الطاقة البديلة هي أي مصدر للطاقة بديلاً للوقود الأحفوري. تهدف هذه البدائل إلى معالجة المخاوف المتعلقة بالوقود الأحفوري ، مثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالية ، وهو عامل مهم في ظاهرة الاحتباس الحراري. الطاقة البحرية والطاقة الكهرمائية والرياح والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية كلها مصادر بديلة للطاقة.

تغيرت طبيعة ما يشكل مصدرا بديلا للطاقة بشكل ملحوظ على مر الزمن ، وكذلك الخلافات المتعلقة باستخدام الطاقة. نظرًا لتنوع خيارات الطاقة والأهداف المختلفة لمؤيديهم ، فإن تعريف بعض أنواع الطاقة “البديلة” يعتبر أمرًا مثيرًا للغاية للجدل.

الأنواع الحالية للطاقة البديلة
الطاقة الكهرومائية تلتقط الطاقة من المياه المتساقطة.
تستخدم الطاقة النووية الانشطار النووي لإطلاق الطاقة المخزنة في الروابط الذرية للعناصر الثقيلة.
طاقة الرياح هي توليد الكهرباء من الرياح ، عادة باستخدام التوربينات الشبيهة بالمراوح.
الطاقة الشمسية هي استخدام الطاقة من الشمس. يمكن استخدام الحرارة من الشمس للتطبيقات الحرارية الشمسية أو يمكن تحويل الضوء إلى كهرباء عبر الأجهزة الضوئية.
الطاقة الحرارية الأرضية هي استخدام حرارة الأرض الداخلية لغلي الماء لتدفئة المباني أو توليد الكهرباء.
الوقود الحيوي والإيثانول هي بدائل البنزين المشتقة من النباتات لتزويد السيارات بالطاقة.
يمكن استخدام الهيدروجين كحامل للطاقة ، تنتجه تكنولوجيات مختلفة مثل تكسير الهيدروكربونات أو التحليل الكهربي للماء.

التكنولوجيات التمكينية
تكييف الهواء تخزين الجليد وسخانات التخزين الحراري هي طرق لتحويل الاستهلاك لاستخدام الكهرباء منخفضة التكلفة خارج الذروة. عند مقارنتها بتسخين المقاومة ، تعمل المضخات الحرارية على الحفاظ على الطاقة الكهربائية (أو في حالات نادرة ، طاقة ميكانيكية أو حرارية) عن طريق جمع الحرارة من مصدر بارد مثل جسم الماء أو الأرض أو الهواء.

تسمح تقنيات التخزين الحراري للحرارة أو البرودة بتخزينها لفترات زمنية تتراوح بين النهاري والختامي ، ويمكن أن تتضمن تخزين الطاقة المعقول (أي عن طريق تغيير درجة حرارة متوسطة) أو الطاقة الكامنة (على سبيل المثال من خلال تغيرات الطور في وسط ما (أي يتغير من الصلب إلى السائل أو العكس بالعكس ، مثل الماء والجليد أو الثلج). يمكن أن تكون مصادر الطاقة طبيعية (عبر المجمعات الحرارية الشمسية ، أو أبراج التبريد الجافة المستخدمة لتجميع الشتاء البارد) ، أو طاقة النفايات (مثل معدات التكييف ، أو العمليات الصناعية أو محطات الطاقة) ، أو الطاقة الفائضة (مثل موسميا من مشروعات الطاقة الكهرمائية أو بشكل متقطع من مزارع الرياح). تعتبر مجموعة دريك لاندينغ سولار (ألبرتا ، كندا) توضيحية. يسمح تخزين الطاقة الحرارية بئر البئر للمجتمعات بالحصول على 97٪ من الحرارة على مدار السنة من جامعات الطاقة الشمسية على أسقف المرآب. يمكن أن تكون الخزانات المعزولة عبارة عن خزانات معزولة ، ومجموعات ثقب في ركائز تتراوح من الحصى إلى الصخور ، أو طبقات المياه الجوفية العميقة ، أو الحفر الضحلة المبطنة والمعزولة. تتطلب بعض التطبيقات تضمين مضخة حرارية.

الطاقة المتجددة مقابل الطاقة غير المتجددة
يتم توليد الطاقة المتجددة من الموارد الطبيعية – مثل ضوء الشمس والرياح والأمطار والمد والجزر والحرارة الجوفية – التي يمكن تجديدها (تتجدد بشكل طبيعي). عند مقارنة العمليات لإنتاج الطاقة ، لا تزال هناك اختلافات أساسية عديدة بين الطاقة المتجددة وأنواع الوقود الأحفوري. عملية إنتاج النفط أو الفحم أو وقود الغاز الطبيعي هي عملية صعبة تتطلب الكثير من المعدات المعقدة والفيزيائية والكيميائية. من ناحية أخرى ، يمكن إنتاج الطاقة البديلة على نطاق واسع باستخدام المعدات الأساسية والعمليات الطبيعية. ويطلق الخشب ، وهو الوقود البديل الأكثر قابلية للتجدد والمتاح ، نفس الكمية من الكربون عندما يحترق كما ينبعث إذا انهار بشكل طبيعي. الطاقة النووية هي بديل للوقود الأحفوري غير المتجدد ، مثل الوقود الأحفوري ، فالأسلحة النووية هي مورد محدود.

بدائل صديقة للبيئة
يعتبر مصدر الطاقة المتجددة مثل الكتلة الحيوية كبديل جيد لتوفير الحرارة والكهرباء بالوقود الأحفوري. والوقود الأحيائي ليس صديقًا إيكولوجيًا لهذا الغرض ، في حين أن حرق الكتلة الحيوية خالٍ من الكربون ، لا يزال ينتج تلوث الهواء. على سبيل المثال ، قامت هولندا ، التي كانت ذات يوم قائدة تستخدم زيت النخيل كوقود حيوي ، بتعليق جميع الإعانات لزيت النخيل بسبب الأدلة العلمية على أن استخدامها “قد يسبب في بعض الأحيان ضررًا بيئيًا أكثر من الوقود الأحفوري”. تحاول الحكومة ومجموعات البيئة في هولندا تتبع أصول زيت النخيل المستورد ، لإقرار العمليات التي تنتج النفط بطريقة مسؤولة. فيما يتعلق بالوقود الحيوي من المواد الغذائية ، إدراك أن تحويل محصول الحبوب بأكمله في الولايات المتحدة لن ينتج سوى 16٪ من احتياجاتها من الوقود ، كما أن استنزاف الغابات الاستوائية المطيرة لثاني أكسيد الكربون في البرازيل لإفساح المجال لإنتاج الوقود الحيوي قد أوضح أن وضع الطاقة الأسواق في التنافس مع أسواق الغذاء يؤدي إلى ارتفاع أسعار المواد الغذائية وتأثير ضئيل أو سلبي على قضايا الطاقة مثل الاحترار العالمي أو الاعتماد على الطاقة الأجنبية. في الآونة الأخيرة ، يجري البحث عن بدائل لمثل هذا الوقود المستدام غير المرغوب فيه ، مثل مصادر قابلة للتطبيق تجاريا من الإيثانول السليلوزية.

مفاهيم جديدة نسبيا للطاقة البديلة

الوقود محايدة الكربون والسلبية
الوقود المحاييل للكربون هو وقود صناعي (بما في ذلك الميثان ، والبنزين ، ووقود الديزل ، ووقود الطائرات ، والأمونيا) التي تنتجها إزالة الهيدروجين من غاز ثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره من انبعاثات غازات المداخن من محطات توليد الطاقة ، أو استردادها من غاز عادم السيارات ، أو المشتقة من حمض الكربونيك في مياه البحر. تقترح شركات التوليف التجاري للوقود أنها تستطيع إنتاج وقود صناعي بأقل من الوقود البترولي عندما تكلف أسعار النفط أكثر من 55 دولار للبرميل. الميثانول المتجدد (RM) هو وقود ينتج من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون بواسطة الهدرجة التحفيزية حيث يتم الحصول على الهيدروجين من التحليل الكهربي للمياه. يمكن مزجه في وقود النقل أو معالجته كمادة وسيطة كيميائية.

تعمل محطة جورج أولاه لإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون التي تديرها شركة كاربون ريكولينج إنترناشونال في جريندافيك ، في أيسلندا ، على إنتاج 2 مليون لتر من وقود النقل بالميثانول سنويًا من عادم المداخن لمحطة س Sارتسينغي للطاقة منذ عام 2011. ولديها القدرة على إنتاج 5 ملايين لتر سنوياً . تم إنشاء محطة تصنيع الميثان سعة 250 كيلو وات من قبل مركز الطاقة الشمسية وبحوث الهيدروجين (ZSW) في بادن فورتمبيرغ وجمعية فراونهوفر في ألمانيا وبدأت العمل في عام 2010. ويجري تطويرها إلى 10 ميجاوات ، ومن المقرر الانتهاء منها في الخريف ، عام 2012 ، بنت شركة أودي مصنعًا للغاز الطبيعي المسال (LNG) من الكربون في Werlte ، ألمانيا. ويهدف المصنع إلى إنتاج وقود للنقل لتعويض الغاز الطبيعي المسال المستخدم في سيارات A3 Sportback g-tron ، ويمكنه الاحتفاظ بـ 2800 طن متري من ثاني أكسيد الكربون من البيئة كل عام عند سعته المبدئية. وهناك تطورات تجارية أخرى تجري في كولومبيا وكارولينا الجنوبية وكاماريلو وكاليفورنيا ودارلينجتون بإنجلترا.

تعتبر هذه الأنواع من الكربون محايدة لأنها لا تؤدي إلى زيادة صافية في غازات الدفيئة في الغلاف الجوي. إلى الحد الذي يحل فيه الوقود الاصطناعي محل الوقود الأحفوري ، أو إذا تم إنتاجه من نفايات الكربون أو حمض كربونيك في مياه البحر ، ويكون احتراقه خاضعًا لالتقاط الكربون في أنبوب المداخن أو العادم ، فإنها تؤدي إلى انبعاث سلبي من ثاني أكسيد الكربون وإزالة ثاني أكسيد الكربون الصافي من الغلاف الجوي ، وبالتالي تشكل شكلاً من أشكال معالجة غازات الدفيئة.

هذا الوقود المتجدد يخفف من التكاليف وقضايا الاعتماد على الوقود الأحفوري المستورد دون الحاجة إلى كهربة أسطول المركبات أو التحويل إلى الهيدروجين أو أنواع الوقود الأخرى ، مما يتيح استمرار السيارات المتوافقة والميسورة التكلفة. توفر أنواع الوقود المحايدة من الكربون تخزينًا منخفض التكلفة نسبيًا للطاقة ، مما يخفف من مشاكل الرياح والتقطع الشمسي ، كما أنها تتيح توزيع طاقة الرياح والمياه والطاقة الشمسية من خلال خطوط أنابيب الغاز الطبيعي القائمة.

تعتبر طاقة الرياح الليلية أكثر أشكال الطاقة الكهربائية اقتصادية من حيث تركيب الوقود ، لأن منحنى الحمل للكهرباء يرتفع بشكل حاد خلال النهار ، ولكن الرياح تميل إلى التفجير قليلاً في الليل أكثر من النهار ، لذا فإن سعر الليل طاقة الرياح غالبا ما تكون أقل كلفة من أي بديل. قامت ألمانيا ببناء 250 ميغاواط من مصنع الميثان الاصطناعي الذي يتم زيادته إلى 10 ميجاوات.

وقود الطحالب
وقود الطحالب هو وقود حيوي مشتق من الطحالب. خلال عملية التمثيل الضوئي ، تلتقط الطحالب وغيرها من الكائنات الحية ضوئيًا ثاني أكسيد الكربون وأشعة الشمس وتحولها إلى أكسجين وكتلة حيوية. يتم ذلك عادة عن طريق وضع الطحالب بين زجاجين من الزجاج. تخلق الطحالب ثلاثة أشكال من وقود الطاقة: الحرارة (من دورة نموها) ، الوقود الحيوي (“الزيت” الطبيعي المشتق من الطحالب) ، والكتلة الحيوية (من الطحالب نفسها ، كما يتم حصادها عند النضج).

يمكن استخدام الحرارة لبناء أنظمة الطاقة (مثل مياه المعالجة الحرارية) أو لإنتاج الطاقة. الوقود الحيوي هو عبارة عن زيت مستخرج من الطحالب عند النضج ، ويستخدم في صنع طاقة مماثلة لاستخدام وقود الديزل الحيوي. الكتلة الحيوية هي المادة المتبقية بعد استخراج النفط والماء ، ويمكن حصادها لإنتاج الميثان القابل للاحتراق لإنتاج الطاقة ، على غرار الدفء في كومة السماد أو الميثان الذي تم جمعه من المواد القابلة للتحلل في مكب النفايات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن فوائد الوقود الحيوي للطحالب هي أنه يمكن إنتاجه صناعياً ، وكذلك رأسياً (أي كواجهة بناء) ، وبالتالي تجنب استخدام الأراضي الصالحة للزراعة والمحاصيل الغذائية (مثل الصويا ، والنخيل ، والكانولا).

قوالب الكتلة الحيوية
يجري تطوير قوالب الكتلة الحيوية في العالم النامي كبديل للفحم النباتي. تتضمن التقنية تحويل أي مادة نباتية تقريبًا إلى قوالب مضغوطة تحتوي عادةً على حوالي 70٪ من القيمة الحرارية للفحم. هناك أمثلة قليلة نسبيا من إنتاج فحم حجري على نطاق واسع. هناك استثناء واحد في شمال كيفو ، في شرق جمهورية الكونغو الديمقراطية ، حيث تعتبر إزالة الغابات لإنتاج الفحم أكبر خطر على موطن الجبال الغوريلا. نجح موظفو حديقة فيرونغا الوطنية في تدريب وتجهيز أكثر من 3500 شخص لإنتاج قوالب الكتلة الحيوية ، وبالتالي استبدال الفحم المنتج بشكل غير قانوني داخل الحديقة الوطنية ، وخلق فرص عمل كبيرة للأشخاص الذين يعيشون في فقر مدقع في المناطق المتضررة من النزاع.

الغاز الحيوي الهضم
يعمل هضم الغاز الحيوي على تسخين غاز الميثان الذي يتم إطلاقه عندما تتحلل النفايات العضوية في بيئة لا هوائية. يمكن استرداد هذا الغاز من مواقع دفن النفايات أو أنظمة الصرف الصحي. يمكن استخدام الغاز كوقود للحرارة أو توليد الكهرباء بشكل أكثر شيوعًا. يمكن استخدام غاز الميثان الذي يتم جمعه وتنقيته كمصدر للطاقة لمختلف المنتجات.

إنتاج الهيدروجين البيولوجي
يعتبر غاز الهيدروجين وقودًا حرًا نظيفًا تمامًا. المنتج الثانوي الوحيد هو الماء. كما أنه يحتوي على كمية عالية نسبيا من الطاقة مقارنة مع أنواع الوقود الأخرى بسبب تركيبته الكيميائية.

2H2 + O2 → 2H2O + طاقة عالية

طاقة عالية + 2H2O → 2H2 + O2

وهذا يتطلب مدخلات عالية الطاقة ، مما يجعل الهيدروجين التجاري غير فعال للغاية. إن استخدام ناقل بيولوجي كوسيلة لتقسيم المياه ، وبالتالي إنتاج غاز الهيدروجين ، سيسمح بإدخال الطاقة الشمسية فقط. يمكن أن تشمل النواقل البيولوجية البكتيريا أو الطحالب الأكثر شيوعًا. وتعرف هذه العملية باسم إنتاج الهيدروجين البيولوجي. يتطلب استخدام الكائنات الحية المفردة الخلية لإنشاء غاز الهيدروجين من خلال التخمير. دون وجود الأكسجين ، المعروف أيضا باسم البيئة اللاهوائية ، لا يمكن أن يحدث التنفس الخلوي المنتظم وتنتهي عملية تعرف باسم التخمر. أحد المنتجات الثانوية الرئيسية لهذه العملية هو غاز الهيدروجين. إذا كان من الممكن تنفيذ ذلك على نطاق واسع ، فإن ضوء الشمس والمغذيات والماء يمكن أن يخلق غاز الهيدروجين لاستخدامه كمصدر كثيف للطاقة. لقد ثبت أن الإنتاج على نطاق واسع أمر صعب. ليس حتى عام 1999 ، كان من الممكن حتى للحث على هذه الظروف اللاهوائية عن طريق الحرمان الكبريت. بما أن عملية التخمير هي عملية تطورية ، فقد تم تشغيلها خلال الضغط ، وتموت الخلايا بعد بضعة أيام. في عام 2000 ، تم تطوير عملية من مرحلتين لنقل الخلايا داخل وخارج الظروف اللاهوائية ، وبالتالي إبقائها على قيد الحياة. خلال السنوات العشر الماضية ، كان البحث عن طريقة للقيام بذلك على نطاق واسع هو الهدف الرئيسي للبحث. يجري العمل بعناية لضمان عملية فعالة قبل الإنتاج على نطاق واسع ، ولكن بمجرد تطوير آلية ، يمكن لهذا النوع من الإنتاج أن يحل احتياجاتنا من الطاقة.

الطاقة الكهرومائية
وقد وفرت الطاقة الكهرومائية 75٪ من الكهرباء المتجددة في العالم في عام 2013. والكثير من الكهرباء المستخدمة اليوم هي نتيجة لأمهار التنمية الكهرمائية التقليدية بين عامي 1960 و 1980 ، والتي توقفت فعليًا في أوروبا وأمريكا الشمالية بسبب المخاوف البيئية. على الصعيد العالمي ، هناك اتجاه نحو المزيد من الطاقة الكهرومائية. من عام 2004 إلى 2014 ارتفعت الطاقة الإنتاجية من 715 إلى 1،055 جيجاوات. بديل شائع للسدود الكبيرة في الماضي هو نهر من النهر حيث لا توجد مياه مخزنة خلف السد ويختلف الجيل عادة مع هطول الأمطار الموسمية. يمكن استخدام توازن النهر في المواسم الرطبة والطاقة الشمسية في مواسم الجفاف أن يوازن بين التغيرات الموسمية لكليهما. وهناك تحرك آخر بعيدًا عن السدود الضخمة ، وهو عبارة عن هيدرو صغير ، يميل إلى أن يقع على ارتفاع مرتفع على الروافد ، وليس على الأنهار الرئيسية في قيعان الوادي.

الرياح البحرية
تشبه مزارع الرياح البحرية مزارع الرياح البرية ، ولكنها تقع على المحيط. يمكن وضع مزارع الرياح البحرية في عمق يصل إلى 40 مترًا (130 قدمًا) ، في حين يمكن أن تطفو توربينات الرياح العائمة في المياه حتى عمق 700 متر (2،300 قدم). ميزة وجود مزرعة الرياح العائمة هو أن تكون قادرة على تسخير الرياح من المحيط المفتوح. بدون أي عوائق مثل التلال والأشجار والمباني ، يمكن أن تصل الرياح من المحيط المفتوح إلى سرعات تصل إلى سرعة المناطق الساحلية.

ويساهم جيل كبير من طاقة الرياح البحرية بالفعل في تلبية احتياجات الكهرباء في أوروبا وآسيا ، والآن أصبحت أول مزارع الرياح البحرية قيد التطوير في مياه الولايات المتحدة. في حين نمت صناعة الرياح البحرية بشكل كبير خلال العقود القليلة الماضية ، خاصة في أوروبا ، لا يزال هناك عدم يقين يرتبط بكيفية تأثير بناء وتشغيل مزارع الرياح هذه على الحيوانات البحرية والبيئة البحرية.

وترتبط توربينات الرياح التقليدية البحرية بقاع البحر في المياه الضحلة في البيئة البحرية القريبة من الشواطئ. ومع ازدياد تقدم تكنولوجيات الرياح في الخارج ، بدأت الهياكل العائمة تستخدم في المياه العميقة حيث توجد موارد أكثر للرياح.

الطاقة البحرية و الهيدروكينية
يشمل تطوير الطاقة البحرية والهيدروكينية (MHK) أو الطاقة البحرية المشاريع التي تستخدم الأجهزة التالية:

الطاقة الموجية هي نقل الطاقة بواسطة موجات الرياح ، والتقاط تلك الطاقة للقيام بعمل مفيد – على سبيل المثال ، توليد الكهرباء أو ضخ المياه في الخزانات. إن آلة قادرة على استغلال موجات كبيرة في المناطق الساحلية المفتوحة تُعرف عمومًا باسم محول طاقة الأمواج.
توضع التوربينات المدية للطاقة في المناطق الساحلية ومصبات الأنهار ، ويمكن التنبؤ بالتدفقات اليومية.
توربينات داخلية في الأنهار سريعة الحركة
توربينات المحيط الحالية في مناطق التيارات البحرية القوية
محولات الطاقة الحرارية في المحيطات في المياه الاستوائية العميقة.

الطاقة النووية
في عام 2015 ، أتيحت عشرة مفاعلات جديدة على الإنترنت و 67 مفاعلًا آخر قيد الإنشاء بما في ذلك أول ثمانية مفاعلات جديدة من الجيل III + AP1000 في الولايات المتحدة والصين وأول أربعة مفاعلات جديدة من الجيل الثالث في فنلندا وفرنسا والصين. كما تجري إقامة المفاعلات في بيلاروسيا والبرازيل والهند وإيران واليابان وباكستان وروسيا وسلوفاكيا وكوريا الجنوبية وتركيا وأوكرانيا والإمارات العربية المتحدة.

القوة النووية الثورية
الثوريوم هو مادة قابلة للانشطار لاحتمال استخدامها في المستقبل في مفاعل الثوريوم. ويزعم أنصار مفاعلات الثوريوم مزايا عديدة محتملة عن دورة وقود اليورانيوم ، مثل زيادة ثغرة الثوريوم ، ومقاومة أفضل لانتشار الأسلحة النووية ، وتقليل إنتاج البلوتونيوم والأكتينيد. يمكن تعديل مفاعلات الثوريوم لإنتاج اليورانيوم -233 ، والذي يمكن معالجته بعد ذلك إلى يورانيوم عالي التخصيب ، والذي تم اختباره في أسلحة ذات إنتاجية منخفضة ، وهو غير مثبت على نطاق تجاري.

الاستثمار في الطاقة البديلة
وباعتبارها قطاعًا اقتصاديًا ناشئًا ، فإن فرص الاستثمار في أسواق الأسهم محدودة في الطاقة البديلة المتاحة لعامة الناس. يمكن للجمهور شراء أسهم شركات الطاقة البديلة من أسواق الأسهم المختلفة ، بعوائد متذبذبة. يوضح الاكتتاب العام الأخير لـ SolarCity الطبيعة الوليدة لهذا القطاع – في غضون بضعة أسابيع ، وقد حقق بالفعل ثاني أعلى سقف للسوق في قطاع الطاقة البديلة.

كما يمكن للمستثمرين اختيار الاستثمار في صناديق الاستثمار المتداولة ETFs التي تتعقب مؤشر الطاقة البديلة ، مثل مؤشر WilderHill Energy الجديد. بالإضافة إلى ذلك ، هناك عدد من الصناديق المشتركة ، مثل صندوق كالفيرت العالمي للطاقة البديلة المشتركة الذي يعد أكثر استباقية في اختيار الاستثمارات المختارة.

تعتمد اقتصاديات الطاقة الشمسية الكهروضوئية اعتمادًا كبيرًا على تسعير السيليكون ، وحتى الشركات التي تعتمد تقنياتها على مواد أخرى (مثل First Solar) تتأثر بتوازن العرض والطلب في سوق السيليكون. بالإضافة إلى ذلك ، لأن بعض الشركات تبيع خلايا شمسية مكتملة في السوق المفتوحة (على سبيل المثال ، Q-Cells) ، فإن هذا يخلق حاجزًا منخفضًا أمام الشركات التي ترغب في تصنيع وحدات شمسية ، والتي بدورها يمكن أن تخلق بيئة تسعير غير عقلانية.

في المقابل ، لأن طاقة الرياح قد تم تسخيرها لأكثر من 100 عام ، فإن التكنولوجيا الأساسية مستقرة نسبيا. يتم تحديد اقتصادياتها إلى حد كبير من خلال تحديد موقعها (على سبيل المثال ، مدى ضراوة الرياح ومتطلبات الاستثمار في الشبكة) وأسعار الفولاذ (أكبر مكون لتوربينات الرياح) واختيار المركبات (المستخدمة في الشفرات). ولأن توربينات الرياح الحالية غالباً ما تزيد عن 100 متر ، فإن اللوجستيات ومنصة التصنيع العالمية هي مصادر رئيسية للميزة التنافسية. تم استكشاف هذه القضايا وغيرها في تقرير بحثي من سانفورد برنشتاين.

الطاقة البديلة في النقل
نظرًا لارتفاع أسعار الغاز بشكل مطرد في عام 2008 مع ارتفاع متوسط ​​سعر الجالون في الولايات المتحدة من الغاز الخالي من الرصاص العادي إلى ما فوق 4.00 دولارات عند نقطة واحدة ، كان هناك تحرك مطرد نحو تطوير كفاءة أعلى للوقود والمزيد من مركبات الوقود البديلة للمستهلكين. وردا على ذلك ، قامت العديد من الشركات الصغيرة بزيادة سرعة البحث والتطوير إلى طرق مختلفة جذريا لتزويد المركبات المستهلك بالطاقة. وتتوفر السيارات الكهربائية الهجينة والبطارية بشكل تجاري وتكتسب قبولًا واسعًا من الصناعة والمستهلكين في جميع أنحاء العالم.

على سبيل المثال ، قدمت نيسان الولايات المتحدة الأمريكية أول سيارة كهربائية للإنتاج الشامل في العالم ، نيسان ليف. سيارة شيفروليه فولت ، وهي سيارة هجينة تعمل بالبطارية ، تم إنتاجها أيضًا ، باستخدام محرك كهربائي لتشغيل العجلات ، ومحرك صغير ذي أربع أسطوانات لتوليد كهرباء إضافية.

جعل الطاقة البديلة التيار الرئيسي
قبل أن تصبح الطاقة البديلة سائدة ، هناك بعض العقبات الحاسمة التي يجب أن تتغلب عليها. أولا يجب أن يكون هناك فهم متزايد لكيفية الطاقة البديلة مفيدة. ثانياً ، يجب زيادة مكونات التيسر لهذه الأنظمة ؛ وأخيرًا ، يجب تقليل فترة رد الدفع.

على سبيل المثال ، السيارات الكهربائية (EV) والمركبات الكهربائية الهجينة (PHEV) في ازدياد. يعتمد استمرار اعتماد هذه المركبات على الاستثمار في البنية التحتية العامة للشحن ، فضلاً عن تنفيذ المزيد من الطاقة البديلة للنقل في المستقبل.

ابحاث
هناك العديد من المنظمات داخل القطاعات الأكاديمية والاتحادية والتجارية التي تجري أبحاثًا متقدمة على نطاق واسع في مجال الطاقة البديلة. يمتد هذا البحث على العديد من مجالات التركيز عبر طيف الطاقة البديلة. تهدف معظم الأبحاث إلى تحسين الكفاءة وزيادة الغلة الإجمالية للطاقة.

في الولايات المتحدة ، ركزت العديد من منظمات الأبحاث المدعومة من الحكومة الفيدرالية على الطاقة البديلة في السنوات الأخيرة. اثنان من أبرز هذه المختبرات هما مختبرات سانديا الوطنية والمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) ، وكلاهما ممول من وزارة الطاقة الأمريكية ويدعمه شركاء مختلفون من الشركات. يبلغ إجمالي ميزانية سانديا 2.4 مليار دولار أمريكي ، في حين تبلغ ميزانية برنامج NREL 375 مليون دولار أمريكي.

ومع زيادة مستويات استهلاك الطاقة ، من المتوقع أن ترتفع هذه المستويات بنسبة 21٪ في عام 2030. وكانت تكلفة الطاقة المتجددة أرخص نسبيا عند 2.5 مليون دولار / ميجاوات مقارنة بالموارد غير المتجددة و 2.7 مليون / ميغاواط. من الواضح أن استخدام الطاقة المتجددة هو طريقة فعالة من حيث التكلفة للحصول على الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدامها ينفصل أيضًا عن المقايضة التي كانت قائمة بين الحفاظ على البيئة والنمو الاقتصادي.

الطاقة الميكانيكية
الطاقة الميكانيكية المرتبطة بالأنشطة البشرية مثل الدورة الدموية ، والتنفس ، والمشي ، والكتابة والجري ، موجودة في كل مكان ولكن عادة ما تهدر. وقد اجتذب اهتمامًا هائلًا من الباحثين في جميع أنحاء العالم لإيجاد طرق للبحث عن طاقات ميكانيكية كهذه. أفضل حل في الوقت الحالي هو استخدام مواد كهرضغطية ، والتي يمكن أن تولد تدفق الإلكترونات عند تشوهها. لقد تم تصنيع العديد من الأجهزة التي تستخدم مواد كهرضغطية لكبح الطاقة الميكانيكية. وبالنظر إلى أن ثابت كهرضغطية المواد يلعب دورا حاسما في الأداء الكلي لجهاز كهرضغطية ، فإن أحد التوجهات البحثية الهامة لتحسين كفاءة الجهاز هو العثور على مادة جديدة من استجابة كهرضغطية كبيرة. الرصاص المغنيسيوم Niobate-Lead Titanate (PMN-PT) هو عبارة عن مادة كهرضغطية من الجيل التالي مع ثابت كهربي عالى عالي عند الحصول على التكوين المثالي والتوجيه. في عام 2012 ، تم تصنيع أسلاك النانو PMN-PT مع ثابت كهرضغطية عالية جدا من خلال نهج حراري هيدروليكي ثم تم تجميعها في جهاز حصاد الطاقة. تم تحسين ثابت كهرضغطية ارتفاع قياسي من قبل تصنيع البلانومتر PMN-PT واحدة البلورة ، التي كانت تستخدم بعد ذلك ككتلة البناء الأساسية لمانح ضوئي النانو كهرضغطية.

شمسي
يمكن استخدام الطاقة الشمسية للتدفئة والتبريد أو توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الشمس.

منذ فترة طويلة تستخدم الحرارة الشمسية في المباني ذات النشاط السلبي والمدفأ ، وكذلك أنظمة التدفئة المركزية. ومن الأمثلة على هذا الأخير مجموعة دريك لاندينغ سولار في ألبرتا بكندا ، والعديد من أنظمة المناطق في الدنمارك وألمانيا. في أوروبا ، هناك برنامجان لتطبيق الحرارة الشمسية: التدفئة الشمسية (SDH) وبرنامج الطاقة الشمسية للتدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية (SHC).

العقبات التي تحول دون تنفيذ واسع النطاق لتوليد الطاقة التي تعمل بالطاقة الشمسية هي عدم كفاءة تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحالية والتكلفة. في الوقت الحالي ، لا تملك الألواح الكهروضوئية (PV) سوى القدرة على تحويل حوالي 16٪ من ضوء الشمس الذي يضربها إلى كهرباء.

تمتلك كل من مختبرات سانديا الوطنية والمعمل الوطني للطاقة المتجددة (NREL) برامج أبحاث شمسية ممولة بشكل كبير. تبلغ ميزانية برنامج NREL للطاقة الشمسية حوالي 75 مليون دولار وتطور مشاريع بحثية في مجالات التكنولوجيا الكهروضوئية (PV) والطاقة الحرارية الشمسية والأشعة الشمسية. إن ميزانية القسم الشمسي في سانديا غير معروفة ، إلا أنها تمثل نسبة كبيرة من ميزانية المختبر البالغة 2.4 مليار دولار.

ركزت العديد من البرامج الأكاديمية على أبحاث الطاقة الشمسية في السنوات الأخيرة. إن مركز أبحاث الطاقة الشمسية (SERC) في جامعة نورث كارولينا (UNC) له غرض وحيد هو تطوير تكنولوجيا شمسية فعالة من حيث التكلفة. في عام 2008 ، طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) طريقة لتخزين الطاقة الشمسية باستخدامها لإنتاج وقود الهيدروجين من الماء. ويستهدف هذا البحث معالجة العقبة التي تواجهها الطاقة الشمسية في تخزين الطاقة للاستخدام خلال ساعات الليل عندما تكون الشمس غير مشرقة. يستخدم مشروع Zhangebei National Wind and Storage Energy and Storage Demonstration شمال غرب بكين بطاريات لتخزين 71 ميجاوات في الساعة ، مع دمج طاقة الرياح والطاقة الشمسية على الشبكة مع تنظيم التردد والجهد.

في فبراير 2012 ، أعلنت شركة سيمبريوس ، ومقرها ولاية كارولينا الشمالية ، وهي شركة لتطوير الطاقة الشمسية بدعم من شركة سيمنز الألمانية ، أنها طورت الألواح الشمسية الأكثر كفاءة في العالم. وتدعي الشركة أن النموذج الأولي يحول 33.9٪ من ضوء الشمس الذي يضربها إلى كهرباء ، أي أكثر من ضعف معدل التحويل النهائي السابق.

ينفخ
يعود تاريخ أبحاث طاقة الرياح لعدة عقود إلى السبعينيات عندما طورت ناسا نموذجًا تحليليًا للتنبؤ بتوليد طاقة التوربينات الريحية أثناء الرياح العاتية. واليوم ، لدى مختبرات سانديا الوطنية والمختبرات الوطنية للطاقة المتجددة برامج مخصصة للبحث عن الرياح. يركز مختبر سانديا على تقدم المواد ، والديناميكا الهوائية ، وأجهزة الاستشعار. تتركز مشاريع طاقة الرياح في NREL على تحسين إنتاج الطاقة في محطات توليد الطاقة من الرياح ، وتخفيض تكاليفها الرأسمالية ، وجعل طاقة الرياح أكثر فعالية من حيث التكلفة بشكل عام.

أُنشئ المختبر الميداني للطاقة المثلى للرياح (FLOWE) في شركة Caltech للبحث عن طرق بديلة لممارسات تكنولوجيا تربية طاقة الرياح التي لديها القدرة على تقليل التكلفة ، والحجم ، والتأثير البيئي لإنتاج طاقة الرياح.

الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية والكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية مجتمعة ، وفرت 1.3 ٪ من الاستهلاك النهائي للطاقة في عام 2013.

الكتلة الحيوية
يمكن اعتبار الكتلة الحيوية بأنها “مادة بيولوجية” مشتقة من الكائنات الحية أو الكائنات الحية في الآونة الأخيرة. وغالبا ما يشير إلى النباتات أو المواد المشتقة من النبات والتي تسمى على وجه التحديد الكتلة الحيوية لليغلوكليلوز. كمصدر للطاقة ، يمكن استخدام الكتلة الحيوية إما مباشرة عن طريق الاحتراق لإنتاج الحرارة ، أو بشكل غير مباشر بعد تحويلها إلى أشكال مختلفة من الوقود الحيوي. يمكن تحقيق تحويل الكتلة الحيوية إلى الوقود الحيوي بطرق مختلفة تصنف على نطاق واسع إلى: الطرق الحرارية والكيميائية والبيوكيميائية. يبقى الخشب أكبر مصدر للطاقة الحيوية اليوم ؛ وتشمل الأمثلة بقايا الغابات (مثل الأشجار الميتة والفروع وجذوع الأشجار) ، قصاصات الباحة ، رقائق الخشب وحتى النفايات الصلبة البلدية. في المعنى الثاني ، تشمل الكتلة الحيوية مادة نباتية أو حيوانية يمكن تحويلها إلى ألياف أو مواد كيميائية صناعية أخرى ، بما في ذلك الوقود الحيوي. يمكن زراعة الكتلة الحيوية الصناعية من أنواع عديدة من النباتات ، بما في ذلك miscanthus ، switchgrass ، القنب ، الذرة ، الحور ، الصفصاف ، الذرة الرفيعة ، قصب السكر ، الخيزران ، ومجموعة متنوعة من أنواع الأشجار ، بدءا من الأوكالبتوس إلى زيت النخيل (زيت النخيل).

يتم حرق الكتلة الحيوية والغاز الحيوي والوقود الحيوي لإنتاج الحرارة / السلطة ، وبذلك تضر البيئة. يتم إنتاج الملوثات مثل أكاسيد الكبريت (SOx) وأكاسيد النيتروز (NOx) والجسيمات (PM) من هذا الاحتراق. وتشير تقديرات منظمة الصحة العالمية إلى أن 7 ملايين حالة وفاة مبكرة يحدث كل عام بسبب تلوث الهواء ، وأن احتراق الكتلة الحيوية هو أحد العوامل الرئيسية التي تسهم في ذلك. استخدام الأحيائية هو محايدة الكربون مع مرور الوقت ، ولكن يشبه خلاف ذلك حرق الوقود الأحفوري.

وقود الأيثانول الحيوي
كمصدر أساسي للوقود الحيوي في أمريكا الشمالية ، تقوم العديد من المنظمات بإجراء أبحاث في مجال إنتاج الإيثانول. على المستوى الفيدرالي ، تجري وزارة الزراعة الأمريكية كمية كبيرة من الأبحاث حول إنتاج الإيثانول في الولايات المتحدة. يستهدف جزء كبير من هذا البحث تأثير إنتاج الإيثانول على أسواق الأغذية المحلية.

قام المختبر الوطني للطاقة المتجددة بإجراء العديد من مشاريع أبحاث الإيثانول ، خاصة في مجال الإيثانول السليولوزي. الإيثانول السليولوزي له فوائد عديدة على الإيثانول التقليدي القائم على الذرة. لا ينزع أو يتعارض بشكل مباشر مع الإمدادات الغذائية لأنه ينتج من الخشب أو الأعشاب أو الأجزاء غير الصالحة للأكل من النباتات. علاوة على ذلك ، أظهرت بعض الدراسات أن الإيثانول السليلوزي أكثر فعالية من حيث التكلفة ومستدامًا اقتصاديًا من الإيثانول المستخلص من الذرة. تجري مختبرات سانديا الوطنية أبحاث الإيثانول السليلوزي في المنزل وهي أيضًا عضو في معهد BioEnergy المشترك (JBEI) ، وهو معهد أبحاث أسسته وزارة الطاقة الأمريكية بهدف تطوير الوقود الحيوي السليلوزي.

الوقود الحيوي الآخر
من عام 1978 إلى عام 1996 ، جرب المختبر الوطني للطاقة المتجددة استخدام الطحالب كمصدر للوقود الحيوي في “برنامج الأنواع المائية”. مقال منشور من قبل مايكل بريجز ، في جامعة نيو هامبشاير Biofuels Group ، يقدم تقديرات عن الاستبدال الواقعي لكل وقود المركبات باستخدام الوقود الحيوي من خلال استخدام الطحالب التي تحتوي على نسبة الزيت الطبيعي بنسبة أكبر من 50٪ ، والتي تقترح بريغز أن تكون نمت على أحواض الطحالب في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. ويمكن بعد ذلك استخراج هذه الطحالب الغنية بالنفط من النظام ومعالجتها في الوقود الحيوي ، مع إعادة معالجة البقايا المجففة لإنشاء الإيثانول.

لم يتم بعد إنتاج الطحالب لحصاد الوقود للوقود الأحيائي على نطاق تجاري ، ولكن أجريت دراسات جدوى للوصول إلى تقديرات العائد أعلاه. بالإضافة إلى إنتاجها المرتفع ، فإن الزراعة العضوية – على عكس الوقود الحيوي القائم على المحاصيل الغذائية – لا ينطوي على انخفاض في إنتاج الغذاء ، لأنه لا يتطلب أراض زراعية أو مياه عذبة. وتتابع العديد من الشركات المفاعلات الحيوية للطحالب لأغراض مختلفة ، بما في ذلك زيادة إنتاج الوقود الحيوي إلى المستويات التجارية.

تقوم العديد من المجموعات في مختلف القطاعات بإجراء أبحاث على جاتروفا كركاس ، وهي شجرة شبيهة بالشجيرات ، تنتج البذور التي يعتبرها الكثيرون مصدرًا صالحًا للوقود الحيوي. يركز جزء كبير من هذا البحث على تحسين إجمالي إنتاجية فدان من الجاتروفا من خلال التقدم في علم الوراثة وعلم التربة والممارسات البستانية. استخدمت شركة SG Biofuels ، وهي مطورة جاتروفا في سان دييغو ، التكاثر الجزيئي والتكنولوجيا الحيوية لإنتاج بذور الهجين من جاتروفا التي تظهر تحسينات كبيرة في الإنتاجية على أنواع الجيل الأول. مركز الزراعة المستدامة للطاقة (CfSEF) هو منظمة أبحاث غير ربحية مقرها في لوس أنجلوس مخصصة لأبحاث الجاتروفا في مجالات علوم النبات ، الهندسة الزراعية ، والبستنة. ومن المتوقع أن يؤدي الاستكشاف الناجح لهذه التخصصات إلى زيادة إنتاجية مزارع جاتروفا بنسبة 200 إلى 300٪ في السنوات العشر القادمة.

الطاقة الحرارية الأرضية
يتم إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية من خلال الاستفادة من الحرارة داخل القشرة الأرضية. يعتبر مستدامًا لأن الطاقة الحرارية تتجدد باستمرار. ومع ذلك ، فإن علم توليد الطاقة الحرارية الأرضية لا يزال صغيرا وينمو الجدوى الاقتصادية. تقوم العديد من الكيانات ، مثل المختبر الوطني للطاقة المتجددة ومختبرات سانديا الوطنية ، بإجراء أبحاث نحو هدف تأسيس علم مثبت حول الطاقة الحرارية الأرضية. يركز المركز الدولي لأبحاث الطاقة الحرارية الأرضية (IGC) ، وهي منظمة أبحاث ألمانية في مجال علوم الأرض ، بشكل كبير على أبحاث تطوير الطاقة الحرارية الأرضية.

هيدروجين
تم إنفاق أكثر من مليار دولار على أبحاث وتطوير وقود الهيدروجين في الولايات المتحدة. يضم كل من المختبر الوطني للطاقة المتجددة ومختبرات سانديا الوطنية أقسامًا متخصصة في أبحاث الهيدروجين. يركز الكثير من هذا العمل على تخزين الهيدروجين وتقنيات خلايا الوقود