대체 에너지는 화석 연료의 대안 인 모든 에너지 원입니다. 이러한 대안은 지구 온난화의 중요한 요소 인 높은 이산화탄소 배출과 같은 화석 연료에 대한 우려를 해결하기위한 것입니다. 해양 에너지, 수력, 풍력, 지열 및 태양력은 모두 대체 에너지 원입니다.
대체 에너지 원을 구성하는 것의 본질은 에너지 사용과 관련하여 논란이 있기 때문에 시간이 지남에 따라 상당히 변했습니다. 다양한 에너지 선택과 그들의 지지자들의 다른 목표 때문에 어떤 에너지 유형을 “대안”으로 정의하는 것은 매우 논쟁의 여지가있는 것으로 간주됩니다.
기존 유형의 대체 에너지
수력 전기는 떨어지는 물의 에너지를 포착합니다.
핵 에너지는 핵분열을 이용하여 무거운 원소의 원자 결합에 저장된 에너지를 방출한다.
풍력 에너지는 일반적으로 프로펠러와 같은 터빈을 사용하여 풍력 발전입니다.
태양 에너지는 태양 에너지의 사용입니다. 태양으로부터의 열은 태양 열 응용에 사용될 수 있거나 빛은 광전지 장치를 통해 전기로 변환 될 수 있습니다.
지열 에너지는 건물 난방이나 전기 생성을 위해 물을 끓일 때 지구 내부의 열을 사용하는 것입니다.
바이오 연료와 에탄올은 차량에 동력을 공급하는 식물 유래 가솔린 대체품입니다.
수소는 탄화수소의 분해 또는 물 전기 분해와 같은 다양한 기술로 생성 된 에너지의 운반체로 사용될 수 있습니다.
기술 활성화
얼음 저장 에어 컨디셔닝 및 열 저장 히터는 낮은 비용의 오프 피크 전기를 사용하기 위해 소비를 전환하는 방법입니다. 저항 가열과 비교할 때, 열 펌프는 물, 땅 또는 공기와 같은 시원한 곳에서 열을 수집하여 전력을 절약합니다 (또는 드문 경우 기계 또는 열 전력).
열 저장 기술은 열 또는 추위가 일간에서 계절간에 걸친 기간 동안 저장 될 수 있도록하며, 합리적인 에너지의 저장 (즉, 매체의 온도 변화) 또는 잠재 에너지의 저장 (예 : 매체의 상 변화 물과 슬러시 또는 얼음 사이와 같이 고체에서 액체 또는 그 반대 방향으로 변화). 에너지 원은 (태양열 집열기 또는 겨울철 추위를 수집하는 데 사용되는 건식 냉각탑을 통해) 자연 에너지, HVAC 장비, 산업 공정 또는 발전소와 같은 폐기물 에너지 또는 잉여 에너지 (수력 발전 프로젝트 또는 간헐적으로 바람 농장에서). Drake Landing Solar Community (캐나다 앨버타)는 설명의 대상입니다. 시추공 열에너지 저장은 공동체가 차고 지붕에있는 일년 내내 태양열 집열기의 97 %를 얻을 수있게 해줍니다. 저장소는 절연 탱크, 자갈에서 암반까지, 깊은 대수층 또는 줄 지어 단열 된 얕은 구덩이에 이르는 기질의 시추공 클러스터 일 수 있습니다. 일부 응용 프로그램에는 히트 펌프가 포함되어야합니다.
신 재생 에너지와 비 재생 에너지
재생 가능 에너지는 햇빛, 바람, 비, 조수 및 지열과 같은 천연 자원으로부터 재생 가능하며 자연적으로 보충됩니다. 에너지를 생산하는 과정을 비교할 때, 재생 가능 에너지와 화석 연료 사이에는 몇 가지 근본적인 차이점이 남아있다. 석유, 석탄 또는 천연 가스 연료를 생산하는 과정은 많은 복잡한 장비, 물리적 및 화학적 공정을 필요로하는 어렵고 까다로운 과정입니다. 반면 대체 에너지는 기본 장비와 자연 공정으로 광범위하게 생산 될 수 있습니다. 가장 재생 가능하고 대체 가능한 연료 인 우드는 자연적으로 열화되면 방출 될 때와 동일한 양의 탄소를 방출합니다. 원자력은 화석 연료와 같이 재생 불가능한 화석 연료의 대안이며, 핵 연료는 유한 자원이다.
환경 친화적 인 대안
바이오 매스와 같은 재생 가능 에너지 원은 때로는 화석 연료로 열과 전기를 공급하는 좋은 대안으로 간주됩니다. 바이오 매스는 본질적으로 친환경적으로 친화적 인 것은 아니며, 바이오 매스는 탄소 중립적이며 대기 오염은 여전히 발생합니다. 예를 들어 팜유를 바이오 연료로 사용하는 선두 주자 인 네덜란드는 “때로는 화석 연료보다 환경 파괴를 일으킬 수있다”는 과학적 증거 때문에 야자 기름에 대한 모든 보조금을 중단했다. 네덜란드 정부와 환경 단체들은 수입 된 야자 기름의 기원을 추적하여 책임있는 방식으로 석유를 생산하는 작업을 인증하려고 노력하고 있습니다. 식량에서 나온 바이오 연료와 관련하여 미국의 전체 곡물 수확량이 자동차 연료 수요의 16 %만을 생산할 것이라는 인식과 브라질의 CO2 흡수 열대 우림의 감소로 인해 바이오 연료 생산을위한 길을 열었습니다. 식량 시장과 경쟁하고있는 시장은 식량 가격 상승과 지구 온난화 나 외국 에너지 의존 등 에너지 문제에 미치는 영향이 미미하거나 부정적인 결과를 낳습니다. 최근 상업적으로 이용 가능한 셀룰로오스 에탄올의 공급원과 같은 바람직하지 않은 지속 가능한 연료에 대한 대안이 요구되고있다.
대체 에너지에 대한 상대적으로 새로운 개념
탄소 중립 및 부정적 연료
탄소 중립 연료는 발전소 배가스 배출 물에서 재생되거나 자동차 배기 가스에서 재생되거나 해수의 탄산에서 추출되는 이산화탄소를 수소화함으로써 생성 된 합성 연료 (메탄, 가솔린, 디젤 연료, 제트 연료 또는 암모니아 포함)입니다. 상업용 연료 합성 업체는 유가가 배럴당 55 달러 이상일 때 석유 연료보다 적은 합성 연료를 생산할 수 있다고 제안했다. 재생 가능한 메탄올 (RM)은 수소가 물 전기 분해에 의해 얻어진 촉매 수소화에 의해 수소와 이산화탄소로부터 생산되는 연료입니다. 그것은 운송 연료로 혼합되거나 화학 원료로 처리 될 수 있습니다.
Grindavík의 Carbon Recycling International에서 운영하는 George Olah 이산화탄소 재활용 공장은 2011 년부터 Svartsengi 발전소의 배기 가스에서 연간 2 백만 리터의 메탄올 수송 연료를 생산해오고 있습니다. 연간 5 백만 리터 . 250 킬로와트의 메탄 합성 공장은 독일의 바덴 뷔 르템 베르크 (Baden-Württemberg)와 프라운호퍼 학회 (Fraunhofer Society)의 태양 에너지 및 수소 연구 센터 (ZSW)에 의해 건설되었으며 2010 년에 가동되기 시작했다. 가을에 완공 예정인 10 메가 와트로 업그레이드되고, Audi는 독일 Werlte에 탄소 중립 액화 천연 가스 (LNG) 공장을 건설했습니다. 이 플랜트는 A3 Sportback g-tron 자동차에 사용되는 LNG를 상쇄하기 위해 운송 연료를 생산하기위한 것이며 초기 배출량으로 연간 2,800 톤의 CO2를 환경 밖으로 배출 할 수 있습니다. 다른 상업 개발은 사우스 캐롤라이나 주 콜롬비아, 캘리포니아 주 카마 릴로, 영국 달링 톤에서 진행됩니다.
이러한 연료는 대기 중 온실 가스가 순 증가하지 않기 때문에 탄소 중립적 인 연료로 간주됩니다. 합성 연료가 화석 연료를 대체하거나 폐 카본 또는 해수 탄산에서 생산되고 연소가 연도 또는 배기관에서 탄소 포집의 대상이되는 경우 음의 이산화탄소 배출 및 순 이산화탄소 제거를 초래합니다 따라서 온실 가스 개선의 한 형태가된다.
이러한 재생 가능 연료는 차량 함대의 전기 화나 수소 또는 다른 연료로의 변환을 필요로하지 않고 수입 화석 연료의 비용과 의존성 문제를 완화하여 호환성이 있고 저렴한 차량을 계속 사용할 수 있도록합니다. 탄소 중립 연료는 상대적으로 저렴한 비용의 에너지 저장을 제공하여 풍력 및 태양 간헐성 문제를 완화하고 기존 천연 가스 파이프 라인을 통해 풍력, 수력 및 태양열 에너지의 분배를 가능하게합니다.
야간 풍력 발전은 전력 합성의 가장 경제적 인 형태로 간주됩니다. 하루 동안의 전력 부하 곡선이 급격히 높아지기 때문에 밤에는 바람이 밤보다 약간 더 강해지므로 야간의 가격 풍력은 종종 어떤 대안보다 훨씬 저렴합니다. 독일은 250 메가 와트의 합성 메탄 공장을 건설했으며 최대 10 메가 와트의 규모를 가지고있다.
조류 연료
조류 연료는 조류에서 추출한 바이오 연료입니다. 광합성 과정에서 조류 및 기타 광합성 생물은 이산화탄소와 햇빛을 포착하여이를 산소와 바이오 매스로 전환시킵니다. 이것은 일반적으로 유리의 두 창 사이에 조류를 배치하여 이루어집니다. 해조류는 열 (성장주기에서 나온 것), 바이오 연료 (해조류에서 추출한 천연 오일), 바이오 매스 (해조류 자체에서 나오는 성숙시 수확 됨)와 같은 세 가지 형태의 에너지 연료를 생성합니다.
이 열은 건물 시스템 (예 : 열 공정 수)에 전력을 공급하거나 에너지를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 바이오 연료는 성숙 단계에서 조류에서 추출한 오일이며 바이오 디젤의 사용과 유사한 에너지를 생성하는 데 사용됩니다. 바이오 매스는 기름과 물을 추출한 후에 남은 물질이며 퇴비 더미에서 느껴지는 온기 나 매립지에서 생분해 성 물질로 채취 된 메탄과 비슷한 에너지 생산을위한 가연성 메탄을 생산하기 위해 수확 할 수 있습니다. 또한, 조류 바이오 연료의 장점은 산업적으로뿐만 아니라 수직적으로 (즉, 건물 정면으로) 생산되어 경작 할 수있는 토지 및 식량 작물 (예 : 콩, 손바닥, 카놀라)의 사용을 방지 할 수 있다는 것입니다.
바이오 매스 연탄
바이오 매스 연탄은 숯 대신에 개발 도상국에서 개발되고 있습니다. 이 기술은 거의 모든 식물 물질을 숯의 발열량이 약 70 % 인 압축 연탄으로 전환하는 작업을 포함합니다. 대규모 연탄 생산의 예는 비교적 적습니다. 콩고 민주 공화국 동부의 키부 (Kivu) 북부에서는 숯 생산을위한 산림 벌채가 산 고릴라 서식지에 가장 큰 위협으로 간주되는 것을 제외하고는 예외입니다. Virunga 국립 공원의 직원은 성공적으로 훈련을 실시하고 3500 명 이상의 사람들이 바이오 매스 연탄을 생산함으로써 국립 공원 내부에서 불법적으로 생산 된 숯을 대체하고 분쟁 지역의 극심한 빈곤층에 거주하는 사람들에게 중요한 고용 창출을 가능하게합니다.
바이오 가스 소화
바이오 가스 소화는 유기 폐기물이 혐기성 환경에서 파괴 될 때 방출되는 메탄 가스를 이용합니다. 이 가스는 매립지 또는 하수도 시스템에서 회수 할 수 있습니다. 가스는 열 또는 더 일반적으로 전기 생성을위한 연료로 사용될 수 있습니다. 수집되고 정제 된 메탄 가스는 다양한 제품의 에너지 원으로 사용될 수 있습니다.
생물학적 수소 생산
수소 가스는 완전히 깨끗한 연소 연료입니다. 그것의 유일한 부산물은 물입니다. 또한 화학 구조로 인해 다른 연료에 비해 상대적으로 많은 양의 에너지를 포함합니다.
2H2 + O2 → 2H2O + 고 에너지
고 에너지 + 2H2O → 2H2 + O2
이것은 고 에너지 입력을 필요로하기 때문에 상업용 수소는 매우 비효율적이다. 물을 쪼개서 수소 가스를 생성하는 수단으로 생물학적 벡터를 사용하면 태양 에너지 만 입력 할 수 있습니다. 생물학적 벡터에는 박테리아 또는보다 일반적으로 조류가 포함될 수 있습니다. 이 공정은 생물학적 수소 생산으로 알려져 있습니다. 발효를 통해 수소 가스를 생성하기 위해서는 단세포 유기체를 사용해야합니다. 혐기성 환경으로도 알려진 산소가 없으면 정기적 인 세포 호흡이 일어나지 않으며 발효라고 알려진 과정이 진행됩니다. 이 공정의 주요 부산물은 수소 가스입니다. 이것이 대규모로 구현 될 수 있다면 햇빛, 영양분 및 물은 고밀도 에너지 원으로 사용될 수소 가스를 생성 할 수 있습니다. 대규모 생산은 어려운 것으로 입증되었습니다. 1999 년까지는 유황 박탈로 이러한 혐기성 조건을 유도하는 것이 가능 했습니까? 발효 과정은 진화 적으로 뒷받침되기 때문에 스트레스를 받으면 세포가 죽을 것입니다. 2000 년에는 혐기성 조건에서 세포를 꺼내거나 꺼내어 세포를 살아있게하기위한 2 단계 과정이 개발되었습니다. 지난 10 년 동안 이것을 대규모로 수행하는 방법을 찾는 것이 연구의 주요 목표였습니다. 대규모 생산에 앞서 효율적인 프로세스를 보장하기 위해 신중한 노력이 이루어지고 있지만, 일단 메커니즘이 개발되면 이러한 유형의 생산으로 인해 에너지 필요성이 해결 될 수 있습니다.
수력 전기
수력 발전은 2013 년에 세계 재생 가능한 전력의 75 %를 제공했습니다. 오늘날 사용되는 전기의 대부분은 1960 년과 1980 년 사이의 전통적인 수력 발전의 전성기 결과로 환경 문제로 인해 유럽과 북미 지역에서 사실상 중단되었습니다. 전 세계적으로 더 많은 수력 발전 경향이 있습니다. 2004 년부터 2014 년까지 설치 용량은 715에서 1,055 GW로 증가했습니다. 과거의 커다란 댐에 대한 대중적인 대안은 둑 뒤에 물이 저장되어 있지 않은 강가 달리기 (run-of-the-river)이며, 대개 계절별 강수량에 따라 생성량이 다릅니다. 건조한 계절에 젖은 계절과 태양에서 강의 달리기를 사용하면 계절 변화에 균형을 맞출 수 있습니다. 큰 댐에서 멀리 떨어지는 또 다른 움직임은 작은 수력이다. 이것은 계곡 바닥의 주된 강보다는 지류에 높게 위치하는 경향이있다.
근해 바람
근해 풍력 발전소는 육상 풍력 발전소와 유사하지만 바다에 위치해 있습니다. 근해 풍력 발전 단지는 최대 40 미터 (130 피트) 깊이의 물에 배치 될 수있는 반면, 부유 풍력 터빈은 최대 700 미터 (2,300 피트) 깊이의 물에 부유 할 수 있습니다. 떠있는 바람 농장을 갖는 이점은 대양에서 바람을 끌어낼 수 있어야한다는 것입니다. 언덕, 나무 및 건물과 같은 방해물이 없으면 대양의 바람은 해안 지역보다 두 배 빠른 속도에 도달 할 수 있습니다.
상당한 양의 해상 풍력 에너지가 이미 유럽과 아시아의 전력 수요에 기여하고 있으며, 현재 해상 풍력 발전소가 미국 해역에서 개발 중에 있습니다. 해상 풍력 산업은 특히 유럽에서 지난 수십 년 동안 극적으로 증가했지만 이러한 풍력 발전소의 건설 및 운영이 해양 동물과 해양 환경에 미치는 영향과 관련하여 여전히 불확실성이 있습니다.
전통적인 근해 풍력 터빈은 해저에 가까운 해양 환경 내에서 얕은 해역에서 해저에 부착됩니다. 해상 풍력 기술이 발전함에 따라 더 많은 풍력 자원이 존재하는 더 깊은 해역에서 부유 구조물이 사용되기 시작했습니다.
해양 및 유체 동역학 에너지
MHK (Marine and Hydrokinetic) 또는 해양 에너지 개발에는 다음 장치를 사용하는 프로젝트가 포함됩니다.
파력은 바람의 파도에 의한 에너지의 이동이며, 전기를 생성하거나 저수지로 물을 펌핑하는 것과 같은 유용한 작업을 수행하기 위해 에너지를 포착합니다. 열린 해안 지역에서 중요한 파도를 이용할 수있는 기계는 일반적으로 파력 에너지 변환기로 알려져 있습니다.
조력 터빈은 해안 및 강어귀 지역에 배치되며 일일 유량은 예측 가능합니다.
빠르게 움직이는 강에있는 인 스트림 터빈
해양 해류가 강한 지역의 해양 현재 터빈
깊은 열대 바다에서 해양 열 에너지 변환기.
원자력
2015 년에는 미국과 중국의 새로운 제 3 세대 + AP1000 원자로와 핀란드, 프랑스 및 중국의 첫 번째 4 세대 제 3 세대 EPR 원자로를 포함하여 10 개의 새로운 원자로가 온라인으로 연결되었으며 67 개가 추가로 건설되었습니다. 원자로는 벨로루시, 브라질, 인도,이란, 일본, 파키스탄, 러시아, 슬로바키아, 한국, 터키, 우크라이나 및 아랍 에미레이트 연방에도 건설 중이다.
토륨 원자력
토륨은 토륨 기반 원자로에서 가능한 미래의 사용을위한 핵분열 물질입니다. 토륨 원자로의 지지자들은 토륨의 풍부함, 핵무기 확산에 대한 저항력, 플루토늄과 악티늄 생산량 감소와 같은 우라늄 연료 순환보다 몇 가지 잠재적 인 이점을 주장한다. 토륨 원자로는 우라늄 233을 생산하도록 변형 될 수 있으며,이 우라늄 233은 고수준 우라늄으로 가공 될 수 있습니다.이 우라늄은 저수준 무기로 테스트되었으며 상업적으로 입증되지 않았습니다.
대체 에너지 투자
신흥 경제 부문으로서 일반 대중이 이용할 수있는 대체 에너지에 대한 주식 시장 투자 기회는 제한적입니다. 일반 대중은 다양한 주식 시장에서 대체 에너지 회사의 주식을 사 들여야하며 변동이 심한 수익률을 올릴 수 있습니다. SolarCity의 최근 IPO는이 분야의 초기 성격을 보여줍니다. 몇 주 이내에 이미 대체 에너지 부문에서 두 번째로 높은 시가 총액을 달성했습니다.
투자자들은 WilderHill New Energy Index와 같은 대체 에너지 지수를 추적하는 ETF (Exchange -Traded Fund)에 투자 할 수도 있습니다. 또한, Calvert의 글로벌 대체 에너지 뮤추얼 펀드 (Global Alternative Energy Mutual Fund)와 같은 많은 뮤추얼 펀드가 있습니다. 이들은 선택한 투자를 선택하는 데 좀 더 적극적입니다.
태양 광 발전의 경제성은 실리콘 가격에 크게 의존하고 있으며 심지어 다른 재료 (예 : First Solar)를 기반으로하는 기술을 보유한 회사는 실리콘 시장에서의 수요와 공급의 균형에 영향을받습니다. 또한, 일부 회사는 완성 된 태양 전지를 공개 시장 (예 : Q-Cells)에서 판매하기 때문에 태양 광 모듈을 제조하려는 회사의 진입 장벽이 낮아 비합리적인 가격 환경을 조성 할 수 있습니다.
반대로, 풍력 발전은 100 년 이상 지속되어 왔기 때문에 그 기반 기술은 상대적으로 안정적입니다. 그 경제성은 주로 바람의 강도와 그리드 투자 요구 조건의 부합 및 풍력 터빈의 가장 큰 구성 요소 인 철강 가격 및 블레이드 용으로 선택된 복합재에 의해 결정됩니다. 현재의 풍력 터빈은 종종 100 미터를 초과하기 때문에 물류 및 글로벌 제조 플랫폼이 경쟁 우위의 주요 원천입니다. 샌포드 번스타인 (Sanford Bernstein)의 연구 보고서에서이 쟁점들과 다른 것들을 탐구했다.
운송의 대체 에너지
2008 년 미국의 일반 무연 가스 갤런 당 평균 가격이 4.00 달러를 훌쩍 넘어서면서 2008 년에 가스 가격이 꾸준히 상승했기 때문에 소비자에게 더 높은 연비와 대체 연료 차량을 개발하기위한 꾸준한 움직임이있었습니다. 이에 대응하여 많은 중소기업에서는 연구 개발을 소비자 차량에 근본적으로 다른 방식으로 급속히 확대하고 있습니다. 하이브리드 및 배터리 전기 자동차는 상업적으로 이용 가능하며 전 세계적으로 광범위한 산업 및 소비자 수용을 얻고 있습니다.
예를 들어, Nissan USA는 세계 최초의 대량 생산 전기 자동차 인 Nissan Leaf를 선보였습니다. 플러그인 하이브리드 자동차 인 Chevrolet Volt도 전기 모터로 바퀴를 구동하고 작은 4 기통 엔진으로 추가 전기를 생산합니다.
대체 에너지 주류 만들기
대체 에너지가 주류가되기 전에 극복해야 할 몇 가지 중요한 장애물이 있습니다. 우선 대체 에너지가 얼마나 유익한 지에 대한 이해가 높아져야합니다. 두 번째로 이러한 시스템의 가용성 구성 요소가 증가해야합니다. 마지막으로 지불 기간을 줄여야합니다.
예를 들어 전기 자동차 (EV)와 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV)가 증가하고 있습니다. 이러한 차량의 지속적인 채택은 공공 운송 인프라에 대한 투자뿐만 아니라 미래의 운송을위한 훨씬 더 많은 대체 에너지를 구현합니다.
연구
대체 에너지 분야에서 대규모 선진 연구를 수행하는 학술, 연방 및 상업 부문에는 수많은 조직이 있습니다. 이 연구는 대체 에너지 스펙트럼에 걸쳐 몇 가지 초점 분야에 걸쳐 있습니다. 대부분의 연구는 효율 개선과 전반적인 에너지 생산량 증가를 목표로하고 있습니다.
미국에서는 연방 정부가 지원하는 여러 연구 기관이 최근 몇 년간 대체 에너지에 중점을 두었습니다. 이 실험실 중 가장 두드러진 곳 중 두 곳은 Sandia National Laboratories와 NREL (National Renewable Energy Laboratory)입니다. 둘 다 미국 에너지 국에서 자금을 지원 받고 다양한 기업 파트너가 지원합니다. Sandia는 24 억 달러의 예산을, NREL은 3 억 7,500 만 달러의 예산을 가지고 있습니다.
에너지 소비 수준이 증가함에 따라 2030 년에는 21 % 증가 할 것으로 예상된다. 재생 가능 에너지 비용은 비 재생 에너지 및 2.7m / MW와 비교하여 $ 2.5m / MW로 상대적으로 저렴하다. 분명히 재생 에너지의 사용은 에너지를 얻는 비용 효율적인 방법입니다. 또한 환경 보전과 경제 성장간에 존재하는 절충안을 사용하지도 않습니다.
기계 에너지
혈액 순환, 호흡, 걷기, 타이핑 및 달리기와 같은 인간의 활동과 관련된 기계 에너지는 보편적이지만 일반적으로 낭비됩니다. 그것은 그러한 기계적 에너지를 제거하는 방법을 찾기 위해 전 세계의 연구자들로부터 엄청난 관심을 끌어왔다. 가장 좋은 해결책은 현재 변형 된 전자의 흐름을 생성 할 수있는 압전 재료를 사용하는 것입니다. 기계적 에너지를 제거하기 위해 압전 재료를 사용하는 다양한 장치가 제작되었습니다. 재료의 압전 상수가 압전 장치의 전반적인 성능에 중요한 역할을한다는 것을 고려할 때, 장치 효율을 개선하기위한 한 가지 중요한 연구 방향은 큰 압전 응답의 새로운 재료를 찾는 것입니다. Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMN-PT)는 이상적인 조성과 배향이 얻어 질 때 압전 상수가 매우 높은 차세대 압전 재료입니다. 2012 년에, 매우 높은 압전 상수를 가진 PMN-PT 나노 와이어는 수 소열 접근법에 의해 제조 된 다음 에너지 수확 장치로 조립되었습니다. 기록적인 높은 압전 상수는 단결정 PMN-PT 나노 벨트의 제조로 더욱 향상되었으며,이 나노 벨트는 압전 나노 발전기의 핵심 빌딩 블록으로 사용되었습니다.
솔라
태양 에너지는 태양을 이용하여 가열, 냉각 또는 전력 생산에 사용될 수 있습니다.
태양 열은 지구 난방 시스템뿐만 아니라 수동적이고 활발하게 가열 된 건물에 오랫동안 사용되어 왔습니다. 후자의 예는 Drake Landing Solar Community가 캐나다 앨버타와 덴마크와 독일의 수많은 지구 시스템입니다. 유럽에는 태양열 적용을위한 두 가지 프로그램 인 SDH (Solar District Heating)와 SHC (Solar Energy and Cooling) 프로그램이 있습니다.
태양 에너지 발전의 대규모 구현을 방해하는 장애물은 현재 태양 광 기술의 비효율 성과 비용입니다. 현재 광전지 (PV) 패널은 햇빛의 약 16 %를 전기로 변환하는 기능 만 있습니다.
Sandia National Laboratories와 NREL (National Renewable Energy Laboratory)은 모두 태양 연구 프로그램에 막대한 자금을 지원했습니다. NREL 태양 프로그램은 약 7 천 5 백만 달러의 예산을 가지고 있으며 태양 광 (PV) 기술, 태양열 에너지 및 태양 복사 분야의 연구 프로젝트를 개발합니다. Sandia의 태양열 부문 예산은 알려지지 않았지만, 연구소의 24 억 달러 예산의 상당 부분을 차지합니다.
몇 몇 학술 프로그램은 최근 몇 년간 태양 연구에 초점을 맞추고 있습니다. 노스 캐롤라이나 대학 (UNC)의 태양 에너지 연구 센터 (SERC)는 비용 효율적인 태양 광 기술을 개발하는 유일한 목적을 가지고 있습니다. 2008 년 매사추세츠 공과 대학 (MIT)의 연구자들은 물에서 수소 연료를 생산하기 위해이를 사용하여 태양 에너지를 저장하는 방법을 개발했습니다. 이러한 연구는 햇빛이 비치지 않는 야간 시간대에 사용할 수 있도록 에너지를 저장하는 태양 발전이 직면하는 장애물을 해결하는 데 목표를두고 있습니다. 베이징 북서쪽의 Zhangebei National Wind 및 태양 에너지 저장 및 전송 시범 프로젝트는 배터리를 사용하여 71 MWh를 저장하고 풍력 및 태양 에너지를 주파수 및 전압 규제와 함께 그리드에 통합합니다.
2012 년 2 월, 독일 법인 인 지멘스 (Siemens)가 지원하는 태양 광 발전 회사 인 Semprius Inc.는 세계에서 가장 효율적인 태양 전지 패널을 개발했다고 발표했습니다. 이 회사는이 프로토 타입이 전기에 닿는 햇빛의 33.9 %를 이전 하이 엔드 전환율의 두 배 이상으로 변환한다고 주장합니다.
바람
풍력 에너지 연구는 NASA가 강풍시 풍력 발전을 예측하는 분석 모델을 개발 한 1970 년대에 수십 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 오늘날 Sandia National Laboratories와 National Renewable Energy Laboratory는 모두 풍력 연구 전용 프로그램을 운영하고 있습니다. Sandia의 실험실은 재료, 공기 역학 및 센서의 발전에 중점을 둡니다. NREL 풍력 프로젝트는 풍력 플랜트 생산량을 개선하고, 자본 비용을 줄이며, 풍력 에너지를 전반적으로보다 경제적으로 만드는 데 중점을두고 있습니다.
풍력 에너지 생산의 비용, 크기 및 환경 영향을 줄일 수있는 잠재력을 지닌 풍력 에너지 기술 실무에 대한 대체 접근법을 연구하기 위해 Caltech의 최적화 풍력 발전소 (FLOWE)가 설립되었습니다.
풍력, 태양열, 바이오 매스 및 지열과 같은 재생 가능 에너지는 2013 년 전세계 최종 에너지 소비량의 1.3 %를 공급했습니다.
바이오 매스
바이오 매스는 살아있는 생물체 또는 최근에 살아있는 생물체에서 유래 된 “생물학적 물질”로 간주 될 수 있습니다. 주로 식물 또는 식물 유래 물질을 지칭하며, 구체적으로 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스라고합니다. 에너지 원으로서 바이오 매스는 연소를 통해 직접 열을 생산하거나 간접적으로이를 다양한 형태의 바이오 연료로 전환 한 후에 사용할 수 있습니다. 바이오 매스의 바이오 연료로의 전환은 열적, 화학적, 생화학 적 방법으로 크게 분류되는 여러 가지 방법으로 달성 될 수있다. 목재는 오늘날 가장 큰 바이오 매스 에너지 원으로 남아 있습니다. 예를 들면 산림 잔여 물 (죽은 나무, 가지 및 나무 그루터기와 같은), 야드 잘라 내기, 우드 칩 및 도시의 고형 폐기물까지 포함됩니다. 두 번째 의미에서, 바이오 매스는 생물 연료를 포함하여 섬유 또는 다른 산업 화학 물질로 전환 될 수있는 식물 또는 동물 물질을 포함합니다. 산업용 바이오 매스는 miscanthus, switchgrass, 대마, 옥수수, 포플러, 버드 나무, 사탕 수수, 사탕 수수, 대나무 및 유칼립투스에서 기름 야자 (야자 기름)에 이르기까지 다양한 나무 종을 포함한 다양한 유형의 식물에서 재배 할 수 있습니다.
바이오 매스, 바이오 가스 및 바이오 연료는 열과 전력을 생산하기 위해 태우며 그렇게하면 환경에 해를 끼칩니다. 이 연소에서 유황 산화물 (SOx), 아산화 질소 (NOx) 및 입자상 물질 (PM)과 같은 오염 물질이 생성됩니다. 세계 보건기구 (WHO)는 매년 대기 오염으로 7 백만명의 조기 사망이 발생하며 바이오 매스 연소가 그 주요 원인이라고 추정합니다. 바이오 매스의 사용은 시간이 지남에 따라 탄소 중립이지만 그렇지 않으면 화석 연료를 태우는 것과 유사합니다.
에탄올 바이오 연료
북아메리카에서 바이오 연료의 주요 원천 인 많은 기업들이 에탄올 생산 분야에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 연방 차원에서 미 농무부는 미국에서 에탄올 생산에 관한 많은 연구를 수행합니다. 이 연구의 대부분은 에탄올 생산이 국내 식품 시장에 미치는 영향을 목표로하고 있습니다.
국립 신 재생 에너지 연구소는 주로 셀룰로오스 에탄올 분야에서 다양한 에탄올 연구 프로젝트를 수행했다. 셀룰로오스 에탄올은 전통적인 옥수수 에탄올에 비해 많은 이점을 가지고 있습니다. 목초, 목초 또는 식물의 식용이 아닌 부분에서 생산되기 때문에 식량 공급을 없애거나 직접 식량과 충돌하지 않습니다. 또한 일부 연구에서는 셀룰로오스 에탄올이 옥수수 기반의 에탄올보다 비용 효과적이고 경제적으로 지속 가능함을 보여 주었다. Sandia National Laboratories는 자체 셀룰로오스 에탄올 연구를 수행하고 있으며, 셀룰로오스 바이오 연료 개발 목표로 미국 에너지성에 의해 설립 된 연구소 인 JBEI (Joint BioEnergy Institute)의 회원이기도합니다.
기타 바이오 연료
1978 년부터 1996 년까지 국립 재생 에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory)는 “수생 생물 프로그램 (Aquatic Species Program)”에서 조류를 바이오 연료 원천으로 사용하여 실험했다. 뉴햄프셔 바이오 연료 그룹 (University of New Hampshire Biofuels Group)의 마이클 브릭스 (Michael Briggs)가 직접 출간 한 기사에 따르면 50 % 이상의 천연 오일을 함유하고있는 조류를 활용하여 모든 자동차 연료를 바이오 연료로 현실적으로 대체 할 수 있다고한다. 폐수 처리장의 조류 연못에서 자란다. 이 오일이 풍부한 조류는 그 다음 시스템에서 추출되어 바이오 연료로 가공 될 수 있으며, 건조 된 나머지는 추가로 재 처리되어 에탄올을 생성합니다.
바이오 연료를위한 오일 채취를위한 조류의 생산은 상업적 규모로 아직 착수되지 않았지만 타당성 조사는 위의 산출량 추정치에 도달하기 위해 수행되었다. 예상되는 높은 수확량 외에도 양식 작물 기반의 바이오 연료와 달리 양식은 농지도 담수도 필요 없으므로 식량 생산량이 감소하지 않습니다. 많은 기업들이 바이오 연료 생산을 상업적 수준으로 확대하는 것을 포함하여 다양한 목적으로 조류 바이오 리액터를 추구하고 있습니다.
여러 부문의 여러 그룹이 Jatropha curcas에 대한 연구를 수행하고 있습니다. Jatropha curcas는 독성이 강한 관목과 같은 나무로, 많은 사람들이 고려하는 씨앗을 바이오 연료 공급 원료의 원천으로 간주합니다. 이 연구의 많은 부분은 유전학, 토양 과학 및 원예 관행의 발전을 통해 Jatropha의 1 에이커 당 유채 생산량을 개선하는 데 중점을 둡니다. San Diego 소재 Jatropha 개발자 인 SG Biofuels는 1 세대 품종에 비해 상당한 수확량 향상을 보이는 Jatropha의 엘리트 잡종을 생산하기 위해 분자 육종 및 생명 공학 기술을 사용해 왔습니다. 지속 가능한 에너지 농업 센터 (CfSEF)는 식물 과학, 농학 및 원예 분야의 Jatropha 연구에 전념 한 로스 앤젤레스 기반의 비영리 연구 기관입니다. 이러한 분야의 성공적인 탐사는 Jatropha 농장 생산 수확량을 향후 10 년 내에 200-300 % 증가시킬 것으로 예상됩니다.
지열
지각 에너지는 지각의 열을 가볍게 두드리는 것으로 만들어집니다. 열 에너지가 지속적으로 보충되기 때문에 지속 가능한 것으로 간주됩니다. 그러나, 지열 에너지 생성의 과학은 아직 젊고 경제성을 개발하고 있습니다. 국립 신 재생 에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory)와 샌디 아 국립 연구소 (Sandia National Laboratories)와 같은 여러 단체는 지열 에너지에 관한 검증 된 과학을 수립한다는 목표를 향해 연구를 수행하고 있습니다. 독일 지질 연구소의 국제 지열 연구 센터 (IGC)는 주로 지열 에너지 개발 연구에 중점을두고 있습니다.
수소
미국에서 수소 연료의 연구 및 개발에 10 억 달러 이상이 사용되었습니다. National Renewable Energy Laboratory와 Sandia National Laboratories 모두 수소 연구에 전담 부서를두고 있습니다. 이 작업의 대부분은 수소 저장 및 연료 전지 기술을 중심으로합니다.