Alternative Energie

Alternative Energie ist jede Energiequelle, die eine Alternative zu fossilen Brennstoffen ist. Mit diesen Alternativen sollen Bedenken hinsichtlich fossiler Brennstoffe wie der hohen Kohlendioxidemissionen, einem wichtigen Faktor der globalen Erwärmung, ausgeräumt werden. Meeresenergie, Wasserkraft, Wind, Geothermie und Solarenergie sind alternative Energiequellen.

Was eine alternative Energiequelle darstellt, hat sich im Laufe der Zeit stark verändert, ebenso wie Kontroversen über den Energieverbrauch. Aufgrund der Vielfalt der Energiewahl und der unterschiedlichen Ziele ihrer Befürworter wird die Definition einiger Energiearten als „alternativ“ als sehr kontrovers angesehen.

Vorhandene Arten alternativer Energie
Wasserkraft fängt Energie aus fallendem Wasser ein.
Die Kernenergie nutzt die Kernspaltung, um Energie freizusetzen, die in den atomaren Bindungen schwerer Elemente gespeichert ist.
Windenergie ist die Erzeugung von Elektrizität aus Wind, üblicherweise unter Verwendung propellerähnlicher Turbinen.
Solarenergie ist die Nutzung der Energie von der Sonne. Sonnenwärme kann für solarthermische Anwendungen genutzt werden oder Licht kann über Photovoltaik in Strom umgewandelt werden.
Geothermie ist die Nutzung der Erdwärme, um Wasser zum Heizen von Gebäuden oder zur Stromerzeugung zu kochen.
Biokraftstoff und Ethanol sind pflanzliche Benzinersatzstoffe zum Antrieb von Fahrzeugen.
Wasserstoff kann als Energieträger verwendet werden, der durch verschiedene Technologien wie Cracken von Kohlenwasserstoffen oder Wasserelektrolyse erzeugt wird.

Technologien ermöglichen
Eisspeicherklimatisierung und Wärmespeicherheizungen sind Verfahren zur Verlagerung des Verbrauchs, um Niedrigkosten-Strom zu niedrigen Kosten zu verwenden. Im Vergleich zur Widerstandsheizung sparen Wärmepumpen elektrische Energie (oder in seltenen Fällen mechanische oder thermische Energie), indem sie Wärme von einer kühlen Quelle wie einem Gewässer, dem Boden oder der Luft aufnehmen.

Thermische Speichertechnologien ermöglichen die Speicherung von Wärme oder Kälte für Zeiträume, die von Tag- bis zu Zwischensaison reichen, und können die Speicherung von fühlbarer Energie (dh durch Änderung der Temperatur eines Mediums) oder latenter Energie (z. B. durch Phasenänderungen eines Mediums) umfassen wechselt von fest zu flüssig oder umgekehrt), wie zB zwischen Wasser und Matsch oder Eis). Energiequellen können natürlich sein (über solarthermische Kollektoren oder Trockenkühltürme, die zum Sammeln von Winterkälte verwendet werden), Energieverschwendung (wie von HLK-Anlagen, industriellen Prozessen oder Kraftwerken) oder überschüssige Energie (wie saisonal von Wasserkraftprojekten oder zeitweise von Windparks). Die Drake Landing Solar Community (Alberta, Kanada) ist illustrativ. Die thermische Speicherung von Bohrlöchern ermöglicht es der Gemeinde, 97% ihrer ganzjährig Wärme von Solarkollektoren auf Garagendächern zu beziehen. Die Speicher können isolierte Tanks, Bohrlochcluster in Substraten sein, die von Kies bis zu Grundgestein reichen, tiefe Aquifere oder flache Gruben, die ausgekleidet und isoliert sind. Einige Anwendungen erfordern eine Wärmepumpe.

Erneuerbare Energie gegenüber nicht erneuerbarer Energie
Erneuerbare Energie wird aus natürlichen Ressourcen – wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten und Erdwärme – erzeugt, die erneuerbar sind (natürlich ergänzt). Beim Vergleich der Prozesse zur Energieerzeugung bleiben einige grundlegende Unterschiede zwischen erneuerbaren Energien und fossilen Brennstoffen. Der Prozess der Herstellung von Öl, Kohle oder Erdgasbrennstoff ist ein schwieriger und anspruchsvoller Prozess, der eine große Menge komplexer Ausrüstung, physikalischer und chemischer Prozesse erfordert. Auf der anderen Seite kann alternative Energie mit grundlegenden Ausrüstungen und natürlichen Prozessen in großem Umfang produziert werden. Holz, der am meisten erneuerbare und verfügbare alternative Brennstoff, emittiert die gleiche Menge an Kohlenstoff, wenn es verbrannt wird, wie es emittiert würde, wenn es natürlich abgebaut würde. Kernenergie ist eine Alternative zu fossilen Brennstoffen, die wie fossile Brennstoffe nicht erneuerbar sind, nukleare sind eine begrenzte Ressource.

Umweltfreundliche Alternativen
Eine erneuerbare Energiequelle wie Biomasse wird manchmal als eine gute Alternative zur Bereitstellung von Wärme und Strom mit fossilen Brennstoffen angesehen. Biokraftstoffe sind zu diesem Zweck nicht von Natur aus umweltfreundlich, während die Verbrennung von Biomasse CO2-neutral ist, wird immer noch Luftverschmutzung erzeugt. So haben beispielsweise die Niederlande, einst Marktführer bei der Verwendung von Palmöl als Biokraftstoff, aufgrund der wissenschaftlichen Beweise, dass ihre Verwendung „manchmal mehr Umweltschäden verursacht als fossile Brennstoffe“, alle Subventionen für Palmöl ausgesetzt. Die niederländische Regierung und Umweltgruppen versuchen, die Ursprünge von importiertem Palmöl zu verfolgen, um zu bescheinigen, welche Betriebe das Öl in verantwortlicher Weise produzieren. In Bezug auf Biokraftstoffe aus Nahrungsmitteln wird die Erkenntnis, dass die Umwandlung der gesamten Getreideernte der USA nur 16% ihres Autotreibstoffbedarfs produzieren würde, und die Dezimierung der brasilianischen CO2-absorbierenden tropischen Regenwälder für die Biokraftstoffproduktion hat deutlich gemacht, dass Energie platziert wird Märkte, die im Wettbewerb mit den Nahrungsmittelmärkten stehen, führen zu höheren Nahrungsmittelpreisen und unbedeutenden oder negativen Auswirkungen auf Energiefragen wie die globale Erwärmung oder die Abhängigkeit von ausländischer Energie. In jüngster Zeit werden Alternativen zu solchen unerwünschten nachhaltigen Brennstoffen gesucht, wie kommerziell verwertbare Quellen von Zellulose-Ethanol.

Relativ neue Konzepte für alternative Energie

CO2-neutrale und negative Kraftstoffe
Kohlenstoffneutrale Kraftstoffe sind synthetische Kraftstoffe (einschließlich Methan, Benzin, Dieselkraftstoff, Kerosin oder Ammoniak), die durch die Hydrierung von Kohlendioxidabfall erzeugt werden, der aus Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen, aus Autoabgasen oder aus Kohlensäure in Meerwasser gewonnen wird. Kommerzielle Kraftstoffsyntheseunternehmen schlagen vor, dass sie synthetische Kraftstoffe für weniger als Erdölbrennstoffe produzieren können, wenn das Öl mehr als $ 55 pro Barrel kostet. Regeneratives Methanol (RM) ist ein aus Wasserstoff und Kohlendioxid durch katalytische Hydrierung hergestellter Brennstoff, bei dem der Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse gewonnen wurde. Es kann in Transportbrennstoff eingemischt oder als chemisches Ausgangsmaterial verarbeitet werden.

Die von Carbon Recycling International in Grindavík, Island betriebene CO2-Recyclinganlage von George Olah produziert seit 2011 jährlich 2 Millionen Liter Methanol-Transportkraftstoff aus dem Abgassammelrohr des Kraftwerks Svartsengi. Es hat eine Kapazität von 5 Millionen Litern pro Jahr . Eine 250-Kilowatt-Methansyntheseanlage wurde vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) in Baden-Württemberg und der Fraunhofer-Gesellschaft in Deutschland errichtet und 2010 in Betrieb genommen. Sie wird auf 10 Megawatt ausgebaut und soll im Herbst fertig gestellt werden. 2012. Audi hat in Werlte eine CO 2 -neutrale Flüssigerdgas-Anlage (LNG) errichtet. Die Anlage soll Treibstoff für den Transport von LNG produzieren, der in ihren A3 Sportback G-Tron-Fahrzeugen verwendet wird, und kann bei ihrer anfänglichen Kapazität pro Jahr 2.800 Tonnen CO2 aus der Umwelt fernhalten. Weitere kommerzielle Entwicklungen finden in Columbia, South Carolina, Camarillo, Kalifornien, und Darlington, England, statt.

Solche Kraftstoffe gelten als klimaneutral, weil sie nicht zu einem Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre führen. In dem Maße, in dem synthetische Brennstoffe fossile Brennstoffe verdrängen oder wenn sie aus Kohlenstoffabfällen oder Meerwasserkohlensäure hergestellt werden und ihre Verbrennung am Abzugsrohr oder Abgasrohr einer Kohlenstoffabscheidung unterliegt, führen sie zu einer negativen Kohlendioxidemission und einer Netto-Kohlendioxidentfernung aus der Atmosphäre und stellen somit eine Form der Treibhausgas-Sanierung dar.

Solche erneuerbaren Kraftstoffe mindern die Kosten und Abhängigkeitsprobleme von importierten fossilen Brennstoffen, ohne dass die Fahrzeugflotte elektrifiziert oder auf Wasserstoff oder andere Kraftstoffe umgerüstet werden muss, um weiterhin kompatible und erschwingliche Fahrzeuge zu ermöglichen. CO2-neutrale Kraftstoffe bieten relativ günstige Energiespeicher, entlasten die Probleme der Wind- und Sonnenunterbrechung und ermöglichen die Verteilung von Wind-, Wasser- und Solarenergie durch bestehende Erdgaspipelines.

Die nächtliche Windkraft wird als die ökonomischste Form der elektrischen Energie betrachtet, mit der der Brennstoff synthetisiert wird, weil die Lastkurve für Strom während des Tages stark ansteigt, aber der Wind neigt dazu, nachts etwas mehr zu wehen als nachts, also der Preis für die Nachtzeit Windkraft ist oft viel weniger teuer als jede Alternative. Deutschland hat eine 250 Kilowatt starke synthetische Methananlage gebaut, die sie auf 10 Megawatt hochskaliert.

Algentreibstoff
Algentreibstoff ist ein Biokraftstoff, der aus Algen gewonnen wird. Bei der Photosynthese fangen Algen und andere photosynthetische Organismen Kohlendioxid und Sonnenlicht ein und wandeln es in Sauerstoff und Biomasse um. Dies geschieht normalerweise, indem die Algen zwischen zwei Glasscheiben platziert werden. Die Algen erzeugen drei Formen von Energietreibstoff: Wärme (aus ihrem Wachstumszyklus), Biokraftstoff (das natürliche „Öl“, das aus den Algen gewonnen wird) und Biomasse (aus den Algen selbst, wie sie bei der Reife geerntet werden).

Die Wärme kann genutzt werden, um Gebäudesysteme (z. B. Prozesswasser) zu betreiben oder Energie zu erzeugen. Biokraftstoff ist Öl, das bei der Reife aus den Algen extrahiert wird und zur Erzeugung von Energie ähnlich der Verwendung von Biodiesel verwendet wird. Die Biomasse bleibt nach der Gewinnung von Öl und Wasser übrig und kann geerntet werden, um brennbares Methan für die Energieproduktion zu produzieren, ähnlich der Wärme, die in einem Komposthaufen oder dem Methan aus biologisch abbaubaren Materialien auf einer Mülldeponie gefühlt wird. Die Vorteile von Alge-Biokraftstoff bestehen zudem darin, dass er sowohl industriell als auch vertikal (dh als Gebäudefassade) hergestellt werden kann, wodurch die Verwendung von Ackerland und Nahrungspflanzen (wie Soja, Palmen und Raps) vermieden wird.

Biomassebriketts
In den Entwicklungsländern werden Biomassebriketts als Alternative zu Holzkohle entwickelt. Die Technik beinhaltet die Umwandlung von fast jedem Pflanzenmaterial in komprimierte Briketts, die typischerweise etwa 70% des Heizwerts von Holzkohle aufweisen. Es gibt relativ wenige Beispiele für die Brikettherstellung in großem Maßstab. Eine Ausnahme ist in Nord-Kivu, im Osten der Demokratischen Republik Kongo, wo die Rodung von Wäldern für die Holzkohleproduktion als die größte Bedrohung für den Lebensraum von Berggorillas angesehen wird. Die Mitarbeiter des Virunga-Nationalparks haben mehr als 3500 Menschen erfolgreich geschult und ausgerüstet, um Biomassebriketts zu produzieren, wodurch illegal in den Nationalpark gelangte Holzkohle ersetzt wird und in von Konflikten betroffenen Gebieten in extremer Armut bedeutende Arbeitsplätze geschaffen werden.

Biogasverdauung
Die Biogasfaulung nutzt das Methangas, das freigesetzt wird, wenn organische Abfälle in anaerober Umgebung abgebaut werden. Dieses Gas kann von Deponien oder Kanalisationssystemen zurückgewonnen werden. Das Gas kann als Brennstoff für Wärme oder, allgemeiner, Elektrizitätserzeugung verwendet werden. Das Methangas, das gesammelt und raffiniert wird, kann als Energiequelle für verschiedene Produkte verwendet werden.

Biologische Wasserstoffproduktion
Wasserstoffgas ist ein vollständig sauber verbrennender Brennstoff; Sein einziges Nebenprodukt ist Wasser. Aufgrund seiner chemischen Struktur enthält es im Vergleich zu anderen Brennstoffen auch relativ viel Energie.

2H2 + O2 → 2H2O + Hohe Energie

Hohe Energie + 2H2O → 2H2 + O2

Dies erfordert einen hohen Energieeinsatz, wodurch kommerzieller Wasserstoff sehr ineffizient wird. Die Verwendung eines biologischen Vektors als Mittel zum Aufspalten von Wasser und daher zum Erzeugen von Wasserstoffgas würde ermöglichen, dass der einzige Energieeintrag die Sonnenstrahlung ist. Biologische Vektoren können Bakterien oder häufiger Algen umfassen. Dieser Prozess ist als biologische Wasserstoffproduktion bekannt. Es erfordert die Verwendung einzelliger Organismen, um durch Fermentation Wasserstoffgas zu erzeugen. Ohne die Anwesenheit von Sauerstoff, der auch als anaerobe Umgebung bekannt ist, kann keine regelmäßige Zellatmung stattfinden und ein als Fermentation bekannter Prozess wird übernommen. Ein Hauptnebenprodukt dieses Prozesses ist Wasserstoffgas. Wenn dies in großem Maßstab umgesetzt werden könnte, könnten Sonnenlicht, Nährstoffe und Wasser Wasserstoffgas erzeugen, das als dichte Energiequelle genutzt wird. Die Großserienproduktion hat sich als schwierig erwiesen. Erst 1999 war es möglich, diese anaeroben Bedingungen durch Schwefelentzug zu induzieren. Da der Fermentationsprozess während des Stresses eine evolutionäre Unterstützung darstellt, würden die Zellen nach einigen Tagen absterben. Im Jahr 2000 wurde ein zweistufiger Prozess entwickelt, um die Zellen anaeroben Bedingungen zu entziehen und sie so am Leben zu erhalten. In den letzten zehn Jahren war es das Hauptziel der Forschung, einen Weg zu finden, dies in großem Umfang zu tun. Sorgfältige Arbeit wird unternommen, um einen effizienten Prozess vor der Produktion im großen Maßstab zu gewährleisten. Wenn ein Mechanismus entwickelt wird, könnte diese Art der Produktion jedoch unseren Energiebedarf lösen.

Wasserkraft
Die Wasserkraft lieferte 2013 75% der weltweiten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Ein Großteil der heute genutzten Elektrizität ist das Ergebnis der Blütezeit der konventionellen hydroelektrischen Entwicklung zwischen 1960 und 1980, die in Europa und Nordamerika aufgrund von Umweltproblemen praktisch eingestellt wurde. Weltweit gibt es einen Trend zu mehr Wasserkraft. Von 2004 bis 2014 stieg die installierte Leistung von 715 auf 1.055 GW. Eine beliebte Alternative zu den großen Staudämmen der Vergangenheit ist der Lauf des Flusses, wo hinter einem Damm kein Wasser gespeichert wird und die Erzeugung variiert normalerweise mit saisonalem Niederschlag. Die Verwendung von Laufwasser in feuchten Jahreszeiten und Sonneneinstrahlung in trockenen Jahreszeiten kann saisonale Schwankungen für beide Seiten ausgleichen. Ein weiterer Schritt weg von den großen Staudämmen ist die kleine Wasserkraft, die sich eher in den Zuflüssen als in den Hauptflüssen der Talböden befindet.

Offshore-Wind
Offshore-Windparks ähneln landgestützten Windparks, befinden sich jedoch am Meer. Offshore-Windparks können bis zu 40 Meter tief in Wasser platziert werden, während schwimmende Windturbinen bis zu 700 Meter tief in Wasser schwimmen können. Der Vorteil eines schwimmenden Windparks besteht darin, die Winde des offenen Meeres nutzen zu können. Ohne Hindernisse wie Hügel, Bäume und Gebäude können Winde aus dem offenen Ozean doppelt so schnell wie Küstengebiete sein.

Die signifikante Erzeugung von Offshore-Windenergie trägt bereits zum Strombedarf in Europa und Asien bei, und jetzt sind die ersten Offshore-Windparks in US-Gewässern in Entwicklung. Während die Offshore-Windindustrie in den letzten Jahrzehnten, insbesondere in Europa, dramatisch gewachsen ist, gibt es immer noch Unsicherheit darüber, wie sich der Bau und der Betrieb dieser Windparks auf Meerestiere und die Meeresumwelt auswirken.

Herkömmliche Offshore-Windturbinen sind in seichteren Gewässern innerhalb der Nearshore-Meeresumgebung am Meeresboden befestigt. Mit der fortschreitenden Entwicklung der Offshore-Windtechnologien werden zunehmend schwimmende Strukturen in tieferen Gewässern eingesetzt, in denen mehr Windressourcen vorhanden sind.

Marine und hydrokinetische Energie
Marine und Hydrokinetic (MHK) oder Meeresenergie-Entwicklung umfasst Projekte mit den folgenden Geräten:

Wellenenergie ist der Transport von Energie durch Windwellen und die Aufnahme dieser Energie, um nützliche Arbeit zu leisten – zum Beispiel Stromerzeugung oder Pumpen von Wasser in Reservoirs. Eine Maschine, die in der Lage ist, signifikante Wellen in offenen Küstengebieten zu nutzen, wird allgemein als Wellenenergiewandler bezeichnet.
Gezeitenkraftwerke werden in Küsten- und Flussmündungsgebieten eingesetzt, und die Tagesflüsse sind ziemlich vorhersagbar.
In-Stream-Turbinen in schnell fließenden Flüssen
Ozeanstromturbinen in Gebieten mit starken Meeresströmungen
Ozeandampfer in tiefen tropischen Gewässern.

Atomkraft
Im Jahr 2015 wurden zehn neue Reaktoren in Betrieb genommen und 67 weitere wurden im Bau, darunter die ersten acht neuen Reaktoren der Generation III + AP1000 in den USA und China sowie die ersten vier neuen Generation III EPR-Reaktoren in Finnland, Frankreich und China. In Belarus, Brasilien, Indien, Iran, Japan, Pakistan, Russland, der Slowakei, Südkorea, der Türkei, der Ukraine und den Vereinigten Arabischen Emiraten werden derzeit Reaktoren gebaut.

Thorium-Kernkraft
Thorium ist ein spaltbares Material für eine mögliche zukünftige Verwendung in einem Reaktor auf Thoriumbasis. Befürworter von Thoriumreaktoren behaupten mehrere potentielle Vorteile gegenüber einem Uranbrennstoffzyklus, wie zum Beispiel die größere Häufigkeit von Thorium, eine bessere Resistenz gegen die Verbreitung von Atomwaffen und eine reduzierte Produktion von Plutonium und Actiniden. Thoriumreaktoren können modifiziert werden, um Uranium-233 zu produzieren, das dann zu hochangereichertem Uran verarbeitet werden kann, das in Waffen mit geringer Ausbeute getestet wurde und im kommerziellen Maßstab nicht bewiesen ist.

In alternative Energie investieren
Als ein aufstrebender Wirtschaftssektor gibt es begrenzte Möglichkeiten für Aktienmärkte für alternative Energien, die der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen. Die Öffentlichkeit kann Aktien von alternativen Energieunternehmen von verschiedenen Aktienmärkten mit äußerst volatilen Renditen kaufen. Der jüngste Börsengang von SolarCity zeigt den aufkeimenden Charakter dieses Sektors – innerhalb weniger Wochen hatte er bereits die zweithöchste Marktkapitalisierung innerhalb des alternativen Energiesektors erreicht.

Anleger können auch in ETFs (Exchange Traded Funds) investieren, die einen alternativen Energieindex wie den WilderHill New Energy Index verfolgen. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Investmentfonds wie den Global Alternative Energy Mutual Fund von Calvert, die bei der Auswahl der ausgewählten Anlagen ein wenig proaktiver sind.

Die Wirtschaftlichkeit von Solar-PV-Strom hängt in hohem Maße von der Preisgestaltung für Silizium ab, und selbst Unternehmen, deren Technologien auf anderen Materialien basieren (z. B. First Solar), werden durch das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage auf dem Siliziummarkt beeinflusst. Da einige Unternehmen fertige Solarzellen auf dem freien Markt verkaufen (z. B. Q-Cells), schafft dies eine geringe Eintrittsbarriere für Unternehmen, die Solarmodule herstellen wollen, was wiederum ein irrationales Preisumfeld schaffen kann.

Im Gegensatz dazu ist die zugrunde liegende Technologie relativ stabil, da Windkraft seit über 100 Jahren genutzt wird. Seine Wirtschaftlichkeit wird weitgehend durch die Standortwahl (z. B. wie stark der Wind weht und die Anforderungen an die Netzinvestition) und die Preise für Stahl (der größte Bestandteil einer Windkraftanlage) und ausgewählte Verbundstoffe (für die Rotorblätter) bestimmt. Da aktuelle Windkraftanlagen oft über 100 Meter hoch sind, sind Logistik und eine globale Fertigungsplattform wichtige Wettbewerbsvorteile. Diese und andere Fragen wurden in einem Forschungsbericht von Sanford Bernstein untersucht.

Alternative Energie im Transport
Aufgrund der stetig steigenden Gaspreise im Jahr 2008, als der US-amerikanische Durchschnittspreis pro Gallone unverbleitem Normalbenzin an einem Punkt über 4,00 $ stieg, gab es eine stetige Bewegung in Richtung höherer Kraftstoffeffizienz und mehr Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen für die Verbraucher. Als Reaktion darauf haben viele kleinere Unternehmen ihre Forschung und Entwicklung in radikal andere Formen des Antreibens von Fahrzeugen für Nutzfahrzeuge gesteigert. Hybrid- und Batterie-Elektrofahrzeuge sind im Handel erhältlich und gewinnen weltweit an Akzeptanz in Industrie und Verbraucher.

Zum Beispiel hat Nissan USA das erste serienmäßige Elektrofahrzeug der Welt, den Nissan Leaf, vorgestellt. Ein Plug-in-Hybrid-Auto, der Chevrolet Volt, wurde ebenfalls produziert, mit einem Elektromotor, um die Räder zu fahren, und einem kleinen Vierzylinder-Motor, um zusätzlichen Strom zu erzeugen.

Alternative Energie zum Mainstream machen
Bevor sich alternative Energie durchsetzt, müssen einige entscheidende Hindernisse überwunden werden. Zuerst muss das Verständnis dafür verbessert werden, wie alternative Energien nützlich sind. zweitens müssen die Verfügbarkeitskomponenten für diese Systeme erhöht werden; und schließlich muss die Amortisationszeit verringert werden.

Zum Beispiel sind Elektrofahrzeuge (EV) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) auf dem Vormarsch. Die fortgesetzte Einführung dieser Fahrzeuge hängt von Investitionen in die öffentliche Ladeinfrastruktur ab und setzt viel mehr alternative Energie für zukünftige Transporte ein.

Forschung
Es gibt zahlreiche Organisationen im akademischen, staatlichen und kommerziellen Sektor, die fortgeschrittene Forschung auf dem Gebiet der alternativen Energien betreiben. Diese Forschung erstreckt sich über mehrere Bereiche des alternativen Energiespektrums. Der Großteil der Forschung zielt darauf ab, die Effizienz zu verbessern und den Gesamtenergieertrag zu erhöhen.

In den USA haben sich mehrere staatlich geförderte Forschungsorganisationen in den letzten Jahren auf alternative Energien konzentriert. Zwei der bekanntesten Laboratorien sind die Sandia National Laboratories und das National Renewable Energy Laboratory (NREL), die beide vom US-Energieministerium finanziert und von verschiedenen Unternehmenspartnern unterstützt werden. Sandia hat ein Gesamtbudget von 2,4 Milliarden Dollar, während NREL ein Budget von 375 Millionen Dollar hat.

Angesichts des steigenden Energieverbrauchs wird davon ausgegangen, dass das Niveau im Jahr 2030 um 21% steigen würde. Die Kosten der erneuerbaren Energieträger waren mit 2,5 Mio. USD / MW im Vergleich zu den nicht erneuerbaren Energien und 2,7 Mio. EUR / MW relativ günstiger. Offensichtlich ist die Nutzung erneuerbarer Energien eine kostengünstige Methode zur Energiegewinnung. Darüber hinaus wird durch ihren Einsatz auch der Kompromiss zwischen Umweltschutz und wirtschaftlichem Wachstum aufgehoben.

Mechanische Energie
Mechanische Energie, die mit menschlichen Aktivitäten wie Blutzirkulation, Atmung, Gehen, Tippen und Laufen verbunden ist, ist allgegenwärtig, aber gewöhnlich verschwendet. Es hat enorme Aufmerksamkeit von Forschern auf der ganzen Welt auf sich gezogen, um Methoden zu finden, um solche mechanischen Energien aufzufangen. Die beste Lösung besteht derzeit in der Verwendung von piezoelektrischen Materialien, die bei Verformung einen Elektronenfluss erzeugen können. Verschiedene Vorrichtungen, die piezoelektrische Materialien verwenden, wurden gebaut, um mechanische Energie zu spülen. Wenn man bedenkt, dass die piezoelektrische Konstante des Materials eine kritische Rolle bei der Gesamtleistung eines piezoelektrischen Bauelements spielt, besteht eine kritische Forschungsrichtung zur Verbesserung der Bauelementeffizienz darin, neues Material mit großer piezoelektrischer Antwort zu finden. Blei-Magnesium-Niobat-Blei-Titanat (PMN-PT) ist ein piezoelektrisches Material der nächsten Generation mit einer sehr hohen piezoelektrischen Konstante, wenn eine ideale Zusammensetzung und Orientierung erhalten wird. Im Jahr 2012 wurden PMN-PT-Nanodrähte mit einer sehr hohen piezoelektrischen Konstante durch einen hydro-thermischen Ansatz hergestellt und dann zu einem Energy-Harvesting-Gerät zusammengebaut. Die rekordhohe piezoelektrische Konstante wurde durch die Herstellung eines einkristallinen PMN-PT-Nanobands weiter verbessert, der dann als wesentlicher Baustein für einen piezoelektrischen Nanogenerator verwendet wurde.

Solar
Solarenergie kann zum Heizen, Kühlen oder zur Stromerzeugung mit der Sonne genutzt werden.

Solare Wärme wird seit langem in passiv und aktiv beheizten Gebäuden sowie Fernwärmeanlagen eingesetzt. Beispiele für Letzteres sind die Drake Landing Solar Community in Alberta, Kanada, und zahlreiche Distriktsysteme in Dänemark und Deutschland. In Europa gibt es zwei Programme für die Anwendung von Solarwärme: das Solar District Heating (SDH) und das Programm Solar Heating and Cooling (SHC) der Internationalen Energieagentur.

Die Hindernisse, die die großtechnische Umsetzung der solaren Energieerzeugung verhindern, sind die Ineffizienz der derzeitigen Solartechnologie und die Kosten. Gegenwärtig haben Photovoltaik (PV) -Panels nur die Fähigkeit, etwa 16% des Sonnenlichts, das sie trifft, in Elektrizität umzuwandeln.

Sowohl die Sandia National Laboratories als auch das National Renewable Energy Laboratory (NREL) haben stark finanzierte Solarforschungsprogramme durchgeführt. Das NREL-Solarprogramm verfügt über ein Budget von rund 75 Millionen US-Dollar und entwickelt Forschungsprojekte in den Bereichen Photovoltaik (PV), Solarthermie und Sonnenstrahlung. Das Budget für die Solar-Abteilung von Sandia ist nicht bekannt, es macht jedoch einen beträchtlichen Teil des 2,4-Milliarden-Dollar-Budgets des Labors aus.

Mehrere akademische Programme haben sich in den letzten Jahren auf die Solarforschung konzentriert. Das Solar Energy Research Center (SERC) der University of North Carolina (UNC) hat den alleinigen Zweck, eine kostengünstige Solartechnologie zu entwickeln. Im Jahr 2008 entwickelten Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Methode zur Speicherung von Solarenergie, indem sie daraus Wasserstoff aus Wasser erzeugen. Eine solche Forschung zielt darauf ab, das Hindernis zu adressieren, dem die Sonnenentwicklung bei der Speicherung von Energie für den Einsatz in den Nachtstunden ausgesetzt ist, wenn die Sonne nicht scheint. Das Zhangbei National Wind and Solar Energy Demonstrationsprojekt nordwestlich von Peking nutzt Batterien zur Speicherung von 71 MWh und integriert Wind- und Solarenergie in das Netz mit Frequenz- und Spannungsregelung.

Im Februar 2012 gab die Semprius Inc. mit Sitz in North Carolina, eine von der deutschen Firma Siemens unterstützte Solarentwicklungsfirma, bekannt, dass sie das weltweit effizienteste Solarpanel entwickelt hat. Das Unternehmen behauptet, dass der Prototyp 33,9% des auftreffenden Sonnenlichts in Elektrizität umwandelt, mehr als das Doppelte der bisherigen High-End-Umwandlungsrate.

Wind
Die Erforschung der Windenergie begann mehrere Jahrzehnte bis in die 1970er Jahre, als die NASA ein analytisches Modell zur Vorhersage der Windenergieerzeugung bei starkem Wind entwickelte. Heute haben sowohl Sandia National Laboratories als auch National Renewable Energy Laboratory Programme, die sich der Windforschung widmen. Sandias Labor konzentriert sich auf die Weiterentwicklung von Materialien, Aerodynamik und Sensoren. Die NREL-Windprojekte konzentrieren sich auf die Verbesserung der Windstromerzeugung, die Senkung der Kapitalkosten und die Erhöhung der Kosteneffizienz der Windenergie.

Das Feldlabor für optimierte Windenergie (FLOWE) am Caltech wurde gegründet, um alternative Ansätze für Verfahrenstechniken im Bereich der Windenergie zu erforschen, die das Potenzial haben, die Kosten, die Größe und die Umweltauswirkungen der Windenergieproduktion zu reduzieren.

Erneuerbare Energien wie Wind, Sonne, Biomasse und geothermische Energie haben 2013 1,3% des weltweiten Endenergieverbrauchs geliefert.

Biomasse
Biomasse kann als „biologisches Material“ angesehen werden, das von lebenden oder kürzlich lebenden Organismen stammt. Es bezieht sich meistens auf Pflanzen oder von Pflanzen abgeleitete Materialien, die spezifisch lignocellulosische Biomasse genannt werden. Als Energiequelle kann Biomasse entweder direkt durch Verbrennung genutzt werden, um Wärme zu erzeugen, oder indirekt, nachdem sie in verschiedene Formen von Biokraftstoff umgewandelt wurde. Die Umwandlung von Biomasse in Biokraftstoff kann durch verschiedene Methoden erreicht werden, die grob in thermische, chemische und biochemische Methoden eingeteilt werden. Holz ist bis heute die größte Biomasse-Energiequelle; Beispiele dafür sind Waldrestholz (wie tote Bäume, Äste und Baumstümpfe), Gartenabfälle, Hackschnitzel und sogar Siedlungsabfälle. Im zweiten Sinne umfasst Biomasse pflanzliche oder tierische Stoffe, die in Fasern oder andere Industriechemikalien, einschließlich Biokraftstoffe, umgewandelt werden können. Industrielle Biomasse kann aus zahlreichen Arten von Pflanzen, einschließlich Miscanthus, Switchgrass, Hanf, Mais, Pappel, Weide, Sorghum, Zuckerrohr, Bambus und einer Vielzahl von Baumarten, von Eukalyptus bis Palmöl (Palmöl) angebaut werden.

Biomasse, Biogas und Biokraftstoffe werden verbrannt, um Wärme / Strom zu erzeugen und dabei die Umwelt zu schädigen. Aus dieser Verbrennung entstehen Schadstoffe wie Schwefeloxide (SOx), Stickoxide (NOx) und Feinstaub (PM). Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass jährlich 7 Millionen vorzeitige Todesfälle durch Luftverschmutzung verursacht werden, und Biomasseverbrennung trägt wesentlich dazu bei. Die Verwendung von Biomasse ist im Laufe der Zeit CO2-neutral, ähnelt aber ansonsten der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Ethanol-Biokraftstoffe
Als Hauptquelle für Biokraftstoffe in Nordamerika forschen viele Organisationen auf dem Gebiet der Ethanolproduktion. Auf der Bundesebene führt das USDA eine große Menge an Forschung in Bezug auf die Ethanolproduktion in den Vereinigten Staaten durch. Ein Großteil dieser Forschung zielt auf die Auswirkungen der Ethanolproduktion auf die heimischen Nahrungsmittelmärkte ab.

Das National Renewable Energy Laboratory hat verschiedene Ethanol-Forschungsprojekte durchgeführt, hauptsächlich im Bereich Zellulose-Ethanol. Zellulose-Ethanol hat viele Vorteile gegenüber herkömmlichem Mais-Ethanol. Es nimmt nicht weg oder steht in direktem Konflikt mit der Nahrungsmittelversorgung, weil es aus Holz, Gräsern oder nicht essbaren Pflanzenteilen hergestellt wird. Darüber hinaus haben einige Studien gezeigt, dass Zellulose-Ethanol kosteneffizienter und ökonomisch nachhaltiger ist als Mais-basiertes Ethanol. Sandia National Laboratories führt eigene Zelluloseethanolforschung durch und ist außerdem Mitglied des Joint BioEnergy Institute (JBEI), einem vom US-Energieministerium gegründeten Forschungsinstitut mit dem Ziel, Zellulose-Biokraftstoffe zu entwickeln.

Andere Biokraftstoffe
Von 1978 bis 1996 experimentierte das National Renewable Energy Laboratory mit der Verwendung von Algen als Biokraftstoffquelle im „Aquatic Species Program“. Ein selbstveröffentlichter Artikel von Michael Briggs von der University of New Hampshire Biofuels Group bietet Schätzungen für den realistischen Ersatz aller Kraftstoffe durch Biokraftstoffe durch die Verwendung von Algen mit einem natürlichen Ölgehalt von mehr als 50%, was Briggs nahelegt auf Algenbecken in Kläranlagen angebaut. Diese ölreichen Algen können dann aus dem System extrahiert und zu Biotreibstoffen verarbeitet werden, wobei der getrocknete Rest zu Ethanol weiterverarbeitet wird.

Die Produktion von Algen zur Gewinnung von Öl für Biokraftstoffe wurde noch nicht im kommerziellen Maßstab durchgeführt, es wurden jedoch Machbarkeitsstudien durchgeführt, um zu der obigen Ertragsschätzung zu gelangen. Zusätzlich zu den prognostizierten hohen Erträgen führt Algaculture – im Gegensatz zu Biokraftstoffen auf der Basis von Nahrungsmittelpflanzen – nicht zu einem Rückgang der Nahrungsmittelproduktion, da weder Ackerland noch Frischwasser benötigt werden. Viele Unternehmen verfolgen Algen-Bio-Reaktoren für verschiedene Zwecke, einschließlich der Ausweitung der Biokraftstoffproduktion auf kommerzielles Niveau.

Mehrere Gruppen in verschiedenen Sektoren forschen an Jatropha curcas, einem giftigen, strauchartigen Baum, der Samen produziert, die von vielen als eine lebensfähige Quelle für Biotreibstoff-Ausgangsmaterial angesehen werden. Ein großer Teil dieser Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Gesamterträge von Jatropha pro Hektar durch Fortschritte in der Genetik, Bodenkunde und gartenbaulichen Praktiken. SG Biofuels, ein Jatropha-Entwickler mit Sitz in San Diego, hat molekulare Züchtung und Biotechnologie genutzt, um Elite-Hybridsamen von Jatropha herzustellen, die gegenüber den Sorten der ersten Generation deutliche Ertragsverbesserungen zeigen. Das Centre for Sustainable Energy Farming (CfSEF) ist eine in Los Angeles ansässige, gemeinnützige Forschungsorganisation, die sich der Jatropha-Forschung in den Bereichen Pflanzenwissenschaften, Agronomie und Gartenbau widmet. Die erfolgreiche Exploration dieser Disziplinen wird die Erträge der Jatropha-Farmproduktion in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich um 200-300% steigern.

Geothermisch
Geothermie wird erzeugt, indem die Wärme innerhalb der Erdkruste angezapft wird. Es wird als nachhaltig betrachtet, da diese Wärmeenergie ständig nachgefüllt wird. Die geothermische Energiegewinnung ist jedoch noch jung und entwickelt sich wirtschaftlich. Mehrere Einrichtungen, wie das National Renewable Energy Laboratory und die Sandia National Laboratories, forschen an dem Ziel, eine erprobte Wissenschaft rund um die Geothermie aufzubauen. Das Internationale Zentrum für geothermische Forschung (IGC), eine deutsche Forschungsorganisation für Geowissenschaften, konzentriert sich weitgehend auf die Forschung zur Geothermie-Entwicklung.

Wasserstoff
Über 1 Milliarde US-Dollar wurden für die Forschung und Entwicklung von Wasserstoff in den Vereinigten Staaten ausgegeben. Sowohl das National Renewable Energy Laboratory als auch die Sandia National Laboratories haben Abteilungen, die sich der Wasserstoffforschung widmen. Ein Großteil dieser Arbeit konzentriert sich auf Wasserstoffspeicher- und Brennstoffzellentechnologien