الطاقة المستدامة هي إمدادات الطاقة التي يمكن أن تلبي الطلب الحالي دون تعريض إمدادات الطاقة للأجيال القادمة للخطر ودون الإضرار بالبيئة. وهو يغطي توليد الطاقة وتوزيعها واستخدامها. في إنتاج الطاقة ، يعتمد على الطاقات المتجددة ، وضمن أمور أخرى ، على زيادة كفاءة الطاقة. ويسمى الانتقال من الطاقة النووية الأحفورية إلى إمدادات الطاقة المستدامة انتقال الطاقة.

تعريفات
تم تعريف العديد من التعريفات لمفهوم الطاقة المستدامة ، من بينها:

“بشكل ملموس ، حصة الطاقة القادرة على تلبية احتياجات الحاضر دون المساس بقدرة الأجيال القادمة على تلبية احتياجاتها الخاصة. […] الطاقة المستدامة لها مكونان أساسيان: الطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة. – الطاقة المتجددة و شراكة كفاءة الطاقة.

“انسجام دينامي بين ، من ناحية ، التوافر العادل للسلع والخدمات التي تتطلب الطاقة الكثيفة ، ومن ناحية أخرى ، الحفاظ على الأرض للأجيال القادمة. وكذلك:” سوف يكمن الحل في القدرة على إيجاد مصادر مستدامة للطاقة وطرق أكثر كفاءة لتحويل واستخدام الطاقة. – الطاقة المستدامة من قبل JW Tester وآخرون ، التي نشرتها مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

“أي مصدر للتوليد والحفاظ على الطاقة التي تتوفر بها الموارد على نطاق كبير بما يكفي لاستخراج جزء كبير من الطاقة المستهلكة على المدى الطويل ، ويفضل أن يكون ذلك مائة عام. – استثمر ، وهي منظمة غير ربحية تعزز الأخضر التقنيات.

“كمية الطاقة التي يمكن أن تتجدد بشكل طبيعي خلال فترة حياة الإنسان ، ولا يسبب استخراجه أي خطر على المدى الطويل على البيئة. – شبكة التنمية المستدامة في جامايكا.

توضح هذه التعريفات أن مفهوم الطاقة المستدامة يختلف بشكل كبير عن المفاهيم الأخرى ذات الصلة بالطاقات المتجددة مثل الطاقات البديلة أو الطاقات الخضراء: سواء كان مصدر الطاقة مستدامًا أم لا ، يعتمد على قدرته على توفير الطاقة. الطاقة لفترة طويلة. يمكن للطاقة المستدامة توليد مستوى معين من التلوث في البيئة ، شريطة أن تكون منخفضة بما فيه الكفاية لعدم عرقلة الاستخدام الضخم لمصدر الطاقة لفترة غير محددة من الزمن. كما يختلف مفهوم الطاقة المستدامة عن مفهوم “اقتصاد منخفض الكربون” ، والذي لا يمكن استدامته إلا بمفهوم محدود أكثر (مفهوم عدم إضافة ثاني أكسيد الكربون من الأصل الحفري في الغلاف الجوي).

مشكلة معقدة
كما رأينا في المقدمة ، ليس من السهل تصنيف طاقة معينة في طاقات مستدامة أم لا. يجب أن نعتمد الرؤية الأكثر شمولية الممكنة ، مع الأخذ بعين الاعتبار كامل دورة إنتاج واستهلاك الطاقة. لا يكفي النظر في الطاقة الأولية فقط. من الضروري النظر في جميع المواد المستخدمة لتصنيع وحدات الإنتاج (لا سيما الكهرباء …) وتشغيلها ، بالمقارنة مع عمر هذه الوحدات.

على سبيل المثال ، تتطلب الطاقات المتجددة (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح …) كميات كبيرة من المعادن. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب الطبيعة المتقطعة لتوليد الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح تطوير تقنيات تخزين الكهرباء. ومع ذلك ، فإن تقنيات التخزين الأكثر كفاءة تعتمد على استخدام الليثيوم ، والاحتياطي منها محدود.

يشير مؤيدو الطاقة النووية إلى أن انبعاثات غازات الاحتباس الحراري تقترب من الصفر تقترب من ذلك. ومع ذلك ، فإن موارد اليورانيوم للوقود النووي لمفاعلات الماء المضغوط ، والزركونيوم ، لتصنيع الأغماد التي تحيط بالوقود لهذه المفاعلات محدودة. ناهيك عن البصمة البيئية لبناء محطات الطاقة النووية ومعالجة النفايات ، ولا نتحدث عن مخاطر وقوع حادث نووي أو انتشار نووي.

تقنيات الطاقة المتجددة
تعد تقنيات الطاقة المتجددة من العوامل الأساسية المساهمة في الطاقة المستدامة لأنها تساهم بشكل عام في أمن الطاقة العالمي ، وتقلل الاعتماد على موارد الوقود الأحفوري ، وتوفر فرصًا للتخفيف من غازات الاحتباس الحراري. تنص وكالة الطاقة الدولية على ما يلي:

من الناحية النظرية ، يمكن للمرء أن يحدد ثلاثة أجيال من تقنيات الطاقة المتجددة ، ليصل إلى أكثر من 100 سنة.

ظهرت تكنولوجيات الجيل الأول من الثورة الصناعية في نهاية القرن التاسع عشر وتشمل الطاقة الكهرمائية ، واحتراق الكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية والحرارة. بعض هذه التقنيات لا تزال تستخدم على نطاق واسع.

تشمل تقنيات الجيل الثاني التدفئة بالطاقة الشمسية والتبريد ، وطاقة الرياح ، وأشكال حديثة من الطاقة الحيوية والطاقة الشمسية الكهروضوئية. وتدخل هذه الأسواق الآن نتيجة لاستثمارات البحث والتطوير والتظاهر (RD & D) منذ الثمانينيات. كان الاستثمار الأولي مدفوعًا بمخاوف تتعلق بأمن الطاقة مرتبطة بأزمات النفط (1973 و 1979) في سبعينيات القرن العشرين ، ولكن النداء المستمر لهذه المصادر المتجددة يرجع ، جزئيًا على الأقل ، إلى الفوائد البيئية. تعكس العديد من التقنيات تقدمًا كبيرًا في المواد.

ولا تزال تكنولوجيات الجيل الثالث قيد التطوير وتشمل تغويز الكتلة الحيوية المتقدمة وتقنيات المكامن الحيوية والطاقة الحرارية الشمسية المركزة والطاقة الحرارية الأرضية للصخور الجافة وجو المحيطات. قد يلعب التقدم في تكنولوجيا النانو دورًا كبيرًا أيضًا.

– وكالة الطاقة الدولية ، RENEWABLES في مجال الطاقة العالمي ، ورقة حقائق وكالة الطاقة الدولية

دخلت التكنولوجيات الأولى والثانية إلى الأسواق ، وتعتمد تكنولوجيات الجيل الثالث اعتمادًا كبيرًا على التزامات البحث والتطوير على المدى الطويل ، حيث يلعب القطاع العام دورًا.

وقد أجريت العديد من أعمال تحليل التكلفة والفائدة من قبل مجموعة متباينة من المتخصصين والوكالات لتحديد أرخص وأسرع الطرق لإزالة الكربون من إمدادات الطاقة في العالم. مع كون الموضوع واحدا من الجدل الكبير ، لا سيما حول دور الطاقة النووية.

تقنيات الجيل الأول
تعد تقنيات الجيل الأول أكثر قدرة على المنافسة في المواقع ذات الموارد الوفيرة. يعتمد استخدامها في المستقبل على استكشاف إمكانات الموارد المتاحة ، خاصة في البلدان النامية ، وعلى التغلب على التحديات المتعلقة بالبيئة والقبول الاجتماعي.

– وكالة الطاقة الدولية ، RENEWABLES في مجال الطاقة العالمي ، ورقة حقائق وكالة الطاقة الدولية
من بين مصادر الطاقة المتجددة ، تتمتع محطات الطاقة الكهرومائية بفوائد كونها طويلة العمر – حيث تعمل العديد من المصانع القائمة منذ أكثر من 100 عام. أيضا ، محطات الطاقة الكهرومائية نظيفة ولها انبعاثات قليلة. وتشمل الانتقادات الموجهة إلى محطات الطاقة الكهرومائية على نطاق واسع ما يلي: خلع الأشخاص الذين يعيشون في المناطق التي خططت فيها الخزانات ، وإطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون أثناء تشييد الخزان وغمره.

ومع ذلك ، فقد وجد أن الانبعاثات العالية ترتبط فقط بالمستودعات الضحلة في المناطق الحارة (الاستوائية) ، وأن الابتكارات الحديثة في تكنولوجيا التوربينات الكهرمائية تمكّن من تطوير مشاريع الطاقة الكهرومائية المتدنية ذات التأثير المنخفض. بشكل عام ، تنتج محطات توليد الطاقة الكهرومائية انبعاثات دورة حياة أقل بكثير من الأنواع الأخرى من التوليد. الطاقة الكهرمائية ، التي خضعت لتطوير واسع النطاق خلال نمو الكهرباء في القرنين التاسع عشر والعشرين ، تشهد عودة التطور في القرن الواحد والعشرين. المناطق ذات النمو الكهرومائي الأعظم هي الاقتصادات المزدهرة في آسيا. الصين هي رائدة التنمية. ومع ذلك ، تقوم دول آسيوية أخرى بتركيب الطاقة المائية بوتيرة سريعة. هذا النمو مدفوعًا بالكثير من تكاليف الطاقة المتزايدة – خاصة بالنسبة للطاقة المستوردة – والرغبات المنتشرة من أجل توليد أكثر تنظيماً محلياً ونظيفة ومتجددة واقتصادية.

ويمكن لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية أن تعمل على مدار 24 ساعة في اليوم ، مما يوفر قدرة حمولة أساسية ، وتقدر القدرة العالمية المحتملة لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية بنحو 85 غيغاواط خلال الثلاثين سنة القادمة. ومع ذلك ، لا يمكن الوصول إلى الطاقة الحرارية الأرضية إلا في مناطق محدودة من العالم ، بما في ذلك الولايات المتحدة وأمريكا الوسطى وشرق أفريقيا وأيسلندا وإندونيسيا والفلبين. انخفضت تكاليف الطاقة الحرارية الأرضية بشكل كبير من الأنظمة التي بنيت في السبعينيات. إن توليد الحرارة الحرارية الأرضية يمكن أن يكون منافسًا في العديد من الدول المنتجة للطاقة الحرارية الأرضية ، أو في مناطق أخرى حيث يكون المورد ذو درجة حرارة منخفضة. لا تتطلب تقنية تعزيز الطاقة الحرارية الأرضية (EGS) موارد حرارية مائية طبيعية ، لذلك يمكن استخدامها في مناطق كانت غير ملائمة في السابق للطاقة الحرارية الأرضية ، إذا كان المورد كبيرًا جدًا. يخضع EGS حاليًا للبحث في وزارة الطاقة الأمريكية.

يتم استخدام قوالب الكتلة الحيوية بشكل متزايد في العالم النامي كبديل للفحم. 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. وهناك استثناء واحد في شمال كيفو ، في شرق جمهورية الكونغو الديمقراطية ، حيث تعتبر إزالة الغابات لإنتاج الفحم أكبر خطر على موائل غوريلا الجبل. 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.

في أوروبا في القرن التاسع عشر ، كان هناك حوالي 200000 طواحين هوائية ، أكثر بقليل من التوربينات الهوائية الحديثة في القرن الواحد والعشرين. كانت تستخدم أساسا لطحن الحبوب وضخ المياه. استبدل عصر محركات البخار التي تعمل بالفحم هذا الاستخدام المبكر للطاقة الريحية.

تقنيات الجيل الثاني
أسواق تقنيات الجيل الثاني قوية ومتنامية ، ولكن فقط في عدد قليل من البلدان. ويتمثل التحدي في توسيع قاعدة السوق للنمو المستمر في جميع أنحاء العالم. لا يؤدي النشر الاستراتيجي في بلد واحد إلى تقليل تكاليف التكنولوجيا للمستخدمين هناك فحسب ، بل أيضًا بالنسبة إلى التكاليف في البلدان الأخرى ، مما يسهم في خفض التكلفة بشكل عام وتحسين الأداء.

– وكالة الطاقة الدولية ، RENEWABLES في مجال الطاقة العالمي ، ورقة حقائق وكالة الطاقة الدولية
أنظمة التدفئة الشمسية هي تكنولوجيا الجيل الثاني المعروفة بشكل عام وتتكون عادة من المجمعات الحرارية الشمسية ، ونظام السوائل لنقل الحرارة من المجمع إلى نقطة استخدامه ، وخزان أو خزان لتخزين الحرارة واستخدامها لاحقا. ويمكن استخدام هذه الأنظمة لتسخين المياه الساخنة أو مياه المسبح أو التدفئة. يمكن أيضًا استخدام الحرارة للتطبيقات الصناعية أو كمدخل للطاقة لاستخدامات أخرى مثل معدات التبريد. في كثير من المناخات ، يمكن لنظام التدفئة بالطاقة الشمسية أن يوفر نسبة عالية جدًا (20 إلى 80٪) من الطاقة المائية الساخنة المحلية. الطاقة المتلقاة من الشمس بالأرض هي الطاقة الكهرومغناطيسية. النطاقات الضوئية للأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية والموجات الراديوية التي تستقبلها الأرض من خلال الطاقة الشمسية. أعلى قوة من الإشعاع تأتي من الضوء المرئي. الطاقة الشمسية معقدة بسبب التغيرات في المواسم ومن النهار إلى الليل. يمكن أن يضيف الغطاء السحابي أيضًا إلى مضاعفات الطاقة الشمسية ، وليس كل الإشعاع الصادر عن الشمس يصل إلى الأرض نظرًا لأنه يتم امتصاصه وتفريقه بسبب السحب والغازات في الغلاف الجوي للأرض.

في الثمانينيات وأوائل التسعينات ، زودت معظم الوحدات الفولتية الضوئية إمدادات الطاقة في المناطق النائية ، ولكن منذ عام 1995 ، ركزت جهود الصناعة بشكل متزايد على تطوير بناء وحدات الطاقة الشمسية المتكاملة ومحطات الطاقة للتطبيقات المتصلة بالشبكات (انظر مقالة محطات الطاقة الكهروضوئية لمزيد من التفاصيل). حاليا أكبر محطة للطاقة الكهروضوئية في أمريكا الشمالية هي محطة نيليس للطاقة الشمسية (15 ميجاوات). هناك اقتراح لبناء محطة للطاقة الشمسية في فيكتوريا ، أستراليا ، والتي ستكون أكبر محطة للطاقة الكهروضوئية في العالم ، في 154 ميغاواط. وتشمل محطات الطاقة الكهربائية الضوئية الكبيرة الأخرى محطة جيراسول لتوليد الطاقة الشمسية (62 ميجاوات) ، ومجمع والدبولنز للطاقة الشمسية (40 ميجاوات).

تمتلك بعض مصادر الطاقة المتجددة من الجيل الثاني ، مثل طاقة الرياح ، إمكانات عالية وقد حققت بالفعل تكاليف إنتاج منخفضة نسبياً. في نهاية عام 2008 ، بلغت طاقة مزرعة الرياح في جميع أنحاء العالم 120791 ميجاوات (MW) ، مما يمثل زيادة قدرها 28.8 في المائة خلال العام ، وطاقة الرياح تنتج حوالي 1.3 ٪ من الاستهلاك العالمي للكهرباء. تمثل طاقة الرياح حوالي 20٪ من استهلاك الكهرباء في الدنمارك ، و 9٪ في إسبانيا ، و 7٪ في ألمانيا. ومع ذلك ، قد يكون من الصعب وضع توربينات الرياح في بعض المناطق لأسباب جمالية أو بيئية ، وقد يكون من الصعب دمج طاقة الرياح في شبكات الكهرباء في بعض الحالات.

تعمل محطات الطاقة الشمسية الحرارية بنجاح في كاليفورنيا تجاريًا منذ أواخر الثمانينيات ، بما في ذلك أكبر محطة للطاقة الشمسية من أي نوع ، وهي أنظمة توليد الطاقة الشمسية بقدرة 350 ميجاوات. نيفادا سولار ون هو مصنع آخر 64 ميجا واط الذي افتتح مؤخرا. ومن بين محطات توليد الطاقة الكهربائية الأخرى التي يتم اقتراحها في هذا المجال ، مصنعان تبلغ طاقتهما 50 ميجا وات في إسبانيا ، ومصنعًا بقدرة 100 ميجاوات في إسرائيل.

الطاقة الشمسية وطاقة الرياح هي مصادر طاقة متقطعة توفر الكهرباء من 10 إلى 40٪ من الوقت. للتعويض عن هذه الخاصية ، من الشائع مزاوجة إنتاجها مع توليد الطاقة الكهرومائية أو الغاز الطبيعي الموجود بالفعل. في المناطق التي لا يتوفر فيها هذا ، يمكن إقران طاقة الرياح والطاقة الشمسية مع الطاقة الكهرومائية الضخمة ذات التخزين الأكثر تكلفة.

تمتلك البرازيل واحدة من أكبر برامج الطاقة المتجددة في العالم ، والتي تشمل إنتاج وقود الإيثانول من قصب السكر ، ويوفر الإيثانول الآن 18 بالمائة من وقود السيارات في البلاد. ونتيجة لهذا ، إلى جانب استغلال مصادر زيت المياه العميقة المحلية ، البرازيل ، التي اضطرت قبل سنوات إلى استيراد حصة كبيرة من النفط اللازم للاستهلاك المحلي ، وصلت في الآونة الأخيرة إلى الاكتفاء الذاتي الكامل من النفط.

يمكن لمعظم السيارات على الطرق اليوم في الولايات المتحدة أن تعمل على مزيج من الإيثانول يصل إلى 10٪ ، وينتج مصنعو السيارات بالفعل مركبات مصممة للتشغيل في خلطات إيثانول أعلى من ذلك بكثير. فورد ، دايملر كرايسلر ، وجنرال موتورز من بين شركات السيارات التي تبيع السيارات “المرنة الوقود” ، والشاحنات ، والسيارات الصغيرة التي يمكن أن تستخدم البنزين والايثانول يمزج تتراوح من البنزين النقي حتى 85 ٪ من الإيثانول (E85). بحلول منتصف عام 2006 ، كان هناك ما يقرب من ستة ملايين مركبة متوافقة مع E85 على الطرق الأمريكية.

تقنيات الجيل الثالث
تقنيات الجيل الثالث لم تظهر بعد على نطاق واسع أو تسويقها. فهي في الأفق وقد تكون لها إمكانات مماثلة لتقنيات الطاقة المتجددة الأخرى ، ولكنها لا تزال تعتمد على جذب الاهتمام الكافي والتمويل من أجل التنمية والتطوير. وتشمل أحدث هذه التقنيات تغويز الكتلة الحيوية المتطورة وتقنيات المفاعل الحيوي ومحطات الطاقة الشمسية الحرارية والطاقة الحرارية الجوفية الساخنة الجافة وطاقة المحيطات.

– وكالة الطاقة الدولية ، RENEWABLES في مجال الطاقة العالمي ، ورقة حقائق وكالة الطاقة الدولية
يمكن تعريف الوقود الحيوي بأنه “قابل للتجديد” ، ولكنه قد لا يكون “مستدامًا” بسبب تدهور التربة. اعتبارا من عام 2012 ، يذهب 40 ٪ من إنتاج الذرة الأمريكي نحو الإيثانول. يستهلك الإيثانول نسبة مئوية كبيرة من “استخدام الطاقة النظيفة” في حين أنه لا يزال من الممكن الجدال حول ما إذا كان ينبغي اعتبار الإيثانول “طاقة نظيفة”.

ووفقًا لوكالة الطاقة الدولية ، فإن تقنيات الطاقة الحيوية الجديدة (الوقود الحيوي) التي يتم تطويرها اليوم ، خاصةً أجهزة بيور الإيثانول السليلوزية ، يمكن أن تسمح للوقود الحيوي بلعب دور أكبر بكثير في المستقبل مما كان يعتقد سابقًا. يمكن صنع الإيثانول السليولوزي من مادة نباتية تتكون في المقام الأول من ألياف سليلوزية غير صالحة للأكل تشكل سيقان وأغصان معظم النباتات. وتعتبر مخلفات المحاصيل (مثل سيقان الذرة وقش القمح وقش الأرز) ومخلفات الخشب والنفايات الصلبة البلدية مصادر محتملة للكتلة الحيوية السليلوزية. وتعتبر محاصيل الطاقة المخصصة ، مثل المحولات ، مصادر واعدة للسليولوز يمكن إنتاجها على نحو مستدام في العديد من مناطق الولايات المتحدة.

من حيث طاقة المحيطات ، وهي تكنولوجيا أخرى من الجيل الثالث ، فإن البرتغال لديها أول مزرعة تجارية موجية في العالم ، وهي متنزه أجوسادورا ويف ، تحت الإنشاء في 2007. ستستخدم المزرعة في البداية ثلاث آلات بيلاميس P-750 التي تنتج 2.25 ميجاوات. وتوضع التكاليف في 8.5 مليون يورو. ورهنا بالعملية الناجحة ، من المرجح استثمار 70 مليون يورو أخرى قبل عام 2009 على 28 آلة أخرى لتوليد 525 ميجاوات. تم الإعلان عن تمويل مزرعة الأمواج في اسكتلندا في شباط / فبراير 2007 من قبل السلطة التنفيذية الاسكتلندية ، بتكلفة تزيد على 4 ملايين جنيه ، كجزء من حزمة تمويل بقيمة 13 مليون جنيه استرليني لقوة المحيطات في اسكتلندا. وستكون المزرعة الأكبر في العالم بسعة 3 ميجاوات من أربعة ماكينات بيلاميس. (انظر أيضا مزرعة الموجة).

في عام 2007 ، تم تركيب أول توربين في العالم لإنتاج كميات تجارية من الطاقة باستخدام طاقة المد والجزر في تضيقات Strangford Lough في أيرلندا. ويستفيد مولد الكهرباء المد والجزر بقدرة 1.2 ميغاوات من تدفق المد السريع في الشحم الذي يمكن أن يصل إلى 4 م / ث. على الرغم من أن المولد قوي بما يكفي لتشغيل ما يصل إلى ألف منزل ، إلا أن التوربين له تأثير بيئي ضئيل ، حيث أنه يتم غمره بالكامل تقريبًا ، وتتحول الدوارات ببطء كافية بحيث لا تشكل خطراً على الحياة البرية.

قد تكلف ألواح الطاقة الشمسية التي تستخدم تكنولوجيا النانو ، والتي يمكن أن تخلق دارات من جزيئات السيليكون الفردية ، نصف تكلفة الخلايا الفولطاضوئية التقليدية ، وفقا للمديرين التنفيذيين والمستثمرين المشاركين في تطوير المنتجات. وقد حصلت Nanosolar على أكثر من 100 مليون دولار من مستثمرين لبناء مصنع للألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ذات تكنولوجيا النانو. يمتلك مصنع الشركة طاقة إنتاجية تبلغ طاقتها القصوى تبلغ 430 ميجاوات من الطاقة الشمسية في العام. بدأ الإنتاج التجاري وتم شحن اللوحات الأولى للعملاء في أواخر عام 2007.

تقوم مشاريع بحثية وطنية وإقليمية كبيرة حول التمثيل الضوئي الصناعي بتصميم أنظمة قائمة على تكنولوجيا النانو تستخدم الطاقة الشمسية لتقسيم المياه إلى وقود هيدروجين. وقدم مقترح لمشروع عالمي للتصوير الضوئي الصناعي في عام 2011 ، قام باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بتطوير ما يطلقون عليه “أوراق اصطناعية” ، وهي قادرة على تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين مباشرة من الطاقة الشمسية. عندما يسقط في كوب من الماء. جانب واحد من “أوراق اصطناعية” ينتج فقاعات من الهيدروجين ، بينما ينتج الجانب الآخر فقاعات الأكسجين.

تصنع معظم محطات الطاقة الشمسية الحالية من مجموعة من الوحدات المماثلة حيث يتم ضبط كل وحدة باستمرار ، على سبيل المثال ، مع بعض المحركات الخطوة ، بحيث يبقى محول الضوء في تركيز ضوء الشمس. يمكن تخفيض تكلفة تركيز الضوء على المحولات مثل الألواح الشمسية عالية الطاقة ، ومحرك ستيرلينغ ، وما إلى ذلك بشكل كبير مع ميكانيكا الحبل بسيطة وفعالة. في هذه التقنية ، يتم توصيل العديد من الوحدات بشبكة من الحبال ، بحيث يكون سحب الحبلين أو الثلاثة كافيًا للحفاظ على جميع محولات الضوء في وقت واحد مع التركيز على تغير اتجاه الشمس.

لدى اليابان والصين برامج وطنية تهدف إلى استخدام الطاقة الشمسية في الفضاء التجاري (SBSP). 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 DD (دبلوماسية ، تطوير ، دفاع) DODD SECDEF / SECSTATE / USAID.

تمكين التقنيات للطاقة المتجددة
المضخات الحرارية وتخزين الطاقة الحرارية هي فئات من التقنيات التي يمكن أن تمكّن من استخدام مصادر الطاقة المتجددة التي قد لا يكون من الممكن الوصول إليها بسبب درجة حرارة منخفضة جدًا للاستفادة منها أو تأخر زمني بين وقت توفير الطاقة وحين الحاجة إليها. أثناء تحسين درجة حرارة الطاقة الحرارية المتجددة المتاحة ، تمتلك المضخات الحرارية خاصية إضافية للاستفادة من الطاقة الكهربائية (أو في بعض الحالات الطاقة الميكانيكية أو الحرارية) باستخدامها لاستخراج طاقة إضافية من مصدر منخفض الجودة (مثل مياه البحر ، مياه البحيرة ، الأرض ، والهواء ، أو حرارة النفايات من عملية).

تسمح تقنيات التخزين الحراري بتخزين الحرارة أو البرودة لفترات تتراوح بين ساعات أو بين عشية وضحاها إلى بينية ، ويمكن أن تتضمن تخزين طاقة معقولة (أي عن طريق تغيير درجة حرارة متوسطة) أو طاقة كامنة (أي من خلال تغيرات الطور في وسط ما ، مثل الماء والجليد أو الثلج). يمكن استخدام التخزين الحراري قصير المدى للحلاقة الذروة في أنظمة التدفئة المركزية أو التوزيع الكهربائي. تشمل أنواع مصادر الطاقة المتجددة أو البديلة التي يمكن تمكينها الطاقة الطبيعية (مثل تجميعها عبر المجمعات الحرارية الشمسية ، أو أبراج التبريد الجافة المستخدمة لجمع برد الشتاء) ، وطاقة النفايات (على سبيل المثال من معدات التكييف ، والعمليات الصناعية أو محطات توليد الطاقة) ، أو فائض الطاقة (على سبيل المثال موسميا من مشروعات الطاقة المائية أو بشكل متقطع من مزارع الرياح). تعتبر مجموعة دريك لاندينغ سولار (ألبرتا ، كندا) توضيحية. يسمح تخزين الطاقة الحرارية في حفرة البئر للمجتمعات بالحصول على 97٪ من الحرارة على مدار السنة من جامعات الطاقة الشمسية على أسقف المرآب ، والتي يتم جمع معظم درجات الحرارة في الصيف. تشمل أنواع التخزين الخاصة بالطاقة المعقولة الخزانات المعزولة ، ومجموعات حفر الآبار في الركائز التي تتراوح من الحصى إلى الصخور ، أو طبقات المياه الجوفية العميقة ، أو الحفر المبطنة الضحلة المعزولة في الأعلى. بعض أنواع التخزين قادرة على تخزين الحرارة أو البرودة بين المواسم المتعارضة (خاصة إذا كانت كبيرة جدًا) ، وتتطلب بعض تطبيقات التخزين تضمين مضخة حرارية. عادة ما يتم تخزين الحرارة الكامنة في خزانات الثلج أو ما يسمى بمواد تغيير المرحلة (PCMs).

كفاءة الطاقة
يتطلب التحرك نحو استدامة الطاقة تغييرات ليس فقط في الطريقة التي يتم بها توفير الطاقة ، ولكن بالطريقة المستخدمة ، والحد من كمية الطاقة المطلوبة لإيصال السلع أو الخدمات المختلفة أمر ضروري. إن فرص التحسين في جانب الطلب في معادلة الطاقة هي غنية ومتنوعة مثل تلك الموجودة على جانب العرض ، وغالبا ما تقدم فوائد اقتصادية كبيرة.

يقال أحيانا أن الطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة هما “الدعائم الثنائية” لسياسة الطاقة المستدامة. يجب تطوير كل من الموارد من أجل تحقيق الاستقرار والحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. تؤدي الكفاءة إلى إبطاء نمو الطلب على الطاقة بحيث يمكن أن يؤدي ارتفاع إمدادات الطاقة النظيفة إلى إجراء تخفيضات كبيرة في استخدام الوقود الأحفوري. إذا كان استخدام الطاقة ينمو بسرعة كبيرة ، فإن تطوير الطاقة المتجددة سوف يطارد هدف الانحسار. لقد أظهر تحليل تاريخي حديث أن معدل تحسين كفاءة الطاقة قد تجاوزه بشكل عام معدل النمو في الطلب على الطاقة ، والذي يرجع إلى استمرار النمو الاقتصادي والسكاني. ونتيجة لذلك ، وعلى الرغم من المكاسب في كفاءة الطاقة ، استمر استخدام الطاقة الإجمالي وانبعاثات الكربون ذات الصلة في الزيادة. وبالتالي ، وبالنظر إلى الحدود الديناميكية والحسنة العملية لتحسينات كفاءة الطاقة ، فإن إبطاء نمو الطلب على الطاقة ضروري. ومع ذلك ، ما لم تتوافر إمدادات الطاقة النظيفة بسرعة على الإنترنت ، فإن تباطؤ نمو الطلب سيبدأ فقط في خفض إجمالي الانبعاثات ؛ الحد من محتوى الكربون من مصادر الطاقة هو أيضا مطلوب. لذا فإن أي رؤية جادة لاقتصاد مستدام للطاقة تتطلب التزامات لكل من مصادر الطاقة المتجددة والكفاءة.

لم تعد الطاقة المتجددة (وكفاءة الطاقة) قطاعات متخصصة لا يتم الترويج لها إلا من قبل الحكومات ورجال البيئة. إن ارتفاع مستويات الاستثمار وحقيقة أن الكثير من رأس المال يأتي من جهات مالية أكثر تقليدية يشير إلى أن خيارات الطاقة المستدامة أصبحت الآن ذات طابع رئيسي. ومن الأمثلة على ذلك مشروع التحالف لتوفير الطاقة مع Stahl Consolidated Manufacturing ، (هانتسفيل ، ألاباما ، الولايات المتحدة الأمريكية) (StahlCon 7) ، وهو عبارة عن عمود مولد معتمد على براءة اختراع مصمم للحد من الانبعاثات داخل أنظمة توليد الطاقة الحالية ، ومنح حقوق النشر إلى التحالف في 2007.

تثير مخاوف تغير المناخ إلى جانب ارتفاع أسعار النفط وزيادة الدعم الحكومي معدلات متزايدة للاستثمار في صناعات الطاقة المستدامة ، وفقاً لتحليل الاتجاهات من برنامج الأمم المتحدة للبيئة. ووفقًا لبرنامج الأمم المتحدة للبيئة ، كان الاستثمار العالمي في الطاقة المستدامة في عام 2007 أعلى من المستويات السابقة ، حيث تم جمع 148 مليار دولار من الأموال الجديدة في عام 2007 ، أي بزيادة قدرها 60٪ عن عام 2006. وبلغ إجمالي المعاملات المالية في الطاقة المستدامة ، بما في ذلك نشاط الاستحواذ 204 مليارات دولار.

اتسعت تدفقات الاستثمار في عام 2007 وتنوعت ، مما يجعل الصورة العامة واحدة من أكبر اتساع وعمق استخدام الطاقة المستدامة. أسواق رأس المال السائدة هي “الآن تقبل بالكامل لشركات الطاقة المستدامة ، مدعومة بطفرة في الأموال المخصصة للاستثمار في الطاقة النظيفة”.

تكنولوجيا الشبكة الذكية
تشير الشبكة الذكية إلى فئة من التكنولوجيا يستخدمها الناس لتوفير أنظمة توصيل الكهرباء بالمنافع في القرن الواحد والعشرين ، باستخدام التحكم عن بُعد والأتمتة المستندة إلى الكمبيوتر. أصبحت هذه الأنظمة ممكنة بفضل تكنولوجيا الاتصالات ثنائية الاتجاه ومعالجة الكمبيوتر التي تم استخدامها لعقود في صناعات أخرى. لقد بدأ استخدامها على شبكات الكهرباء ، من محطات الطاقة ومزارع الرياح وصولاً إلى مستهلكي الكهرباء في المنازل والشركات. وهي تقدم العديد من الفوائد للمرافق العامة والمستهلكين – حيث ينظر إليها في الغالب من خلال التحسينات الكبيرة في كفاءة الطاقة على شبكة الكهرباء وفي منازل ومكاتب مستخدمي الطاقة.

استثمارات الطاقة النظيفة
كان عام 2010 عامًا قياسيًا لاستثمارات الطاقة الخضراء. ووفقًا لتقرير صادر عن شركة بلومبيرج نيو إنيرجي فاينانس ، فقد تم استثمار ما يقرب من 243 مليار دولار أمريكي في مزارع طاقة الرياح والطاقة الشمسية والسيارات الكهربائية وغيرها من التقنيات البديلة في جميع أنحاء العالم ، مما يمثل زيادة بنسبة 30٪ عن عام 2009 وما يقرب من خمسة أضعاف الأموال المستثمرة في عام 2004. الصين كان هناك 51.1 مليار دولار استثمارات في مشاريع الطاقة النظيفة في عام 2010 ، وهو أكبر رقم في أي بلد.

ضمن الاقتصادات الناشئة ، تأتي البرازيل في المرتبة الثانية بالنسبة للصين من حيث استثمارات الطاقة النظيفة. وبفضل سياسات الطاقة القوية ، تتمتع البرازيل بواحدة من أعلى قدرات الطاقة الحيوية والطاقة المائية الصغيرة في العالم ، وهي تستعد لنمو كبير في استثمارات طاقة الرياح. ومن المتوقع أن تصل إمكانات الاستثمار المتراكم في البرازيل من 2010 إلى 2020 إلى 67 مليار دولار.

الهند هي رائدة أخرى في مجال الطاقة النظيفة. في حين احتلت الهند المرتبة العاشرة في استثمارات الطاقة النظيفة الخاصة بين أعضاء مجموعة العشرين في عام 2009 ، فإنه من المتوقع أن ترتفع إلى المركز الثالث على مدى السنوات العشر القادمة ، مع توقع نمو استثمارات الطاقة النظيفة السنوية في ظل السياسات الحالية بنسبة 369٪ بين 2010 و 2010. عام 2020.

من الواضح أن مركز النمو قد بدأ يتحول إلى الاقتصادات النامية وقد يقود العالم في الموجة الجديدة من استثمارات الطاقة النظيفة.

في جميع أنحاء العالم ، عمدت العديد من الحكومات شبه الوطنية – الأقاليم والولايات والمقاطعات – إلى مواصلة استثمارات الطاقة المستدامة بقوة. في الولايات المتحدة ، تم الاعتراف بقيادة كاليفورنيا في مجال الطاقة المتجددة من قبل مجموعة المناخ عندما منحت الحاكم السابق أرنولد شوارزنيغر الجائزة الافتتاحية للقيادة المناخية الدولية في كوبنهاجن في عام 2009. في أستراليا ، ولاية جنوب أستراليا – تحت قيادة رئيس الوزراء السابق وقد قاد مايك ران الطريق مع طاقة الرياح التي تشكل 26٪ من توليد الكهرباء في نهاية عام 2011 ، متفوقًا على توليد الطاقة من الفحم لأول مرة. كما حصلت جنوب أستراليا أيضًا على أعلى حصة لكل فرد من الألواح الشمسية المنزلية في أستراليا بعد إدخال حكومة Rann لقوانين التغذية الشمسية والحملة التثقيفية التي تتضمن تركيب منشآت الطاقة الشمسية الضوئية على أسطح المباني العامة البارزة ، بما في ذلك البرلمان والمتحف والمطار وجناح اديلايد شوجراوندز والمدارس. وأصدر راان ، أول وزير للتغير المناخي في أستراليا ، تشريعاً في عام 2006 يحدد أهدافاً للطاقة المتجددة وتخفيضات الانبعاثات ، وهو أول تشريع في أستراليا يقوم بذلك.

أيضا ، يوجد في الاتحاد الأوروبي اتجاه واضح لتشجيع السياسات التي تشجع الاستثمارات والتمويل من أجل الطاقة المستدامة من حيث كفاءة الطاقة ، والابتكار في استغلال الطاقة وتنمية الموارد المتجددة ، مع زيادة النظر في الجوانب البيئية والاستدامة.

أمثلة:

حاملات الطاقة كالهيدروجين ، النيتروجين السائل ، الهواء المضغوط ، الأكسجين الهيدروجيني ، البطاريات ، لتشغيل المركبات.
الطاقة الكهروضوئية للتخزين ، الطاقة الكهرومائية التي يتم ضخها هي أكثر قابلية للاستخدام في التطبيقات الثابتة (على سبيل المثال إلى المنازل الكهربائية والمكاتب). في أنظمة الطاقة المنزلية ، يمكن أيضًا تحويل الطاقة لتقليل الرائحة. على سبيل المثال ، يمكن تحويل المادة العضوية مثل روث الأبقار والمواد العضوية القابلة للفساد إلى الفحم النباتي. للقضاء على الانبعاثات ، يتم عندئذٍ استخدام التقاط الكربون وتخزينه.
ومع ذلك ، عادة ما يتم اشتقاق الطاقة المتجددة من شبكة الكهرباء الرئيسية. وهذا يعني أن تخزين الطاقة لا يستخدم في الغالب ، حيث يتم تنظيم شبكة الكهرباء الرئيسية لإنتاج الكمية الدقيقة من الطاقة التي يتم استهلاكها في تلك اللحظة بالذات. يتم إنشاء إنتاج الطاقة على شبكة الكهرباء الرئيسية دائما كمزيج من محطات الطاقة المتجددة (واسعة النطاق) ، فضلا عن محطات توليد الطاقة الأخرى كمحطات لتوليد الطاقة من الوقود الأحفوري والطاقة النووية. ومع ذلك ، فإن هذا المزيج ، وهو أمر أساسي لهذا النوع من إمدادات الطاقة (مثل توربينات الرياح ، ومحطات الطاقة الشمسية وغيرها) لا يمكن أن ينتج إلا عندما تهب الرياح وتشرق الشمس. هذه أيضًا إحدى العيوب الرئيسية للنظام نظرًا لأن مصادر طاقة الوقود الأحفوري تلوثًا وهي السبب الرئيسي للاحترار العالمي (باستثناء الطاقة النووية). على الرغم من أن محطات توليد الطاقة من الوقود الأحفوري يمكن أيضًا أن تكون بلا إنبعاثات (من خلال التقاط الكربون وتخزينه) ، وكذلك قابلة للتجديد (إذا تم تحويل النباتات إلى كتلة حيوية مثلاً) فإن الحل الأفضل هو التخلص التدريجي من محطات الطاقة الأخيرة بمرور الوقت. كما يمكن القضاء على محطات الطاقة النووية أكثر أو أقل من مشكلة النفايات النووية من خلال استخدام إعادة المعالجة النووية والنباتات الجديدة كمنشاة سريعة ومحطات اندماج نووية.

توفر محطات توليد الطاقة المتجددة تدفقًا ثابتًا للطاقة. على سبيل المثال ، توفر محطات الطاقة الكهرومائية ، والمحطات الحرارية للمحيطات ، ومصانع الطاقة التناضحية الطاقة في وتيرة منتظمة ، وبالتالي تكون مصادر الطاقة المتاحة في أي لحظة (حتى في الليل ، لحظات الريح الخ.). في الوقت الحالي ، لا يزال عدد محطات الطاقة المتجددة ذات التدفق الثابت وحده لا يكفي لتلبية متطلبات الطاقة في أوقات اليوم الذي لا تستطيع فيه محطات إنتاج الطاقة المتجددة غير المنتظمة توليد الطاقة.

وإلى جانب تخضير محطات الوقود الأحفوري والطاقة النووية ، هناك خيار آخر يتمثل في التوزيع والاستعمال الفوري للطاقة من مصادر متجددة فقط. في هذا التخزين الطاقة الإعداد مرة أخرى ليست ضرورية. على سبيل المثال ، اقترحت شركة TREC توزيع الطاقة الشمسية من الصحراء إلى أوروبا. يمكن لأوروبا توزيع طاقة الرياح والمحيطات إلى الصحراء وبلدان أخرى. وبهذه الطريقة ، يتم إنتاج الطاقة في أي وقت من الأوقات كما هو الحال في أي مكان من كوكب الأرض عندما تكون الشمس أو الريح مرتفعة أو تتقلب أمواج المحيط والتيارات. ولكن هذا الخيار غير ممكن على المدى القصير ، حيث أن الوقود الأحفوري والطاقة النووية لا يزالان المصدران الرئيسيان للطاقة على شبكة الكهرباء الرئيسية واستبدالها لن يكون ممكنا بين عشية وضحاها.

تم تنفيذ العديد من اقتراحات تخزين الطاقة على نطاق واسع للشبكة. يوجد في جميع أنحاء العالم أكثر من 100 غيغاواط من الطاقة الكهرمائية للتخزين. هذا يحسن الكفاءة ويقلل من خسائر الطاقة ولكن التحويل إلى شبكة الكهرباء الرئيسية لتخزين الطاقة هو حل مكلف للغاية.يمكن خفض بعض التكاليف من خلال الاستفادة من معدات تخزين الطاقة التي يشتريها المستهلك وليس الدولة. مثال على ذلك هو البطاريات في السيارات الكهربائية التي من شأنها أن تتضاعف كمخزن طاقة لشبكة الكهرباء. ولكن إلى جانب التكلفة ، فإن وضع مثل هذا النظام سيظل إجراءً معقدًا وصعبًا للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم أيضًا بناء أجهزة تخزين الطاقة مثل بطاريات السيارات بمواد تشكل تهديدًا للبيئة (مثل الليثيوم). إن الإنتاج المشترك للبطاريات لمثل هذا الجزء الكبير من السكان سيظل لديه مخاوف بيئية. وإلى جانب بطاريات السيارات ، تستفيد مشاريع أخرى لتخزين الطاقة في الشبكة من حاملات طاقة أقل تلويثًا (مثل خزانات الهواء المضغوط وتخزين الطاقة في دولاب الموازنة).