Nachhaltige Energie ist eine Energieversorgung, die den aktuellen Bedarf decken kann, ohne die Energieversorgung künftiger Generationen zu gefährden und ohne die Umwelt zu schädigen. Es umfasst die Erzeugung, Verteilung und Nutzung von Energie. In der Energieerzeugung setzt sie auf erneuerbare Energien und unter anderem auf die Steigerung der Energieeffizienz. Der Übergang von einer fossilen zu einer nachhaltigen Energieversorgung wird als Energiewende bezeichnet.

Definitionen
Dem Begriff der nachhaltigen Energie wurden viele Definitionen gegeben, unter anderem:

„Konkret gesagt, der Anteil der Energie, der in der Lage ist, die Bedürfnisse der Gegenwart zu befriedigen, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen. […] Nachhaltige Energie hat zwei Schlüsselkomponenten: erneuerbare Energien und Energieeffizienz Energieeffizienz-Partnerschaft.

„Eine dynamische Harmonie zwischen einerseits der gerechten Verfügbarkeit von energieintensiven Gütern und Dienstleistungen und andererseits der Erhaltung der Erde für zukünftige Generationen. Und:“ Die Lösung wird in der Fähigkeit zu finden liegen nachhaltige Energiequellen und effizientere Wege zur Umwandlung und Nutzung von Energie. – Nachhaltige Energie von JW Tester et al., Veröffentlicht von MIT Press.

„Jede Quelle der Energiegewinnung und -erhaltung, für die die Ressourcen in einem Umfang zur Verfügung stehen, der groß genug ist, um einen wesentlichen Teil der langfristig verbrauchten Energie, vorzugsweise einhundert Jahre, zu gewinnen.“ Invest, eine Non-Profit-Organisation, die Grün fördert Technologien.

„Die Menge an Energie, die während eines menschlichen Lebens auf natürliche Weise regeneriert werden kann und deren Gewinnung keine langfristige Gefahr für die Umwelt darstellt.“ – Jamaica Sustainable Development Network.

Diese Definitionen zeigen, dass das Konzept der nachhaltigen Energie sich deutlich von anderen Konzepten im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien wie alternative Energien oder grüne Energien unterscheidet: Ob eine Energiequelle nachhaltig ist, hängt von ihrer Fähigkeit ab, Energie bereitzustellen. Energie für eine lange Zeit. Nachhaltige Energie kann ein gewisses Maß an Umweltverschmutzung erzeugen, vorausgesetzt, dass sie so niedrig ist, dass eine massive Nutzung der Energiequelle auf unbestimmte Zeit nicht behindert wird. Das Konzept der nachhaltigen Energie unterscheidet sich auch von dem einer „kohlenstoffarmen Wirtschaft“, die nur in einem viel eingeschränkteren Sinne nachhaltig ist (dh, dass kein CO2 fossilen Ursprungs in die Atmosphäre hinzugefügt wird).

Ein komplexes Problem
Wie wir in der Einleitung gesehen haben, ist es nicht einfach, eine gegebene Energie in nachhaltige Energien einzuordnen. Wir müssen eine möglichst umfassende Vision verfolgen, die den gesamten Zyklus der Erzeugung und des Verbrauchs von Energie berücksichtigt. Es reicht nicht aus, nur die Primärenergie zu betrachten. Es müssen alle Materialien berücksichtigt werden, die für die Herstellung der Produktionseinheiten (insbesondere der Elektrizität …) und für deren Betrieb im Vergleich zu ihrer Lebensdauer verwendet werden.

Zum Beispiel erfordern erneuerbare Energien (Solar, Wind …) große Mengen an Metallen. Darüber hinaus erfordert die intermittierende Natur der Solar- oder Windenergieerzeugung die Entwicklung von Stromspeichertechniken. Die effizientesten Speichertechniken basieren jedoch auf der Verwendung von Lithium, dessen Reserven begrenzt sind.

Befürworter der Kernenergie weisen darauf hin, dass nahezu Null Emissionen von Treibhausgasen dafür sprechen. Jedoch sind die Ressourcen Uran für Kernbrennstoff für Druckwasserreaktoren und Zirkonium zur Herstellung von Ummantelungen, die den Brennstoff für diese Reaktoren umgeben, begrenzt. Ganz zu schweigen von dem ökologischen Fußabdruck des Baus von Kernkraftwerken und der Behandlung von Abfällen, noch von den Risiken eines nuklearen Unfalls oder einer nuklearen Proliferation.

Erneuerbare Energietechnologien
Erneuerbare Energietechnologien leisten einen wesentlichen Beitrag zu nachhaltiger Energie, da sie im Allgemeinen zur Weltsicherheit beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und Möglichkeiten zur Minderung von Treibhausgasen bieten. Die Internationale Energieagentur stellt fest:

Konzeptionell kann man drei Generationen von erneuerbaren Technologien definieren, die mehr als 100 Jahre zurückreichen.

Technologien der ersten Generation entstanden Ende des 19. Jahrhunderts aus der industriellen Revolution und umfassen Wasserkraft, Biomasseverbrennung sowie Erdwärme und -wärme. Einige dieser Technologien sind noch weit verbreitet.

Technologien der zweiten Generation umfassen Solarwärme und -kühlung, Windkraft, moderne Formen der Bioenergie und Solar-Photovoltaik. Diese kommen seit den 1980er Jahren als Ergebnis von Investitionen in Forschung, Entwicklung und Demonstration (RD & D) in die Märkte. Die Anfangsinvestition wurde durch Energiesicherheitsanliegen im Zusammenhang mit den Ölkrisen (1973 und 1979) in den 1970er Jahren ausgelöst, doch die anhaltende Attraktivität dieser erneuerbaren Energien ist zumindest teilweise auf die Vorteile für die Umwelt zurückzuführen. Viele der Technologien spiegeln bedeutende Fortschritte bei den Materialien wider.

Technologien der dritten Generation sind noch in der Entwicklung und umfassen fortschrittliche Biomassevergasung, Bioraffinerietechnologien, konzentrierende Solarthermie, heiße trockene Gesteinsgeothermie und Meeresenergie. Fortschritte in der Nanotechnologie können ebenfalls eine wichtige Rolle spielen.

– Internationale Energieagentur, ERNEUERBARE GLOBALE ENERGIEVERSORGUNG, IEA Fact Sheet

Technologien der ersten und zweiten Generation sind auf den Markt gekommen, und die Technologien der dritten Generation hängen stark von langfristigen Forschungs- und Entwicklungsverpflichtungen ab, bei denen der öffentliche Sektor eine Rolle spielen muss.

Verschiedene Kosten-Nutzen-Analysen durch eine Vielzahl von Spezialisten und Agenturen wurden durchgeführt, um die billigsten und schnellsten Wege zur Dekarbonisierung der Energieversorgung der Welt zu ermitteln. Das Thema ist besonders kontrovers, insbesondere hinsichtlich der Rolle der Kernenergie.

Technologien der ersten Generation
Technologien der ersten Generation sind am Standort mit reichlichen Ressourcen am wettbewerbsfähigsten. Ihre zukünftige Nutzung hängt von der Erforschung des verfügbaren Ressourcenpotenzials, insbesondere in Entwicklungsländern, und von der Bewältigung von Herausforderungen im Zusammenhang mit der Umwelt und der sozialen Akzeptanz ab.

– Internationale Energieagentur, ERNEUERBARE GLOBALE ENERGIEVERSORGUNG, IEA Fact Sheet
Unter den erneuerbaren Energiequellen haben Wasserkraftwerke den Vorteil, langlebig zu sein – viele bestehende Anlagen sind seit mehr als 100 Jahren in Betrieb. Wasserkraftwerke sind sauber und haben wenig Emissionen. Zu den Kritikpunkten, die an große Wasserkraftwerke gerichtet sind, gehören: Dislokation von Menschen, die dort leben, wo die Reservoirs geplant sind, und Freisetzung signifikanter Mengen von Kohlendioxid während des Baus und der Überflutung des Reservoirs.

Es wurde jedoch festgestellt, dass hohe Emissionen nur mit flachen Reservoirs in warmen (tropischen) Gebieten in Verbindung gebracht werden, und jüngste Innovationen in der Wasserkraft-Turbinentechnologie ermöglichen eine effiziente Entwicklung von Laufwasserkraftprojekten mit geringem Wirkungsgrad. Im Allgemeinen produzieren Wasserkraftwerke viel niedrigere Lebenszyklusemissionen als andere Arten der Erzeugung. Die Wasserkraft, die im 19. und 20. Jahrhundert im Zuge der Elektrifizierung stark ausgebaut wurde, erlebt im 21. Jahrhundert ein Wiederaufleben der Entwicklung. Die Gebiete mit dem größten hydroelektrischen Wachstum sind die boomenden Volkswirtschaften Asiens. China ist der Entwicklungsführer; Andere asiatische Länder installieren jedoch Wasserkraft in hohem Tempo. Dieses Wachstum wird durch stark gestiegene Energiekosten – insbesondere für importierte Energie – und die weitverbreiteten Wünsche nach einer im Inland produzierten, sauberen, erneuerbaren und wirtschaftlichen Erzeugung angetrieben.

Geothermische Kraftwerke können 24 Stunden am Tag betrieben werden und bieten eine Grundlastkapazität. Die weltweite potenzielle Kapazität für geothermische Stromerzeugung wird in den nächsten 30 Jahren auf 85 GW geschätzt. Geothermie ist jedoch nur in begrenzten Gebieten der Welt zugänglich, einschließlich der Vereinigten Staaten, Mittelamerikas, Ostafrikas, Islands, Indonesiens und der Philippinen. Die Kosten der Geothermie sind durch die in den 1970er Jahren errichteten Anlagen deutlich gesunken. Geothermische Wärmeerzeugung kann in vielen Ländern, in denen Geothermie erzeugt wird, oder in anderen Regionen, in denen die Ressource eine niedrigere Temperatur aufweist, wettbewerbsfähig sein. Enhanced Geothermal System (EGS) -Technologie erfordert keine natürlichen konvektiven hydrothermalen Ressourcen, so dass es in Gebieten verwendet werden kann, die zuvor für geothermische Energie ungeeignet waren, wenn die Ressource sehr groß ist. EGS wird derzeit am US-Energieministerium erforscht.

In den Entwicklungsländern werden zunehmend Biomassebriketts als Alternative zu Holzkohle verwendet. 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 eine großtechnische Brikettherstellung. Eine Ausnahme ist in Nord-Kivu, im Osten der Demokratischen Republik Kongo, wo die Waldrodung für die Holzkohleproduktion als die größte Bedrohung für den Lebensraum der Berggorillas angesehen wird. Die Mitarbeiter des Virunga-Nationalparks haben mehr als 3500 Menschen erfolgreich geschult und ausgerüstet, um Biomassebriketts zu produzieren. Dadurch wurden Holzkohle, die illegal im Nationalpark produziert wurde, ersetzt und Arbeitsplätze für Menschen geschaffen, die in von Konflikten betroffenen Gebieten in extremer Armut leben.

In Europa gab es im 19. Jahrhundert etwa 200.000 Windmühlen, etwas mehr als die modernen Windräder des 21. Jahrhunderts. Sie wurden hauptsächlich zum Mahlen von Getreide und zum Pumpen von Wasser verwendet. Das Zeitalter der kohlebetriebenen Dampfmaschinen löste diese frühe Nutzung der Windkraft ab.

Technologien der zweiten Generation
Märkte für Technologien der zweiten Generation sind stark und wachsen, aber nur in einigen wenigen Ländern. Die Herausforderung besteht darin, die Marktbasis für anhaltendes Wachstum weltweit zu erweitern. Die strategische Einführung in einem Land reduziert nicht nur die Technologiekosten für die Benutzer, sondern auch für diejenigen in anderen Ländern, was zur Senkung der Gesamtkosten und zur Leistungsverbesserung beiträgt.

– Internationale Energieagentur, ERNEUERBARE GLOBALE ENERGIEVERSORGUNG, IEA Fact Sheet
Solare Heizsysteme sind eine bekannte Technologie der zweiten Generation und bestehen im Allgemeinen aus solarthermischen Kollektoren, einem Fluidsystem, um die Wärme von dem Kollektor zu seinem Verwendungsort zu transportieren, und einem Reservoir oder Tank zur Wärmespeicherung und anschließenden Verwendung. Die Systeme können zum Erwärmen von Warmwasser, Schwimmbadwasser oder zur Raumheizung verwendet werden. Die Wärme kann auch für industrielle Anwendungen oder als Energiezufuhr für andere Anwendungen wie Kühlgeräte verwendet werden. In vielen Klimazonen kann eine Solarheizung einen sehr hohen Prozentsatz (20 bis 80%) der Warmwasserenergie liefern. Die Energie, die die Erde von der Sonne empfängt, ist die der elektromagnetischen Strahlung. Lichtbereiche von sichtbaren, infraroten, ultravioletten, Röntgen- und Radiowellen, die von der Erde durch Sonnenenergie empfangen werden. Die höchste Strahlungsleistung kommt vom sichtbaren Licht. Solarenergie ist aufgrund von Änderungen in den Jahreszeiten und von Tag zu Nacht kompliziert. Wolkenbedeckung kann auch zu Komplikationen der Sonnenenergie beitragen, und nicht jede Strahlung von der Sonne erreicht die Erde, weil sie aufgrund von Wolken und Gasen in der Erdatmosphäre absorbiert und verteilt wird.

In den 1980er und frühen 1990er Jahren lieferten die meisten Photovoltaikmodule Fernversorgungsnetze, aber ab etwa 1995 konzentrierten sich die Bemühungen der Industrie zunehmend auf die Entwicklung von gebäudeintegrierter Photovoltaik und Kraftwerken für netzgekoppelte Anwendungen (siehe Artikel für Photovoltaikkraftwerke). Derzeit ist das größte Solarkraftwerk in Nordamerika das Nellis Solarkraftwerk (15 MW). Es gibt einen Vorschlag, ein Solarkraftwerk in Victoria, Australien, zu errichten, das mit 154 MW das größte PV-Kraftwerk der Welt sein würde. Weitere große Photovoltaikkraftwerke sind das Solarkraftwerk Girassol (62 MW) und der Solarpark Waldpolenz (40 MW).

Einige der erneuerbaren Energien der zweiten Generation, wie die Windkraft, haben ein hohes Potenzial und haben bereits relativ niedrige Produktionskosten realisiert. Ende 2008 betrug die weltweite Kapazität von Windparks 120.791 Megawatt (MW). Dies entspricht einem Anstieg von 28,8 Prozent im Jahresverlauf. Die Windenergie erzeugte rund 1,3% des weltweiten Stromverbrauchs. Wind macht in Dänemark etwa 20% des Stromverbrauchs aus, in Spanien 9% und in Deutschland 7%. Es kann jedoch schwierig sein, Windkraftanlagen in einigen Gebieten aus ästhetischen oder ökologischen Gründen zu errichten, und es kann in einigen Fällen schwierig sein, Windkraft in Stromnetze zu integrieren.

Solarthermische Kraftwerke sind seit den späten 1980er Jahren in Kalifornien kommerziell erfolgreich im Einsatz, einschließlich des größten Solarkraftwerks aller Art, der 350 MW Solar Energy Generating Systems. Nevada Solar One ist eine weitere 64 MW-Anlage, die kürzlich eröffnet wurde. Weitere Parabolrinnen-Kraftwerke, die vorgeschlagen werden, sind zwei 50-MW-Anlagen in Spanien und eine 100-MW-Anlage in Israel.

Solar und Wind sind intermittierende Energiequellen, die 10-40% der Zeit Strom liefern. Um diese Eigenschaft auszugleichen, ist es üblich, ihre Produktion mit bereits bestehender Wasserkraft oder Erdgasgewinnung zu kombinieren. In Regionen, in denen dies nicht möglich ist, können Wind und Sonne mit einer wesentlich teureren Pumpspeicher-Wasserkraft gepaart werden.

Brasilien hat eines der größten Programme für erneuerbare Energien der Welt, das die Produktion von Ethanol aus Zuckerrohr umfasst. Ethanol liefert heute 18 Prozent des Kraftstoffs des Landes. Zusammen mit der Ausbeutung heimischer Tiefenwasserquellen hat Brasilien, das vor Jahren einen großen Anteil des für den inländischen Verbrauch benötigten Erdöls importieren musste, kürzlich eine vollständige Selbstversorgung mit Öl erreicht.

Die meisten Autos, die heute in den USA unterwegs sind, können mit Mischungen von bis zu 10% Ethanol betrieben werden, und Kraftfahrzeughersteller produzieren bereits Fahrzeuge, die für viel höhere Ethanolmischungen ausgelegt sind. Ford, DaimlerChrysler und GM gehören zu den Automobilunternehmen, die „flexible“ Autos, Lastwagen und Minivans verkaufen, die Benzin- und Ethanolmischungen von reinem Benzin bis zu 85% Ethanol (E85) verwenden können. Mitte 2006 gab es rund sechs Millionen E85-kompatible Fahrzeuge auf US-Straßen.

Technologien der dritten Generation
Technologien der dritten Generation werden noch nicht umfassend demonstriert oder kommerzialisiert. Sie sind in Sicht und könnten potenziell mit anderen Technologien für erneuerbare Energieträger vergleichbar sein, sind aber immer noch auf ausreichende Aufmerksamkeit und FuE-Finanzierung angewiesen. Diese neuesten Technologien umfassen fortschrittliche Biomassevergasung, Bioraffinerietechnologien, solarthermische Kraftwerke, heiße trockene Gesteinsgeothermie und Meeresenergie.

– Internationale Energieagentur, ERNEUERBARE GLOBALE ENERGIEVERSORGUNG, IEA Fact Sheet
Biokraftstoffe können als „erneuerbar“ definiert werden, sind jedoch aufgrund von Bodendegradation möglicherweise nicht „nachhaltig“. Ab 2012 gehen 40% der amerikanischen Maisproduktion in Ethanol. Ethanol nimmt einen großen Anteil an „Clean Energy Use“ ein, obwohl es tatsächlich fraglich ist, ob Ethanol als „Clean Energy“ betrachtet werden sollte.

Laut der Internationalen Energieagentur könnten neue Bioenergietechnologien (Biokraftstofftechnologien), die heute entwickelt werden, insbesondere Zellulose-Ethanol-Bioraffinerien, dazu führen, dass Biokraftstoffe in Zukunft eine viel größere Rolle spielen als bisher angenommen. Zellulose-Ethanol kann aus Pflanzenmaterial hergestellt werden, das hauptsächlich aus ungenießbaren Zellulosefasern besteht, die die Stämme und Zweige der meisten Pflanzen bilden. Pflanzenreste (wie Maisstängel, Weizenstroh und Reisstroh), Holzabfälle und feste Siedlungsabfälle sind potenzielle Quellen für zellulosehaltige Biomasse. Engagierte Energiepflanzen wie Switchgrass sind auch vielversprechende Cellulosequellen, die in vielen Regionen der USA nachhaltig produziert werden können.

In Bezug auf die Meeresenergie, eine weitere Technologie der dritten Generation, hat Portugal im Jahr 2007 die erste kommerzielle Wellenfarm der Welt, den Aguçadora Wave Park, in Bau. Die Farm wird zunächst drei Pelamis P-750 mit einer Leistung von 2,25 MW nutzen. und die Kosten belaufen sich auf 8,5 Millionen Euro. Vorbehaltlich eines erfolgreichen Betriebs werden bis 2009 weitere 70 Millionen Euro auf weitere 28 Maschinen zur Erzeugung von 525 MW investiert. Die Finanzierung einer Wellenfarm in Schottland wurde im Februar 2007 von der schottischen Exekutive im Rahmen von Förderplänen über 13 Millionen Pfund für Meeresmacht in Schottland im Wert von über 4 Millionen Pfund angekündigt. Die Farm wird mit einer Leistung von 3 MW, die von vier Pelamis-Maschinen erzeugt wird, die größte der Welt sein. (Siehe auch Wave-Farm).

Im Jahr 2007 wurde in der Enge von Strangford Lough in Irland die weltweit erste Turbine installiert, die kommerzielle Energiemengen mit Gezeitenkraft erzeugt. Der 1,2-MW-Unterwasser-Gezeitenstromgenerator nutzt die schnelle Gezeitenströmung im Wasserabfluss, die bis zu 4 m / s betragen kann. Obwohl der Generator stark genug ist, um bis zu tausend Häuser zu versorgen, hat die Turbine eine minimale Auswirkung auf die Umwelt, da sie fast vollständig unter Wasser ist und die Rotoren langsam genug drehen, dass sie keine Gefahr für Wildtiere darstellen.

Solarkraftwerke, die Nanotechnologie nutzen, die aus einzelnen Siliziummolekülen Schaltkreise erzeugen können, können nach Ansicht von Führungskräften und Investoren, die an der Entwicklung der Produkte beteiligt sind, halb so viel kosten wie herkömmliche Photovoltaikzellen. Nanosolar hat mehr als 100 Millionen Dollar von Investoren für den Bau einer Fabrik für Nanotechnologie-Dünnschicht-Solarmodule gesichert. Das Werk des Unternehmens hat eine geplante Produktionskapazität von 430 Megawatt Spitzenleistung von Solarzellen pro Jahr. Die kommerzielle Produktion begann und die ersten Platten wurden Ende 2007 an die Kunden ausgeliefert.

Große nationale und regionale Forschungsprojekte zur künstlichen Photosynthese entwerfen Systeme auf Nanotechnologiebasis, die mithilfe von Sonnenenergie Wasser in Wasserstoff verbrennen. und ein Vorschlag für ein Global Artificial Photosynthesis-Projekt 2011 haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein sogenanntes „Artificial Leaf“ entwickelt, das Wasser direkt aus Sonnenenergie in Wasserstoff und Sauerstoff spalten kann wenn man es in ein Glas Wasser fallen lässt. Eine Seite des „künstlichen Blattes“ erzeugt Wasserstoffbläschen, während die andere Seite Sauerstoffblasen erzeugt.

Die meisten gegenwärtigen Solarkraftwerke werden aus einer Reihe von ähnlichen Einheiten hergestellt, wobei jede Einheit kontinuierlich eingestellt wird, z. B. mit einigen Schrittmotoren, so dass der Lichtwandler im Fokus des Sonnenlichts bleibt. Die Kosten für die Fokussierung von Licht auf Stromrichter wie Hochleistungs- Sonnenkollektoren, Stirlingmotor usw. können mit einer einfachen und effizienten Seilmechanik drastisch gesenkt werden. Bei dieser Technik sind viele Einheiten mit einem Netzwerk von Seilen verbunden, so dass das Ziehen von zwei oder drei Seilen ausreicht, um alle Lichtwandler gleichzeitig im Fokus zu halten, wenn sich die Richtung der Sonne ändert.

Japan und China haben nationale Programme, die auf kommerzielle Raumfahrt-basierte Solarenergie (SBSP) abzielen. Die China Academy of Space Technology (CAST) gewann 2015 mit diesem Video ihres Multi-Rotary-Joint-Designs den International SunSat Design Competition. Befürworter von SBSP behaupten, dass die Weltraum-basierte Solarenergie sauber, konstant und global sei und skalieren könnte, um den gesamten Energiebedarf der Planeten zu decken. Ein kürzlich veröffentlichter branchenübergreifender Branchenvorschlag (in Anlehnung an die Empfehlung des Pentagon von 2008) hat die SECDEF / SECSTATE / USAID-Direktorin D3 (Diplomatie, Entwicklung, Verteidigung) Innovation Challenge gewonnen.

Technologien für erneuerbare Energien ermöglichen
Wärmepumpen und thermische Energiespeicher sind Klassen von Technologien, die die Nutzung erneuerbarer Energiequellen ermöglichen können, die andernfalls aufgrund einer zu niedrigen Temperatur für die Nutzung oder einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Energie verfügbar ist, und dem Zeitpunkt, an dem sie benötigt wird, nicht zugänglich sind. Bei der Erhöhung der Temperatur der verfügbaren erneuerbaren Wärmeenergie haben Wärmepumpen die zusätzliche Eigenschaft, elektrische Energie (oder in einigen Fällen mechanische oder thermische Energie) zu nutzen, indem sie zusätzliche Energie aus einer Quelle niedriger Qualität (wie Meerwasser, Seewasser, der Boden, die Luft oder die Abwärme eines Prozesses).

Thermische Speichertechnologien ermöglichen die Speicherung von Wärme oder Kälte für Zeiträume von Stunden oder über Nacht bis zu Zwischensaison und können die Speicherung von fühlbarer Energie (dh durch Änderung der Temperatur eines Mediums) oder latenter Energie (dh durch Phasenänderungen eines Mediums) beinhalten , wie zwischen Wasser und Matsch oder Eis). Kurzzeit-Wärmespeicher können zur Spitzenabschaltung in Fernwärme- oder Stromverteilungssystemen eingesetzt werden. Zu den Arten erneuerbarer oder alternativer Energiequellen, die aktiviert werden können, gehören natürliche Energie (z. B. durch solarthermische Kollektoren oder Trockenkühltürme zum Sammeln von Winterkälte), Abfallenergie (z. B. von HLK-Anlagen, industriellen Prozessen oder Kraftwerken) oder Überschüssige Energie (zB saisonal aus Wasserkraftprojekten oder zeitweise aus Windparks). Die Drake Landing Solar Community (Alberta, Kanada) ist illustrativ. Die thermische Speicherung von Bohrlöchern ermöglicht es der Gemeinde, 97% ihrer ganzjährigen Wärme von Solarkollektoren auf den Garagendächern zu beziehen, die im Sommer die meiste Wärme aufnehmen. Zu den Arten von Speichern für sensible Energie gehören isolierte Tanks, Bohrlochcluster in Substraten, die von Schotter bis zu Grundgestein reichen, tiefe Aquifere oder oberflächlich isolierte Gruben. Einige Arten von Speicher sind in der Lage, Wärme oder Kälte zwischen den Jahreszeiten zu speichern (besonders wenn sie sehr groß sind), und einige Speicheranwendungen erfordern die Aufnahme einer Wärmepumpe. Latente Wärme wird typischerweise in Eisbehältern oder sogenannten Phasenwechselmaterialien (PCMs) gespeichert.

Energieeffizienz
Der Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung erfordert nicht nur Änderungen bei der Energieversorgung, sondern auch bei der Art und Weise, wie diese genutzt wird, und die Verringerung der Energiemenge, die für die Lieferung verschiedener Güter oder Dienstleistungen benötigt wird, ist von wesentlicher Bedeutung. Die Möglichkeiten zur Verbesserung auf der Nachfrageseite der Energiegleichung sind so vielfältig und reichhaltig wie die der Angebotsseite und bieten oft erhebliche wirtschaftliche Vorteile.

Erneuerbare Energien und Energieeffizienz werden manchmal als „zwei Pfeiler“ einer nachhaltigen Energiepolitik bezeichnet. Beide Ressourcen müssen entwickelt werden, um die Kohlendioxidemissionen zu stabilisieren und zu reduzieren. Effizienz verlangsamt das Wachstum der Energienachfrage, so dass eine steigende Versorgung mit sauberer Energie den Verbrauch fossiler Brennstoffe stark reduzieren kann. Wenn der Energieverbrauch zu schnell anwächst, wird die Entwicklung erneuerbarer Energie einem rückläufigen Ziel folgen. Eine kürzlich durchgeführte historische Analyse hat gezeigt, dass die Rate der Verbesserungen der Energieeffizienz im Allgemeinen durch die Wachstumsrate der Energienachfrage, die auf das anhaltende Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum zurückzuführen ist, überholt wurde. Dies hat dazu geführt, dass der Gesamtenergieverbrauch und die damit verbundenen CO2-Emissionen trotz gestiegener Energieeffizienz weiter zugenommen haben. Angesichts der thermodynamischen und praktischen Grenzen der Energieeffizienzverbesserungen ist daher eine Verlangsamung des Energiebedarfswachstums erforderlich. Solange die Versorgung mit sauberer Energie jedoch nicht rasch in Betrieb geht, wird eine Verlangsamung des Nachfragewachstums erst die Gesamtemissionen verringern. Es ist auch notwendig, den Kohlenstoffgehalt von Energiequellen zu reduzieren. Jede ernsthafte Vision einer nachhaltigen Energiewirtschaft erfordert daher sowohl Verpflichtungen zu erneuerbaren Energien als auch zu Effizienz.

Erneuerbare Energien (und Energieeffizienz) sind keine Nischensektoren mehr, die nur von Regierungen und Umweltschützern gefördert werden. Das gestiegene Investitionsniveau und die Tatsache, dass ein Großteil des Kapitals von konventionelleren Finanzakteuren stammt, deuten darauf hin, dass nachhaltige Energieoptionen inzwischen zum Mainstream werden. Ein Beispiel dafür wäre die Allianz zur Einsparung von Energieprojekten mit der Stahl Consolidated Manufacturing, (Huntsville, Alabama, USA) (StahlCon 7), einer patentierten Generatorwelle zur Emissionsminderung in bestehenden Stromerzeugungssystemen, die der Allianz im Jahr 2005 Verlagsrechte gewährt 2007.

Angesichts einer Trendanalyse des Umweltprogramms der Vereinten Nationen führen Bedenken hinsichtlich des Klimawandels in Verbindung mit hohen Ölpreisen und zunehmender staatlicher Unterstützung zu steigenden Investitionsraten in den nachhaltigen Energiebranchen. Laut UNEP waren die weltweiten Investitionen in nachhaltige Energie im Jahr 2007 höher als in früheren Jahren. Im Jahr 2007 wurden neue Mittel in Höhe von 148 Milliarden US-Dollar aufgebracht. Dies entspricht einem Anstieg von 60% gegenüber 2006. Die gesamten Finanztransaktionen im Bereich nachhaltige Energie betrugen 204 Milliarden US-Dollar.

Die Investitionsströme im Jahr 2007 wurden erweitert und diversifiziert, so dass das Gesamtbild eine größere Breite und Tiefe der nachhaltigen Energienutzung darstellt. Die Mainstream-Kapitalmärkte sind „jetzt für nachhaltige Energieunternehmen aufnahmebereit, unterstützt durch einen Anstieg der Mittel, die für Investitionen in saubere Energie bestimmt sind“.

Smart-Grid-Technologie
Smart Grid bezieht sich auf eine Klasse von Technologie, die Menschen verwenden, um Versorgungsstromversorgungssysteme in das 21. Jahrhundert zu bringen, indem computerbasierte Fernsteuerung und Automatisierung verwendet werden. Diese Systeme werden durch Zwei-Wege-Kommunikationstechnologie und Computerverarbeitung ermöglicht, die seit Jahrzehnten in anderen Branchen verwendet wird. Sie werden in den Stromnetzen eingesetzt, von den Kraftwerken und Windparks bis hin zu den Stromverbrauchern in Haushalten und Unternehmen. Sie bieten Versorgungsunternehmen und Verbrauchern viele Vorteile – vor allem in Bezug auf große Verbesserungen der Energieeffizienz im Stromnetz und in den Wohnungen und Büros der Energieverbraucher.

Saubere Energieinvestitionen
2010 war ein Rekordjahr für grüne Energieinvestitionen. Laut einem Bericht von Bloomberg New Energy Finance wurden weltweit fast 243 Milliarden US-Dollar in Windparks, Solarenergie, Elektroautos und andere alternative Technologien investiert. Dies entspricht einem Anstieg von 30 Prozent gegenüber 2009 und fast dem Fünffachen des 2004 investierten Geldes hatte 51,1 Milliarden US-Dollar in Projekte für saubere Energie im Jahr 2010 investiert, bei weitem die größte Zahl für jedes Land.

In den aufstrebenden Volkswirtschaften liegt Brasilien in Bezug auf Investitionen in saubere Energie an zweiter Stelle nach China. Unterstützt von einer starken Energiepolitik verfügt Brasilien über eine der weltweit größten Biomasse- und Kleinwasserkraftkapazitäten und ist bereit für ein signifikantes Wachstum der Windenergie-Investitionen. Das kumulierte Investitionspotenzial in Brasilien von 2010 bis 2020 wird auf 67 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Indien ist ein weiterer aufstrebender Spitzenreiter im Bereich der sauberen Energie. Während Indien im Jahr 2009 unter den G-20-Mitgliedern den 10. Platz bei privaten Investitionen in saubere Energie einnahm, wird es in den nächsten 10 Jahren voraussichtlich auf den dritten Platz aufsteigen. Laut aktuellen Prognosen sollen die Investitionen zwischen 2010 und 2006 um 369 Prozent steigen 2020.

Es ist klar, dass sich der Wachstumsschwerpunkt allmählich in die Schwellenländer verlagert hat, und sie könnten die Welt in die neue Welle der Investitionen in saubere Energie führen.

Auf der ganzen Welt haben viele subnationale Regierungen – Regionen, Staaten und Provinzen – energisch nachhaltige Investitionen in die Energiewirtschaft betrieben. In den Vereinigten Staaten wurde Kaliforniens führende Rolle bei erneuerbaren Energien von der The Climate Group anerkannt, als sie dem ehemaligen Gouverneur Arnold Schwarzenegger 2009 den ersten Preis für internationale Klimaführungen in Kopenhagen verlieh. In Australien, dem Bundesstaat South Australia – unter der Führung des ehemaligen Premierministers Mike Rann – ist seit Ende 2011 mit 26% seiner Stromerzeugung führend in der Stromerzeugung und hat zum ersten Mal die Kohleerzeugung abgelöst. Südaustralien hatte auch die höchste Abnahme von Sonnenkollektoren in Australien, nachdem die Rann-Regierung Solareinspeisungsgesetze und eine Bildungskampagne eingeführt hatte, die die Installation von Photovoltaik-Anlagen auf den Dächern prominenter öffentlicher Gebäude einschließlich des Parlaments vorsahen , Museum, Flughafen und Adelaide Showgrounds Pavillon und Schulen. Rann, Australiens erster Minister für Klimawandel, verabschiedete 2006 Gesetze, die Ziele für erneuerbare Energien und Emissionsreduzierungen festlegen, die ersten Gesetze in Australien, die dies tun.

Auch in der Europäischen Union besteht ein klarer Trend zur Förderung von Maßnahmen zur Förderung von Investitionen und Finanzierungen für nachhaltige Energie in Bezug auf Energieeffizienz, Innovation bei der Energieausnutzung und Entwicklung erneuerbarer Ressourcen unter stärkerer Berücksichtigung von Umweltaspekten und Nachhaltigkeit.

Beispiele:

Energieträger wie Wasserstoff, flüssiger Stickstoff, Druckluft, Knallgas, Batterien, Kraftfahrzeuge.
Schwungrad-Energiespeicher, Pumpspeicher-Hydroelektrizität ist eher für stationäre Anwendungen (z. B. für Kraftwerke und Büros) geeignet. In Haushalts-Energiesystemen kann die Umwandlung von Energie auch durchgeführt werden, um den Geruch zu reduzieren. Zum Beispiel können organische Stoffe wie Kuhdung und verderbliche organische Stoffe in Pflanzenkohle umgewandelt werden. Um Emissionen zu eliminieren, wird Kohlenstoffabscheidung und -speicherung verwendet.
In der Regel wird erneuerbare Energie jedoch aus dem Stromnetz gewonnen. Das bedeutet, dass Energiespeicher meist nicht genutzt werden, da das Stromnetz so organisiert ist, dass genau die Menge an Energie produziert wird, die gerade verbraucht wird. Die Energieerzeugung im Stromnetz ist immer eine Kombination aus (großen) Erneuerbare-Energien-Anlagen sowie anderen Kraftwerken wie fossilen Kraftwerken und Kernkraft. Diese für diese Art der Energieversorgung unverzichtbare Kombination (wie zB Windkraftanlagen, Solarkraftwerke etc.) kann aber nur produzieren, wenn der Wind weht und die Sonne scheint. Dies ist auch einer der Hauptnachteile des Systems, da Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen umweltschädlich sind und eine Hauptursache für die globale Erwärmung sind (Kernenergie ist eine Ausnahme). Obwohl auch fossile Kraftwerke emissionsfrei (durch Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) sowie erneuerbar (wenn die Anlagen z. B. auf Biomasse umgestellt werden können) hergestellt werden, besteht die beste Lösung darin, diese Kraftwerke im Laufe der Zeit auslaufen zu lassen. Auch Kernkraftwerke können durch nukleare Wiederaufbereitung und neuere Anlagen als schnelle Brüter- und Kernfusionsanlagen mehr oder weniger von ihrem Problem der nuklearen Abfälle befreit werden.

Erneuerbare Energiekraftwerke sorgen für einen stetigen Energiefluss. Zum Beispiel liefern Wasserkraftwerke, ozeanische Wärmekraftwerke, osmotische Kraftwerke alle Energie in einem geregelten Tempo und sind somit zu jedem gegebenen Zeitpunkt verfügbare Energiequellen (selbst in der Nacht, windstille Momente usw.). Gegenwärtig ist jedoch die Zahl der gleichstrombetriebenen Anlagen für erneuerbare Energien immer noch zu gering, um den Energiebedarf zu den Tageszeiten zu decken, an denen die unregelmäßig produzierenden Anlagen für erneuerbare Energien keinen Strom erzeugen können.

Eine weitere Option ist neben der Ökologisierung von fossilen Kraftwerken und Kernkraftwerken die Verteilung und unmittelbare Nutzung von Strom aus ausschließlich erneuerbaren Quellen. In diesem Aufbau ist wiederum kein Energiespeicher notwendig. Zum Beispiel hat TREC vorgeschlagen, Solarenergie von der Sahara nach Europa zu verteilen. Europa kann Wind- und Meeresenergie in die Sahara und andere Länder verteilen. Auf diese Weise wird zu jedem Zeitpunkt wie an jedem Punkt des Planeten Energie erzeugt, wenn die Sonne oder der Wind hoch ist oder Meereswellen und Strömungen sich bewegen. Diese Option ist jedoch wahrscheinlich kurzfristig nicht möglich, da fossile Brennstoffe und Kernenergie immer noch die Hauptquellen für das Stromnetz sind und deren Austausch nicht über Nacht möglich ist.

Mehrere groß angelegte Energiespeichervorschläge für das Netz wurden gemacht. Weltweit gibt es über 100 GW Pumpspeicherwasserkraft. Dies verbessert die Effizienz und verringert die Energieverluste, aber eine Umwandlung in ein energiespeicherndes Stromnetz ist eine sehr kostspielige Lösung.Einige Kosten könnten möglicherweise durch die Verwendung von Energiespeichergeräten, die der Verbraucher kauft, und nicht durch den Staat reduziert werden. Ein Beispiel sind Batterien in Elektroautos, die als Energiepuffer für das Stromnetz dienen würden. Neben den Kosten wäre die Einrichtung eines solchen Systems jedoch immer noch ein sehr kompliziertes und schwieriges Verfahren. Auch Energiespeichergeräte wie Autobatterien werden mit Materialien gebaut, die eine Gefahr für die Umwelt darstellen (zB Lithium). Die kombinierte Produktion von Batterien für einen so großen Teil der Bevölkerung hätte immer noch Bedenken hinsichtlich der Umwelt. In anderen Grid-Energiespeicherprojekten werden jedoch neben Autobatterien weniger umweltbelastende Energieträger (z. B. Druckluftspeicher und Schwungradspeicher) eingesetzt.