L’energia alternativa è qualsiasi fonte di energia che sia un’alternativa al combustibile fossile. Queste alternative hanno lo scopo di affrontare le preoccupazioni sui combustibili fossili, come le sue elevate emissioni di anidride carbonica, un fattore importante nel riscaldamento globale. L’energia marina, l’energia idroelettrica, eolica, geotermica e solare sono tutte fonti di energia alternative.

La natura di ciò che costituisce una fonte di energia alternativa è cambiata considerevolmente nel tempo, così come le controversie sull’uso dell’energia. A causa della varietà di scelte energetiche e dei diversi obiettivi dei loro sostenitori, la definizione di alcuni tipi di energia come “alternativa” è considerata molto controversa.

Tipi esistenti di energia alternativa
L’energia idroelettrica cattura l’energia dall’acqua che cade.
L’energia nucleare usa la fissione nucleare per liberare energia immagazzinata nei legami atomici di elementi pesanti.
L’energia eolica è la generazione di elettricità dal vento, comunemente utilizzando turbine simili ad eliche.
L’energia solare è l’uso di energia dal sole. Il calore del sole può essere utilizzato per applicazioni solari termiche o la luce può essere convertita in energia elettrica tramite dispositivi fotovoltaici.
L’energia geotermica è l’uso del calore interno della terra per far bollire l’acqua per riscaldare edifici o per generare elettricità.
Il biocarburante e l’etanolo sono sostituti della benzina derivati ​​dalle piante per alimentare i veicoli.
L’idrogeno può essere utilizzato come vettore di energia, prodotto da varie tecnologie come il cracking di idrocarburi o l’elettrolisi dell’acqua.

Tecnologie abilitanti
Gli impianti di condizionamento del ghiaccio e gli accumulatori di calore sono metodi per spostare il consumo verso l’uso di elettricità a basso costo. Rispetto al riscaldamento a resistenza, le pompe di calore conservano l’energia elettrica (o in rari casi la potenza meccanica o termica) raccogliendo calore da una fonte fredda come un corpo idrico, il terreno o l’aria.

Le tecnologie di accumulo termico consentono di conservare il calore o il freddo per periodi di tempo che vanno da diurno a intermodale e possono comportare l’immagazzinamento di energia sensibile (cioè modificando la temperatura di un mezzo) o energia latente (ad esempio attraverso i cambi di fase di un mezzo (es. cambia da solido a liquido o viceversa), ad esempio tra acqua e fango o ghiaccio). Le fonti di energia possono essere naturali (tramite collettori solari termici, o torri di raffreddamento a secco usate per raccogliere il freddo invernale), energia di scarto (come da apparecchiature HVAC, processi industriali o centrali elettriche) o energia in eccesso (come stagionalmente da progetti idroelettrici o a intermittenza dai parchi eolici). La Drake Landing Solar Community (Alberta, Canada) è illustrativa. L’accumulo di energia termica nel pozzo consente alla comunità di ottenere il 97% del suo calore durante tutto l’anno dai collettori solari sui tetti del garage. I depositi possono essere serbatoi isolati, grappoli di trivellazione in substrati che vanno dalla ghiaia alla roccia fresca, falde acquifere profonde o pozzi poco profondi che sono allineati e isolati. Alcune applicazioni richiedono l’inclusione di una pompa di calore.

Energia rinnovabile vs energia non rinnovabile
L’energia rinnovabile viene generata da risorse naturali come la luce solare, il vento, la pioggia, le maree e il calore geotermico, che sono rinnovabili (naturalmente rifornite). Quando si confrontano i processi per produrre energia, rimangono alcune differenze fondamentali tra energia rinnovabile e combustibili fossili. Il processo di produzione di petrolio, carbone o gas naturale è un processo difficile e impegnativo che richiede una grande quantità di attrezzature complesse, processi fisici e chimici. D’altra parte, l’energia alternativa può essere ampiamente prodotta con attrezzature di base e processi naturali. Il legno, il combustibile alternativo più rinnovabile e disponibile, emette la stessa quantità di carbonio quando viene bruciato come sarebbe emesso se degradasse in modo naturale. L’energia nucleare è un’alternativa ai combustibili fossili non rinnovabili, come i combustibili fossili, quelli nucleari sono una risorsa limitata.

Alternative ecologicamente amichevoli
Una fonte di energia rinnovabile come la biomassa è talvolta considerata una buona alternativa al riscaldamento e all’elettricità con i combustibili fossili. I biocarburanti non sono intrinsecamente ecologici per questo scopo, mentre la combustione delle biomasse è a emissioni zero, l’inquinamento atmosferico è ancora prodotto. Ad esempio, i Paesi Bassi, una volta leader nell’uso dell’olio di palma come biocarburante, hanno sospeso tutti i sussidi per l’olio di palma a causa delle prove scientifiche che il loro uso “può talvolta creare più danni ambientali rispetto ai combustibili fossili”. Il governo olandese e i gruppi ambientalisti stanno cercando di rintracciare le origini dell’olio di palma importato, per certificare quali operazioni producono l’olio in modo responsabile. Per quanto riguarda i biocarburanti dai prodotti alimentari, la consapevolezza che la conversione dell’intero raccolto di cereali degli Stati Uniti avrebbe prodotto solo il 16% del fabbisogno di carburante per autotrazione e la decimazione delle foreste pluviali tropicali che assorbono CO2 dal Brasile per far posto alla produzione di biocarburanti ha chiarito che l’immissione di energia i mercati in concorrenza con i mercati alimentari provocano prezzi alimentari più elevati e un impatto insignificante o negativo su questioni energetiche come il riscaldamento globale o la dipendenza dall’energia straniera. Recentemente, sono state ricercate alternative a tali combustibili sostenibili indesiderabili, come fonti commercialmente valide di etanolo cellulosico.

Concetti relativamente nuovi per l’energia alternativa

Carburanti neutri e negativi al carbonio
I carburanti neutrali dal punto di vista del carbonio sono combustibili sintetici (compresi metano, benzina, gasolio, carburanti o ammoniaca) prodotti da rifiuti di idrogenazione anidride carbonica riciclati dalle emissioni di gas di scarico delle centrali elettriche, recuperati dai gas di scarico dei veicoli o derivati ​​dall’acido carbonico nell’acqua di mare. Le compagnie di sintesi del combustibile commerciale suggeriscono di poter produrre combustibili sintetici per meno dei combustibili del petrolio quando il petrolio costa più di $ 55 al barile. Il metanolo rinnovabile (RM) è un combustibile prodotto da idrogeno e anidride carbonica mediante idrogenazione catalitica in cui l’idrogeno è stato ottenuto dall’elettrolisi dell’acqua. Può essere miscelato in carburante per il trasporto o trasformato come materia prima chimica.

L’impianto di riciclaggio del biossido di carbonio di George Olah gestito da Carbon Recycling International a Grindavík, in Islanda, produce dal 2011 circa 2 milioni di litri di carburante per il trasporto di metanolo dai gas di scarico della centrale di Svartsengi. Ha la capacità di produrre 5 milioni di litri all’anno . Un impianto di sintesi del metano da 250 chilowatt è stato costruito dal Centro per l’energia solare e la ricerca sull’idrogeno (ZSW) nel Baden-Württemberg e la Fraunhofer Society in Germania ed è entrato in funzione nel 2010. È in fase di potenziamento a 10 megawatt, previsto in autunno, 2012. A Werlte, in Germania, Audi ha realizzato uno stabilimento a gas naturale liquefatto (LNG) a emissioni zero. L’impianto è destinato alla produzione di carburante per il trasporto per compensare il GNL utilizzato nelle loro vetture A3 Sportback g-tron e può mantenere ogni anno 2.800 tonnellate di CO2 fuori dall’ambiente alla sua capacità iniziale. Altri sviluppi commerciali si stanno verificando in Colombia, Carolina del Sud, Camarillo, California e Darlington, in Inghilterra.

Tali carburanti sono considerati neutrali dal punto di vista del carbonio poiché non comportano un aumento netto dei gas serra dell’atmosfera. Nella misura in cui i combustibili sintetici sostituiscono i combustibili fossili, o se sono prodotti da carbone carbonico o acido carbonico di acqua di mare, e la loro combustione è soggetta a cattura di carbonio alla canna fumaria o allo scarico, provocano emissioni di biossido di carbonio e rimozione netta di biossido di carbonio dall’atmosfera, e quindi costituiscono una forma di bonifica dei gas a effetto serra.

Tali carburanti rinnovabili alleggeriscono i costi e le questioni di dipendenza dei combustibili fossili importati senza richiedere né l’elettrificazione del parco veicoli né la conversione all’idrogeno o ad altri combustibili, consentendo veicoli continui compatibili e accessibili. I combustibili neutri dal punto di vista del carbonio offrono uno stoccaggio di energia a costo relativamente basso, alleviano i problemi di intermittenza del vento e del sole e consentono la distribuzione di energia eolica, idrica e solare attraverso i gasdotti esistenti.

L’energia eolica notturna è considerata la forma più economica di energia elettrica con cui sintetizzare il carburante, perché la curva di carico per l’elettricità raggiunge bruscamente durante il giorno, ma il vento tende a soffiare leggermente di più durante la giornata, quindi il prezzo della notte l’energia eolica è spesso molto meno costosa di qualsiasi altra alternativa. La Germania ha costruito un impianto di metano sintetico da 250 kilowatt che sta scalando fino a 10 megawatt.

Carburante alle alghe
Il combustibile a base di alghe è un biocarburante derivato dalle alghe. Durante la fotosintesi, alghe e altri organismi fotosintetici catturano anidride carbonica e luce solare e la trasformano in ossigeno e biomassa. Questo di solito viene fatto posizionando le alghe tra due lastre di vetro. Le alghe creano tre forme di combustibile energetico: il calore (dal suo ciclo di crescita), il biocarburante (il “petrolio” naturale derivato dalle alghe) e la biomassa (dalle alghe stesse, quando viene raccolto alla maturità).

Il calore può essere utilizzato per alimentare i sistemi di costruzione (come l’acqua del processo termico) o per produrre energia. Il biocarburante è l’olio estratto dalle alghe alla scadenza e utilizzato per creare energia simile all’uso del biodiesel. La biomassa è la materia rimasta dopo aver estratto l’olio e l’acqua, e può essere raccolta per produrre metano combustibile per la produzione di energia, simile al calore percepito in un cumulo di compost o al metano raccolto da materiali biodegradabili in una discarica. Inoltre, i benefici del biocarburante alle alghe sono che può essere prodotto industrialmente, così come verticalmente (cioè come facciata di un edificio), ovviando così all’uso di terreni arabili e colture alimentari (come la soia, la palma e la colza).

Bricchetti di biomassa
Le bricchette di biomassa vengono sviluppate nei paesi in via di sviluppo come alternativa al carbone di legna. La tecnica prevede la conversione di quasi tutte le materie vegetali in bricchette compresse che in genere hanno circa il 70% del potere calorifico del carbone. Ci sono relativamente pochi esempi di produzione di bricchetti su larga scala. Un’eccezione è nel Nord Kivu, nella parte orientale della Repubblica Democratica del Congo, dove l’eliminazione delle foreste per la produzione di carbone è considerata la più grande minaccia per l’habitat dei gorilla di montagna. Lo staff del Parco Nazionale Virunga ha addestrato e attrezzato con successo oltre 3500 persone per produrre mattonelle di biomassa, sostituendo in tal modo il carbone prodotto illegalmente all’interno del parco nazionale e creando un impiego significativo per le persone che vivono in condizioni di estrema povertà nelle aree colpite dal conflitto.

Digestione di biogas
La digestione di biogas sfrutta il gas metano che viene rilasciato quando i rifiuti organici si rompono in un ambiente anaerobico. Questo gas può essere recuperato dalle discariche o dai sistemi fognari. Il gas può essere utilizzato come combustibile per il riscaldamento o, più comunemente, per la generazione di elettricità. Il gas metano che viene raccolto e raffinato può essere utilizzato come fonte di energia per vari prodotti.

Produzione biologica di idrogeno
L’idrogeno è un combustibile completamente pulito; il suo unico sottoprodotto è l’acqua. Contiene anche una quantità relativamente alta di energia rispetto ad altri combustibili a causa della sua struttura chimica.

2H2 + O2 → 2H2O + alta energia

Alta energia + 2H2O → 2H2 + O2

Ciò richiede un input ad alta energia, rendendo l’idrogeno commerciale molto inefficiente. L’uso di un vettore biologico come mezzo per dividere l’acqua e quindi produrre gas idrogeno, consentirebbe che l’unica fonte di energia sia la radiazione solare. I vettori biologici possono includere batteri o più comunemente alghe. Questo processo è noto come produzione biologica di idrogeno. Richiede l’uso di organismi unicellulari per creare gas idrogeno attraverso la fermentazione. Senza la presenza di ossigeno, noto anche come ambiente anaerobico, la regolare respirazione cellulare non può aver luogo e un processo noto come fermentazione prende il sopravvento. Un importante sottoprodotto di questo processo è l’idrogeno gassoso. Se questo potrebbe essere implementato su larga scala, la luce solare, i nutrienti e l’acqua potrebbero creare gas idrogeno da utilizzare come fonte di energia densa. La produzione su larga scala si è rivelata difficile. Non fino al 1999, era persino possibile indurre queste condizioni anaerobiche con la privazione di zolfo. Poiché il processo di fermentazione è un backup evolutivo, attivato durante lo stress, le cellule morirebbero dopo pochi giorni. Nel 2000 è stato sviluppato un processo a due stadi per portare le cellule dentro e fuori dalle condizioni anaerobiche e quindi mantenerle in vita. Negli ultimi dieci anni, l’obiettivo principale della ricerca è stato trovare un modo per farlo su larga scala. Si sta facendo un lavoro attento per garantire un processo efficiente prima della produzione su larga scala, tuttavia una volta sviluppato un meccanismo, questo tipo di produzione potrebbe risolvere il nostro fabbisogno energetico.

Energia idroelettrica
L’energia idroelettrica ha fornito il 75% dell’elettricità prodotta da fonti rinnovabili nel 2013. Gran parte dell’elettricità utilizzata oggi è il risultato dell’apogeo dello sviluppo idroelettrico convenzionale tra il 1960 e il 1980, che è praticamente cessato in Europa e Nord America a causa di problemi ambientali. A livello globale c’è una tendenza verso più energia idroelettrica. Dal 2004 al 2014 la capacità installata è passata da 715 a 1.055 GW. Un’alternativa popolare alle grandi dighe del passato è l’acqua del fiume dove non c’è acqua immagazzinata dietro una diga e la generazione di solito varia con le piogge stagionali. L’utilizzo del run-of-the-river nelle stagioni umide e solare nelle stagioni secche può bilanciare le variazioni stagionali per entrambi. Un altro allontanamento dalle grandi dighe è piccolo idro, questi tendono ad essere situati in alto sugli affluenti, piuttosto che sui fiumi principali nei fondovalle.

Vento offshore
I parchi eolici offshore sono simili ai parchi eolici terrestri, ma si trovano sull’oceano. I parchi eolici offshore possono essere collocati in acque profonde fino a 40 metri (130 piedi), mentre le turbine eoliche galleggianti possono galleggiare in acque fino a 700 metri (2300 piedi) di profondità. Il vantaggio di avere un parco eolico galleggiante è quello di essere in grado di sfruttare i venti dall’oceano aperto. Senza ostacoli come colline, alberi ed edifici, i venti provenienti dall’oceano aperto possono raggiungere velocità fino a due volte più veloci delle aree costiere.

Una produzione significativa di energia eolica offshore contribuisce già al fabbisogno di elettricità in Europa e in Asia e ora i primi parchi eolici offshore sono in fase di sviluppo nelle acque degli Stati Uniti. Mentre l’industria eolica offshore è cresciuta drammaticamente negli ultimi decenni, specialmente in Europa, c’è ancora incertezza legata al modo in cui la costruzione e il funzionamento di questi parchi eolici influenzano gli animali marini e l’ambiente marino.

Le turbine eoliche tradizionali offshore sono collegate al fondale marino in acque meno profonde all’interno dell’ambiente marino vicino. Con l’avanzare delle tecnologie eoliche offshore, le strutture galleggianti hanno iniziato a essere utilizzate in acque più profonde dove esistono più risorse eoliche.

Energia marina ed idrocinetica
Lo sviluppo di energia marina e idrocinetica (MHK) o marino include progetti che utilizzano i seguenti dispositivi:

Il moto ondoso è il trasporto di energia da parte delle onde del vento e la cattura di quell’energia per fare un lavoro utile – ad esempio, generazione di elettricità o pompaggio di acqua in serbatoi. Una macchina in grado di sfruttare le onde significative in aree costiere aperte è generalmente nota come convertitore di energia delle onde.
Le turbine delle maree sono collocate nelle aree costiere e di estuario e i flussi giornalieri sono abbastanza prevedibili.
Turbine in-stream in fiumi veloci
Turbine oceaniche in aree con forti correnti marine
Convertitori di energia termica oceanica in acque profonde tropicali.

Energia nucleare
Nell’anno 2015 sono entrati in linea dieci nuovi reattori e altri 67 sono in costruzione, compresi i primi otto nuovi reattori di generazione III + AP1000 negli Stati Uniti e in Cina e i primi quattro nuovi reattori EPR di terza generazione in Finlandia, Francia e Cina. I reattori sono anche in costruzione in Bielorussia, Brasile, India, Iran, Giappone, Pakistan, Russia, Slovacchia, Corea del Sud, Turchia, Ucraina e Emirati Arabi Uniti.

Potere nucleare del torio
Il torio è un materiale fissile per un possibile uso futuro in un reattore a base di torio. I fautori dei reattori di torio rivendicano diversi potenziali vantaggi rispetto a un ciclo del combustibile dell’uranio, come la maggiore abbondanza di torio, una migliore resistenza alla proliferazione delle armi nucleari e una riduzione della produzione di plutonio e attinide. I reattori di torio possono essere modificati per produrre l’uranio-233, che può quindi essere trasformato in uranio altamente arricchito, che è stato testato in armi a basso rendimento, e non è provato su scala commerciale.

Investire in energie alternative
In quanto settore economico emergente, esistono opportunità limitate di investimento in borsa per l’energia alternativa a disposizione del grande pubblico. Il pubblico può acquistare azioni di società di energia alternativa da vari mercati azionari, con rendimenti estremamente volatili. La recente IPO di SolarCity dimostra la nascente natura di questo settore, che nel giro di poche settimane aveva già raggiunto la seconda maggiore capitalizzazione di mercato nel settore delle energie alternative.

Gli investitori possono anche scegliere di investire in ETF (fondi negoziati in borsa) che tracciano un indice di energia alternativa, come il WilderHill New Energy Index. Inoltre, vi sono numerosi fondi comuni di investimento, come il Fondo comune di investimento alternativo globale di Calvert, che sono un po ‘più proattivi nella scelta degli investimenti selezionati.

L’economia dell’elettricità solare fotovoltaica dipende in larga misura dalla determinazione del prezzo del silicio e anche le società le cui tecnologie si basano su altri materiali (ad es. First Solar) sono influenzate dall’equilibrio tra offerta e domanda nel mercato del silicio. Inoltre, poiché alcune aziende vendono celle solari complete sul mercato aperto (ad es. Q-Cells), ciò crea una barriera bassa all’ingresso per le aziende che desiderano produrre moduli solari, che a loro volta possono creare un ambiente di prezzi irragionevoli.

Al contrario, poiché l’energia eolica è stata sfruttata per oltre 100 anni, la sua tecnologia di base è relativamente stabile. Le sue economie sono in gran parte determinate dall’ubicazione (ad es., Quanto duro soffia il vento e le esigenze di investimento della rete) e dai prezzi dell’acciaio (il componente più grande di una turbina eolica) e da materiali selezionati (usati per le pale). Poiché le attuali turbine eoliche sono spesso superiori ai 100 metri di altezza, la logistica e una piattaforma di produzione globale sono le principali fonti di vantaggio competitivo. Questi problemi e altri sono stati esaminati in un rapporto di ricerca di Sanford Bernstein.

Energia alternativa nei trasporti
A causa del costante aumento dei prezzi del gas nel 2008 con il prezzo medio nazionale al gallone del gas normale senza piombo che sale sopra i $ 4,00 ad un certo punto, c’è stato un costante movimento verso lo sviluppo di una maggiore efficienza del carburante e più veicoli alternativi per i consumatori. In risposta, molte aziende più piccole hanno rapidamente aumentato la ricerca e lo sviluppo in modi radicalmente diversi di alimentare i veicoli dei consumatori. I veicoli elettrici ibridi e a batteria sono commercialmente disponibili e stanno conquistando un mercato più vasto e l’accettazione da parte dei consumatori in tutto il mondo.

Ad esempio, Nissan USA ha introdotto il primo veicolo elettrico al mondo di produzione in serie, Nissan Leaf. Un’auto ibrida plug-in, anche la Chevrolet Volt è stata prodotta, utilizzando un motore elettrico per azionare le ruote, e un piccolo motore a quattro cilindri per generare elettricità aggiuntiva.

Rendere l’energia alternativa mainstream
Prima che l’energia alternativa diventi mainstream, ci sono alcuni ostacoli cruciali che deve essere superata. Per prima cosa deve esserci una maggiore comprensione di come le energie alternative siano benefiche; in secondo luogo, i componenti di disponibilità per questi sistemi devono aumentare; e infine il periodo di ammortamento deve essere diminuito.

Ad esempio, i veicoli elettrici (EV) ei veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) sono in aumento. La continua adozione di questi veicoli dipende dagli investimenti nell’infrastruttura di ricarica pubblica e dall’implementazione di molta più energia alternativa per i futuri trasporti.

Ricerca
Ci sono numerose organizzazioni nei settori accademico, federale e commerciale che conducono ricerche avanzate su larga scala nel campo delle energie alternative. Questa ricerca si estende su diverse aree di interesse attraverso lo spettro di energie alternative. La maggior parte della ricerca è mirata a migliorare l’efficienza e aumentare i rendimenti energetici complessivi.

Negli Stati Uniti, diverse organizzazioni di ricerca supportate a livello federale si sono concentrate sull’energia alternativa negli ultimi anni. Due dei più importanti di questi laboratori sono Sandia National Laboratories e National Renewable Energy Laboratory (NREL), entrambi finanziati dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e supportati da vari partner aziendali. Sandia ha un budget totale di $ 2,4 miliardi mentre NREL ha un budget di $ 375 milioni.

Con l’aumento dei livelli di consumo di energia, si prevede che i livelli aumenterebbero del 21% nel 2030. Il costo delle energie rinnovabili era relativamente più economico a $ 2,5 milioni / MW rispetto alle non rinnovabili e 2,7 milioni / MW. Evidentemente, l’uso di energia rinnovabile è un metodo economicamente efficace per ottenere energia. Inoltre, il loro uso dispensa anche il trade-off che è esistito tra conservazione ambientale e crescita economica.

Energia meccanica
L’energia meccanica associata alle attività umane come la circolazione sanguigna, la respirazione, la deambulazione, la dattilografia e la corsa, è onnipresente ma solitamente sprecata. Ha attratto un’enorme attenzione da parte dei ricercatori di tutto il mondo per trovare metodi per eliminare tali energie meccaniche. La migliore soluzione attualmente è usare materiali piezoelettrici, che possono generare flussi di elettroni quando deformati. Vari dispositivi che utilizzano materiali piezoelettrici sono stati costruiti per raccogliere energia meccanica. Considerando che la costante piezoelettrica del materiale svolge un ruolo critico nelle prestazioni complessive di un dispositivo piezoelettrico, una direzione di ricerca critica per migliorare l’efficienza del dispositivo è quella di trovare nuovo materiale di grande risposta piezoelettrica. Il piombo titanio del niobato di magnesio (PMN-PT) è un materiale piezoelettrico di nuova generazione con una costante piezoelettrica super elevata quando si ottengono la composizione e l’orientamento ideali. Nel 2012, i nanofili PMN-PT con una costante piezoelettrica molto alta sono stati fabbricati con un approccio idro-termico e poi assemblati in un dispositivo di raccolta dell’energia. La costante piezoelettrica record-record è stata ulteriormente migliorata dalla fabbricazione di un nanobelt PMN-PT monocristallino, che è stato poi utilizzato come elemento essenziale per un nanogeneratore piezoelettrico.

Solare
L’energia solare può essere utilizzata per il riscaldamento, il raffreddamento o la produzione di energia elettrica usando il sole.

Il calore solare è stato a lungo impiegato negli edifici riscaldati passivamente e attivamente, così come nei sistemi di teleriscaldamento. Esempi di questi ultimi sono la Drake Landing Solar Community è Alberta, Canada, e numerosi sistemi distrettuali in Danimarca e Germania. In Europa, ci sono due programmi per l’applicazione del calore solare: il Solar District Heating (SDH) e il programma Solar Heating and Cooling (SHC) dell’Agenzia internazionale dell’energia.

Gli ostacoli che impediscono l’implementazione su larga scala della generazione di energia ad energia solare sono l’inefficienza dell’attuale tecnologia solare e il costo. Attualmente, i pannelli fotovoltaici (PV) hanno solo la capacità di convertire circa il 16% della luce solare che li colpisce in elettricità.

Sia i Sandia National Laboratories che il National Renewable Energy Laboratory (NREL), hanno pesantemente finanziato programmi di ricerca solare. Il programma solare NREL ha un budget di circa 75 milioni di dollari e sviluppa progetti di ricerca nei settori della tecnologia fotovoltaica (PV), dell’energia solare termica e della radiazione solare. Il budget per la divisione solare di Sandia è sconosciuto, ma rappresenta una percentuale significativa del budget di $ 2,4 miliardi del laboratorio.

Diversi programmi accademici si sono concentrati sulla ricerca solare negli ultimi anni. Il Solar Energy Research Center (SERC) della University of North Carolina (UNC) ha come unico scopo lo sviluppo di una tecnologia solare economica. Nel 2008, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato un metodo per immagazzinare l’energia solare utilizzandola per produrre idrogeno dall’acqua. Tale ricerca è mirata ad affrontare l’ostacolo che lo sviluppo solare deve affrontare nello stoccaggio di energia da utilizzare durante le ore notturne quando il sole non splende. Lo Zhangebei National Wind e Solar Energy Storage and Transmission Demonstration Project, a nord-ovest di Pechino, utilizza batterie per immagazzinare 71 MWh, integrando l’energia eolica e solare sulla rete con regolazione della frequenza e della tensione.

Nel febbraio del 2012, la Semprius Inc., una società di sviluppo solare sostenuta dalla società tedesca Siemens, ha annunciato di aver sviluppato il pannello solare più efficiente del mondo. La società afferma che il prototipo converte il 33,9% della luce solare che lo colpisce per l’elettricità, più del doppio del precedente tasso di conversione di fascia alta.

Vento
La ricerca sull’energia eolica risale a diversi decenni fino agli anni ’70, quando la NASA sviluppò un modello analitico per prevedere la produzione di energia eolica durante i venti forti. Oggi, sia Sandia National Laboratories che National Renewable Energy Laboratory hanno programmi dedicati alla ricerca eolica. Il laboratorio di Sandia si concentra sull’avanzamento di materiali, aerodinamica e sensori. I progetti eolici NREL sono incentrati sul miglioramento della produzione di energia da centrali eoliche, sulla riduzione dei loro costi di capitale e sull’efficacia generale del costo dell’energia eolica.

Il laboratorio sul campo per l’energia eolica ottimizzata (FLOWE) di Caltech è stato istituito per la ricerca di approcci alternativi alle pratiche di tecnologia per l’energia eolica che hanno il potenziale per ridurre i costi, le dimensioni e l’impatto ambientale della produzione di energia eolica.

Le energie rinnovabili come l’energia eolica, solare, biomassa e geotermica, hanno fornito l’1,3% del consumo energetico finale globale nel 2013.

biomassa
La biomassa può essere considerata come “materiale biologico” derivato da organismi viventi o recentemente viventi. Si riferisce più spesso a piante o materiali derivati ​​da piante che sono specificamente chiamati biomassa lignocellulosica. Come fonte di energia, la biomassa può essere utilizzata direttamente tramite combustione per produrre calore o indirettamente dopo la sua conversione in varie forme di biocarburante. La conversione della biomassa in biocarburante può essere ottenuta con diversi metodi che sono generalmente classificati in: metodi termici, chimici e biochimici. Il legno rimane la più grande fonte di energia da biomassa oggi; gli esempi includono i residui forestali (come alberi morti, rami e ceppi), i residui del giardino, i trucioli di legno e persino i rifiuti solidi urbani. Nel secondo senso, la biomassa include materia vegetale o animale che può essere convertita in fibre o altre sostanze chimiche industriali, inclusi i biocarburanti. La biomassa industriale può essere coltivata da numerosi tipi di piante, tra cui miscanto, panico vergine, canapa, mais, pioppo, salice, sorgo, canna da zucchero, bambù e una varietà di specie arboree, che vanno dall’eucalipto alla palma da olio (olio di palma).

La biomassa, il biogas e i biocarburanti vengono bruciati per produrre calore / energia e così facendo danneggiano l’ambiente. In questa combustione vengono prodotti inquinanti come ossidi solforosi (SOx), ossidi nitrosi (NOx) e particelle (PM). L’Organizzazione Mondiale della Sanità stima che 7 milioni di morti premature siano causate ogni anno dall’inquinamento atmosferico e che la combustione della biomassa ne sia un importante contributo. L’uso dei biomi è carbon neutral nel tempo, ma è altrimenti simile alla combustione di combustibili fossili.

Biocarburanti con etanolo
Come fonte primaria di biocarburanti nel Nord America, molte organizzazioni stanno conducendo ricerche nell’area della produzione di etanolo. A livello federale, l’USDA conduce una grande quantità di ricerche sulla produzione di etanolo negli Stati Uniti. Gran parte di questa ricerca è mirata all’effetto della produzione di etanolo sui mercati alimentari nazionali.

Il National Renewable Energy Laboratory ha condotto vari progetti di ricerca sull’etanolo, principalmente nell’area dell’etanolo cellulosico. L’etanolo cellulosico ha molti vantaggi rispetto al tradizionale etanolo a base di mais. Non toglie o è in conflitto diretto con la fornitura di cibo perché è prodotto da legno, erba o parti non commestibili delle piante. Inoltre, alcuni studi hanno dimostrato che l’etanolo cellulosico è più economico ed economicamente sostenibile rispetto all’etanolo a base di mais. Sandia National Laboratories conduce la ricerca interna sull’etanolo cellulosico ed è anche membro del Joint BioEnergy Institute (JBEI), un istituto di ricerca fondato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti con l’obiettivo di sviluppare biocarburanti cellulosici.

Altri biocarburanti
Dal 1978 al 1996, il National Renewable Energy Laboratory ha sperimentato l’uso di alghe come fonte di biocarburanti nel “Programma delle specie acquatiche”. Un articolo auto-pubblicato da Michael Briggs, presso l’Università del New Hampshire Biofuels Group, offre stime per la sostituzione realistica di tutti i carburanti con biocarburanti utilizzando alghe che hanno un contenuto di olio naturale superiore al 50%, che Briggs suggerisce può essere coltivato su stagni di alghe negli impianti di trattamento delle acque reflue. Queste alghe ricche di olio possono quindi essere estratte dal sistema e trasformate in biocarburanti, con il residuo essiccato ulteriormente rielaborato per creare etanolo.

La produzione di alghe per la raccolta di petrolio per i biocarburanti non è stata ancora avviata su scala commerciale, ma sono stati condotti studi di fattibilità per arrivare alla stima del rendimento di cui sopra. Oltre al suo alto rendimento previsto, l’algacoltura, a differenza dei biocarburanti a base di colture alimentari, non comporta una diminuzione della produzione alimentare, poiché non richiede né terreni agricoli né acqua dolce. Molte aziende stanno perseguendo bio-reattori a base di alghe per vari scopi, tra cui il potenziamento della produzione di biocarburanti a livelli commerciali.

Diversi gruppi in vari settori stanno conducendo ricerche sulla Jatropha curcas, un albero velenoso che produce semi considerati da molti una valida fonte di biocarburanti. Gran parte di questa ricerca si concentra sul miglioramento della resa in olio totale per acro di Jatropha attraverso i progressi in genetica, scienze del suolo e pratiche orticole. SG Biofuels, uno sviluppatore di Jatropha con sede a San Diego, ha utilizzato l’allevamento molecolare e la biotecnologia per produrre semi ibridi di elite di Jatropha che mostrano significativi miglioramenti di resa rispetto alle varietà di prima generazione. Il Center for Sustainable Energy Farming (CfSEF) è un’organizzazione di ricerca senza scopo di lucro con sede a Los Angeles, dedicata alla ricerca Jatropha nei settori delle scienze delle piante, dell’agronomia e dell’orticoltura. Si prevede che l’esplorazione riuscita di queste discipline aumenterà il rendimento della produzione agricola Jatropha del 200-300% nei prossimi dieci anni.

Geotermico
L’energia geotermica viene prodotta toccando il calore all’interno della crosta terrestre. È considerato sostenibile perché l’energia termica viene costantemente reintegrata. Tuttavia, la scienza della generazione di energia geotermica è ancora giovane e sta sviluppando la redditività economica. Diverse entità, come il National Renewable Energy Laboratory e Sandia National Laboratories stanno conducendo ricerche per raggiungere l’obiettivo di stabilire una scienza comprovata sull’energia geotermica. Il Centro internazionale per la ricerca geotermica (IGC), un’organizzazione tedesca di ricerca sulle geoscienze, si occupa in gran parte della ricerca sullo sviluppo dell’energia geotermica.

Idrogeno
Oltre $ 1 miliardo è stato speso per la ricerca e lo sviluppo del combustibile a idrogeno negli Stati Uniti. Sia il National Renewable Energy Laboratory che i Sandia National Laboratories hanno dipartimenti dedicati alla ricerca sull’idrogeno. Gran parte di questo lavoro è incentrato sullo stoccaggio dell’idrogeno e sulle tecnologie delle celle a combustibile