الطاقة المتجددة هي الطاقة التي يتم جمعها من الموارد المتجددة ، والتي يتم تجديدها بشكل طبيعي على مدار زمني بشري ، مثل ضوء الشمس والرياح والأمطار والمد والجزر والأمواج والحرارة الأرضية. توفر الطاقة المتجددة في كثير من الأحيان الطاقة في أربعة مجالات مهمة: توليد الطاقة الكهربائية ، وتسخين الهواء / الماء ، والنقل ، وخدمات الطاقة الريفية (خارج الشبكة).

ساهمت مصادر الطاقة المتجددة بنسبة 19.3٪ في استهلاك الطاقة العالمي لدى البشر و 24.5٪ لتوليد الكهرباء في 2015 و 2016 على التوالي. وينقسم استهلاك الطاقة هذا إلى أن 8.9 ٪ تأتي من الكتلة الحيوية التقليدية ، و 4.2 ٪ كطاقة حرارية (الكتلة الحيوية الحديثة ، والطاقة الحرارية الأرضية والحرارة الشمسية) ، و 3.9 ٪ من الطاقة الكهرومائية و 2.2 ٪ هي الكهرباء من الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الحيوية. وبلغت الاستثمارات العالمية في مجال التكنولوجيا المتجددة أكثر من 286 مليار دولار أمريكي في عام 2015 ، حيث استثمرت دول مثل الصين والولايات المتحدة بكثافة في مجالات الطاقة الريحية والطاقة المائية والطاقة الشمسية والوقود الحيوي. على الصعيد العالمي ، هناك ما يقدر بنحو 7.7 مليون وظيفة مرتبطة بصناعات الطاقة المتجددة ، حيث تعد الخلايا الشمسية الكهروضوئية أكبر رب عمل متجدد. اعتبارًا من عام 2015 في جميع أنحاء العالم ، كان أكثر من نصف الطاقة الكهربائية الجديدة التي تم تركيبها قابلة للتجديد.

وفي حين أن العديد من مشاريع الطاقة المتجددة واسعة النطاق ، فإن التكنولوجيات المتجددة تناسب أيضا المناطق الريفية والنائية والبلدان النامية ، حيث تكون الطاقة في كثير من الأحيان بالغة الأهمية في التنمية البشرية. قال الأمين العام السابق للأمم المتحدة بان كي مون إن الطاقة المتجددة لديها القدرة على رفع أفقر الدول إلى مستويات جديدة من الازدهار. بما أن معظم مصادر الطاقة المتجددة توفر الطاقة الكهربائية ، فإن استخدام الطاقة المتجددة غالباً ما يتم تطبيقه بالتزامن مع مزيد من الكهرباء ، والتي لها فوائد عديدة: يمكن تحويل الكهرباء إلى حرارة (عند الضرورة توليد درجات حرارة أعلى من الوقود الأحفوري) ، يمكن تحويلها إلى طاقة ميكانيكية بكفاءة عالية وهي نظيفة عند نقطة الاستهلاك. بالإضافة إلى أن الكهربة باستخدام الطاقة المتجددة هي أكثر كفاءة وبالتالي تؤدي إلى انخفاض كبير في متطلبات الطاقة الأولية ، لأن معظم مصادر الطاقة المتجددة لا تحتوي على دورة بخار ذات خسائر كبيرة (عادة ما تكون لخلايا الطاقة الأحفورية خسائر تتراوح بين 40 و 65٪) .
أصبحت أنظمة الطاقة المتجددة أسرع وأكثر رخصًا. حصتها من إجمالي استهلاك الطاقة آخذ في الازدياد. يمكن أن ينمو نمو استهلاك الفحم والنفط بحلول عام 2020 بسبب زيادة الإقبال على الطاقة المتجددة والغاز الطبيعي.

توليد الطاقة
بحلول عام 2040 ، من المتوقع أن تساوي الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء من الفحم والغاز الطبيعي. وقد حققت العديد من الولايات القضائية ، بما في ذلك الدنمارك وألمانيا وولاية جنوب أستراليا وبعض الولايات الأمريكية ، تكاملاً عاليًا من الطاقة المتجددة المتغيرة. على سبيل المثال ، في عام 2015 ، حققت طاقة الرياح 42٪ من الطلب على الكهرباء في الدنمارك ، و 23.2٪ في البرتغال ، و 15.5٪ في أوروجواي. تمكن الأنظمة البينية البلدان من موازنة أنظمة الكهرباء بالسماح باستيراد وتصدير الطاقة المتجددة. ظهرت أنظمة هجينة مبتكرة بين البلدان والمناطق.

تدفئة
تسخين المياه بالطاقة الشمسية يساهم مساهمة كبيرة في الحرارة المتجددة في العديد من البلدان ، وعلى الأخص في الصين ، التي لديها الآن 70 ٪ من الإجمالي العالمي (180 جيجاوات). يتم تركيب معظم هذه الأنظمة على المباني السكنية متعددة العائلات وتلبية جزء من احتياجات المياه الساخنة لما يقدر بـ 50-60 مليون أسرة في الصين. في جميع أنحاء العالم ، تلبي أنظمة تدفئة المياه بالطاقة الشمسية المركبة جزءًا من احتياجات تسخين المياه لأكثر من 70 مليون أسرة. يستمر استخدام الكتلة الحيوية للتدفئة في النمو أيضًا. في السويد ، تجاوز الاستخدام الوطني لطاقة الكتلة الحيوية النفط. الطاقة الحرارية الأرضية المباشرة للتدفئة تنمو بسرعة أيضا. أحدث الإضافات إلى التدفئة من مضخات الحرارة الأرضية الحرارية التي توفر التدفئة والتبريد على حد سواء ، وكذلك تسطيح منحنى الطلب الكهربائي وبالتالي فهي أولوية وطنية متزايدة (انظر أيضًا الطاقة الحرارية المتجددة).

وسائل النقل
البيوإيثانول هو كحول مصنوع بالتخمير ، معظمه من الكربوهيدرات المنتجة في محاصيل السكر أو النشاء مثل الذرة أو قصب السكر أو الذرة الرفيعة الحلوة. كما يجري تطوير الكتلة الحيوية السليولوزية ، المشتقة من مصادر غير غذائية مثل الأشجار والأعشاب ، كمواد وسيطة لإنتاج الإيثانول. يمكن استخدام الإيثانول كوقود للمركبات في شكله النقي ، ولكنه يستخدم عادة كمضاف للبنزين لزيادة الأوكتان وتحسين انبعاثات المركبات. يستخدم البيوإيثانول على نطاق واسع في الولايات المتحدة الأمريكية والبرازيل. يمكن استخدام وقود الديزل الحيوي كوقود للمركبات في شكله النقي ، ولكنه عادة ما يستخدم كمضاف للديزل لتقليل مستويات الجسيمات ، وأول أكسيد الكربون ، والهيدروكربونات من المركبات التي تعمل بالديزل. يتم إنتاج وقود الديزل الحيوي من الزيوت أو الدهون باستخدام transestification وهو الوقود الحيوي الأكثر شيوعا في أوروبا.

المركبة الشمسية هي عبارة عن سيارة كهربائية تعمل بالطاقة بشكل كامل أو كبير عن طريق الطاقة الشمسية المباشرة. عادة ، الخلايا الكهروضوئية (PV) الموجودة في الألواح الشمسية تحول طاقة الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية. مصطلح “السيارة الشمسية” يعني عادة أن الطاقة الشمسية تستخدم لتشغيل أو جزء من دفع السيارة. الطاقة الشمسية يمكن أن تستخدم أيضا لتوفير الطاقة للاتصالات أو الضوابط أو غيرها من الوظائف المساعدة. لا تُباع المركبات التي تعمل بالطاقة الشمسية كأجهزة نقل عملية يومية في الوقت الحاضر ، ولكنها في الأساس مركبات عرض وممارسات هندسية ، غالباً ما ترعاها الوكالات الحكومية. ومع ذلك ، فإن المركبات التي تعمل بالطاقة الشمسية غير مباشرة منتشرة على نطاق واسع والقوارب الشمسية متاحة تجاريا.

التقنيات السائدة

قوة الرياح
يمكن استخدام تدفق الهواء لتشغيل توربينات الرياح. تتراوح توربينات الرياح ذات مقياس المنفعة الحديثة من حوالي 600 كيلوواط إلى 5 ميجاوات من الطاقة المقدرة ، على الرغم من أن التوربينات ذات الإنتاج المقنن 1.5-3 ميجاوات أصبحت أكثر شيوعًا للاستخدام التجاري. بلغت قدرة المولد الأكبر لتوربينات الرياح البرية المركبة 7.5 ميجاوات في عام 2015. إن الطاقة المتاحة من الرياح هي دالة على المكعب لسرعة الرياح ، ومع زيادة سرعة الرياح ، يرتفع خرج الطاقة إلى الحد الأقصى للإنتاج التوربينات الخاصة. المناطق التي تكون فيها الرياح أقوى وأكثر ثباتًا ، مثل المواقع البحرية والارتفاعات العالية ، هي المواقع المفضلة لمزارع الرياح. عادة ما تتراوح ساعات التحميل الكاملة من توربينات الرياح بين 16 و 57 في المائة سنوياً ، ولكنها قد تكون أعلى في المواقع الخارجية المؤاتية بشكل خاص.

وقد حققت الكهرباء المولدة من الرياح ما يقرب من 4٪ من الطلب العالمي على الكهرباء في عام 2015 ، مع ما يقرب من 63 غيغاواط من طاقة الرياح الجديدة المركبة. كانت طاقة الرياح هي المصدر الرئيسي للقدرات الجديدة في أوروبا والولايات المتحدة وكندا وثاني أكبر مصدر في الصين. في الدنمارك ، استقبلت طاقة الرياح أكثر من 40٪ من الطلب على الكهرباء ، في حين أن كل من أيرلندا والبرتغال وإسبانيا تقابل كل منهما بنحو 20٪.

على الصعيد العالمي ، يُعتقد أن الإمكانات التقنية طويلة المدى للطاقة الريحية تبلغ خمسة أضعاف إجمالي إنتاج الطاقة العالمي الحالي ، أو 40 مرة من الطلب الحالي على الكهرباء ، بافتراض أنه تم التغلب على جميع الحواجز العملية اللازمة. وهذا يتطلب تركيب توربينات الرياح على مساحات شاسعة ، خاصة في المناطق ذات موارد الرياح العالية ، مثل المناطق البحرية. ونظرًا لارتفاع سرعة الرياح في الخارج بنسبة 90٪ تقريبًا عن سرعة الأرض ، يمكن لذلك الموارد البحرية أن تساهم بقدر أكبر من الطاقة مقارنةً مع التوربينات البرية. في عام 2014 ، بلغ إنتاج طاقة الرياح العالمية 706 تيراواط ساعة أو 3٪ من إجمالي طاقة العالم.

الطاقة الكهرومائية
في عام 2015 ، أنتجت الطاقة الكهرمائية 16.6 ٪ من إجمالي الكهرباء في العالم و 70 ٪ من جميع الطاقة المتجددة. وبما أن الماء أكثر كثافة من الهواء بنحو 800 مرة ، فإن تدفق مياه بطيء التدفق ، أو تضخم بحري معتدل ، يمكن أن يسفر عن كميات كبيرة من الطاقة. هناك العديد من أشكال الطاقة المائية:

تاريخياً ، جاءت الطاقة الكهرمائية من إنشاء سدود وخزانات كهرومائية كبيرة ، لا تزال تحظى بشعبية في بلدان العالم الثالث. وأكبرها هو سد الخوانق الثلاثة (2003) في الصين وسد إتايبو (1984) الذي بنته البرازيل وباراغواي.
الأنظمة المائية الصغيرة هي منشآت الطاقة الكهرومائية التي تنتج عادة ما يصل إلى 50 ميجاواط من الطاقة. وكثيرا ما تستخدم في الأنهار الصغيرة أو كتطوير منخفض الأثر على الأنهار الكبيرة. الصين هي أكبر منتج للطاقة الكهرومائية في العالم ولديها أكثر من 45000 منشأة مائية صغيرة.

تستمد محطات توليد الطاقة الكهرومائية من النهر من الطاقة من الأنهار دون إنشاء خزان كبير. عادة ما يتم نقل المياه على طول جانب وادي النهر (باستخدام القنوات والأنابيب و / أو الأنفاق) حتى تكون مرتفعة فوق قاع الوادي ، حيث يمكن أن يسمح لها بالسقوط من خلال قضيب صغير لقيادة التوربين. قد لا يزال هذا النمط من الجيل ينتج كمية كبيرة من الكهرباء ، مثل رئيس جوزيف سد على نهر كولومبيا في الولايات المتحدة.

يتم إنتاج الطاقة الكهرومائية في 150 دولة ، حيث تولد منطقة آسيا والمحيط الهادئ 32 في المائة من الطاقة الكهرمائية في العالم في عام 2010. وبالنسبة للبلدان التي لديها أكبر نسبة من الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة ، فإن أفضل 50 شركة هي الطاقة الكهرومائية في المقام الأول. الصين هي أكبر منتج للطاقة الكهرومائية ، مع 721 تيراواط ساعة من الإنتاج في عام 2010 ، وهو ما يمثل حوالي 17 في المئة من استخدام الكهرباء المحلي. هناك الآن ثلاث محطات كهرومائية أكبر من 10 غيغاواط: سد المضائق الثلاثة في الصين ، سد إيتايبو عبر حدود البرازيل / باراغواي ، وسد غوري في فنزويلا.

إن طاقة الموجة ، التي تلتقط طاقة الموجات السطحية للمحيطات ، والطاقة المدية ، وتحويل طاقة المد والجزر ، تشكل شكلين من الطاقة المائية ذات الإمكانات المستقبلية ؛ ومع ذلك ، فهي لم تستخدم على نطاق واسع بعد تجارياً. ويعمل مشروع مظاهر تديره شركة Ocean Renewable Power Company على ساحل ولاية مين ، ومتصل بالشبكة ، على تسخير قوة المد والجزر من خليج فندي ، موقع أعلى تدفق مد في العالم. إن تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات ، والذي يستخدم الفرق في درجة الحرارة بين المياه السطحية العميقة والأكثر دفئا ، ليس له حاليا أي جدوى اقتصادية.

طاقة شمسية
يتم تسخير الطاقة الشمسية والضوء الإشعاعي والحرارة من الشمس باستخدام مجموعة من التقنيات المتطورة باستمرار مثل التدفئة الشمسية ، والخلايا الشمسية ، والطاقة الشمسية المركزة (CSP) ، والخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) ، والهندسة الشمسية ، والتمثيل الضوئي الصناعي. تتميز تقنيات الطاقة الشمسية على نطاق واسع إما بالطاقة الشمسية السلبية أو الطاقة الشمسية النشطة اعتمادًا على طريقة التقاط الطاقة الشمسية وتحويلها وتوزيعها. تتضمن التقنيات الشمسية السلبية توجيه مبنى إلى الشمس ، واختيار مواد ذات كتلة حرارية مفضلة أو خصائص تشتيت الضوء ، وتصميم مساحات تعميم الهواء بشكل طبيعي. تشمل تقنيات الطاقة الشمسية النشطة الطاقة الشمسية الحرارية ، باستخدام مجمعات الطاقة الشمسية للتدفئة ، والطاقة الشمسية ، وتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء إما مباشرة باستخدام الخلايا الكهروضوئية (PV) ، أو بطريقة غير مباشرة باستخدام الطاقة الشمسية المركزة (CSP).

يحوّل نظام فلطائي ضوئي الضوء إلى تيار كهربائي مباشر (DC) عن طريق الاستفادة من التأثير الكهروضوئي. الطاقة الشمسية الكهروضوئية تحولت إلى صناعة سريعة النمو تقدر بمليارات الدولارات ، وتواصل تحسين فعاليتها من حيث التكلفة ، وتتمتع بأكبر قدر ممكن من أي تقنيات متجددة مع CSP. تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) العدسات أو المرايا وأنظمة التتبع لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس إلى حزمة صغيرة. تم تطوير محطات الطاقة الشمسية المركزة التجارية لأول مرة في الثمانينات. تتمتع CSP-Stirling بأعلى كفاءة بين جميع تكنولوجيات الطاقة الشمسية.

في عام 2011 ، قالت وكالة الطاقة الدولية أن “تطوير تكنولوجيات الطاقة الشمسية التي لا يمكن إنضهارها والتي لا ينضب ونظيفة ستحقق فوائد ضخمة على المدى الطويل. وسيزيد من أمن الطاقة في البلدان من خلال الاعتماد على مورد أصلي لا ينضب ويستورد في الغالب ، تعزيز الاستدامة ، والحد من التلوث ، وخفض تكاليف التخفيف من تغير المناخ ، والحفاظ على أسعار الوقود الأحفوري أقل من غير ذلك ، وهذه المزايا عالمية ، ومن ثم ينبغي اعتبار التكاليف الإضافية لحوافز الانتشار المبكر استثمارات تعليمية ؛ يجب أن يتم إنفاقها بحكمة و يجب أن تكون مشتركة على نطاق واسع “. إيطاليا لديها أكبر نسبة من الطاقة الشمسية في العالم ، في عام 2015 للطاقة الشمسية زودت 7.8 ٪ من الطلب على الكهرباء في إيطاليا. في عام 2016 ، بعد عام آخر من النمو السريع ، أنتجت الطاقة الشمسية 1.3 ٪ من الطاقة العالمية.

الطاقة الحرارية الأرضية
الطاقة الحرارية الأرضية عالية الحرارة هي من الطاقة الحرارية المولدة والمخزنة في الأرض. الطاقة الحرارية هي الطاقة التي تحدد درجة حرارة المادة. تنبع الطاقة الأرضية للأرض من التكوين الأصلي للكوكب ومن الانحلال الإشعاعي للمعادن (في أبعاد غير مؤكدة ولكن متساوية في الوقت الحالي). إن التدرج الحراري الأرضي ، الذي يمثل الفرق في درجة الحرارة بين قلب الكوكب وسطحه ، يؤدي إلى توصيل مستمر للطاقة الحرارية في شكل حرارة من القلب إلى السطح. الصفة الحرارية الأرضية تنبع من الجذور اليونانية الجغرافية ، أي الأرض ، والترمس ، أي الحرارة.

يمكن للحرارة التي تستخدم في الطاقة الحرارية الأرضية أن تكون من أعماق الأرض ، وصولاً إلى قلب الأرض – 4000 ميل (6،400 كم). في جوهرها ، قد تصل درجات الحرارة إلى أكثر من 9000 درجة فهرنهايت (5000 درجة مئوية). تجري الحرارة من القلب إلى الصخور المحيطة. درجة الحرارة العالية للغاية والضغط تسبب بعض الصخور في الذوبان ، والذي يعرف باسم الصهارة. تتسبب الصهارة في الصعود لأنها أخف من الصخور الصلبة. هذه الصهارة ثم تسخن الصخور والمياه في القشرة الأرضية ، وأحيانا تصل إلى 700 درجة فهرنهايت (371 درجة مئوية).

من الينابيع الساخنة ، تم استخدام الطاقة الحرارية الأرضية للاستحمام منذ العصر الحجري القديم ولتدفئة المكان منذ العصور الرومانية القديمة ، لكنها أصبحت الآن معروفة بتوليد الكهرباء.

تشير درجة الحرارة الحرارية الأرضية المنخفضة إلى استخدام القشرة الخارجية للأرض كبطارية حرارية لتسهيل الطاقة الحرارية المتجددة لمباني التدفئة والتبريد ، واستخدامات التبريد والاستخدامات الصناعية الأخرى. في هذا الشكل من أشكال الطاقة الحرارية الأرضية ، يتم استخدام مضخة حرارية تعمل بالطاقة الحرارية الأرضية ومبادل حراري مدمج جنبًا إلى جنب لنقل الطاقة الحرارية إلى الأرض (للتبريد) وخارج الأرض (للتدفئة) على أساس موسمي متباين. الحرارة الحرارية الأرضية المنخفضة (يشار إليها عمومًا بـ “GHP”) هي تكنولوجيا متجددة ذات أهمية متزايدة لأنها تعمل على تقليل إجمالي حمولات الطاقة السنوية المرتبطة بالتدفئة والتبريد ، كما أنها تعمل على تسوية منحنى الطلب الكهربائي الذي يزيل متطلبات الإمداد الكهربائي القصوى في فصل الصيف والشتاء . وبالتالي ، أصبحت درجة الحرارة الحرارية الأرضية المنخفضة GHP أولوية وطنية متزايدة مع دعم الائتمان الضريبي متعددة والتركيز كجزء من الحركة المستمرة نحو Net Zero Energy. بل إن مدينة نيويورك قد أقرت قانونًا يقضي بأن يشترط نظام GHP في أي وقت أن يكون اقتصاديًا مع تمويل لمدة 20 عامًا بما في ذلك التكلفة الاجتماعية للكربون.

الطاقة الحيوية
الكتلة الحيوية هي مادة بيولوجية مستمدة من الكائنات الحية أو الأحياء 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 ورقائق 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 إنتاج الطاقة النباتية عن طريق المحاصيل التي تزرع خصيصًا لاستخدامها كوقود يوفر إنتاجًا عاليًا من الكتلة الحيوية لكل هكتار مع طاقة مدخلات منخفضة. بعض الأمثلة على هذه النباتات هي القمح ، والتي عادة ما تنتج 7.5-8 طن من الحبوب لكل هكتار ، والقش ، والتي عادة ما تنتج 3.5-5 طن لكل هكتار في المملكة المتحدة. يمكن استخدام الحبوب لوقود النقل السائل في حين يمكن حرق القش لإنتاج الحرارة أو الكهرباء. ويمكن أيضا أن تتحلل الكتلة الحيوية النباتية من السليلوز إلى الجلوكوز من خلال سلسلة من العلاجات الكيميائية ، ويمكن استخدام السكر الناتج بعد ذلك كوقود حيوي من الجيل الأول.

يمكن تحويل الكتلة الحيوية إلى أشكال أخرى قابلة للاستخدام من الطاقة مثل غاز الميثان أو وقود النقل مثل الإيثانول والديزل الحيوي. تعفن القمامة ، والنفايات الزراعية والبشرية ، كل إطلاق غاز الميثان – وتسمى أيضا الغاز المدفن أو الغاز الحيوي. يمكن تخمير المحاصيل مثل الذرة وقصب السكر لإنتاج وقود النقل والإيثانول. يمكن إنتاج وقود الديزل الحيوي ، وهو وقود نقل آخر ، من المنتجات الغذائية المتبقية مثل الزيوت النباتية والدهون الحيوانية. أيضا ، لا تزال الكتلة الحيوية إلى السوائل (BTLs) والإيثانول السليولوزية قيد البحث. هناك قدر كبير من البحوث التي تنطوي على وقود الطحالب أو الكتلة الحيوية المشتقة من الطحالب بسبب حقيقة أنه مورد غير غذائي ويمكن إنتاجه بمعدلات 5 إلى 10 أضعاف تلك الأنواع الأخرى من الزراعة القائمة على الأرض ، مثل الذرة و الصويا. بمجرد أن يتم حصادها ، يمكن تخميرها لإنتاج الوقود الحيوي مثل الإيثانول ، البوتانول ، والميثان ، وكذلك البيوديزل والهيدروجين. تختلف الكتلة الحيوية المستخدمة لتوليد الكهرباء حسب المنطقة. المنتجات الثانوية للغابات ، مثل بقايا الأخشاب ، شائعة في الولايات المتحدة. النفايات الزراعية شائعة في موريشيوس (بقايا قصب السكر) وجنوب شرق آسيا (قش الأرز). تعتبر مخلفات تربية الحيوانات ، مثل فضلات الدواجن ، شائعة في المملكة المتحدة.

يشمل الوقود الحيوي مجموعة واسعة من أنواع الوقود المشتقة من الكتلة الحيوية. يشمل المصطلح الوقود الصلب والسائل والغازي. وتشمل أنواع الوقود الحيوي السائل الكحوليات الحيوية ، مثل البيوإيثانول والزيوت ، مثل الديزل الحيوي. يشتمل الوقود الحيوي الغازي على الغاز الحيوي وغاز المكب والغاز الاصطناعي. البيوإيثانول عبارة عن كحول مصنوع عن طريق تخمير مكونات السكر في المواد النباتية ويتم إنتاجه في الغالب من محاصيل السكر والنشا. وتشمل هذه الذرة وقصب السكر ، وفي الآونة الأخيرة ، الذرة الرفيعة الحلوة. والمحصول الأخير مناسب بشكل خاص للنمو في ظروف الأراضي الجافة ، ويجري بحثه من قبل المعهد الدولي لبحوث المحاصيل في المناطق شبه القاحلة من أجل قدرته على توفير الوقود ، إلى جانب الغذاء والعلف الحيواني ، في الأجزاء القاحلة من آسيا وأفريقيا.

مع تطوير التكنولوجيا المتقدمة ، يتم استخدام الكتلة الحيوية السليولوزية ، مثل الأشجار والأعشاب ، كمواد وسيطة لإنتاج الإيثانول. يمكن استخدام الإيثانول كوقود للمركبات في شكله النقي ، ولكنه يستخدم عادة كمضاف للبنزين لزيادة الأوكتان وتحسين انبعاثات المركبات. يستخدم البيوإيثانول على نطاق واسع في الولايات المتحدة والبرازيل. تكاد تكون تكاليف الطاقة لإنتاج الإيثانول الحيوي مساوية لعائدات الطاقة من الإيثانول الحيوي. ومع ذلك ، ووفقًا لوكالة البيئة الأوروبية ، لا يتناول الوقود الحيوي مشكلات الاحترار العالمي. وقود الديزل الحيوي مصنوع من الزيوت النباتية والدهون الحيوانية أو الشحوم المعاد تدويرها. ويمكن استخدامه كوقود للمركبات في شكلها النقي ، أو بشكل أكثر شيوعًا كمضاف للديزل لتقليل مستويات الجسيمات ، وأول أكسيد الكربون ، والهيدروكربونات من المركبات التي تعمل بالديزل. يتم إنتاج وقود الديزل الحيوي من الزيوت أو الدهون باستخدام transestification وهو الوقود الحيوي الأكثر شيوعا في أوروبا. قدم الوقود الحيوي 2.7 ٪ من وقود النقل العالمي في عام 2010.

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 احتراق الكتلة الحيوية. وتشير تقديرات منظمة الصحة العالمية إلى أن 7 ملايين حالة وفاة مبكرة تحدث كل عام بسبب تلوث الهواء. احتراق الكتلة الحيوية هو مساهم رئيسي.

تخزين الطاقة
تخزين الطاقة هو مجموعة من الطرق المستخدمة لتخزين الطاقة الكهربائية على شبكة الطاقة الكهربائية ، أو إيقاف تشغيلها. يتم تخزين الطاقة الكهربائية في الأوقات التي يتجاوز فيها الإنتاج (خاصة من محطات الطاقة المتقطعة مثل مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة المدية والطاقة الشمسية) الاستهلاك ، ويعود إلى الشبكة عندما يقل الإنتاج عن الاستهلاك. يتم استخدام الطاقة الكهرمائية للتخزين بالمضخة لأكثر من 90٪ من إجمالي سعة تخزين الشبكة. تنخفض تكاليف بطاريات أيونات الليثيوم بسرعة ، ويجري نشرها بشكل متزايد كمصدر سريع لقوة الشبكة (أي احتياطي التشغيل) وللتخزين المحلي.

التقنيات الناشئة
ولا تزال تكنولوجيات الطاقة المتجددة الأخرى قيد التطوير ، وتشمل الإيثانول السليلوزي ، والطاقة الحرارية الأرضية الساخنة الجافة ، والطاقة البحرية. هذه التقنيات لم تظهر بعد على نطاق واسع أو لديها تسويق محدود. العديد منها في الأفق وقد تكون لها إمكانات مماثلة لتقنيات الطاقة المتجددة الأخرى ، لكنها لا تزال تعتمد على جذب الاهتمام الكافي والبحث والتطوير ، والتمويل والتظاهر (RD & D).

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

تعزيز نظام الطاقة الحرارية الأرضية
أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة (EGS) هي نوع جديد من تقنيات الطاقة الحرارية الأرضية التي لا تتطلب موارد حرارية مائية حرارية طبيعية. الغالبية العظمى من الطاقة الحرارية الأرضية في متناول الحفر في الصخور الجافة وغير المسامية. تقوم تقنيات EGS “بتعزيز” و / أو إنشاء موارد الطاقة الحرارية الأرضية في هذه “الصخور الجافة الساخنة (HDR)” من خلال التحفيز الهيدروليكي. ومن المتوقع أن تكون تكنولوجيات EGS و HDR ، مثل الطاقة الحرارية الأرضية الحرارية المائية ، هي موارد التحميل الأساسية التي تنتج الطاقة على مدار 24 ساعة في اليوم مثل النباتات الأحفورية. قد تكون هذه التقنية مميزة في أي مكان في العالم ، من الموارد المائية الحرارية و HDR و EGS ، اعتماداً على الحدود الاقتصادية لعمق الحفر. وتتوزع المواقع الجيدة على الجرانيت العميق المغطى بطبقة سميكة (3-5 كم) من الرواسب العازلة التي تبطئ فقدان الحرارة. هناك حاليًا أنظمة HDR و EGS قيد التطوير والاختبار في فرنسا وأستراليا واليابان وألمانيا والولايات المتحدة وسويسرا. أكبر مشروع EGS في العالم هو محطة عرض 25 ميجاوات يجري تطويرها حاليا في حوض كوبر باستراليا. لدى حوض كوبر القدرة على توليد 5000 – 10،000 ميغاواط.

الايثانول السليلوزية
تقوم شركات مثل Iogen و POET و Abengoa ببناء العديد من المصافي التي يمكنها معالجة الكتلة الحيوية وتحويلها إلى إيثانول ، في حين تقوم شركات أخرى مثل Verenium Corporation و Novozymes و Dyadic International بإنتاج إنزيمات يمكن أن تمكّن من تسويقها في المستقبل. إن التحول من مخزون المحاصيل الغذائية إلى نفايات المخلفات والأعشاب المحلية يوفر فرصاً كبيرة لمجموعة من اللاعبين ، من المزارعين إلى شركات التكنولوجيا الحيوية ، ومن مطوري المشاريع إلى المستثمرين.

الطاقة البحرية
تشير الطاقة البحرية (والتي يشار إليها أحيانًا باسم طاقة المحيط) إلى الطاقة التي تحملها أمواج المحيطات والمد والجزر والملوحة والاختلافات في درجة حرارة المحيطات. تخلق حركة المياه في محيطات العالم مخزونًا هائلاً من الطاقة الحركية أو الطاقة المتحركة. يمكن تسخير هذه الطاقة لتوليد الكهرباء لتشغيل المنازل والنقل والصناعات. يشمل مصطلح الطاقة البحرية كل من طاقة الأمواج – الطاقة من الموجات السطحية ، والطاقة المدية – التي يتم الحصول عليها من الطاقة الحركية للأجسام الكبيرة من الماء المتحرك. التحليل الكهربائي العكسي (RED) هو تقنية لتوليد الكهرباء عن طريق خلط مياه النهر العذبة ومياه البحر المالحة في خلايا الطاقة الكبيرة المصممة لهذا الغرض ؛ اعتبارا من عام 2016 يتم اختباره على نطاق صغير (50 كيلو واط). طاقة الرياح البحرية ليست شكلاً من أشكال الطاقة البحرية ، حيث أن طاقة الرياح مشتقة من الريح ، حتى لو تم وضع توربينات الرياح فوق الماء. تتمتع المحيطات بكمية هائلة من الطاقة وهي قريبة من العديد من السكان إن لم يكن أكثرها تركيزًا. تمتلك طاقة المحيط القدرة على توفير كمية كبيرة من الطاقة المتجددة الجديدة حول العالم.

الطاقة الشمسية التجريبية
تستخدم أنظمة الخلايا الشمسية المركزة (CPV) أشعة الشمس المركزة على الأسطح الضوئية لغرض توليد الكهرباء. تحوّل الأجهزة الحرارية أو “الحرارية” فرقًا في درجات الحرارة بين المواد غير المتشابهة إلى تيار كهربائي.

المصفوفات الشمسية العائمة
المصفوفات الشمسية العائمة هي عبارة عن أنظمة كهروضوئية تطفو على سطح مستودعات مياه الشرب ، وبحيرات المحاجر ، وقنوات الري ، ومعالجتها وتصريف بركها. ويوجد عدد صغير من هذه الأنظمة في فرنسا والهند واليابان وكوريا الجنوبية والمملكة المتحدة وسنغافورة والولايات المتحدة. ويقال إن النظم لديها مزايا أكثر من الخلايا الكهروضوئية على الأرض. تكلفة الأرض أكثر تكلفة ، وهناك عدد أقل من القواعد واللوائح للهياكل المبنية على أجسام المياه التي لا تستخدم للترفيه. على عكس معظم محطات الطاقة الشمسية القائمة على الأرض ، يمكن أن تكون المصفوفات العائمة غير مزعجة لأنها مخفية عن الرؤية العامة. إنها تحقق كفاءة أعلى من الألواح الكهروضوئية على الأرض ، لأن الماء يبرد الألواح. الألواح لها طلاء خاص لمنع الصدأ أو التآكل. في أيار / مايو 2008 ، كان مصنع نبيذ فار نينتي في أوكفيل ، بكاليفورنيا ، أول نظام فلواتوفلتيكي في العالم من خلال تركيب 994 وحدة شمسية تعمل بالطاقة الشمسية بطاقة إجمالية تبلغ 477 كيلوواط على 130 طوافًا وتعويمها في بركة الري في مصنع الخمرة. بدأت المزارع الكهروضوئية العائمة على نطاق المرافق في البناء. ستطور كيوسيرا أكبر مزرعة في العالم تبلغ مساحتها 13.4 ميجاواط على الخزان فوق سد ياماكورا في محافظة شيبا باستخدام 50،000 لوحة شمسية. ويجري أيضا بناء مزارع عائمة مقاومة للمياه المالحة للاستخدام في المحيط. وأكبر مشروع تم إعلانه حتى الآن عن مشروع فلواتوفلتيك هو محطة طاقة بقدرة 350 ميجاواط في منطقة الأمازون بالبرازيل.

مضخة حرارية تعمل بالطاقة الشمسية
المضخة الحرارية هي جهاز يوفر الطاقة الحرارية من مصدر الحرارة إلى وجهة تسمى “بالوعة الحرارة”. تم تصميم المضخات الحرارية لنقل الطاقة الحرارية مقابل اتجاه تدفق الحرارة التلقائي عن طريق امتصاص الحرارة من الفضاء البارد وإطلاقها إلى واحدة أكثر دفئا. تمثل المضخة الحرارية المدعومة بالطاقة الشمسية دمج المضخة الحرارية والألواح الشمسية الحرارية في نظام واحد متكامل. عادة ما يتم استخدام هاتين التقنيتين بشكل منفصل (أو وضعهما بالتوازي فقط) لإنتاج الماء الساخن. في هذا النظام ، تقوم اللوحة الشمسية الحرارية بعمل مصدر الحرارة المنخفضة ، ويتم استخدام الحرارة المنتجة لتغذية المبخر بمضخة الحرارة. الهدف من هذا النظام هو الحصول على COP عالية ثم إنتاج الطاقة بطريقة أكثر كفاءة وأقل تكلفة.

من الممكن استخدام أي نوع من الألواح الشمسية الحرارية (الألواح والأنابيب ، السندات ، الأنابيب الحرارية ، الألواح الحرارية) أو الهجين (أحادي / متعدد البلورات ، الغشاء الرقيق) مع المضخة الحرارية. يفضل استخدام لوحة هجينة لأنها تسمح بتغطية جزء من الطلب على الكهرباء للمضخة الحرارية وتقليل استهلاك الطاقة وبالتالي التكاليف المتغيرة للنظام.

البناء الضوئي الصناعي
يستخدم التمثيل الضوئي الاصطناعي تقنيات بما في ذلك تكنولوجيا النانو لتخزين الطاقة الكهرومغناطيسية الشمسية في الروابط الكيميائية عن طريق تقسيم المياه لإنتاج الهيدروجين ومن ثم استخدام ثاني أكسيد الكربون لجعل الميثانول. يسعى الباحثون في هذا المجال إلى تصميم محاكاة جزئية لعملية التمثيل الضوئي التي تستخدم منطقة أوسع من الطيف الشمسي ، وتوظف أنظمة تحفيزية مصنوعة من مواد وفيرة ورخيصة وقوية وسهلة الإصلاح وغير سامة ومستقرة في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية. القيام بشكل أكثر كفاءة مما يسمح بنفاذ نسبة أكبر من طاقة الفوتون إلى مركبات التخزين ، أي الكربوهيدرات (بدلاً من بناء واستدامة الخلايا الحية). ومع ذلك ، تواجه الأبحاث البارزة عقبات ، وتوقفت شركة صن كاتاليتيكس ، وهي شركة تابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، في توسيع نطاق خلايا الوقود النموذجية في عام 2012 ، لأنها توفر القليل من المدخرات على الطرق الأخرى لصنع الهيدروجين من ضوء الشمس.

الطحالب الوقود
إنتاج الوقود السائل من أصناف من الطحالب الغنية بالنفط هو موضوع بحث مستمر. تتم تجربة العديد من الطحالب المجهرية المزروعة في أنظمة مفتوحة أو مغلقة ، بما في ذلك بعض الأنظمة التي يمكن إنشاؤها في الحقول البنية والأراضي الصحراوية.

الطائرات الشمسية
والطائرة الكهربائية هي طائرة تعمل على محركات كهربائية بدلاً من محركات الاحتراق الداخلي ، حيث تأتي الكهرباء من خلايا الوقود ، والخلايا الشمسية ، والمكثفات الفائقة ، وبث الطاقة ، أو البطاريات.

وفي الوقت الحالي ، فإن الطائرات الكهربائية المأهولة الطائرة هي في الغالب متظاهرين تجريبيين ، رغم أن العديد من المركبات الجوية الصغيرة غير المأهولة تعمل بالطاقة بواسطة البطاريات. طارت طائرة نموذجية تعمل بالكهرباء منذ السبعينيات ، مع تقرير واحد في عام 1957. تم إجراء أول رحلات جوية محمولة على يد رجال في عام 1973. بين 2015-2016 ، أكملت طائرة مأهولة تعمل بالطاقة الشمسية ، Solar Impulse 2 ، الطواف البحري من الارض.

برج الطاقة الشمسية المحدث
برج الطاقة الشمسية المحدث هو محطة للطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء من الحرارة الشمسية منخفضة الحرارة. تسخّن “صن شاين” الهواء تحت هيكل جامع مسقوف يشبه الدفيئة ويحيط بالقاعدة المركزية لبرج مدخنة طويل للغاية. يتسبب الحمل الحراري الناتج عن إطلاق الهواء الساخن في البرج بواسطة تأثير المدخنة. هذا تدفق الهواء يدفع توربينات الرياح وضعت في مدخنة أو حول المدخنة قاعدة لانتاج الكهرباء. وستسمح الخطط الخاصة بإعداد النماذج المتسلسلة من النماذج التجريبية بتوليد طاقة كبيرة ، وقد تسمح بتطوير تطبيقات أخرى ، مثل استخراج المياه أو التقطير ، والزراعة أو البستنة. وهناك إصدار أكثر تطوراً من تكنولوجيا ذات سمات مماثلة هو محرك Vortex الذي يهدف إلى استبدال المداخن المادية الكبيرة بدوامة من الهواء تم إنشاؤها بواسطة هيكل أقصر وأقل تكلفة.

الطاقة الشمسية المستندة إلى الفضاء
أما بالنسبة للأنظمة الكهروضوئية أو الحرارية ، فإن أحد الخيارات هو دورها في الفضاء ، ولا سيما المدار المتزامن مع الأرض (Geosynchronous). ولكي تكون قادرة على المنافسة مع أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الأرض ، فإن الكتل المحددة (kg / kW) تصل التكلفة إلى الكتلة العلوية بالإضافة إلى تكلفة الأجزاء التي تحتاج إلى 2400 دولار أو أقل. بمعنى ، بالنسبة إلى تكلفة قطع الغيار التي يبلغ وزنها 1100 دولار / كيلو واط ، يجب أن يكون ناتج $ / kg و kg / kW $ 1300 / kW أو أقل. وبالتالي ، لا يمكن أن تتجاوز تكلفة النقل 200 دولار / كجم للكيلوغرام / كيلوواط / 6.5 كيلوغرام. في حين أن ذلك سيتطلب تخفيضًا بنسبة 100 إلى واحد ، فإن SpaceX تستهدف تخفيضًا من عشرة إلى واحد ، وقد تحقق عمليات رد الفعل محركات تخفيضًا بنسبة 100 إلى واحد.

تأثير بيئي
إن قدرة الكتلة الحيوية والوقود الحيوي على المساهمة في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون محدودة لأن كل من الكتلة الحيوية والوقود الحيوي ينبعث منها كميات كبيرة من تلوث الهواء عند إحراقها وفي بعض الحالات تتنافس مع إمدادات الغذاء. علاوة على ذلك ، تستهلك الكتلة الحيوية والوقود الحيوي كميات كبيرة من الماء. وهناك مصادر أخرى قابلة للتجديد مثل طاقة الرياح ، والخلايا الكهروضوئية ، والكهرومائية ، تتميز بكونها قادرة على الحفاظ على المياه ، وخفض التلوث والحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.