الطاقة المستدامة هي الطاقة التي يتم استهلاكها بمعدلات ضئيلة مقارنة بإمداداتها وبآثار جانبية يمكن التحكم فيها ، وخاصة الآثار البيئية. التعريف المشترك الآخر للطاقة المستدامة هو نظام الطاقة الذي يخدم احتياجات الحاضر دون المساس بقدرة الأجيال القادمة على تلبية احتياجاتها من الطاقة. ليست كل الطاقة المتجددة مستدامة. في حين أن الطاقة المتجددة تُعرَّف بأنها مصادر طاقة يتم تجديدها بشكل طبيعي على مدار زمني بشري ، فإن الطاقة المستدامة (التي يشار إليها في الغالب بـ “نظيفة”) لا يجب أن تؤثر على النظام الذي يتم اعتماده إلى درجة عدم قدرتها على توفير الاحتياجات المستقبلية. المبدأ التنظيمي للاستدامة هو التنمية المستدامة ، والتي تشمل المجالات الأربعة المترابطة: البيئة ، الاقتصاد ، السياسة والثقافة. علم الاستدامة هو دراسة التنمية المستدامة والعلوم البيئية.

تعزز التقنيات الطاقة المستدامة بما في ذلك مصادر الطاقة المتجددة ، مثل الطاقة الكهرومائية والطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الموجية والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الحيوية والطاقة المدية وكذلك التقنيات المصممة لتحسين كفاءة الطاقة. انخفضت التكاليف بشكل كبير على مر السنين ، ولا تزال تنخفض. تدعم السياسات الحكومية الفعالة بشكل متزايد ثقة المستثمرين وتتوسع هذه الأسواق. يتم إحراز تقدم كبير في انتقال الطاقة من الوقود الأحفوري إلى الأنظمة المستدامة بيئيًا ، إلى درجة تدعم فيها العديد من الدراسات الطاقة المتجددة بنسبة 100٪.

تعريفات
يقال إن كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة هما الركيزتان التوأم للطاقة المستدامة. في السياق الأوسع للتنمية المستدامة ، هناك ثلاثة أركان ، والبيئة ، والاقتصاد والمجتمع. بعض الطرق التي تم بها تعريف الطاقة المستدامة هي:

“من الناحية الفعلية ، توفير الطاقة بحيث تلبي احتياجات الحاضر دون المساس بقدرة الأجيال القادمة على تلبية احتياجاتها الخاصة … … للطاقة المستدامة مكونان رئيسيان: الطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة.” – شراكة الطاقة المتجددة والكفاءة (البريطانية)

“التناغم الدينامي بين التوافر العادل للسلع والخدمات كثيفة الاستهلاك للطاقة لجميع الناس والحفاظ على الأرض للأجيال القادمة.” و “الحل يكمن في إيجاد مصادر طاقة مستدامة ووسيلة أكثر كفاءة لتحويل واستخدام الطاقة”. – الطاقة المستدامة من قبل JW Tester ، وآخرون ، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

“أي مصدر لتوليد الطاقة والكفاءة والحفظ حيث: الموارد المتاحة لتمكين التوسع واسعة النطاق لتصبح جزء كبير من توليد الطاقة ، على المدى الطويل ، ويفضل 100 سنة ..” – استثمر ، وهي منظمة غير ربحية التكنولوجيا الخضراء.

“الطاقة التي يتم تجديدها خلال عمر الإنسان ولا تسبب أي ضرر طويل المدى للبيئة”. – شبكة التنمية المستدامة في جامايكا

وهذا يضع الطاقة المستدامة بغض النظر عن مصطلحات الطاقة المتجددة الأخرى مثل الطاقة البديلة من خلال التركيز على قدرة مصدر الطاقة على الاستمرار في توفير الطاقة. يمكن للطاقة المستدامة أن تنتج بعض تلوث البيئة ، طالما أنها ليست كافية لحظر الاستخدام الكثيف للمصدر لفترة غير محددة من الوقت. الطاقة المستدامة هي أيضا متميزة عن الطاقة منخفضة الكربون ، والتي لا يمكن تحملها إلا بمعنى أنها لا تضيف إلى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

الطاقة الخضراء هي الطاقة التي يمكن استخراجها و / أو توليدها و / أو استهلاكها دون أي تأثير سلبي كبير على البيئة. يتمتع الكوكب بقدرة طبيعية على التعافي مما يعني أن التلوث الذي لا يتعدى تلك القدرة ما زال يحمل اسم “الأخضر”.

الطاقة الخضراء هي مجموعة فرعية من الطاقة المتجددة وتمثل موارد وتكنولوجيات الطاقة المتجددة التي توفر أعلى فائدة بيئية. تعرف وكالة حماية البيئة الأمريكية الطاقة الخضراء بأنها الكهرباء التي تنتج من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والغاز الحيوي والكتلة الحيوية والمصادر الكهرمائية الصغيرة ذات التأثير المنخفض. غالبًا ما يشتري العملاء الطاقة الخضراء لتجنب الآثار البيئية ومزايا الحد من غازات الاحتباس الحراري.

الطاقة الخضراء والقوة الخضراء
تشمل الطاقة الخضراء عمليات حيوية طبيعية يمكن تسخيرها مع القليل من التلوث. الطاقة الخضراء هي الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة.

الهضم اللاهوائي ، والطاقة الحرارية الأرضية ، وطاقة الرياح ، والطاقة الكهرمائية الصغيرة ، والطاقة الشمسية ، وطاقة الكتلة الحيوية ، وقوة المد والجزر ، والطاقة الموجية ، وبعض أشكال الطاقة النووية (تلك التي تكون قادرة على “حرق” النفايات النووية من خلال عملية تعرف بالتحويل النووي ، مثل مفاعل سريع متكامل ، وبالتالي تنتمي إلى فئة “الطاقة الخضراء”. قد تتضمن بعض التعريفات أيضًا الطاقة المشتقة من ترميد النفايات.

بعض الناس ، بمن فيهم مؤسس غرينبيس والعضو الأول باتريك مور ، وجورج مونبيوت ، وبيل غيتس ، وجيمس لوفلوك ، صنفوا على وجه التحديد الطاقة النووية كطاقة خضراء. آخرون ، بما في ذلك فيل رادفورد من غرينبيس ، يظنون أن المشاكل المرتبطة بالنفايات المشعة ومخاطر الحوادث النووية (مثل كارثة تشيرنوبيل) تشكل خطراً غير مقبول على البيئة وعلى الإنسانية. ومع ذلك ، فإن تصميمات المفاعلات النووية الأحدث قادرة على استخدام ما يُعتبر الآن “نفايات نووية” إلى أن تصبح غير خطيرة (أو أقل بشكل كبير) ، ولها ميزات تصميم تقلل إلى حد كبير من احتمال وقوع حادث نووي. هذه التصاميم لا يزال يتعين تسويقها. (انظر: مفاعل الملح المصهور)

وقد جادل البعض بأنه على الرغم من أن الطاقة الخضراء هي جهد يستحق الإشادة في حل استهلاك الطاقة المتزايد في العالم ، إلا أنه يجب أن يكون مصحوبًا بتغيير ثقافي يشجع على خفض شهية العالم للطاقة.

في العديد من البلدان التي لديها ترتيبات مشتركة للناقل ، فإن ترتيبات تجارة التجزئة الكهربائية تجعل من الممكن للمستهلكين شراء الكهرباء الخضراء (الطاقة المتجددة) سواء من المرافق الخاصة بهم أو من مزود الطاقة الخضراء.

عندما يتم شراء الطاقة من شبكة الكهرباء ، فإن الطاقة التي تصل إلى المستهلك لن يتم بالضرورة توليدها من مصادر الطاقة الخضراء. تشتري شركة المرافق المحلية أو شركة الكهرباء أو تجمع سلطة الدولة الكهرباء من منتجي الكهرباء الذين قد ينتجون الوقود الأحفوري أو الطاقة النووية أو مصادر الطاقة المتجددة. في العديد من البلدان ، توفر الطاقة الخضراء حاليًا كمية صغيرة جدًا من الكهرباء ، تساهم عمومًا بأقل من 2 إلى 5٪ في إجمالي المجمع. في بعض الولايات الأمريكية ، شكلت الحكومات المحلية مجمعات إقليمية لشراء الطاقة باستخدام تجميع الخيارات المجتمعية وسندات الطاقة الشمسية لتحقيق مزيج متجدد بنسبة 51٪ أو أعلى ، كما هو الحال في مدينة سان فرانسيسكو.

من خلال المشاركة في برنامج الطاقة الخضراء ، قد يكون للمستهلك تأثير على مصادر الطاقة المستخدمة وقد يساعد في النهاية على تعزيز وتوسيع استخدام الطاقة الخضراء. كما يدلون ببيان لصانعي السياسات بأنهم على استعداد لدفع علاوة سعر لدعم الطاقة المتجددة. ويلزم المستهلكون في مجال الطاقة الخضراء شركات المرافق بزيادة كمية الطاقة الخضراء التي يشترونها من البركة (وبالتالي تقليل كمية الطاقة غير الخضراء التي يشترونها) ، أو تمويل الطاقة الخضراء مباشرة من خلال مزود الطاقة الخضراء. إذا كانت مصادر الطاقة الخضراء غير كافية ، يجب أن تقوم المنشأة بتطوير مصادر جديدة أو التعاقد مع مورد طاقة خارجي لتوفير الطاقة الخضراء ، مما يؤدي إلى بناء المزيد. ومع ذلك ، لا يمكن للمستهلك التحقق مما إذا كانت الكهرباء المشتراة “خضراء” أو غير ذلك.

في بعض البلدان مثل هولندا ، تضمن شركات الكهرباء شراء كمية متساوية من “الطاقة الخضراء” كما يتم استخدامها من قبل عملاء الطاقة الخضراء. تستثني الحكومة الهولندية الطاقة الخضراء من ضرائب التلوث ، مما يعني أن الطاقة الخضراء ليست أكثر تكلفة من الطاقة الأخرى.

ومن المفاهيم الأكثر حداثة لتحسين شبكتنا الكهربية هو إرسال أفران الميكروويف من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض أو القمر مباشرة إلى متى وأين يوجد الطلب. سوف يتم توليد الطاقة من الطاقة الشمسية التي يتم التقاطها على سطح القمر في هذا النظام ، ستكون المستقبلات عبارة عن “هياكل شبيهة بالخيمة الشفافة تستقبل الموجات الميكروية وتحولها إلى كهرباء”. وقالت ناسا في عام 2000 ان هذه التكنولوجيا تستحق المتابعة لكن مازال من السابق لاوانه القول ما اذا كانت التكنولوجيا ستكون فعالة من حيث التكلفة.

قام الصندوق العالمي للطبيعة والعديد من منظمات وضع العلامات الخضراء للكهرباء بإنشاء معيار يوجين للطاقة الخضراء (الذي لم يعد موجودًا) والذي يمكن بموجبه اعتماد خطط شهادة الطاقة الخضراء الوطنية لضمان أن يؤدي شراء الطاقة الخضراء إلى توفير طاقة خضراء جديدة إضافية مصادر.

كانت اتجاهات وحلول الطاقة الخضراء المبتكرة محور النقاش في معرض EXPO 2017 في أستانا ، كازاخستان. كان المعرض التخصصي 2017 تحت عنوان “فيوتشر إنيرجي” وضم ممثلين لـ 115 دولة و 22 منظمة دولية.

نظم الطاقة الخضراء المحلية
أما أولئك غير الراضين عن نهج الشبكة الخارجية للطاقة الخضراء عبر شبكة الطاقة ، فيمكنهم تركيب نظام الطاقة المتجددة المحلي الخاص بهم. إن الأنظمة الكهربائية المتجددة من الطاقة الشمسية إلى الرياح وحتى الطاقة المائية المحلية في بعض الحالات ، هي بعض أنواع أنظمة الطاقة المتجددة المتاحة محليًا. بالإضافة إلى ذلك ، للمهتمين بتدفئة وتبريد مسكنهم عن طريق الطاقة المتجددة ، فإن أنظمة المضخات الحرارية الأرضية التي تستقر على درجة حرارة ثابتة للأرض ، والتي تبلغ من 7 إلى 15 درجة مئوية على بعد بضعة أقدام تحت الأرض وتزيد بشكل كبير عند أعماق أكبر ، هي خيار على الطرق التقليدية للغاز الطبيعي والنفط ذات الوقود النفطي. أيضا ، في المواقع الجغرافية حيث تكون قشرة الأرض رقيقة بشكل خاص ، أو بالقرب من البراكين (كما هو الحال في أيسلندا) ، توجد إمكانية توليد المزيد من الكهرباء أكثر من الممكن في مواقع أخرى ، وذلك بفضل تدرج درجة حرارة أكثر أهمية عند هذه اللغات.

ميزة هذا النهج في الولايات المتحدة هو أن العديد من الدول تقدم حوافز لتعويض تكلفة تركيب نظام الطاقة المتجددة. في كاليفورنيا ، ماساتشوستس والعديد من الولايات الأمريكية الأخرى ، أتاح نهج جديد لإمداد الطاقة المجتمعي يسمى تجميع المجتمع المحلي للمجتمعات المحلية القدرة على الحصول على مورد للكهرباء منافس واستخدام سندات الإيرادات البلدية لتمويل تنمية موارد الطاقة الخضراء المحلية. عادة ما يتم تأكيد الأفراد أن الكهرباء التي يستخدمونها يتم إنتاجها بالفعل من مصدر طاقة أخضر يتحكمون فيه. وبمجرد سداد ثمن النظام ، سيقوم صاحب نظام الطاقة المتجددة بإنتاج الكهرباء المتجددة الخاصة به بدون تكلفة ، ويمكنه بيع الفائض إلى المرافق المحلية بأرباح.

استخدام الطاقة الخضراء
تحتاج الطاقة المتجددة ، بعد جيلها ، إلى تخزينها في وسيط للاستخدام مع الأجهزة المستقلة وكذلك المركبات. أيضا ، لتوفير الكهرباء المنزلية في المناطق النائية (التي هي مناطق غير متصلة بشبكة الكهرباء الرئيسية) ، مطلوب تخزين الطاقة للاستخدام مع الطاقة المتجددة. نظم توليد الطاقة والاستهلاك المستخدمة في الحالة الأخيرة هي عادة أنظمة طاقة قائمة بذاتها.

الطاقة الخضراء ووضع العلامات حسب المنطقة

الإتحاد الأوربي
يتضمن الأمر التوجيهي رقم 2004/8 / EC الصادر عن البرلمان الأوروبي والمجلس بتاريخ 11 فبراير 2004 بشأن تعزيز التوليد المشترك بناءً على طلب مفيد للحرارة في سوق الطاقة الداخلية ، المادة 5 (ضمان منشأ الكهرباء من التوليد المزدوج عالي الكفاءة) .

أطلقت المنظمات غير الحكومية البيئية الأوروبية شعارًا إيكولوجيًا للطاقة الخضراء. يسمى ecikabel EKOenergy. يضع معايير الاستدامة ، والإضافة ، ومعلومات المستهلك وتتبع. جزء فقط من الكهرباء التي تنتجها مصادر الطاقة المتجددة يحقق معايير EKOenergy.

تم إطلاق نظام شهادة الإمداد بالطاقة الخضراء في المملكة المتحدة في فبراير 2010. وينفذ هذا إرشادات من هيئة تنظيم الطاقة ، أوفجيم ، ويضع متطلبات الشفافية ، ومطابقة المبيعات من خلال إمدادات الطاقة المتجددة ، والإضافة.

الولايات المتحدة الامريكانية
تعترف وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، ووكالة حماية البيئة (EPA) ، ومركز حلول الموارد (CRS) بالشراء الطوعي للكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة (وتسمى أيضًا الكهرباء المتجددة أو الكهرباء الخضراء) كقوة خضراء.

الطريقة الأكثر شعبية لشراء الطاقة المتجددة كما كشفت عنها بيانات NREL هي من خلال شراء شهادات الطاقة المتجددة (RECs). وفقا لمسح معهد التسويق الطبيعي (NMI) ، فإن 55 في المائة من المستهلكين الأمريكيين يريدون من الشركات زيادة استخدامهم للطاقة المتجددة.

اختارت وزارة الطاقة ست شركات لجوائز موردي الطاقة الخضراء لعام 2007 ، بما في ذلك كونسولايشن نيويرجي ؛ 3Degrees. الكوكب الإسترليني صن أديسون. Pacific Power and Rocky Mountain Power؛ وسليكون فالي باور. إن القوة الخضراء المجمعة التي يوفرها هؤلاء الفائزين الستة تساوي أكثر من 5 مليار كيلو وات ساعة في السنة ، وهو ما يكفي لتشغيل ما يقرب من 465،000 أسرة في الولايات المتحدة. في عام 2014 ، قامت أركاديا باور بتزويد RECS بالمنازل والشركات في جميع الولايات الخمسين ، مما سمح للمستهلكين باستخدام “قوة خضراء 100٪” كما هو محدد من قبل شراكة الطاقة الخضراء التابعة لوكالة حماية البيئة.

تعد شراكة الطاقة الخضراء التابعة لوزارة حماية البيئة الأمريكية (USEPA) برنامجًا تطوعيًا يدعم المشتريات التنظيمية للكهرباء المتجددة من خلال تقديم مشورة الخبراء والدعم التقني والأدوات والموارد. وهذا يمكن أن يساعد المؤسسات على خفض تكاليف المعاملات الخاصة بشراء الطاقة المتجددة ، والحد من انبعاثات الكربون ، وإيصال قيادتها إلى أصحاب المصلحة الرئيسيين.

في جميع أنحاء البلاد ، أصبح لدى أكثر من نصف عملاء الكهرباء في الولايات المتحدة خيار شراء نوع من منتجات الطاقة الخضراء من مزود الكهرباء بالتجزئة. ويقدم حوالي ربع مرافق المرافق في البلاد برامج الطاقة الخضراء للعملاء ، وبلغت مبيعات التجزئة الطوعية من الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة أكثر من 12 مليار كيلو واط في عام 2006 ، بزيادة قدرها 40 ٪ عن العام السابق.

في الولايات المتحدة ، تتمثل إحدى المشاكل الرئيسية في شراء الطاقة الخضراء عبر الشبكة الكهربائية في البنية التحتية المركزية الحالية التي توفر الكهرباء للمستهلك. وقد أدت هذه البنية التحتية إلى زيادة متكررة في اللون البني والصفقات السوداء ، وارتفاع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، وارتفاع تكاليف الطاقة ، وقضايا جودة الطاقة. وسيتم استثمار 450 مليار دولار إضافية لتوسيع هذا النظام الوليد على مدى السنوات العشرين المقبلة لتلبية الطلب المتزايد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذا النظام المركزي يخضع الآن للمزيد من الإفراط في الضغط مع دمج الطاقات المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية. غالباً ما توجد الموارد المتجددة ، بسبب حجم المساحة التي تحتاجها ، في المناطق النائية حيث يوجد طلب أقل على الطاقة. إن البنية التحتية الحالية ستجعل نقل هذه الطاقة إلى المناطق عالية الطلب ، مثل المراكز الحضرية ، وغير فعالة إلى حد كبير وفي بعض الحالات مستحيلة. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من كمية الطاقة المتجددة المنتجة أو الجدوى الاقتصادية لمثل هذه التقنيات ، فإن حوالي 20٪ فقط ستكون قادرة على دمجها في الشبكة. للحصول على صورة طاقة أكثر استدامة ، يجب على الولايات المتحدة التحرك نحو تنفيذ التغييرات على الشبكة الكهربائية التي ستلائم اقتصاد مختلط الوقود.

يتم اقتراح العديد من المبادرات للتخفيف من مشاكل التوزيع. أولاً وقبل كل شيء ، فإن أكثر الطرق فعالية لتخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الولايات المتحدة والبطء الحراري العالمي هي من خلال جهود الحفظ. كما دافع معارضو الشبكة الكهربائية الأمريكية الحالية عن لامركزية الشبكة. من شأن هذا النظام أن يزيد الكفاءة عن طريق تقليل كمية الطاقة المفقودة في ناقل الحركة. كما أنها ستكون مجدية اقتصاديًا لأنها ستقلل من كمية خطوط الكهرباء التي ستحتاج إلى تشييدها في المستقبل لمواكبة الطلب. إن دمج الحرارة والطاقة في هذا النظام من شأنه أن يخلق فوائد إضافية ويساعد على زيادة كفاءته بنسبة تصل إلى 80-90٪. وهذه زيادة كبيرة من محطات الوقود الأحفوري الحالية التي لا تزيد كفاءة استخدامها عن 34٪.

بدأت شركات مثل Lieef (www.Lieef.com) بالإبلاغ عن مقاييس ESG نيابة عن الشركات ، وصناديق الاستثمار ، في محاولة لزيادة الشفافية في المساحة التي ازدادت أهميتها حتى الآن ، ولكنها لم تجد أداة قياس موحدة .

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

يتزايد الإنتاج العلمي نحو نظم الطاقة المستدامة بشكل مطرد ، حيث ينمو من حوالي 500 ورقة من الجرائد الإنجليزية فقط حول الطاقة المتجددة في عام 1992 إلى ما يقرب من 9000 ورقة في عام 2011.

الكتلة 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 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 تحدث كل عام بسبب تلوث الهواء. احتراق الكتلة الحيوية هو مساهم رئيسي.

وقود الأيثانول الحيوي
كمصدر أساسي للوقود الحيوي في أمريكا الشمالية ، تقوم العديد من المنظمات بإجراء الأبحاث 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. حتى لو استخدمنا كل محصول الذرة في الولايات المتحدة وقمنا بتحويله إلى إيثانول ، فإنه لن ينتج إلا وقودًا كافيًا لخدمة 13٪ من إجمالي استهلاك الولايات المتحدة من البنزين. تقوم شركة مختبرات ونديا الوطنية بإجراء أبحاث الإيثانول السليلوزي داخل الشركة. وهو أيضًا عضو في معهد BioEnergy المشترك (JBEI) ، وهو معهد أبحاث أسسته وزارة الطاقة الأمريكية بهدف تطوير أنواع الوقود الحيوي السليلوزي.

أنواع أخرى من الوقود الحيوي
من عام 1978 إلى عام 1996 ، جرب المختبر الوطني للطاقة المتجددة إنتاج وقود الطحالب 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. خلال عملية إنتاج الوقود الحيوي ، تستهلك الطحالب فعليًا ثاني أكسيد الكربون في الهواء وتحوله إلى أكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي. 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.

الثوريوم
هناك مصدران محتملان للطاقة النووية. يستخدم الانشطار في جميع محطات الطاقة النووية الحالية. الاندماج هو التفاعل الموجود في النجوم ، بما في ذلك الشمس ، ولا يزال غير عملي للاستخدام على الأرض ، حيث لا تتوفر مفاعلات الاندماج بعد. ومع ذلك ، فإن الطاقة النووية مثيرة للجدل سياسياً وعلمياً بسبب المخاوف من التخلص من النفايات المشعة ، والسلامة ، ومخاطر الحوادث الشديدة ، والمشاكل الفنية والاقتصادية في تفكيك محطات الطاقة القديمة.

الثوريوم هو مادة قابلة للإنشطار تستخدم في الطاقة النووية القائمة على الثوريوم. وتزود دورة وقود الثوريوم بالعديد من المزايا المحتملة على دورة وقود اليورانيوم ، بما في ذلك زيادة وفرة الخصائص الفيزيائية والنووية ، ومقاومة أفضل لانتشار الأسلحة النووية وتقليل إنتاج البلوتونيوم والأكتينيد. لذلك ، يشار إليها أحيانًا على أنها مستدامة.

شمسي
العقبة الرئيسية التي تمنع التطبيق الواسع النطاق لتوليد الطاقة التي تعمل بالطاقة الشمسية هي عدم كفاءة تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحالية. في الوقت الحالي ، لا تملك الألواح الكهروضوئية (PV) سوى القدرة على تحويل حوالي 24٪ من ضوء الشمس الذي يضربها إلى كهرباء. وعلى هذا المعدل ، لا تزال الطاقة الشمسية تحمل العديد من التحديات أمام التنفيذ الواسع النطاق ، ولكن تم إحراز تقدم مطرد في خفض تكلفة التصنيع وزيادة الكفاءة الكهروضوئية. 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. 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. كما يجري تنفيذ العديد من المشروعات الكبرى حول التمثيل الضوئي الاصطناعي أو الوقود الشمسي في العديد من الدول المتقدمة.

الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء
تسعى سواتل الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء للتغلب على مشاكل التخزين وتوفير الطاقة على نطاق حضاري نظيف ، ثابت ، وعالمي. اليابان والصين لديهما برامج وطنية نشطة تهدف إلى استخدام الطاقة الشمسية على أساس تجاري (SBSP) ، وتأمل كلتا الدولتين أن يدوروا حول المظاهرات في الثلاثينيات. فازت أكاديمية الصين لتكنولوجيا الفضاء (CAST) بالمنافسة الدولية لتصميم SunSat لعام 2015 مع هذا الفيديو لتصميم مشترك متعدد الروتاري. يدعي مؤيدو SBSP أن الطاقة الشمسية المستندة إلى الفضاء ستكون نظيفة وثابتة وعالمية ، ويمكن أن تتسع لتلبية جميع متطلبات الطاقة الكوكبية. فاز مقترح حديث للصناعات متعددة الوكالات (مرددًا توصية البنتاغون لعام 2008) بتحدي الابتكار D2 للدبلوماسية والتنموية والدفاعية SECDEF / SECSTATE / USAID مع الفيديو التالي للفيديو والرؤية. تقوم شركة نورثروب غرومان بتمويل CALTECH بمبلغ 17.5 مليون دولار لتصميم خفيف للغاية. نشر كيث هينسون مؤخرًا مقطع فيديو عن منهج “التمهيد”.

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 في الأساليب المتجددة لممارسات تكنولوجيا تربية طاقة الرياح التي لديها القدرة على تقليل التكلفة ، والحجم ، والتأثير البيئي لإنتاج طاقة الرياح. يعتقد رئيس شركة سكاي ويندباور كوربوريشن أن توربينات الرياح سوف تكون قادرة على إنتاج الكهرباء بمعدل سنت / كيلو وات في الساعة في المتوسط ​​مقارنة بالكهرباء المولدة بالفحم وهو جزء من التكلفة.

مزرعة الرياح هي مجموعة من توربينات الرياح في نفس الموقع المستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية. قد تتكون مزرعة رياح كبيرة من عدة مئات من توربينات الرياح الفردية ، وتغطي مساحة ممتدة من مئات الأمتار المربعة ، ولكن الأرض بين التوربينات يمكن استخدامها لأغراض زراعية أو غيرها. ويمكن أيضا أن تكون مزرعة الرياح تقع في الخارج.

تقع العديد من أكبر مزارع الرياح التشغيلية في الولايات المتحدة والصين. تمتلك مزرعة رياح قانسو في الصين أكثر من 5000 ميجاوات مع هدف قدره 20 ألف ميجاوات بحلول عام 2020. ولدى الصين عدة “قواعد طاقة رياح” أخرى ذات حجم مماثل. ويعتبر مركز ألتا لطاقة الرياح في كاليفورنيا أكبر مزرعة رياح هوائية خارج الصين ، بطاقة تبلغ 1020 ميجاوات من الطاقة. تقود أوروبا في استخدام طاقة الرياح بما يقرب من 66 جيجاواط ، أي حوالي 66 في المائة من الإجمالي العالمي ، مع وجود الدنمارك في الصدارة حسب البلدان التي نصبتها طاقة الفرد. اعتبارًا من فبراير 2012 ، تعد مزرعة والني للرياح في المملكة المتحدة أكبر مزرعة رياح بحرية في العالم تبلغ 367 ميجاوات ، تليها مزرعة ثانت ريت (300 ميجاوات) ، أيضًا في المملكة المتحدة.

هناك العديد من مزارع الرياح الكبيرة قيد الإنشاء والتي تشمل BARD Offshore 1 (400 MW) ، Clyde Wind Farm (350 MW) ، مزرعة غابة أكبر Gabbard (500 MW) ، Lincs Wind Farm (270 MW) ، London Array (1000 MW) ، مشروع رياح نهر ثعبان أقل (343 ميغاواط) ، مزرعة رياح ماكارثر (420 م.و) ، مزرعة رياح مسطحة للراعي (845 ميغاوات) ، وشرينغهام شول (317 ميغاواط).

توسعت طاقة الرياح بسرعة ، وكانت حصتها من استخدام الكهرباء في جميع أنحاء العالم في نهاية عام 2014 بنسبة 3.1 ٪.

الطاقة الحرارية الأرضية
يتم إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية من خلال الاستفادة من الطاقة الحرارية التي يتم إنشاؤها وتخزينها داخل الأرض. انها تنشأ من الاضمحلال الإشعاعي لنظير البوتاسيوم والعناصر الأخرى الموجودة في قشرة الأرض. يمكن الحصول على الطاقة الحرارية الأرضية عن طريق الحفر في الأرض ، وهو مماثل جداً للتنقيب عن النفط ، ثم يتم نقله بواسطة سائل نقل الحرارة (مثل الماء أو الماء المالح أو البخار). إن أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية التي تهيمن عليها المياه بشكل أساسي لديها القدرة على توفير فوائد أكبر للنظام وستولد المزيد من الطاقة. ضمن هذه الأنظمة التي تسودها سيولة ، هناك مخاوف محتملة من هبوط وتلوث موارد المياه الجوفية. ولذلك ، فإن حماية موارد المياه الجوفية ضرورية في هذه الأنظمة. وهذا يعني أن الإنتاج الدقيق للخزانات والهندسة ضروريان في أنظمة الخزانات الحرارية الأرضية التي يسيطر عليها السائل. تعتبر الطاقة الحرارية الأرضية مستدامة 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 من الأموال الفيدرالية على أبحاث وتطوير الهيدروجين ووسيط لتخزين الطاقة في الولايات المتحدة. يضم كل من المختبر الوطني للطاقة المتجددة ومختبرات سانديا الوطنية أقسامًا متخصصة في أبحاث الهيدروجين. الهيدروجين مفيد لتخزين الطاقة ، وللاستخدام في الطائرات والسفن ، ولكنه غير عملي للاستخدام في السيارات ، حيث أنه غير فعال للغاية ، مقارنة باستخدام البطارية – بنفس التكلفة التي يمكن للشخص أن يسافرها بثلاث مرات باستخدام بطارية السيارة الكهربائية.