La energía alternativa es cualquier fuente de energía que es una alternativa al combustible fósil. Estas alternativas pretenden abordar las preocupaciones sobre los combustibles fósiles, como sus altas emisiones de dióxido de carbono, un factor importante en el calentamiento global. La energía marina, hidroeléctrica, eólica, geotérmica y solar son fuentes alternativas de energía.
La naturaleza de lo que constituye una fuente de energía alternativa ha cambiado considerablemente con el tiempo, al igual que las controversias sobre el uso de la energía. Debido a la variedad de opciones de energía y diferentes objetivos de sus defensores, la definición de algunos tipos de energía como «alternativa» se considera muy controvertida.
Tipos de energía alternativa existentes
La energía hidroeléctrica captura energía del agua que cae.
La energía nuclear utiliza la fisión nuclear para liberar la energía almacenada en los enlaces atómicos de los elementos pesados.
La energía eólica es la generación de electricidad a partir del viento, comúnmente mediante el uso de turbinas tipo hélice.
La energía solar es el uso de la energía del sol. El calor del sol se puede utilizar para aplicaciones térmicas solares o la luz se puede convertir en electricidad a través de dispositivos fotovoltaicos.
La energía geotérmica es el uso del calor interno de la tierra para hervir agua para calentar edificios o generar electricidad.
El biocombustible y el etanol son sustitutos de la gasolina derivados de plantas para impulsar vehículos.
El hidrógeno se puede utilizar como portador de energía, producido por diversas tecnologías, como el craqueo de hidrocarburos o la electrólisis del agua.
Habilitando tecnologías
El aire acondicionado de almacenamiento de hielo y los calentadores de almacenamiento térmico son métodos para cambiar el consumo para usar electricidad de bajo costo fuera de las horas pico. Cuando se compara con el calentamiento por resistencia, las bombas de calor conservan la energía eléctrica (o en casos excepcionales, energía mecánica o térmica) al recolectar calor de una fuente fría, como una masa de agua, el suelo o el aire.
Las tecnologías de almacenamiento térmico permiten almacenar calor o frío durante periodos de tiempo que varían de diurno a intersecacional, y pueden implicar el almacenamiento de energía sensible (es decir, cambiando la temperatura de un medio) o energía latente (por ejemplo, a través de cambios de fase de un medio cambia de sólido a líquido o viceversa), como entre agua y aguanieve o hielo). Las fuentes de energía pueden ser naturales (a través de colectores solares térmicos, o torres de enfriamiento secas utilizadas para recolectar el frío del invierno), energía residual (como equipos HVAC, procesos industriales o centrales eléctricas), o energía excedente (como estacionalmente de proyectos hidroeléctricos o intermitentemente de los parques eólicos). La Comunidad Solar de Drake Landing (Alberta, Canadá) es ilustrativa. El almacenamiento de energía térmica del pozo permite que la comunidad obtenga el 97% de su calor durante todo el año de los colectores solares en los techos del garaje. Los depósitos pueden ser tanques aislados, agrupaciones de pozos en substratos que van desde la grava hasta el lecho de roca, acuíferos profundos o pozos poco profundos revestidos y aislados. Algunas aplicaciones requieren la inclusión de una bomba de calor.
Energía renovable vs energía no renovable
La energía renovable se genera a partir de los recursos naturales, como la luz solar, el viento, la lluvia, las mareas y el calor geotérmico, que son renovables (se reponen naturalmente). Al comparar los procesos para producir energía, subsisten varias diferencias fundamentales entre las energías renovables y los combustibles fósiles. El proceso de producir combustible de petróleo, carbón o gas natural es un proceso difícil y exigente que requiere una gran cantidad de equipos complejos, procesos físicos y químicos. Por otro lado, la energía alternativa se puede producir ampliamente con equipos básicos y procesos naturales. La madera, el combustible alternativo más renovable y disponible, emite la misma cantidad de carbono cuando se quema que la que se emitiría si se degradara naturalmente. La energía nuclear es una alternativa a los combustibles fósiles que no es renovable, como los combustibles fósiles, los nucleares son un recurso limitado.
Alternativas ecológicas
Una fuente de energía renovable como la biomasa a veces se considera una buena alternativa para proporcionar calor y electricidad con combustibles fósiles. Los biocombustibles no son inherentemente amigables con el medio ambiente para este propósito, mientras que la quema de biomasa es neutral en carbono, la contaminación del aire todavía se produce. Por ejemplo, Holanda, una vez líder en el uso del aceite de palma como biocombustible, suspendió todos los subsidios al aceite de palma debido a la evidencia científica de que su uso «a veces puede crear más daños ambientales que los combustibles fósiles». El gobierno de Holanda y los grupos ecologistas están tratando de rastrear los orígenes del aceite de palma importado, para certificar qué operaciones producen el petróleo de manera responsable. En cuanto a los biocombustibles de alimentos, la realización de la conversión de la cosecha de granos de EE. UU. Solo produciría el 16% de sus necesidades de combustible automotriz, y la destrucción de las selvas tropicales tropicales que absorben CO2 para dar paso a la producción de biocombustibles ha dejado claro que los mercados en competencia con los mercados de alimentos dan como resultado precios de los alimentos más altos y un impacto insignificante o negativo en temas energéticos, como el calentamiento global o la dependencia de la energía extranjera. Recientemente, se buscan alternativas a tales combustibles indeseables y sostenibles, como las fuentes comercialmente viables de etanol celulósico.
Conceptos relativamente nuevos para la energía alternativa
Combustibles de carbono neutros y negativos
Los combustibles neutros en carbono son combustibles sintéticos (incluidos metano, gasolina, diesel, aviación o amoníaco) producidos por la hidrogenación de dióxido de carbono residual reciclado de las emisiones de gases de combustión de las centrales eléctricas, recuperado del gas de escape de los automóviles o derivado de ácido carbónico en el agua de mar. Las compañías de síntesis de combustibles comerciales sugieren que pueden producir combustibles sintéticos por menos que los combustibles de petróleo cuando el petróleo cuesta más de $ 55 por barril. El metanol renovable (RM) es un combustible producido a partir de hidrógeno y dióxido de carbono por hidrogenación catalítica donde el hidrógeno se ha obtenido de la electrólisis del agua. Puede mezclarse en combustible de transporte o procesarse como materia prima química.
La planta de reciclaje de dióxido de carbono George Olah operada por Carbon Recycling International en Grindavík, Islandia, produce desde el 2011 2 millones de litros de combustible para el transporte de metanol desde la salida de humos de la central eléctrica Svartsengi. Tiene capacidad para producir 5 millones de litros por año. . Una planta de síntesis de metano de 250 kilovatios fue construida por el Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno (ZSW) en Baden-Württemberg y la Sociedad Fraunhofer en Alemania y comenzó a operar en 2010. Se está actualizando a 10 megavatios, cuya finalización está programada para otoño. 2012. Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutra en carbono en Werlte, Alemania. La planta está destinada a producir combustible de transporte para compensar el GNL utilizado en sus automóviles A3 Sportback g-tron, y puede mantener 2.800 toneladas métricas de CO2 fuera del medioambiente por año a su capacidad inicial. Otros desarrollos comerciales se están llevando a cabo en Columbia, Carolina del Sur, Camarillo, California y Darlington, Inglaterra.
Dichos combustibles se consideran neutros en carbono porque no producen un aumento neto de los gases de efecto invernadero en la atmósfera. En la medida en que los combustibles sintéticos desplacen a los combustibles fósiles, o si se producen a partir de residuos de carbono o agua del mar, el ácido carbónico y su combustión está sujeta a la captura de carbono en el conducto de humos o de escape, dan como resultado una emisión negativa de dióxido de carbono y la eliminación neta de dióxido de carbono de la atmósfera, y por lo tanto constituyen una forma de remediación de gases de efecto invernadero.
Dichos combustibles renovables alivian los costos y los problemas de dependencia de los combustibles fósiles importados sin requerir ni la electrificación de la flota de vehículos ni la conversión a hidrógeno u otros combustibles, lo que permite la continuidad de vehículos compatibles y asequibles. Los combustibles neutros en carbono ofrecen un almacenamiento de energía de costo relativamente bajo, aliviando los problemas de la eólica y la intermitencia solar, y permiten la distribución de energía eólica, acuática y solar a través de las tuberías de gas natural existentes.
La energía eólica nocturna se considera la forma más económica de energía eléctrica con la que se sintetiza el combustible, ya que la curva de carga de la electricidad aumenta considerablemente durante el día, pero el viento tiende a soplar un poco más durante la noche que durante el día, por lo tanto, el precio de la noche la energía eólica a menudo es mucho menos costosa que cualquier alternativa. Alemania ha construido una planta de metano sintético de 250 kilovatios que están escalando hasta 10 megavatios.
Combustible de algas
El combustible de algas es un biocombustible que se deriva de las algas. Durante la fotosíntesis, las algas y otros organismos fotosintéticos capturan el dióxido de carbono y la luz solar y lo convierten en oxígeno y biomasa. Esto generalmente se hace colocando las algas entre dos paneles de vidrio. Las algas crean tres formas de combustible energético: calor (a partir de su ciclo de crecimiento), biocombustible (el «aceite» natural derivado de las algas) y biomasa (a partir de las propias algas, ya que se recolectan en la madurez).
El calor puede usarse para alimentar sistemas de construcción (como el agua de proceso de calor) o para producir energía. El biocombustible es un aceite extraído de las algas al madurar, y se utiliza para crear energía similar al uso de biodiesel. La biomasa es la materia que queda después de extraer el aceite y el agua, y puede ser cosechada para producir metano combustible para la producción de energía, similar al calor que se siente en una pila de compost o el metano recolectado de materiales biodegradables en un relleno sanitario. Además, los beneficios del biocombustible de algas son que puede producirse industrialmente, así como verticalmente (es decir, como fachada de un edificio), obviando así el uso de tierra cultivable y cultivos alimentarios (como soja, palma y canola).
Briquetas de biomasa
Las briquetas de biomasa se están desarrollando en el mundo en desarrollo como una alternativa al carbón vegetal. La técnica implica la conversión de casi cualquier materia vegetal en briquetas comprimidas que normalmente tienen alrededor del 70% del valor calorífico del carbón. Hay relativamente pocos ejemplos de producción de briquetas a gran escala. Una excepción es en Kivu del Norte, en el este de la República Democrática del Congo, donde la tala de bosques para la producción de carbón se considera la mayor amenaza para el hábitat del Gorila de Montaña. El personal del Parque Nacional Virunga ha capacitado y equipado exitosamente a más de 3500 personas para producir briquetas de biomasa, reemplazando el carbón producido ilegalmente dentro del parque nacional y creando empleo significativo para las personas que viven en la pobreza extrema en áreas afectadas por conflictos.
Digestión de biogás
La digestión con biogás aprovecha el gas metano que se libera cuando los residuos orgánicos se descomponen en un ambiente anaeróbico. Este gas puede recuperarse de vertederos o sistemas de alcantarillado. El gas puede usarse como combustible para calefacción o, más comúnmente, generación de electricidad. El gas metano que se recolecta y refina se puede usar como fuente de energía para diversos productos.
Producción biológica de hidrógeno.
El gas hidrógeno es un combustible de combustión completamente limpio; su único subproducto es el agua. También contiene una cantidad relativamente alta de energía en comparación con otros combustibles debido a su estructura química.
2H2 + O2 → 2H2O + High Energy
Alta energía + 2H2O → 2H2 + O2
Esto requiere una entrada de alta energía, lo que hace que el hidrógeno comercial sea muy ineficiente. El uso de un vector biológico como un medio para dividir el agua y, por lo tanto, producir gas de hidrógeno, permitiría que la única entrada de energía sea la radiación solar. Los vectores biológicos pueden incluir bacterias o más comúnmente algas. Este proceso se conoce como producción biológica de hidrógeno. Requiere el uso de organismos unicelulares para crear gas hidrógeno a través de la fermentación. Sin la presencia de oxígeno, también conocido como un entorno anaeróbico, la respiración celular regular no puede llevarse a cabo y un proceso conocido como fermentación se hace cargo. Un subproducto importante de este proceso es el gas de hidrógeno. Si esto pudiera implementarse a gran escala, entonces la luz solar, los nutrientes y el agua podrían crear gas hidrógeno para ser utilizado como una fuente densa de energía. La producción a gran escala ha resultado difícil. No fue hasta 1999, incluso fue posible inducir estas condiciones anaeróbicas por la privación de azufre. Dado que el proceso de fermentación es una copia de seguridad evolutiva, activada durante el estrés, las células morirían después de unos días. En 2000, se desarrolló un proceso de dos etapas para llevar las células dentro y fuera de las condiciones anaeróbicas y, por lo tanto, mantenerlas vivas. Durante los últimos diez años, el principal objetivo de la investigación ha sido encontrar una manera de hacerlo a gran escala. Se está haciendo un trabajo cuidadoso para garantizar un proceso eficiente antes de la producción a gran escala, sin embargo, una vez que se desarrolla un mecanismo, este tipo de producción podría resolver nuestras necesidades energéticas.
Hidroelectricidad
La hidroelectricidad proporcionó el 75% de la electricidad renovable del mundo en 2013. Gran parte de la electricidad utilizada hoy en día es el resultado del apogeo del desarrollo hidroeléctrico convencional entre 1960 y 1980, que prácticamente ha cesado en Europa y América del Norte debido a preocupaciones medioambientales. A nivel mundial hay una tendencia hacia más hidroelectricidad. De 2004 a 2014, la capacidad instalada aumentó de 715 a 1.055 GW. Una alternativa popular a las grandes presas del pasado es la corriente del río donde no hay agua almacenada detrás de una presa y la generación generalmente varía con la lluvia estacional. El uso de la corriente del río en las estaciones húmedas y la energía solar en las estaciones secas puede equilibrar las variaciones estacionales para ambos. Otro movimiento para alejarse de las grandes presas es la pequeña hidroeléctrica, que tiende a estar situada en lo alto de los afluentes, en lugar de en los ríos principales en los fondos de los valles.
Vientos de la costa
Los parques eólicos marinos son similares a los parques eólicos terrestres, pero se encuentran en el océano. Los parques eólicos marinos pueden colocarse en aguas de hasta 40 metros (130 pies) de profundidad, mientras que las turbinas eólicas flotantes pueden flotar en aguas de hasta 700 metros (2.300 pies) de profundidad. La ventaja de tener un parque eólico flotante es poder aprovechar los vientos del océano abierto. Sin obstrucciones, como colinas, árboles y edificios, los vientos provenientes del océano abierto pueden alcanzar velocidades dos veces más rápidas que las áreas costeras.
Una importante generación de energía eólica marina ya contribuye a las necesidades de electricidad en Europa y Asia, y ahora los primeros parques eólicos marinos están en desarrollo en aguas estadounidenses. Si bien la industria eólica marina ha crecido drásticamente en las últimas décadas, especialmente en Europa, todavía hay incertidumbre asociada con la forma en que la construcción y el funcionamiento de estos parques eólicos afectan a los animales marinos y el medio ambiente marino.
Las turbinas eólicas marinas tradicionales están conectadas al lecho marino en aguas menos profundas dentro del entorno marino cercano a la costa. A medida que las tecnologías eólicas marinas se vuelven más avanzadas, las estructuras flotantes comienzan a utilizarse en aguas más profundas donde existen más recursos eólicos.
Energía marina e hidrocinética
El desarrollo de la energía marina e hidroquinética (MHK) o marina incluye proyectos que utilizan los siguientes dispositivos:
La energía de las olas es el transporte de energía por las ondas del viento y la captura de esa energía para realizar un trabajo útil, por ejemplo, la generación de electricidad o el bombeo de agua a los embalses. Una máquina capaz de explotar olas significativas en áreas costeras abiertas se conoce generalmente como un convertidor de energía de las olas.
Las turbinas de energía de las mareas se colocan en áreas costeras y estuarinas y los flujos diarios son bastante predecibles.
Turbinas en la corriente en ríos de rápido movimiento.
Turbinas de corriente oceánica en áreas de fuertes corrientes marinas
Convertidores de energía térmica oceánica en aguas tropicales profundas.
La energía nuclear
En el año 2015 se conectaron diez nuevos reactores y se construyeron otros 67, incluidos los primeros ocho nuevos reactores Generation III + AP1000 en EE. UU. Y China y los primeros cuatro nuevos reactores EPR Generation III en Finlandia, Francia y China. Los reactores también están en construcción en Bielorrusia, Brasil, India, Irán, Japón, Pakistán, Rusia, Eslovaquia, Corea del Sur, Turquía, Ucrania y Emiratos Árabes Unidos.
Torio nuclear
El torio es un material fisionable para un posible uso futuro en un reactor a base de torio. Los defensores de los reactores de torio reivindican varias ventajas potenciales sobre un ciclo de combustible de uranio, como la mayor abundancia de torio, una mayor resistencia a la proliferación de armas nucleares y una menor producción de plutonio y actínidos. Los reactores de torio se pueden modificar para producir uranio-233, que luego se puede procesar en uranio altamente enriquecido, que se ha probado con armas de bajo rendimiento y no se ha probado a escala comercial.
Invertir en energías alternativas.
Como un sector económico emergente, hay oportunidades limitadas de inversión en el mercado de valores en energía alternativa disponible para el público en general. El público puede comprar acciones de compañías de energía alternativa de varios mercados de valores, con rendimientos tremendamente volátiles. La reciente oferta pública inicial de SolarCity demuestra la naturaleza naciente de este sector: en pocas semanas, ya había alcanzado el segundo límite máximo de mercado dentro del sector de energía alternativa.
Los inversores también pueden optar por invertir en ETF (fondos cotizados en bolsa) que rastrean un índice de energía alternativa, como el Índice de Nueva Energía WilderHill. Además, hay una serie de fondos mutuos, como el Fondo Mutual de Energía Alternativa Global de Calvert, que son un poco más proactivos al elegir las inversiones seleccionadas.
La economía de la energía solar fotovoltaica depende en gran medida de los precios del silicio e incluso las empresas cuyas tecnologías se basan en otros materiales (por ejemplo, First Solar) se ven afectadas por el equilibrio de la oferta y la demanda en el mercado del silicio. Además, debido a que algunas compañías venden células solares completas en el mercado abierto (por ejemplo, Q-Cells), esto crea una baja barrera de entrada para las empresas que desean fabricar módulos solares, lo que a su vez puede crear un entorno de precios irracional.
En contraste, como la energía eólica se ha aprovechado durante más de 100 años, su tecnología subyacente es relativamente estable. Su economía está determinada en gran medida por la ubicación (por ejemplo, qué tan fuerte sopla el viento y los requisitos de inversión de la red) y los precios del acero (el componente más grande de una turbina eólica) y compuestos seleccionados (utilizados para las palas). Debido a que las turbinas eólicas actuales a menudo superan los 100 metros de altura, la logística y una plataforma de fabricación global son fuentes importantes de ventaja competitiva. Estos temas y otros fueron explorados en un informe de investigación de Sanford Bernstein.
Energia alternativa en el transporte.
Debido a los precios del gas en constante aumento en 2008 con el precio promedio nacional de un galón de gasolina sin plomo que sube por encima de $ 4.00 en un punto, ha habido un movimiento constante hacia el desarrollo de mayor eficiencia de combustible y más vehículos de combustible alternativo para los consumidores. En respuesta, muchas empresas más pequeñas han aumentado rápidamente la investigación y el desarrollo en formas radicalmente diferentes de impulsar vehículos de consumo. Los vehículos eléctricos híbridos y con batería están disponibles comercialmente y están ganando aceptación en la industria y el consumidor en todo el mundo.
Por ejemplo, Nissan USA introdujo el primer vehículo eléctrico de producción en masa del mundo, el Nissan Leaf. Un automóvil híbrido enchufable, el Chevrolet Volt también se ha producido, utilizando un motor eléctrico para conducir las ruedas, y un pequeño motor de cuatro cilindros para generar electricidad adicional.
Hacer corriente alterna a la energía alternativa.
Antes de que la energía alternativa se convierta en una corriente principal, existen algunos obstáculos cruciales que debe superar. Primero, debe haber una mayor comprensión de cómo las energías alternativas son beneficiosas; en segundo lugar, los componentes de disponibilidad para estos sistemas deben aumentar; y por último el periodo de amortización debe ser disminuido.
Por ejemplo, los vehículos eléctricos (EV) y los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) están en aumento. La continua adopción de estos vehículos depende de la inversión en infraestructura de carga pública, así como de la implementación de mucha más energía alternativa para el transporte futuro.
Investigación
Existen numerosas organizaciones dentro del sector académico, federal y comercial que realizan investigaciones avanzadas a gran escala en el campo de la energía alternativa. Esta investigación abarca varias áreas de enfoque en todo el espectro de energía alternativa. La mayor parte de la investigación está dirigida a mejorar la eficiencia y aumentar el rendimiento energético general.
En los Estados Unidos, varias organizaciones de investigación con apoyo federal se han centrado en la energía alternativa en los últimos años. Dos de los laboratorios más destacados son Sandia National Laboratories y National Renewable Energy Laboratory (NREL), ambos financiados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y respaldados por diversos socios corporativos. Sandia tiene un presupuesto total de $ 2.4 mil millones, mientras que NREL tiene un presupuesto de $ 375 millones.
Con el aumento en los niveles de consumo de energía, se proyecta que los niveles aumentarían en un 21% en 2030. El costo de las energías renovables fue relativamente más barato en $ 2.5m / MW en comparación con los no renovables y 2.7m / MW. Evidentemente, el uso de energía renovable es un método rentable de obtención de energía. Además, su uso también prescinde de la compensación que ha existido entre la conservación del medio ambiente y el crecimiento económico.
Energía mecánica
La energía mecánica asociada con las actividades humanas, como la circulación sanguínea, la respiración, caminar, escribir y correr, es omnipresente, pero por lo general se desperdicia. Ha atraído una tremenda atención de investigadores de todo el mundo para encontrar métodos para eliminar esas energías mecánicas. La mejor solución actualmente es usar materiales piezoeléctricos, que pueden generar flujo de electrones cuando se deforman. Se han construido varios dispositivos que utilizan materiales piezoeléctricos para recoger energía mecánica. Teniendo en cuenta que la constante piezoeléctrica del material juega un papel crítico en el rendimiento general de un dispositivo piezoeléctrico, una dirección crítica de investigación para mejorar la eficiencia del dispositivo es encontrar nuevo material de gran respuesta piezoeléctrica. El Titano de Niobato de Plomo y Magnesio de Plomo (PMN-PT) es un material piezoeléctrico de próxima generación con una constante piezoeléctrica súper alta cuando se obtiene una composición y orientación ideales. En 2012, los nanocables PMN-PT con una constante piezoeléctrica muy alta se fabricaron mediante un enfoque hidrotermal y luego se ensamblaron en un dispositivo de recolección de energía. La constante piezoeléctrica récord se mejoró aún más mediante la fabricación de un nanobelt PMN-PT de un solo cristal, que luego se utilizó como el bloque de construcción esencial para un nanogenerador piezoeléctrico.
Solar
La energía solar se puede usar para calentar, enfriar o generar energía eléctrica usando el sol.
El calor solar se ha empleado durante mucho tiempo en edificios pasivos y con calefacción activa, así como en sistemas de calefacción urbana. Ejemplos de estos últimos son Drake Landing Solar Community en Alberta, Canadá, y numerosos sistemas de distrito en Dinamarca y Alemania. En Europa, hay dos programas para la aplicación de calor solar: el Solar District Heating (SDH) y el programa de Calefacción y refrigeración solar (SHC) de la Agencia Internacional de Energía.
Los obstáculos que impiden la implementación a gran escala de la generación de energía con energía solar es la ineficiencia de la tecnología solar actual y el costo. Actualmente, los paneles fotovoltaicos (FV) solo tienen la capacidad de convertir alrededor del 16% de la luz solar que los golpea en electricidad.
Tanto el Laboratorio Nacional de Sandia como el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL, por sus siglas en inglés) han financiado programas de investigación solar. El programa solar NREL tiene un presupuesto de alrededor de $ 75 millones y desarrolla proyectos de investigación en las áreas de tecnología fotovoltaica (PV), energía solar térmica y radiación solar. El presupuesto para la división solar de Sandia es desconocido, sin embargo, representa un porcentaje significativo del presupuesto de $ 2.4 mil millones del laboratorio.
Varios programas académicos se han centrado en la investigación solar en los últimos años. El Centro de Investigación de Energía Solar (SERC) en la Universidad de Carolina del Norte (UNC) tiene el único propósito de desarrollar una tecnología solar rentable. En 2008, los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) desarrollaron un método para almacenar energía solar al usarla para producir hidrógeno a partir de agua. Dicha investigación está dirigida a abordar el obstáculo que enfrenta el desarrollo solar para almacenar energía para su uso durante las horas nocturnas cuando el sol no está brillando. El Proyecto de Demostración Nacional de Transmisión y Almacenamiento de Energía y Viento y Zhangebei, al noroeste de Beijing, utiliza baterías para almacenar 71 MWh, integrando energía eólica y solar en la red con regulación de frecuencia y voltaje.
En febrero de 2012, Semprius Inc., con sede en Carolina del Norte, una empresa de desarrollo solar respaldada por la empresa alemana Siemens, anunció que habían desarrollado el panel solar más eficiente del mundo. La compañía afirma que el prototipo convierte el 33.9% de la luz solar que recibe electricidad, más del doble que la tasa de conversión de alto nivel anterior.
Viento
La investigación sobre energía eólica se remonta varias décadas a la década de 1970, cuando la NASA desarrolló un modelo analítico para predecir la generación de energía de las turbinas eólicas durante los fuertes vientos. En la actualidad, tanto Sandia National Laboratories como el National Renewable Energy Laboratory tienen programas dedicados a la investigación del viento. El laboratorio de Sandia se centra en el avance de los materiales, la aerodinámica y los sensores. Los proyectos eólicos de NREL se centran en mejorar la producción de energía de las plantas eólicas, reducir sus costos de capital y hacer que la energía eólica sea más rentable en general.
El Laboratorio de Campo para Energía Eólica Optimizada (FLOWE) en Caltech se estableció para investigar enfoques alternativos a las prácticas de tecnología de agricultura eólica que tienen el potencial de reducir el costo, el tamaño y el impacto ambiental de la producción de energía eólica.
Las energías renovables, como la eólica, solar, biomasa y geotérmica combinadas, suministraron el 1,3% del consumo mundial de energía final en 2013.
Biomasa
La biomasa puede considerarse como un «material biológico» derivado de organismos vivos o recientemente vivos. Con mayor frecuencia se refiere a plantas o materiales derivados de plantas que se denominan específicamente biomasa lignocelulósica. Como fuente de energía, la biomasa puede usarse directamente a través de la combustión para producir calor, o indirectamente después de convertirla en diversas formas de biocombustible. La conversión de biomasa en biocombustible se puede lograr mediante diferentes métodos que se clasifican ampliamente en: métodos térmicos, químicos y bioquímicos. La madera sigue siendo la mayor fuente de energía de biomasa en la actualidad; los ejemplos incluyen residuos forestales (como árboles muertos, ramas y tocones de árboles), recortes de jardín, astillas de madera e incluso desechos sólidos municipales. En el segundo sentido, la biomasa incluye materia vegetal o animal que puede convertirse en fibras u otros productos químicos industriales, incluidos los biocombustibles. La biomasa industrial puede cultivarse a partir de numerosos tipos de plantas, incluyendo miscanthus, switchgrass, cáñamo, maíz, álamo, sauce, sorgo, caña de azúcar, bambú y una variedad de especies arbóreas, que van desde el eucalipto hasta la palma aceitera (aceite de palma).
La biomasa, el biogás y los biocombustibles se queman para producir calor / energía y, al hacerlo, dañan el medio ambiente. Los contaminantes como los óxidos sulfurosos (SOx), los óxidos nitrosos (NOx) y las partículas en suspensión (PM) se producen a partir de esta combustión. La Organización Mundial de la Salud estima que 7 millones de muertes prematuras son causadas cada año por la contaminación del aire, y la combustión de la biomasa es uno de los principales contribuyentes. El uso de biomasa es carbono neutral con el tiempo, pero es similar a la quema de combustibles fósiles.
Biocombustibles de etanol
Como la principal fuente de biocombustibles en América del Norte, muchas organizaciones están realizando investigaciones en el área de producción de etanol. A nivel federal, el USDA realiza una gran cantidad de investigaciones sobre la producción de etanol en los Estados Unidos. Gran parte de esta investigación está dirigida hacia el efecto de la producción de etanol en los mercados nacionales de alimentos.
El Laboratorio Nacional de Energía Renovable ha realizado varios proyectos de investigación de etanol, principalmente en el área del etanol celulósico. El etanol celulósico tiene muchos beneficios sobre el etanol a base de maíz tradicional. No elimina ni entra en conflicto directo con el suministro de alimentos porque se produce a partir de madera, hierbas o partes no comestibles de las plantas. Además, algunos estudios han demostrado que el etanol celulósico es más rentable y económicamente sostenible que el etanol a base de maíz. Sandia National Laboratories realiza investigación interna de etanol celulósico y también es miembro del Joint BioEnergy Institute (JBEI), un instituto de investigación fundado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos con el objetivo de desarrollar biocombustibles celulósicos.
Otros biocombustibles
De 1978 a 1996, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable experimentó con el uso de algas como fuente de biocombustibles en el «Programa de Especies Acuáticas». Un artículo auto publicado por Michael Briggs, en el Grupo de Biocombustibles de la Universidad de New Hampshire, ofrece estimaciones para el reemplazo realista de todos los combustibles para vehículos motorizados por biocombustibles utilizando algas que tienen un contenido de aceite natural superior al 50%, lo que Briggs sugiere puede ser Crecen en estanques de algas en plantas de tratamiento de aguas residuales. Estas algas ricas en petróleo pueden luego extraerse del sistema y transformarse en biocombustibles, y el residuo seco se vuelve a procesar para crear etanol.
La producción de algas para cosechar petróleo para biocombustibles aún no se ha llevado a cabo a escala comercial, pero se han llevado a cabo estudios de factibilidad para llegar a la estimación del rendimiento anterior. Además de su alto rendimiento proyectado, la algacultura -a diferencia de los biocombustibles basados en cultivos alimentarios- no implica una disminución en la producción de alimentos, ya que no requiere ni tierras de cultivo ni agua dulce. Muchas empresas están buscando bio-reactores de algas para diversos propósitos, incluyendo la ampliación de la producción de biocombustibles a niveles comerciales.
Varios grupos en varios sectores están llevando a cabo investigaciones sobre Jatropha curcas, un arbusto venenoso parecido al arbusto que produce semillas consideradas por muchos como una fuente viable de aceite de alimentación de biocombustibles. Gran parte de esta investigación se centra en mejorar el rendimiento total de aceite por hectárea de Jatropha a través de avances en genética, ciencias del suelo y prácticas hortícolas. SG Biofuels, un desarrollador de Jatropha con sede en San Diego, ha utilizado la mejora molecular y la biotecnología para producir semillas híbridas de élite de Jatropha que muestran mejoras de rendimiento significativas sobre las variedades de primera generación. El Centro para la Agricultura de Energía Sostenible (CfSEF) es una organización de investigación sin fines de lucro con sede en Los Ángeles dedicada a la investigación de Jatropha en las áreas de la ciencia de las plantas, la agronomía y la horticultura. Se proyecta que la exploración exitosa de estas disciplinas aumentará los rendimientos de la producción de la granja Jatropha en un 200-300% en los próximos diez años.
Geotermia
La energía geotérmica se produce al aprovechar el calor dentro de la corteza terrestre. Se considera sostenible porque esa energía térmica se repone constantemente. Sin embargo, la ciencia de la generación de energía geotérmica es aún joven y está desarrollando la viabilidad económica. Varias entidades, como el Laboratorio Nacional de Energía Renovable y los Laboratorios Nacionales Sandia están realizando investigaciones hacia el objetivo de establecer una ciencia probada en torno a la energía geotérmica. El Centro Internacional de Investigación Geotérmica (IGC), una organización alemana de investigación en geociencias, se centra principalmente en la investigación del desarrollo de energía geotérmica.
Hidrógeno
Se han gastado más de $ 1 mil millones en la investigación y desarrollo de combustible de hidrógeno en los Estados Unidos. Tanto el Laboratorio Nacional de Energía Renovable como los Laboratorios Nacionales Sandia tienen departamentos dedicados a la investigación del hidrógeno. Gran parte de este trabajo se centra en el almacenamiento de hidrógeno y las tecnologías de pilas de combustible.