procesu pretvorbe mehaničke energije između atmosfere i oceana kroz opterećenje uzrokovano vjetrom. Sunčeva energija je također odgovorna za distribuciju padalina, koje su stvarane hidroelektričnim projektima, i za uzgoj biljaka koje su potrebne za proizvodnju biogoriva.
Strujanje obnovljive energije uključuje prirodne fenomene kao što su: sunčeva svjetlost, vjetar, valovi, geotermalna toplina kao što Internacionalna Agencija za Energiju objašnjava:
„Obnovljiva energija je dobivena iz prirodnih procesa koji se konstantno obnavljaju. U svojim različitim oblicima, dobiva se direktno iz sunca ili iz topline stvarane duboko u Zemlji. To još uključuje električnu struju i toplinu dobivenu iz izvora poput sunčeve svjetlosti, vjetra, oceana, hidroenergije, biomase i geotermalne energije te biogoriva i hidrogena dobivenog iz obnovljivih izvora.“
Svaki od ovih izvora ima jedinstvene karakteristike koje utječu na to kako i gdje su korišteni.
Protok zraka može se upotrebljavati za pokretanje vjetroturbina. Novije vjetroturbine imaju raspon snage od 600 kW do 5 MW premda su turbine sa izlaznom snagom od 1.5 do 3 MW postale tipične za komercijalne svrhe; izlazna snaga turbine je funkcija kubne brzine vjetra, tako se s povećanjem brzine vjetra dramatično poveća izlazna snaga. Područja gdje su vjetrovi snažniji i učestaliji, poput priobalja i mjesta velike nadmorske visine, preporučljiva su za izgradnju vjetroparkova.
Budući da brzina vjetra nije konstantna, proizvedena energija vjetroparka u godini nije nikad velika kao zbroj nazivnih vrijednosti generatora pomnoženih sa brojem radnih sati. Omjer stvarno proizvedene energije na godinu do teorijskog maksimuma se naziva faktor kapaciteta. Uobičajeni faktor kapaciteta iznosi od 20% do 40% sa vrijednostima u gornjim granicama na pogodnim mjestima proizvodnje. Na primjer, turbina snage 1 MW sa faktorom kapaciteta od 35% neće proizvoditi 8760 MWh na godinu već samo 0,35x24x365=3066 MWh, što u prosjeku iznosi 0.35 MW. Uz pomoć podataka dostupnih na Internetu za neke lokacije, faktor kapaciteta se može izračunati na temelju godišnje izlazne snage.
Globalno gledajući, smatra se da dugoročni tehnički potencijal energije vjetra je zapravo pet puta veći od konačne svjetske proizvodnje energije, tj. da je 40 puta veći od trenutne potražnje energije. To bi moglo zahtijevati veliku količinu tla za izgradnju vjetroturbina, posebno u područjima s većim izvorima vjetra. Iskustva s priobalnim izvorima ukazuju na to da je tamo brzina vjetra ~90% veća od one na kopnu, pa bi tako priobalni izvori mogli pridonijeti znatno više energije. Taj broj bi se također mogao povećati s povećanjem nadmorske visine vjetroturbina smještenih na kopnu ili u zraku.
Snaga vjetra je obnovljiva i ne uzrokuje stakleničke plinove (ugljikov dioksid i metan) tijekom rada.
Snaga vode (u obliku kinetičke energije, temperaturne razlike ili gradijenta slanosti) može se sakupljati i koristiti. S obzirom da je voda 800 puta gušća od zraka, čak i spori vodeni tok ili umjereni val može pridonijeti razmotrivu količinu energije.
Postoji mnogo oblika snage vode:
- 1. Hidroelektrična energija je izraz rezerviran za brane velikih dimenzija poput Grand Coulee Dam u državi Washington i Akosombo brana u Gani.
- 2. Mikro hidro sustavi su uređaji hidroelektrične energije koji inače proizvode do 100 kW snage. Često se upotrebljavaju u područjima bogatim vodom kao Remote Area Power Supply (RAPS). Diljem svijeta je mnogo takvih hidroelektrana uključujući i one od 50 kW na Solomonskim otocima.
- 3. Sustavi bez brane koriste kinetičku energiju samih rijeka ili oceana bez korištenja brana.
- 4. Energija oceana opisuje sve tehnologije za prikupljanje energije oceana i mora.
- 5. Snaga morskih struja: slično kao plimno-osečka snaga, koristi kinetičku energiju morskih struja.
- 6. Pretvorba toplinske energije oceana (PTEO) koristi temperaturnu razliku između toplije površine oceana i hladnijih dubina, te se na kraju primjenjuje ciklički generator topline. PTEO još nije testiran na terenu u velikim razmjerima.
- 7. Snaga morskih mijena obuhvaća energiju plime i oseke. Trenutno postoje dva različita načina proizvodnje energije iz plime i oseke:
- 7.1. Plimno-osečko kretanje u vertikalnom smjeru - plima uđe, razina vode u bazenu poraste i zatim dođe oseka. Prilikom oseke, razina vode pada i ona protječe kroz turbinu i tako se iskorištava potencijalna energija pohranjena u vodi.
- 7.2. Plimno-osečko kretanje u horizontalnom smjeru – morska struja. Zbog velike gustoće vode, koja je 800 puta veća od gustoće zraka, morske struje mogu imati puno kinetičke energije. Nekoliko komercijalnih prototipova je izgrađeno, a mnogi se tek razvijaju.
- 8. Snaga valova koristi energiju pohranjenu u valovima. Valovi inače pomiču velike pontone gore-dolje u vodi, ostavljajući dio sa smanjenom visinom vala u „sjeni“. Snaga valova je dosegla komercijalizaciju.
- 9. Snaga gradijenta slanosti, ili još snaga osmoze, je energija dobivena iz razlike u slanosti između slane, morske vode i slatke, riječne vode. Obrnuta elektrodijaliza i pritiskom odgođena osmoza su u procesu istraživanja i testiranja.
- 10. Hlađenje u dubokom jezeru, iako zapravo nije prava metoda stvaranja energije, može uštedjeti puno novaca tijekom ljeta. Ono koristi potopljene slavine i cijevi kao hladnjak za kontrolu klime. Dno jezera ima godišnju konstantu od 4˚C.
U ovom kontekstu, pod nazivom solarna energija smatra se energija prikupljena od sunčeva svjetla. Solarna energija može biti primijenjena na mnogo načina, uključujući slijedeće:
- Proizvodnja električne energije uporabom fotovoltnih solarnih ćelija
- Proizvodnja vodika uporabom fotoelektrokemijskih ćelija
- Proizvodnja električne energije uporabom koncentrirane solarne energije
- Proizvodnja električne energije zagrijavanjem uhvaćenog zraka koji okreće turbine u solarnom tornju
- Zagrijavanje zgrada, direktno kroz konstrukciju pasivne solarne zgrade
- Zagrijavanje prehrambenih proizvoda uz pomoć solarnih pećnica
- Zagrijavanje vode ili zraka za kućanstva zbog tople vode i topline prostora pomoću solarno toplinskih panela
- Zagrijavanje i hlađenje zraka kroz uporabu solarnih kamina
- Proizvodnja električne energije u geosinkronoj orbiti pomoću solarnih satelita
- Solarne klimatizacijske jedinice
Biljke upotrebljavaju fotosintezu za rast i proizvodnju biomase. Poznata kao biomaterija, biomasa se može direktno upotrebljavati kao gorivo ili za proizvodnju tekućeg biogoriva. Biogorivo proizvedeno u poljoprivredi, poput biodiezela, etanola ili bioplina (često kao nusprodukt kultivirane šečerne trske), mogu biti sagorena u motorima s unutarnjim izgaranjem ili bojlerima. Uobičajeno je da biogorivo sagorjeva kako bi oslobodilo pohranjenu kemijsku energiju u sebi. Aktivno se radi na istraživanju učinkovitijih načina pretvaranja biogoriva i ostalih goriva u električnu energiju koristeći gorive ćelije.
Tekuće biogorivo je inače ili bioalkohol, poput etanolnog goriva, ili bioulje, poput biodizela i čistog biljnog ulja. Biodizel se može upotrijebiti u modernim dizel vozilima s malo ili bez preinaka na motoru te može biti proizvedeno od ostataka ili čistih biljnih ili životinjskih ulja i masti (lipidi). Čisto biljno ulje može se upotrebljavati u modificiranom dizel motoru. Ustvari, dizel motor je izvorno zamišljen s pogonom na biljno ulje, a ne s pogonom na fosilna goriva. Glavna prednost biodizela je malo zračenje (emisija). Uporabom biodizela emisija ugljikovog monoksida i ostalih ugljikovodika smanjena je za 20% do 40%.
U nekim područjima kukuruz, stabljika kukuruza, šećerna repa ili proso posebno su uzgajani za proizvodnju etanola (poznatog kao „zrnati alkohol“ ili „alkohol od zrna“), tekućine koja se može upotrijebiti u motorima s unutarnjim izgaranjem i gorivim ćelijama. Etanol se postepeno upotrebljava u postojećoj energetskoj infrastrukturi. E85 je gorivo sastavljeno od 85% etanola i 15% benzina koje se prodaje potrošačima. Biobutanol se razvija kao alternativa bioetanolu. Povećava se međunarodno krizitiranje biogoriva proizvedenih iz usjeva hrane zbog poštovanja prema temama kao što su: osiguravanje hrane, utjecaj na okoliš (krčenje šuma) i energetska ravnoteža.
Kruta biomasa je najčešće uobičajeno upotrebljavana direktno kao sagorljivo gorivo, proizvodeći 10-20 MJ/kg topline.
Njeni oblici i izvori sadrže gorivo dobiveno iz drva, biogeni udio iz komunalnog krutog otpada ili neiskorišteni udio ratarskih kultura. Ratarske kulture mogu i ne moraju se uzgajati namjerno kao energetski usjev, a ostatak biljke se upotrebljava kao gorivo. Većina vrsta biomase sadrže energiju. Čak i kravlje gnojivo sadrži dvije trećine izvorne energije koju je krava upotrijebila. Sakupljanje energije pomoću bioreaktora je isplativije rješenje za raspolaganje otpadom s kojim su suočeni mljekari i moguće je proizvesti dovoljno bioplina za pokretanje takve farme.
S trenutnom tehnologijom, ono nije idealno prikladno za uporabu kao transportno gorivo. Većina transportnih vozila zahtijeva izvore energije sa visokom gustoćom snage poput onih koji se koriste u motorima s unutarnjim izgaranjem. Ti motori inače zahtijevaju čisto sagorljivo gorivo koje je obično u tekućem obliku i manjih dimenzija, kompresirane plinovite faze. Tekućine su više prenosive zato što imaju visoku energetsku gustoću te mogu biti pumpane što omogućava lakše rukovanje. To je razlog zašto je većina transportnih goriva tekuća.
Netransportna primjena inače može tolerirati gustoću niske snage motora s vanjskim izgaranjem koji se mogu pogoniti direktno sa manje skupim krutim biomasenim gorivima za kombinirano grijanje i pogonjenje. Jedna vrsta biomase je drvo, koje je upotrebljavano tisućljećima u različitim količinama, a u novije doba njegov pronalazak je povećao uporabu. Dvije milijarde ljudi trenutno kuha svaki dan i zagrijava svoje domove za vrijeme zime upotrebljavajući sagorljivu biomasu koja je glavni pridonositelj klimatskim promjenama globalnog zatopljenja uzrokovanog ljudskom rukom. Crna čađa koja se prenosi iz Azije na polarne krajeve uzrokuje njihovo brže topljenje ljeti. U devetnaestom stoljeću, parni motori pogonjeni izgaranjem drva bili su česti, doprinoseći tako zagađenosti zraka u industrijskoj revoluciji. Ugljen je oblik biomase koji se kompresirao tisućljećima za proizvodnju neobnovljivog, visoko zagađujućeg fosilnog goriva.
Drvo i njegovi nusprodukti sada mogu biti pretvoreni kroz procese poput uplinjavanja u biogoriva kao što su plin dobiven iz drva, bioplin, metanolno ili etanolno gorivo; iako daljnje razvijanje može zahtijevati da se te metode učine dostupnima i praktičnima. Ostatak šećerne trstike, otpaci pšenice, kukuruzni klip i druga biljna materija može biti i jest uspješno gorljiva. Čiste emisije ugljikovog dioksida koje su dodane u atmosferu tim procesom dolaze jedino iz fosilnih goriva koja su upotrebljavana za sadnju, gnojenje, sakupljanje i prijevoz biomase.
Proces sakupljanja biomase iz sezonskih jablana i vrba te trajne trave poput divljeg prosa, vodene svijetlice i azijske trstike zahtijevaju manje učestalu kultivizaciju i manje dušika nego tipični godišnji usjevi. Pravljenje kuglica od azijske trstike i njeno spaljivanje se proučava i moglo bi postati ekonomski održivo.
Bioplin se lako može proizvesti iz trenutnih ostataka kao što su: proizvodnja papira, proizvodnja šećera, fekalija, ostataka životinja i tako dalje. Ovi različiti ostaci trebaju biti pomiješani zajedno i uz prirodnu fermentaciju proizvoditi plin metan. Ovo se može učiniti pretvorbom trenutnih fekalinih postrojenja u bioplinska postrojenja. Kad elektrana bioplina ispusti sav metan koji može, ostaci su katkad pogodniji za gnojivo nego originalna biomasa.
Alternativno, bioplin može se proizvesti uz pomoć naprednog sustava procesuiranja otpada kao što je mehanički biološki tretman. Ovi sustavi obnavljaju reciklirane elemente iz kućanskih otpada i procesuiraju biorazgradivi dio u anarobni sažeti sadržaj.
Obnovljivi prirodni plin je bioplin koji je poboljšan do kvalitete sličnoj prirodnom plinu. Približavajući kvalitetu onoj kvaliteti prirodnog plina, postaje moguće distribuirati plin masovnom tržištu uz pomoć plinomreže.
Geotermalna energija je energija dobivena odvajanjem topline od same zemlje, obično kilometrima duboko u Zemljinoj kori. Skupo je sagraditi elektranu, ali troškovi rada su jeftini što rezultira niskom cijenom energije za pogodne lokacije. Konačno, ova energija se dobiva iz topline Zemljine jezgre. Vlada Islanda kaže: “Treba naglasiti da geotermalni izvori nisu nužno obnovljivi u istom smislu kao i vodeni izvori.“ Procjenjuje se da bi Islandova geotermalna energija mogla pružiti 1700 MW za 100 godina, u usporedbi sa trenutnom proizvodnjom od 140 MW. Internacionalna Agencija za Energiju smatra geotermalnu energiju obnovljivom.
Tri tipa elektrane se upotrebljavaju za proizvodnju energije iz geotermalnih izvora: suha para, „flash“ i binarna (mješana). Elektrane suhe pare uzimaju paru iz dijelova u zemlji i upotrebljavaju je za direktni pogon turbine koja okreće generator. „Flash“ elektrane uzimaju vruću vodu, obično temperature od 200 ˚C, iz zemlje, i omogućavajući vrenje i izviranje na površinu te razdvajajući parni dio u parno vodene faze separatorima kroz izmjenjivače topline, kuhajući organski fluid koji okreće turbinu. Kondenzirana para i ostatak geotermalne tekućine u sva tri tipa elektrane su ubačene nazad u tople stijene kako bi prikupile više topline.
Geotermalna energija Zemljine kore je u nekim područjima bliža površini nego u drugim. Na mjestima vruće unutrašnjosti gdje para ili voda mogu biti odvojeni i dovedene na površinu to se može iskoristiti za proizvodnju električne energije. Takvi izvori geotermalne energije postoje u određenim geološki nestabilnim dijelovima svijeta poput: Čilea, Islanda, Novog Zelanda, Sjedinjenih Američkih Država, Filipina i Italije. Dva takva najznačajnija područja u Sjedinjenim Američkim Državama su u zaljevu Yellowstonea i u sjevernoj Kaliforniji. Island je proizveo 170 MW geotermalne energije i zagrijao 80% svojih kućanstava u 2000. godini pomoću geotermalne energije. Dio od 8000 MW kapaciteta proizvodi u cijelosti.
Također postoji potencijal da se geotermalna energija dobije iz vrućih i suhih stijena. Probušene su rupe minimalno 3 km u Zemlju. Neke od ovih rupa pumpaju vodu u zemlju, dok druge pumpaju vruću vodu van. Izvori topline sastoje se od vrućih podzemnih radiogenih granitnih stijena koje se zagrijavaju kada postoji dovoljno sedimenta između stijena i zemljine površine. Nekoliko tvrtki u Australiji istražuje tu tehnologiju.