Erneuerbare Energie ist Energie, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, die natürlicherweise auf einer menschlichen Skala wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen und Erdwärme wieder aufgefüllt werden. Erneuerbare Energie liefert häufig Energie in vier wichtigen Bereichen: Stromerzeugung, Heizung und Kühlung von Luft und Wasser, Verkehr und ländliche (netzunabhängige) Energiedienstleistungen.

Erneuerbare Energien trugen 2015 und 2016 19,3% zum weltweiten Energieverbrauch der Menschen und 24,5% zur Stromerzeugung bei. Dieser Energieverbrauch wird zu 8,9% aus herkömmlicher Biomasse, zu 4,2% aus Wärmeenergie (moderne Biomasse, Geothermie und Solarthermie), zu 3,9% aus Wasserkraft und zu 2,2% aus Wind, Sonne, Geothermie und Biomasse geteilt. Die weltweiten Investitionen in erneuerbare Technologien beliefen sich 2015 auf mehr als 286 Milliarden US-Dollar, wobei Länder wie China und die Vereinigten Staaten stark in Wind-, Wasser-, Solar- und Biokraftstoffe investieren. Weltweit gibt es schätzungsweise 7,7 Millionen Arbeitsplätze im Bereich der erneuerbaren Energien, wobei die Photovoltaik die größte erneuerbare Energiequelle darstellt. Ab 2015 weltweit war mehr als die Hälfte der installierten neuen Stromkapazität erneuerbar.

Während viele erneuerbare Energieprojekte großräumig sind, sind erneuerbare Technologien auch für ländliche und abgelegene Gebiete und Entwicklungsländer geeignet, in denen Energie für die menschliche Entwicklung oft entscheidend ist. Der ehemalige Generalsekretär der Vereinten Nationen, Ban Ki-moon, sagte, dass erneuerbare Energie die Fähigkeit hat, die ärmsten Länder auf ein neues Niveau des Wohlstands zu heben. Da die meisten erneuerbaren Energien Strom liefern, wird der Einsatz erneuerbarer Energie oft in Verbindung mit einer weiteren Elektrifizierung angewendet, was mehrere Vorteile hat: Elektrizität kann in Wärme umgewandelt werden (wo notwendig höhere Temperaturen als fossile Brennstoffe erzeugen), kann mit hoher Effizienz in mechanische Energie umgewandelt werden und ist sauber am Ort des Verbrauchs. Darüber hinaus ist die Elektrifizierung mit erneuerbaren Energien wesentlich effizienter und führt daher zu einer signifikanten Reduzierung des Primärenergiebedarfs, da die meisten Erneuerbaren keinen Dampfkreislauf mit hohen Verlusten haben (fossile Kraftwerke haben in der Regel Verluste von 40 bis 65%) .
Erneuerbare Energiesysteme werden schnell effizienter und billiger. Ihr Anteil am Gesamtenergieverbrauch steigt. Der Anstieg des Kohle- und Ölverbrauchs könnte bis zum Jahr 2020 aufgrund der verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien und Erdgas enden.

Energieerzeugung
Bis zum Jahr 2040 sollen die erneuerbaren Energien der Stromerzeugung aus Kohle und Erdgas entsprechen. Mehrere Länder, darunter Dänemark, Deutschland, der Bundesstaat South Australia und einige US-Bundesstaaten, haben eine hohe Integration variabler erneuerbarer Energien erreicht. Im Jahr 2015 erreichte die Windkraft 42% der Stromnachfrage in Dänemark, 23,2% in Portugal und 15,5% in Uruguay. Interkonnektoren ermöglichen den Ländern einen Ausgleich der Elektrizitätssysteme durch den Import und Export erneuerbarer Energie. Innovative Hybridsysteme sind zwischen Ländern und Regionen entstanden.

Heizung
Solare Wassererwärmung leistet in vielen Ländern einen wichtigen Beitrag zur erneuerbaren Wärme, insbesondere in China, das heute 70% der weltweiten Gesamtleistung (180 GWth) ausmacht. Die meisten dieser Systeme sind in Mehrfamilienhäusern installiert und decken einen Teil des Warmwasserbedarfs von schätzungsweise 50-60 Millionen Haushalten in China. Weltweit decken die installierten Solaranlagen einen Teil des Warmwasserbedarfs von über 70 Millionen Haushalten. Die Nutzung von Biomasse zum Heizen wächst weiter. In Schweden hat die nationale Nutzung der Energie aus Biomasse die von Öl übertroffen. Auch die direkte Erdwärme für die Heizung wächst rasant. Die neueste Ergänzung von Heating sind Geothermie-Wärmepumpen, die sowohl Heizung als auch Kühlung liefern und die elektrische Nachfragekurve abflachen und somit eine zunehmende nationale Priorität darstellen (siehe auch Erneuerbare Wärmeenergie).

Transport
Bioethanol ist ein durch Fermentation hergestellter Alkohol, meist aus Kohlenhydraten, die in Zucker- oder Stärkekulturen wie Mais, Zuckerrohr oder Zuckerhirse produziert werden. Zellulosebiomasse, die aus Nichtnahrungsquellen wie Bäumen und Gräsern stammt, wird ebenfalls als Ausgangsmaterial für die Ethanolproduktion entwickelt. Ethanol kann als Kraftstoff für Fahrzeuge in seiner reinen Form verwendet werden, wird jedoch üblicherweise als Benzinadditiv zur Erhöhung der Oktanzahl und zur Verbesserung der Fahrzeugemissionen verwendet. Bioethanol ist in den USA und in Brasilien weit verbreitet. Biodiesel kann als Kraftstoff für Fahrzeuge in seiner reinen Form verwendet werden, wird aber üblicherweise als Dieselzusatz verwendet, um die Partikel-, Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffanteile von Dieselfahrzeugen zu reduzieren. Biodiesel wird durch Umesterung aus Ölen oder Fetten hergestellt und ist der in Europa am häufigsten verwendete Biokraftstoff.

Ein Solarfahrzeug ist ein Elektrofahrzeug, das vollständig oder wesentlich durch direkte Solarenergie angetrieben wird. Gewöhnlich wandeln photovoltaische (PV) Zellen, die in Sonnenkollektoren enthalten sind, die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um. Der Begriff „Solarfahrzeug“ bedeutet üblicherweise, dass Solarenergie verwendet wird, um den Vortrieb eines Fahrzeugs ganz oder teilweise anzutreiben. Solarstrom kann auch verwendet werden, um Strom für Kommunikation oder Steuerungen oder andere Hilfsfunktionen bereitzustellen. Solare Fahrzeuge werden derzeit nicht als praktische Transportmittel verkauft, sondern sind hauptsächlich Demonstrationsfahrzeuge und technische Übungen, die oft von Regierungsbehörden gesponsert werden. Indirekt solarbetriebene Fahrzeuge sind jedoch weit verbreitet und Solarboote sind kommerziell erhältlich.

Mainstream-Technologien

Windkraft
Luftströme können verwendet werden, um Windturbinen zu betreiben. Moderne Windturbinen im Kraftwerksmaßstab reichen von etwa 600 kW bis 5 MW Nennleistung, obwohl Anlagen mit einer Nennleistung von 1,5-3 MW am häufigsten für den kommerziellen Einsatz entwickelt wurden. Die größte Generatorleistung einer installierten Onshore-Windenergieanlage erreichte im Jahr 2015 7,5 MW. Die vom Wind zur Verfügung stehende Leistung ist eine Funktion des Würfels der Windgeschwindigkeit. Mit steigender Windgeschwindigkeit erhöht sich die Leistung bis zur maximalen Leistung des Windes bestimmte Turbine. Bereiche, in denen die Winde stärker und konstanter sind, wie z. B. Offshore- und Höhenlagen, sind bevorzugte Standorte für Windparks. In der Regel liegen die Volllaststunden von Windturbinen zwischen 16 und 57 Prozent pro Jahr, bei besonders günstigen Offshore-Standorten können sie jedoch höher sein.

Windgenerierter Strom erreichte im Jahr 2015 fast 4% des weltweiten Strombedarfs, wobei fast 63 GW neuer Windkraftkapazität installiert waren. Windenergie war die führende Quelle für neue Kapazitäten in Europa, den USA und Kanada und die zweitgrößte in China. In Dänemark traf die Windenergie mehr als 40% ihres Strombedarfs, während Irland, Portugal und Spanien jeweils knapp 20% erreichten.

Weltweit wird davon ausgegangen, dass das langfristige technische Potenzial der Windenergie das Fünffache der derzeitigen globalen Energieproduktion beträgt oder 40 Mal der aktuelle Strombedarf, wenn alle praktischen Barrieren überwunden werden. Dies würde erfordern, dass Windkraftanlagen in großen Gebieten installiert werden, insbesondere in Gebieten mit höheren Windressourcen, wie zum Beispiel auf hoher See. Da Offshore-Windgeschwindigkeiten durchschnittlich ~ 90% größer sind als die von Land, können Offshore-Ressourcen erheblich mehr Energie als stationäre Turbinen liefern. Im Jahr 2014 betrug die globale Windgeneration 706 Terawattstunden oder 3% der weltweiten Gesamtstromerzeugung.

Wasserkraft
Im Jahr 2015 erzeugte die Wasserkraft 16,6% des gesamten Stroms der Welt und 70% des gesamten Stroms aus erneuerbaren Energien. Da Wasser etwa 800-mal dichter ist als Luft, kann selbst ein langsam fließender Wasserstrom oder ein mäßiger Seegang beträchtliche Energiemengen erzeugen. Es gibt viele Formen von Wasserenergie:

Historisch gesehen kam die Wasserkraft aus dem Bau großer Staudämme und Stauseen, die in der Dritten Welt immer noch beliebt sind. Der größte davon ist der Drei-Schluchten-Staudamm (2003) in China und der Itaipu-Damm (1984), der von Brasilien und Paraguay gebaut wurde.
Kleinwasserkraftwerke sind Wasserkraftanlagen mit einer Leistung von bis zu 50 MW. Sie werden oft an kleinen Flüssen oder als geringe Auswirkung auf größere Flüsse verwendet. China ist der größte Wasserkraftproduzent der Welt und verfügt über mehr als 45.000 Kleinwasserkraftwerke.

Laufwasserkraftwerke beziehen Energie aus Flüssen ohne die Schaffung eines großen Reservoirs. Das Wasser wird typischerweise entlang der Seite des Flusstals (unter Verwendung von Kanälen, Rohren und / oder Tunneln) transportiert, bis es hoch über dem Talboden ist, woraufhin es durch eine Druckleitung fallen gelassen werden kann, um eine Turbine anzutreiben. Diese Art von Generation kann immer noch eine große Menge Strom produzieren, wie der Chief Joseph Dam am Columbia River in den Vereinigten Staaten.

Wasserkraft wird in 150 Ländern produziert, wobei die Region Asien-Pazifik im Jahr 2010 32 Prozent der weltweiten Wasserkraft erzeugt. Für Länder mit dem größten Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien sind die Top 50 hauptsächlich Wasserkraftwerke. China ist mit einer Produktion von 721 Terawattstunden im Jahr 2010 der größte Produzent von Wasserkraftwerken. Dies entspricht rund 17 Prozent des inländischen Stromverbrauchs. Heute gibt es drei Wasserkraftwerke, die größer als 10 GW sind: der Drei-Schluchten-Staudamm in China, der Itaipu-Staudamm an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay und der Guri-Staudamm in Venezuela.

Wellenkraft, die die Energie der Wellen der Meeresoberfläche und die Gezeitenenergie aufnimmt, um die Energie der Gezeiten umzuwandeln, sind zwei Formen der Wasserkraft mit Zukunftspotenzial; sie sind jedoch kommerziell noch nicht weit verbreitet. Ein Demonstrationsprojekt, das von der Ocean Renewable Power Company an der Küste von Maine betrieben wird und mit dem Stromnetz verbunden ist, nutzt die Gezeitenkraft aus der Bay of Fundy, dem Standort des weltweit höchsten Gezeitenstroms. Die Umwandlung der thermischen Meeresenergie, die den Temperaturunterschied zwischen kühleren tiefen und wärmeren Oberflächengewässern nutzt, ist derzeit nicht wirtschaftlich durchführbar.

Solarenergie
Sonnenenergie, strahlendes Licht und Wärme von der Sonne werden mit einer Reihe von sich ständig weiterentwickelnden Technologien wie Sonnenwärme, Photovoltaik, konzentrierte Solarenergie (CSP), Konzentratorphotovoltaik (CPV), Solararchitektur und künstliche Photosynthese genutzt. Solartechnologien werden im Allgemeinen entweder als passive Solarenergie oder als aktive Solarenergie charakterisiert, je nachdem, wie sie Sonnenenergie einfangen, umwandeln und verteilen. Passive Solartechniken umfassen die Ausrichtung eines Gebäudes auf die Sonne, die Auswahl von Materialien mit günstiger thermischer Masse oder Lichtdispersionseigenschaften und die Gestaltung von Räumen, die die Luft auf natürliche Weise zirkulieren lassen. Aktive Solartechnologien umfassen Solarthermie, wobei Solarkollektoren für Heizung und Solarenergie verwendet werden, die Sonnenlicht entweder direkt mit Hilfe von Photovoltaik (PV) oder indirekt mit konzentrierter Solarenergie (CSP) in Strom umwandeln.

Eine Photovoltaikanlage wandelt Licht in elektrischen Gleichstrom (DC) um, indem sie den photoelektrischen Effekt nutzt. Solar PV hat sich zu einer milliardenschweren, schnell wachsenden Industrie entwickelt, verbessert weiterhin seine Kosteneffizienz und hat zusammen mit CSP das größte Potenzial für erneuerbare Technologien. Konzentrierte Solarenergie (Concentrated Solar Power, CSP) -Systeme verwenden Linsen oder Spiegel und Nachführsysteme, um eine große Fläche von Sonnenlicht in einen kleinen Strahl zu fokussieren. Kommerzielle konzentrierte Solarkraftwerke wurden zuerst in den 1980er Jahren entwickelt. CSP-Stirling hat bei weitem die höchste Effizienz aller Solarenergietechnologien.

Im Jahr 2011 sagte die Internationale Energieagentur, dass „die Entwicklung erschwinglicher, unerschöpflicher und sauberer Solarenergietechnologien langfristig enorme Vorteile bringen wird. Sie wird die Energiesicherheit der Länder durch die Abhängigkeit von einer einheimischen, unerschöpflichen und vor allem importunabhängigen Ressource erhöhen.“ Verbesserung der Nachhaltigkeit, Verringerung der Umweltverschmutzung, Senkung der Kosten für die Eindämmung des Klimawandels und Senkung der Preise für fossile Brennstoffe, da diese Vorteile global sind Daher sollten die zusätzlichen Kosten der Anreize für eine frühzeitige Einführung als Lerninvestitionen betrachtet werden müssen weit verbreitet sein „. Italien hat den größten Anteil an Solarstrom in der Welt, im Jahr 2015 lieferte Solar 7,8% der Stromnachfrage in Italien. Im Jahr 2016, nach einem weiteren Jahr mit schnellem Wachstum, erzeugte Solar 1,3% der Weltmacht.

Geothermische Energie
Hochtemperatur Geothermie wird aus thermischer Energie gewonnen und gespeichert, die in der Erde gespeichert wird. Thermische Energie ist die Energie, die die Temperatur der Materie bestimmt. Die geothermische Energie der Erde stammt aus der ursprünglichen Entstehung des Planeten und aus dem radioaktiven Zerfall von Mineralien (in derzeit unsicherer, aber möglicherweise in etwa gleichen Anteilen). Der geothermische Gradient, der die Temperaturdifferenz zwischen dem Kern des Planeten und seiner Oberfläche darstellt, treibt eine kontinuierliche Wärmeleitung von Wärme in Form von Wärme vom Kern zur Oberfläche. Das Adjektiv Geothermie stammt von den griechischen Wurzeln geo, was Erde bedeutet, und thermos, was Wärme bedeutet.

Die Wärme, die für geothermische Energie genutzt wird, kann von tief in der Erde bis hinunter zum Kern der Erde reichen – 4.800 Meilen (6.400 km) abwärts. Im Kern können die Temperaturen über 5.000 ° C betragen. Wärme leitet vom Kern zum umgebenden Felsen. Extrem hohe Temperaturen und Drücke führen dazu, dass etwas Gestein schmilzt, das allgemein als Magma bekannt ist. Magma konvektiert aufwärts, da es leichter ist als der feste Stein. Dieses Magma erhitzt dann Gestein und Wasser in der Kruste, manchmal bis zu 371 ° C (700 ° F).

Seit den Paläolithikum und seit der Römerzeit ist die geothermische Energie aus heißen Quellen zum Baden genutzt worden, heute ist sie für die Stromerzeugung bekannt.

Tieftemperatur Geothermie bezieht sich auf die Nutzung der äußeren Kruste der Erde als eine thermische Batterie, um erneuerbare Wärmeenergie zum Heizen und Kühlen von Gebäuden und andere kältetechnische und industrielle Anwendungen zu erleichtern. In dieser Form der Geothermie werden eine geothermische Wärmepumpe und ein erdgekoppelter Wärmeaustauscher zusammen verwendet, um Wärmeenergie auf wechselnder jahreszeitlicher Basis in die Erde (zum Kühlen) und aus der Erde (zum Heizen) zu bewegen. Niedrigtemperaturgeothermie (allgemein als „GHP“ bezeichnet) ist eine zunehmend wichtige erneuerbare Technologie, da sie sowohl die jährliche Gesamtenergiebelastung durch Heizen und Kühlen reduziert als auch die elektrische Nachfragekurve abflacht, wodurch die extremen Anforderungen an die Stromversorgung im Sommer und Winter eliminiert werden . Daher wird Geothermie / GHP mit niedriger Temperatur immer mehr zu einer nationalen Priorität mit mehrfachen Steuergutschriften und konzentriert sich als Teil der fortwährenden Bewegung hin zu Net Zero Energy. New York City hat sogar gerade ein Gesetz verabschiedet, um zu verlangen, dass GHP jederzeit mit 20 Jahren Finanzierung, einschließlich der sozialisierten Kosten von Kohlenstoff, wirtschaftlich ist.

Bioenergie
Biomasse ist biologisches Material, 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 hierfür sind Waldrestholz – wie tote Bäume, Äste und Baumstümpfe -, Gartenschrot, 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.

Pflanzenenergie wird durch Pflanzen produziert, die speziell für den Einsatz als Brennstoff angebaut werden und eine hohe Biomasseproduktion pro Hektar bei geringer Energiezufuhr bieten. Einige Beispiele für diese Pflanzen sind Weizen, der typischerweise 7,5 bis 8 Tonnen Getreide pro Hektar liefert, und Stroh, das im Vereinigten Königreich typischerweise 3,5 bis 5 Tonnen pro Hektar liefert. Das Getreide kann für flüssige Transportbrennstoffe verwendet werden, während das Stroh verbrannt werden kann, um Wärme oder Elektrizität zu erzeugen. Pflanzenbiomasse kann auch durch eine Reihe von chemischen Behandlungen von Cellulose zu Glucose abgebaut werden, und der resultierende Zucker kann dann als Biokraftstoff der ersten Generation verwendet werden.

Biomasse kann in andere nutzbare Energieformen wie Methangas oder Transportkraftstoffe wie Ethanol und Biodiesel umgewandelt werden. Verrottender Müll sowie landwirtschaftliche und menschliche Abfälle setzen Methangas frei – auch Deponiegas oder Biogas genannt. Kulturen wie Mais und Zuckerrohr können fermentiert werden, um den Transportkraftstoff Ethanol zu produzieren. Biodiesel, ein anderer Transporttreibstoff, kann aus übriggebliebenen Nahrungsmittelprodukten wie Pflanzenölen und tierischen Fetten hergestellt werden. Auch Biomasse zu Flüssigkeiten (BTLs) und Zellulose-Ethanol sind noch in der Forschung. Es wird viel über Algenbrennstoff oder Algenbiomasse geforscht, da es sich um eine Non-Food-Ressource handelt, die fünf- bis zehnmal so hoch produziert werden kann wie andere Arten von landgestützter Landwirtschaft wie Mais und Mais Soja. Nach der Ernte kann es zu Biokraftstoffen wie Ethanol, Butanol und Methan sowie Biodiesel und Wasserstoff vergoren werden. Die für die Stromerzeugung verwendete Biomasse variiert je nach Region. Waldnebenprodukte, wie Holzrückstände, sind in den Vereinigten Staaten verbreitet. Landwirtschaftliche Abfälle sind in Mauritius (Zuckerrohrrückstände) und Südostasien (Reisschalen) weit verbreitet. Im Vereinigten Königreich sind Rückstände von Tierhal- tungen wie Geflügelstreu üblich.

Biokraftstoffe umfassen eine breite Palette von Brennstoffen, die aus Biomasse gewonnen werden. Der Begriff umfasst feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe. Zu den flüssigen Biokraftstoffen gehören Bioalkohole wie Bioethanol und Öle wie Biodiesel. Gasförmige Biokraftstoffe umfassen Biogas, Deponiegas und synthetisches Gas. Bioethanol ist ein Alkohol, der durch Vergärung der Zuckerkomponenten pflanzlicher Stoffe gewonnen wird und hauptsächlich aus Zucker- und Stärkekulturen besteht. Dazu gehören Mais, Zuckerrohr und neuerdings auch Sorghum. Letztere ist besonders geeignet für den Anbau unter trockenen Bedingungen und wird vom International Crops Research Institute für die semi-arid Tropics auf ihre Fähigkeit hin untersucht, in trockenen Teilen Asiens und Afrikas Brennstoff sowie Nahrungs- und Futtermittel zu liefern.

Mit fortschrittlicher Technologie entwickelt Zellulose Biomasse, wie Bäume und Gräser, auch als Rohstoffe für die Ethanolproduktion verwendet werden. Ethanol kann als Kraftstoff für Fahrzeuge in seiner reinen Form verwendet werden, wird jedoch üblicherweise als Benzinadditiv zur Erhöhung der Oktanzahl und zur Verbesserung der Fahrzeugemissionen verwendet. Bioethanol ist in den Vereinigten Staaten und in Brasilien weit verbreitet. Die Energiekosten für die Herstellung von Bioethanol sind fast gleich wie die Energieerträge von Bioethanol. Nach Angaben der Europäischen Umweltagentur gehen Biokraftstoffe jedoch nicht auf Bedenken hinsichtlich der Erderwärmung ein. Biodiesel wird aus pflanzlichen Ölen, tierischen Fetten oder recycelten Fetten hergestellt. Es kann als Kraftstoff für Fahrzeuge in seiner reinen Form oder allgemeiner als ein Dieselzusatzstoff verwendet werden, um Partikel-, Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffpegel von Dieselfahrzeugen zu reduzieren. Biodiesel wird durch Umesterung aus Ölen oder Fetten hergestellt und ist der in Europa am häufigsten verwendete Biokraftstoff. Biokraftstoffe lieferten 2010 2,7% des weltweiten Kraftstoffs.

Biomasse, Biogas und Biokraftstoffe werden verbrannt, um Wärme / Strom zu erzeugen und dabei die Umwelt zu schädigen. Schadstoffe wie Schwefeloxide (SOx), Stickoxide (NOx) und Feinstaub (PM) entstehen bei der Verbrennung von Biomasse; Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass jährlich 7 Millionen vorzeitige Todesfälle durch Luftverschmutzung verursacht werden. Die Verbrennung von Biomasse ist ein wichtiger Faktor.

Energiespeicher
Energiespeicher ist eine Sammlung von Methoden zur Speicherung von elektrischer Energie in einem Stromnetz oder außerhalb davon. Elektrische Energie wird in Zeiten gespeichert, in denen die Produktion (vor allem von intermittierenden Kraftwerken wie erneuerbaren Stromquellen wie Windkraft, Gezeitenkraft, Solarenergie) den Verbrauch übersteigt und in das Netz zurückkehrt, wenn die Produktion unter den Verbrauch sinkt. Pumpspeicherwasserkraft wird für mehr als 90% aller Netzspeicher genutzt. Die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien sinken rapide und werden zunehmend als schnell agierende Netzstromquellen (zB Betriebsreserve) und für die heimische Speicherung eingesetzt.

Aufkommende Technologien
Andere Technologien für erneuerbare Energien sind noch in der Entwicklung und umfassen Zellulose-Ethanol, Heiß-Trocken-Gesteins-Geothermie und Meeresenergie. Diese Technologien sind noch nicht umfassend demonstriert oder haben nur eine begrenzte Kommerzialisierung. Viele sind am Horizont und könnten ein Potenzial aufweisen, das mit anderen Technologien für erneuerbare Energieträger vergleichbar ist, aber immer noch davon abhängen, ausreichende Aufmerksamkeit und Forschung, Entwicklung und Demonstration (FuE) zu erhalten.

Es gibt zahlreiche Organisationen in den Bereichen Wissenschaft, Bund und Wirtschaft, die fortgeschrittene Forschung auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien betreiben. Diese Forschung umfasst mehrere Schwerpunktbereiche im Bereich der erneuerbaren Energien. Der Großteil der Forschung zielt darauf ab, die Effizienz zu verbessern und den Gesamtenergieertrag zu erhöhen. Mehrere staatlich geförderte Forschungsorganisationen haben sich in den letzten Jahren auf erneuerbare 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.

Verbessertes geothermisches System
Enhanced Geothermal Systems (EGS) sind eine neue Art von Geothermie-Technologien, die keine natürlichen konvektiven hydrothermalen Ressourcen benötigen. Der Großteil der geothermischen Energie innerhalb der Bohrreichweite liegt in trockenem und nicht porösem Gestein. EGS-Technologien „verstärken“ und / oder erzeugen geothermische Ressourcen in diesem „heißen trockenen Gestein (HDR)“ durch hydraulische Stimulation. Es wird erwartet, dass EGS- und HDR-Technologien, wie hydrothermale Geothermie, Grundlastressourcen sind, die wie eine fossile Anlage 24 Stunden am Tag Strom produzieren. Anders als die hydrothermalen, können HDR und EGS überall in der Welt in Abhängigkeit von den wirtschaftlichen Grenzen der Bohrtiefe durchführbar sein. Gute Standorte sind über tiefen Granit mit einer dicken (3-5 km) Schicht isolierender Sedimente, die den Wärmeverlust verlangsamen. Derzeit werden HDR- und EGS-Systeme in Frankreich, Australien, Japan, Deutschland, den USA und der Schweiz entwickelt und getestet. Das größte EGS-Projekt der Welt ist eine 25-Megawatt-Demonstrationsanlage, die derzeit im Cooper Basin, Australien, entwickelt wird. Das Cooper Basin hat das Potenzial, 5.000-10.000 MW zu erzeugen.

Zellulose-Ethanol
Mehrere Raffinerien, die Biomasse verarbeiten und in Ethanol umwandeln können, werden von Unternehmen wie Iogen, POET und Abengoa hergestellt, während andere Unternehmen wie die Verenium Corporation, Novozymes und Dyadic International Enzyme herstellen, die eine zukünftige Vermarktung ermöglichen könnten. Die Verlagerung von Rohstoffen für die Nahrungsmittelernte zu Abfallrückständen und einheimischen Gräsern bietet große Chancen für eine Reihe von Akteuren, von Landwirten bis zu Biotechnologieunternehmen und von Projektentwicklern bis zu Investoren.

Meeresenergie
Meeresenergie (manchmal auch als Meeresenergie bezeichnet) bezieht sich auf die Energie, die von Meereswellen, Gezeiten, Salzgehalt und Meerestemperaturunterschieden getragen wird. Die Bewegung des Wassers in den Weltmeeren erzeugt eine große Menge kinetischer Energie oder Energie in Bewegung. Diese Energie kann genutzt werden, um Strom für Haushalte, Verkehr und Industrie zu erzeugen. Der Begriff Meeresenergie umfasst sowohl die Wellenenergie – die Energie von Oberflächenwellen als auch die Gezeitenkraft – die aus der kinetischen Energie großer Körper fließenden Wassers gewonnen wird. Reverse Electrodialysis (RED) ist eine Technologie zur Erzeugung von Elektrizität durch Mischen von frischem Flusswasser und salzigem Meerwasser in dafür vorgesehenen großen Energiezellen; ab 2016 wird es im kleinen Maßstab (50 kW) getestet. Offshore-Windenergie ist keine Form der Meeresenergie, da die Windenergie vom Wind abgeleitet wird, auch wenn die Windenergieanlagen über Wasser stehen. Die Ozeane haben eine enorme Menge an Energie und sind nahe bei vielen, wenn nicht am stärksten konzentrierten Populationen. Die Meeresenergie hat das Potenzial, weltweit eine beträchtliche Menge neuer erneuerbarer Energie bereitzustellen.

Experimentelle Solarenergie
Concentrated photovoltaics (CPV) -Systeme verwenden Sonnenlicht, das auf photovoltaischen Oberflächen konzentriert ist, um Elektrizität zu erzeugen. Thermoelektrische oder „thermovoltaische“ Vorrichtungen wandeln einen Temperaturunterschied zwischen verschiedenen Materialien in einen elektrischen Strom um.

Schwimmende Solaranlagen
Schwimmende Solaranlagen sind PV-Anlagen, die auf der Oberfläche von Trinkwasserreservoirs, Steinbrüchen, Bewässerungskanälen oder Sanierungs- und Absetzbecken schwimmen. Eine kleine Anzahl solcher Systeme gibt es in Frankreich, Indien, Japan, Südkorea, dem Vereinigten Königreich, Singapur und den Vereinigten Staaten. Die Systeme sollen gegenüber der Photovoltaik an Land Vorteile haben. Die Kosten für Land sind teurer, und es gibt weniger Regeln und Vorschriften für Bauwerke, die auf Gewässern errichtet werden, die nicht zur Erholung genutzt werden. Im Gegensatz zu den meisten landgestützten Solaranlagen können schwimmende Arrays unauffällig sein, da sie der Öffentlichkeit verborgen sind. Sie erzielen höhere Wirkungsgrade als PV-Module an Land, weil Wasser die Paneele kühlt. Die Platten haben eine spezielle Beschichtung, um Rost oder Korrosion zu verhindern. Im Mai 2008 hat das Far Niente Winery in Oakville, Kalifornien, das erste Float-Photovoltaik-System der Welt entwickelt, indem es 994 Solar-PV-Module mit einer Gesamtleistung von 477 kW auf 130 Pontons installierte und sie auf dem Bewässerungsteich des Weinguts schwemmte. PV-Kraftwerke im PV-Bereich werden in Betrieb genommen. Kyocera wird die weltweit größte, 13,4 MW-Farm am Stausee oberhalb des Yamakura Staudamms in der Präfektur Chiba mit 50.000 Sonnenkollektoren errichten. Salzwasserresistente schwimmende Farmen werden ebenfalls für den Meeresgebrauch gebaut. Das bisher größte angekündigte Floatovoltaic-Projekt ist ein 350-MW-Kraftwerk in der Amazonasregion Brasiliens.

Solar-unterstützte Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist eine Vorrichtung, die Wärmeenergie von einer Wärmequelle an ein Ziel liefert, das als „Wärmesenke“ bezeichnet wird. Wärmepumpen sind so ausgelegt, dass sie Wärmeenergie entgegen der Richtung des spontanen Wärmestroms bewegen, indem sie Wärme aus einem kalten Raum aufnehmen und in einen wärmeren abführen. Eine solarunterstützte Wärmepumpe ist die Integration einer Wärmepumpe und von thermischen Solarpaneelen in einem einzigen integrierten System. Typischerweise werden diese beiden Technologien getrennt (oder nur parallel zueinander) zur Erzeugung von heißem Wasser verwendet. In diesem System übernimmt das Solarthermiepaneel die Funktion der Niedertemperaturwärmequelle und die erzeugte Wärme wird verwendet, um den Verdampfer der Wärmepumpe zu speisen. Das Ziel dieses Systems ist es, einen hohen COP zu erreichen und dann Energie auf eine effizientere und weniger teure Art und Weise zu erzeugen.

In Kombination mit der Wärmepumpe können beliebige Arten von Solarthermiepaneelen (Platten und Rohre, Rollbond, Heatpipes, Thermoplatten) oder Hybrid (Mono / Polykristalline, Dünnschicht) verwendet werden. Die Verwendung einer Hybridplatte ist vorzuziehen, da sie einen Teil des Elektrizitätsbedarfs der Wärmepumpe abdeckt und den Energieverbrauch und folglich die variablen Kosten des Systems reduziert.

Künstliche Photosynthese
Die künstliche Photosynthese nutzt Techniken wie die Nanotechnologie, um elektromagnetische Energie der Sonne in chemischen Bindungen zu speichern, indem Wasser gespalten wird, um Wasserstoff zu produzieren, und dann Kohlendioxid verwendet wird, um Methanol herzustellen. Forscher in diesem Bereich sind bestrebt, molekulare Mimiken der Photosynthese zu entwerfen, die eine breitere Region des Sonnenspektrums nutzen, verwenden katalytische Systeme aus reichlich vorhandenen, kostengünstigen Materialien, die robust, leicht reparierbar, ungiftig, stabil in einer Vielzahl von Umweltbedingungen und effizienter durchführen, sodass ein größerer Anteil an Photonenenergie in den Speicherverbindungen, dh Kohlenhydraten, verbleibt (anstatt lebende Zellen aufzubauen und zu erhalten). Doch prominente Forschung Hürden, Sun Catalytix eine MIT-Spin-off gestoppt 2012 ihre Prototyp-Brennstoffzelle Zelle, weil es bietet wenig Einsparungen gegenüber anderen Möglichkeiten, Wasserstoff aus Sonnenlicht zu machen.

Algen Brennstoffe
Die Herstellung von flüssigen Brennstoffen aus ölreichen Algenarten ist ein fortlaufendes Forschungsthema. Verschiedene Mikroalgen, die in offenen oder geschlossenen Systemen gezüchtet werden, werden getestet, einschließlich eines Systems, das in Brachland- und Wüstengebieten eingerichtet werden kann.

Solarflugzeug
Ein Elektroflugzeug ist ein Flugzeug, das nicht mit Verbrennungsmotoren, sondern mit Elektromotoren betrieben wird, wobei Strom aus Brennstoffzellen, Solarzellen, Ultrakondensatoren, Energiestrahlern oder Batterien stammt.

Derzeit sind bemannte elektrische Flugzeuge meist experimentelle Demonstratoren, obwohl viele kleine unbemannte Luftfahrzeuge mit Batterien betrieben werden. Elektrisch angetriebene Modellflugzeuge wurden seit den 1970er Jahren mit einem Bericht im Jahr 1957 geflogen. Die ersten elektrisch angetriebenen Flüge mit Menschen wurden 1973 durchgeführt. Zwischen 2015-2016 absolvierte ein bemanntes, solarbetriebenes Flugzeug, Solar Impulse 2, eine Weltumsegelung der Erde.

Solar Aufwind Turm
Der Aufwindturm ist ein Erneuerbare-Energien-Kraftwerk zur Erzeugung von Strom aus Niedertemperatur-Solarwärme. Sunshine erwärmt die Luft unter einer sehr großen, gewächshausartig überdachten Kollektorstruktur, die die zentrale Basis eines sehr hohen Kaminturms umgibt. Die entstehende Konvektion bewirkt durch den Kamineffekt einen Heißluftaufwind im Turm. Diese Luftströmung treibt Windturbinen an, die in dem Schornsteinaufwind oder um den Schornstein herum angeordnet sind, um Elektrizität zu erzeugen. Pläne für hochskalierte Versionen von Demonstrationsmodellen ermöglichen eine signifikante Stromerzeugung und können die Entwicklung anderer Anwendungen wie Wasserextraktion oder -destillation und Landwirtschaft oder Gartenbau ermöglichen. Eine fortschrittlichere Version einer ähnlich ausgerichteten Technologie ist die Vortex-Maschine, die große physikalische Schornsteine ​​durch einen Luftwirbel ersetzen soll, der durch eine kürzere, kostengünstigere Struktur erzeugt wird.

Weltraumbasierte Solarenergie
Für eine photovoltaische oder thermische Systeme besteht eine Option darin, sie in den Weltraum zu laden, insbesondere in eine geosynchrone Umlaufbahn. Um mit erdbasierten Solarstromanlagen wettbewerbsfähig zu sein, muss die spezifische Masse (kg / kW) multipliziert mit den Kosten für die Dachbodenmasse zuzüglich der Kosten für die Teile 2400 $ oder weniger betragen. Dh für eine Teilekosten plus Rectenna von 1100 $ / kW muss das Produkt von $ / kg und kg / kW $ 1300 / kW oder weniger sein. So können die Transportkosten für 6,5 kg / kW $ 200 / kg nicht überschreiten. Während das eine Reduzierung von 100 zu 1 erfordert, zielt SpaceX auf eine Reduzierung von 10 zu 1, Reaction Engines können eine 100 zu 1 Reduktion ermöglichen.

Umweltbelastung
Die Fähigkeit von Biomasse und Biokraftstoffen, zu einer Verringerung der CO2-Emissionen beizutragen, ist begrenzt, da sowohl Biomasse als auch Biokraftstoffe bei der Verbrennung große Mengen an Luftverschmutzung emittieren und in einigen Fällen mit der Nahrungsmittelversorgung konkurrieren. Darüber hinaus verbrauchen Biomasse und Biokraftstoffe große Mengen Wasser. Andere erneuerbare Energiequellen wie Windkraft, Photovoltaik und Wasserkraft haben den Vorteil, Wasser zu sparen, die Umweltverschmutzung zu verringern und die CO2-Emissionen zu reduzieren.