Energia alternativa

Energia alternativa é qualquer fonte de energia que seja uma alternativa ao combustível fóssil. Essas alternativas têm como objetivo abordar as preocupações sobre os combustíveis fósseis, como as altas emissões de dióxido de carbono, um fator importante no aquecimento global. Energia marinha, energia hidroelétrica, eólica, geotérmica e solar são fontes alternativas de energia.

A natureza do que constitui uma fonte de energia alternativa mudou consideravelmente ao longo do tempo, assim como as controvérsias em relação ao uso de energia. Por causa da variedade de escolhas energéticas e objetivos diferentes de seus defensores, definir alguns tipos de energia como “alternativa” é considerado muito controverso.

Tipos existentes de energia alternativa
A hidroeletricidade capta energia da queda de água.
A energia nuclear usa a fissão nuclear para liberar energia armazenada nas ligações atômicas de elementos pesados.
A energia eólica é a geração de eletricidade a partir do vento, geralmente usando turbinas semelhantes a hélices.
A energia solar é o uso de energia do sol. O calor do sol pode ser usado para aplicações solares térmicas ou a luz pode ser convertida em eletricidade através de dispositivos fotovoltaicos.
A energia geotérmica é o uso do calor interno da Terra para ferver a água para aquecimento de edifícios ou geração de eletricidade.
O biocombustível e o etanol são substitutos da gasolina derivados de plantas para alimentar veículos.
O hidrogênio pode ser usado como transportador de energia, produzido por várias tecnologias, como o craqueamento de hidrocarbonetos ou a eletrólise da água.

Habilitando tecnologias
Ar condicionado de armazenamento de gelo e aquecedores de armazenamento térmico são métodos de mudança de consumo para usar eletricidade de baixo custo fora do pico. Quando comparado ao aquecimento por resistência, as bombas de calor conservam energia elétrica (ou, em casos raros, energia mecânica ou térmica), recolhendo calor de uma fonte fria, como um corpo de água, o solo ou o ar.

As tecnologias de armazenamento térmico permitem que o calor ou o frio sejam armazenados por períodos de tempo diurnos a intersazonais e podem envolver o armazenamento de energia sensível (ou seja, alterando a temperatura de um meio) ou energia latente (por exemplo, mudanças de fase de um meio muda de sólido para líquido ou vice-versa), como entre água e lama ou gelo). As fontes de energia podem ser naturais (através de coletores solares térmicos ou torres de resfriamento usadas para coletar o frio do inverno), energia residual (como de equipamentos HVAC, processos industriais ou usinas de energia) ou energia excedente (como sazonalmente de projetos hidrelétricos ou intermitentemente de parques eólicos). A Comunidade Solar Drake Landing (Alberta, Canadá) é ilustrativa. O armazenamento de energia térmica do poço permite que a comunidade receba 97% de seu calor durante todo o ano de coletores solares nos telhados da garagem. Os armazenamentos podem ser tanques isolados, aglomerados de furos em substratos que variam de cascalho a leito de rocha, aqüíferos profundos ou poços rasos que são revestidos e isolados. Algumas aplicações requerem a inclusão de uma bomba de calor.

Energia renovável vs energia não renovável
A energia renovável é gerada a partir de recursos naturais – como a luz solar, o vento, a chuva, as marés e o calor geotérmico – que são renováveis ​​(naturalmente reabastecidos). Ao comparar os processos de produção de energia, permanecem várias diferenças fundamentais entre a energia renovável e os combustíveis fósseis. O processo de produção de petróleo, carvão ou gás natural combustível é um processo difícil e exigente, que requer uma grande quantidade de equipamentos complexos, processos físicos e químicos. Por outro lado, a energia alternativa pode ser amplamente produzida com equipamentos básicos e processos naturais. A madeira, o combustível alternativo mais renovável e disponível, emite a mesma quantidade de carbono quando queimada que seria emitida se degradasse naturalmente. A energia nuclear é uma alternativa aos combustíveis fósseis que não são renováveis, como os combustíveis fósseis, os nucleares são um recurso finito.

Alternativas ecologicamente amigáveis
Uma fonte de energia renovável, como a biomassa, é por vezes considerada uma boa alternativa para fornecer calor e eletricidade com combustíveis fósseis. Os biocombustíveis não são inerentemente ecologicamente corretos para esse fim, enquanto a queima de biomassa é neutra em carbono, a poluição do ar ainda é produzida. Por exemplo, os Países Baixos, antes líderes no uso de óleo de palma como biocombustível, suspenderam todos os subsídios para o óleo de palma devido à evidência científica de que seu uso “pode ​​às vezes criar mais danos ambientais do que os combustíveis fósseis”. O governo da Holanda e grupos ambientais estão tentando rastrear as origens do óleo de palma importado, para certificar quais operações produzem o petróleo de maneira responsável. Com relação aos biocombustíveis de alimentos, a percepção de que converter toda a safra de grãos dos EUA só produziria 16% de suas necessidades de combustível de automóveis, e a dizimação da floresta tropical brasileira absorvendo CO2 para dar lugar à produção de biocombustível deixou claro que a colocação de energia Os mercados em concorrência com os mercados de alimentos resultam em preços mais altos dos alimentos e em um impacto insignificante ou negativo sobre questões energéticas, como o aquecimento global ou a dependência de energia estrangeira. Recentemente, estão sendo buscadas alternativas para esses combustíveis indesejáveis ​​e sustentáveis, como fontes comercialmente viáveis ​​de etanol celulósico.

Conceitos relativamente novos para energia alternativa

Combustíveis neutros e negativos de carbono
Combustíveis neutros em carbono são combustíveis sintéticos (incluindo metano, gasolina, diesel, combustível para aviação ou amônia) produzidos pela hidrogenação de dióxido de carbono reciclado das emissões de gases de combustão, recuperados do gás de exaustão automotivo ou derivados do ácido carbônico na água do mar. Empresas de síntese de combustíveis comerciais sugerem que podem produzir combustíveis sintéticos por menos que os combustíveis de petróleo quando o petróleo custa mais de US $ 55 por barril. Metanol Renovável (RM) é um combustível produzido a partir de hidrogênio e dióxido de carbono por hidrogenação catalítica, onde o hidrogênio foi obtido a partir da eletrólise da água. Pode ser misturado em combustível de transporte ou processado como matéria-prima química.

A usina de reciclagem de dióxido de carbono George Olah, operada pela Carbon Recycling International em Grindavík, na Islândia, produz 2 milhões de litros de metanol por ano a partir do escapamento da usina de Svartsengi desde 2011. Ela tem capacidade para produzir 5 milhões de litros por ano. . Uma planta de síntese de metano de 250 quilowatts foi construída pelo Centro de Pesquisa de Energia Solar e Hidrogênio (ZSW) em Baden-Württemberg e a Sociedade Fraunhofer na Alemanha e começou a operar em 2010. Ela está sendo atualizada para 10 megawatts, com conclusão prevista para o outono. 2012. A Audi construiu uma fábrica de gás natural liquefeito (LNG) neutro em carbono em Werlte, Alemanha. A planta é destinada a produzir combustível de transporte para compensar o GNL usado em seus automóveis A3 Sportback tron, e pode manter 2.800 toneladas métricas de CO2 do meio ambiente por ano em sua capacidade inicial. Outros desenvolvimentos comerciais estão ocorrendo em Columbia, Carolina do Sul, Camarillo, Califórnia e Darlington, Inglaterra.

Tais combustíveis são considerados neutros em carbono porque não resultam em um aumento líquido de gases de efeito estufa atmosféricos. Na medida em que os combustíveis sintéticos substituem os combustíveis fósseis, ou se são produzidos a partir de resíduos de carbono ou ácido carbônico, e sua combustão está sujeita à captura de carbono na chaminé ou tubo de escape, eles resultam em emissão negativa de dióxido de carbono e remoção líquida de dióxido de carbono da atmosfera e, portanto, constituem uma forma de remediação de gases de efeito estufa.

Esses combustíveis renováveis ​​aliviam os custos e as questões de dependência dos combustíveis fósseis importados, sem exigir a eletrificação da frota de veículos ou a conversão para hidrogênio ou outros combustíveis, permitindo a continuidade de veículos compatíveis e acessíveis. Combustíveis neutros em carbono oferecem armazenamento de energia de custo relativamente baixo, aliviando os problemas de intermitência eólica e solar, e permitem a distribuição de energia eólica, hídrica e solar por meio de dutos de gás natural existentes.

A energia eólica noturna é considerada a forma mais econômica de energia elétrica com a qual se sintetiza combustível, porque a curva de carga de eletricidade aumenta acentuadamente durante o dia, mas o vento tende a soprar um pouco mais à noite do que durante o dia, então o preço da noite a energia eólica é frequentemente muito menos dispendiosa do que qualquer outra alternativa. A Alemanha construiu uma planta de metano sintético de 250 quilowatts, que está aumentando para 10 megawatts.

Combustível de algas
O combustível de algas é um biocombustível derivado de algas. Durante a fotossíntese, as algas e outros organismos fotossintéticos capturam o dióxido de carbono e a luz solar e convertem-no em oxigénio e biomassa. Isso geralmente é feito colocando as algas entre dois painéis de vidro. A alga cria três formas de combustível energético: calor (do seu ciclo de crescimento), biocombustível (o “óleo” natural derivado das algas) e biomassa (da própria alga, quando é colhida na maturidade).

O calor pode ser usado para alimentar sistemas de construção (como água de processo de calor) ou para produzir energia. Biocombustível é o óleo extraído das algas na maturidade e usado para criar energia semelhante ao uso de biodiesel. A biomassa é a matéria que sobrou após a extração do óleo e da água, e pode ser colhida para produzir metano combustível para produção de energia, similar ao calor sentido em uma pilha de composto ou o metano coletado de materiais biodegradáveis ​​em um aterro. Além disso, os benefícios do biocombustível de algas são que ele pode ser produzido industrialmente, bem como na vertical (ou seja, como fachada de um prédio), evitando assim o uso de terras cultiváveis ​​e culturas alimentares (como soja, palmeira e canola).

Briquetes de biomassa
Briquetes de biomassa estão sendo desenvolvidos no mundo em desenvolvimento como uma alternativa ao carvão vegetal. A técnica envolve a conversão de quase qualquer matéria vegetal em briquetes comprimidos que normalmente têm cerca de 70% do valor calórico do carvão. Existem relativamente poucos exemplos de produção de briquetes em larga escala. Uma exceção é em Kivu do Norte, no leste da República Democrática do Congo, onde o desmatamento para produção de carvão vegetal é considerado a maior ameaça ao habitat do gorila de montanha. A equipe do Parque Nacional de Virunga treinou e equipou com sucesso mais de 3500 pessoas para produzir briquetes de biomassa, substituindo o carvão produzido ilegalmente dentro do parque nacional e criando empregos significativos para pessoas que vivem em extrema pobreza em áreas afetadas por conflitos.

Digestão de biogás
A digestão do biogás aproveita o gás metano que é liberado quando o lixo orgânico é decomposto em um ambiente anaeróbico. Esse gás pode ser recuperado de aterros sanitários ou sistemas de esgoto. O gás pode ser usado como combustível para o calor ou, mais comumente, geração de eletricidade. O gás metano que é coletado e refinado pode ser usado como fonte de energia para vários produtos.

Produção biológica de hidrogênio
O gás hidrogênio é um combustível que queima completamente limpo; Seu único subproduto é a água. Também contém quantidades relativamente elevadas de energia em comparação com outros combustíveis, devido à sua estrutura química.

2H2 + O2 → 2H2O + alta energia

Alta Energia + 2H2O → 2H2 + O2

Isso requer uma entrada de alta energia, tornando o hidrogênio comercial muito ineficiente. O uso de um vetor biológico como meio de dividir a água e, portanto, produzir gás hidrogênio, permitiria que a única entrada de energia fosse a radiação solar. Vetores biológicos podem incluir bactérias ou mais comumente algas. Este processo é conhecido como produção biológica de hidrogênio. Requer o uso de organismos unicelulares para criar gás hidrogênio através da fermentação. Sem a presença de oxigênio, também conhecido como ambiente anaeróbico, a respiração celular regular não pode ocorrer e um processo conhecido como fermentação assume o controle. Um subproduto importante desse processo é o gás hidrogênio. Se isso pudesse ser implementado em larga escala, a luz do sol, os nutrientes e a água poderiam criar gás hidrogênio para ser usado como uma densa fonte de energia. A produção em larga escala se mostrou difícil. Somente em 1999, foi possível induzir essas condições anaeróbicas por privação de enxofre. Como o processo de fermentação é um backup evolutivo, ativado durante o estresse, as células morrem após alguns dias. Em 2000, um processo de dois estágios foi desenvolvido para levar as células para dentro e para fora das condições anaeróbicas e, portanto, mantê-las vivas. Nos últimos dez anos, encontrar uma maneira de fazer isso em grande escala tem sido o principal objetivo da pesquisa. Um trabalho cuidadoso está sendo feito para garantir um processo eficiente antes da produção em grande escala, no entanto, uma vez que um mecanismo é desenvolvido, esse tipo de produção pode resolver nossas necessidades energéticas.

Hidroeletricidade
A hidreletricidade forneceu 75% da eletricidade renovável do mundo em 2013. Grande parte da eletricidade usada hoje é resultado do auge do desenvolvimento hidroelétrico convencional entre 1960 e 1980, que praticamente cessou na Europa e na América do Norte devido a preocupações ambientais. Globalmente, há uma tendência para mais hidroeletricidade. De 2004 a 2014, a capacidade instalada aumentou de 715 para 1.055 GW. Uma alternativa popular para as grandes barragens do passado é a correnteza do rio, onde não há água armazenada atrás de uma represa, e a geração geralmente varia com a precipitação sazonal. Usar o fluxo do rio nas estações chuvosas e o solar nas estações secas pode equilibrar as variações sazonais para ambos. Outro afastamento das grandes barragens são as pequenas hidrelétricas, que tendem a situar-se no alto dos afluentes, em vez de nos rios principais nos fundos dos vales.

Vento do mar
Parques eólicos offshore são semelhantes aos parques eólicos baseados em terra, mas estão localizados no oceano. Parques eólicos offshore podem ser colocados em águas de até 40 metros (130 pés) de profundidade, enquanto turbinas eólicas flutuantes podem flutuar em águas de até 700 metros (2.300 pés) de profundidade. A vantagem de ter um parque eólico flutuante é aproveitar os ventos do mar aberto. Sem obstruções como colinas, árvores e edifícios, os ventos vindos do mar aberto podem atingir velocidades duas vezes mais rápidas que as áreas costeiras.

Geração significativa de energia eólica offshore já contribui para as necessidades de eletricidade na Europa e na Ásia e agora os primeiros parques eólicos offshore estão em desenvolvimento em águas norte-americanas. Embora a indústria eólica offshore tenha crescido dramaticamente nas últimas décadas, especialmente na Europa, ainda há incerteza associada à forma como a construção e a operação desses parques eólicos afetam os animais marinhos e o meio ambiente marinho.

Turbinas eólicas offshore tradicionais estão ligadas ao leito do mar em águas mais rasas dentro do ambiente marinho próximo da costa. À medida que as tecnologias eólicas offshore se tornam mais avançadas, as estruturas flutuantes começaram a ser usadas em águas mais profundas, onde existem mais recursos eólicos.

Energia Marinha e Hidrocinética
O desenvolvimento de energia marinha e hidroquinética (MHK) ou marinha inclui projetos usando os seguintes dispositivos:

A energia das ondas é o transporte de energia pelas ondas de vento e a captura dessa energia para realizar trabalho útil – por exemplo, geração de eletricidade ou bombeamento de água para reservatórios. Uma máquina capaz de explorar ondas significativas em áreas costeiras abertas é geralmente conhecida como um conversor de energia das ondas.
As turbinas de energia das marés são colocadas em áreas costeiras e estuarinas e os fluxos diários são bastante previsíveis.
Turbinas em fluxo em rios velozes
Turbinas de corrente oceânica em áreas de fortes correntes marinhas
Conversores de energia térmica oceânica em águas profundas tropicais.

Poder nuclear
No ano de 2015, dez novos reatores entraram em operação e outros 67 estavam em construção, incluindo os primeiros oito novos reatores da geração III + AP1000 nos EUA e na China e os quatro primeiros reatores EPR da geração III na Finlândia, França e China. Reatores também estão em construção na Bielorrússia, Brasil, Índia, Irã, Japão, Paquistão, Rússia, Eslováquia, Coréia do Sul, Turquia, Ucrânia e Emirados Árabes Unidos.

Poder nuclear de tório
O tório é um material fissionável para possível uso futuro em um reator à base de tório. Os proponentes dos reatores de tório reivindicam várias vantagens potenciais sobre o ciclo de combustível de urânio, como a maior abundância de tório, melhor resistência à proliferação de armas nucleares e redução da produção de plutônio e de actinídeos. Os reatores de tório podem ser modificados para produzir urânio-233, que pode então ser processado em urânio altamente enriquecido, que foi testado em armas de baixo rendimento e não é comprovado em escala comercial.

Investindo em energia alternativa
Como um setor econômico emergente, existem oportunidades limitadas de investimento no mercado de ações em energia alternativa disponíveis para o público em geral. O público pode comprar ações de empresas de energia alternativa de vários mercados de ações, com retornos altamente voláteis. O recente IPO da SolarCity demonstra a natureza nascente deste setor – dentro de algumas semanas, já alcançou o segundo maior valor de mercado dentro do setor de energia alternativa.

Os investidores também podem optar por investir em ETFs (fundos negociados em bolsa) que rastreiam um índice de energia alternativa, como o WilderHill New Energy Index. Além disso, há vários fundos mútuos, como o Fundo Mútuo de Energia Alternativa Global da Calvert, que são um pouco mais proativos na escolha dos investimentos selecionados.

A economia da energia solar fotovoltaica é altamente dependente do preço do silício e até mesmo as empresas cujas tecnologias são baseadas em outros materiais (por exemplo, First Solar) são afetadas pelo equilíbrio entre oferta e demanda no mercado de silício. Além disso, como algumas empresas vendem células solares completas no mercado aberto (por exemplo, Q-Cells), isso cria uma barreira baixa à entrada de empresas que desejam fabricar módulos solares, o que, por sua vez, pode criar um ambiente irracional de preços.

Em contraste, porque a energia eólica tem sido aproveitada por mais de 100 anos, sua tecnologia subjacente é relativamente estável. Sua economia é amplamente determinada pela localização (por exemplo, quão duro o vento sopra e os requisitos de investimento da rede) e os preços do aço (o maior componente de uma turbina eólica) e compósitos selecionados (usados ​​para as pás). Como as turbinas eólicas atuais têm mais de 100 metros de altura, a logística e a plataforma global de manufatura são as principais fontes de vantagem competitiva. Essas questões e outras foram exploradas em um relatório de pesquisa da Sanford Bernstein.

Energia alternativa no transporte
Devido ao constante aumento dos preços do gás em 2008, com o preço médio nacional dos Estados Unidos por galão de gasolina sem chumbo acima de US $ 4,00 em um ponto, houve um movimento constante no sentido de desenvolver maior eficiência de combustível e mais combustíveis alternativos para os consumidores. Em resposta, muitas empresas menores aumentaram rapidamente a pesquisa e o desenvolvimento em formas radicalmente diferentes de alimentar os veículos de consumo. Os veículos híbridos e elétricos a bateria estão comercialmente disponíveis e estão ganhando maior aceitação do setor e dos consumidores em todo o mundo.

Por exemplo, a Nissan USA apresentou o primeiro veículo elétrico de produção em massa do mundo, o Nissan Leaf. Um carro híbrido plug-in, o Chevrolet Volt também foi produzido, usando um motor elétrico para acionar as rodas e um pequeno motor de quatro cilindros para gerar eletricidade adicional.

Tornando a energia alternativa mainstream
Antes que a energia alternativa se torne mainstream, existem alguns obstáculos cruciais que ela deve superar. Primeiro, deve haver maior compreensão de como as energias alternativas são benéficas; em segundo lugar, os componentes de disponibilidade para esses sistemas devem aumentar; e, finalmente, o período de retorno deve ser diminuído.

Por exemplo, veículos elétricos (EV) e veículos elétricos híbridos plug-in (PHEV) estão em ascensão. A adoção contínua desses veículos depende do investimento em infraestrutura de recarga pública, bem como da implementação de muito mais energia alternativa para transporte futuro.

Pesquisa
Existem numerosas organizações nos setores acadêmico, federal e comercial que realizam pesquisas avançadas em larga escala no campo da energia alternativa. Esta pesquisa abrange várias áreas de foco em todo o espectro de energia alternativa. A maior parte da pesquisa é direcionada para melhorar a eficiência e aumentar o rendimento global de energia.

Nos EUA, várias organizações de pesquisa apoiadas pelo governo federal concentraram-se em energia alternativa nos últimos anos. Dois dos mais proeminentes desses laboratórios são o Sandia National Laboratories e o National Renewable Energy Laboratory (NREL), ambos financiados pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e apoiados por vários parceiros corporativos. Sandia tem um orçamento total de US $ 2,4 bilhões, enquanto o NREL tem um orçamento de US $ 375 milhões.

Com os crescentes níveis de consumo de energia, prevê-se que os níveis aumentem em 21% em 2030. O custo das renováveis ​​foi relativamente mais barato em US $ 2,5 milhões / MW em comparação com os não-renováveis ​​e 2,7 milhões / MW. Evidentemente, o uso de energia renovável é um método econômico de obtenção de energia. Além disso, seu uso também dispensa o trade-off que existe entre a conservação ambiental e o crescimento econômico.

Energia mecânica
A energia mecânica associada a atividades humanas, como circulação sanguínea, respiração, caminhada, digitação e corrida, é onipresente, mas geralmente desperdiçada. Ele atraiu grande atenção de pesquisadores de todo o mundo para encontrar métodos para eliminar essas energias mecânicas. A melhor solução atualmente é usar materiais piezelétricos, que podem gerar fluxo de elétrons quando deformados. Vários dispositivos que utilizam materiais piezelétricos foram construídos para eliminar a energia mecânica. Considerando que a constante piezoelétrica do material desempenha um papel crítico no desempenho geral de um dispositivo piezoelétrico, uma direção de pesquisa crítica para melhorar a eficiência do dispositivo é encontrar novo material de grande resposta piezoelétrica. O Titanato de Niobato de Chumbo-Magnésio (PMN-PT) é um material piezoelétrico de última geração com constante piezoelétrica super alta, quando a composição e a orientação ideais são obtidas. Em 2012, os PMN-PT nanofios com uma constante piezoelétrica muito alta foram fabricados por uma abordagem hidrotérmica e depois montados em um dispositivo de coleta de energia. A constante piezoelétrica com registro recorde foi aprimorada ainda mais pela fabricação de nanocristais de PMN-PT de um único cristal, que foi então usado como bloco de construção essencial para um nanogerador piezoelétrico.

Solar
A energia solar pode ser usada para aquecimento, resfriamento ou geração de energia elétrica usando o sol.

O calor solar tem sido empregado há muito tempo em edifícios passivos e ativamente aquecidos, bem como em sistemas de aquecimento urbano. Exemplos deste último são a Comunidade Solar Drake Landing é Alberta, Canadá, e numerosos sistemas distritais na Dinamarca e na Alemanha. Na Europa, existem dois programas para a aplicação do calor solar: o Solar District Heating (SDH) e o programa Solar Heating and Cooling (SHC) da Agência Internacional de Energia.

Os obstáculos que impedem a implementação em larga escala da geração de energia movida a energia solar são a ineficiência da tecnologia solar atual e o custo. Atualmente, painéis fotovoltaicos (PV) só têm a capacidade de converter cerca de 16% da luz solar que os atinge em eletricidade.

Tanto o Sandia National Laboratories quanto o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) financiaram fortemente programas de pesquisa solar. O programa solar NREL tem um orçamento de cerca de US $ 75 milhões e desenvolve projetos de pesquisa nas áreas de tecnologia fotovoltaica (PV), energia solar térmica e radiação solar. O orçamento para a divisão solar de Sandia é desconhecido, no entanto, é responsável por uma porcentagem significativa do orçamento de US $ 2,4 bilhões do laboratório.

Vários programas acadêmicos se concentraram na pesquisa solar nos últimos anos. O Centro de Pesquisa de Energia Solar (SERC) da Universidade da Carolina do Norte (UNC) tem o único propósito de desenvolver uma tecnologia solar econômica. Em 2008, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram um método para armazenar energia solar usando-a para produzir combustível de hidrogênio a partir da água. Essa pesquisa visa abordar o obstáculo que o desenvolvimento solar enfrenta em armazenar energia para uso durante as horas noturnas, quando o sol não está brilhando. O Projeto Nacional de Demonstração de Transmissão e Armazenamento de Energia Solar e Eólica e de Transmissão de Zhangebei, a noroeste de Pequim, usa baterias para armazenar 71 MWh, integrando energia eólica e solar à rede com regulação de freqüência e tensão.

Em fevereiro de 2012, a Semprius Inc., sediada na Carolina do Norte, uma empresa de desenvolvimento solar apoiada pela corporação alemã Siemens, anunciou que havia desenvolvido o painel solar mais eficiente do mundo. A empresa alega que o protótipo converte 33,9% da luz solar que atinge a eletricidade, mais do que o dobro da taxa de conversão anterior.

Vento
A pesquisa em energia eólica data de várias décadas até a década de 1970, quando a NASA desenvolveu um modelo analítico para prever a geração de energia de turbinas eólicas durante ventos fortes. Hoje, os Laboratórios Nacionais Sandia e o Laboratório Nacional de Energia Renovável possuem programas dedicados à pesquisa eólica. O laboratório da Sandia foca no avanço de materiais, aerodinâmica e sensores. Os projetos eólicos da NREL estão centrados na melhoria da produção de energia eólica, reduzindo seus custos de capital e tornando a energia eólica mais econômica em geral.

O Laboratório de Campo para Energia Eólica Otimizada (FLOWE) na Caltech foi estabelecido para pesquisar abordagens alternativas às práticas de tecnologia de energia eólica que têm o potencial de reduzir o custo, o tamanho e o impacto ambiental da produção de energia eólica.

As energias renováveis, como eólica, solar, biomassa e geotérmica combinadas, forneceram 1,3% do consumo final de energia global em 2013.

Biomassa
A biomassa pode ser considerada como “material biológico” derivado de organismos vivos ou recentes. Na maioria das vezes refere-se a plantas ou materiais derivados de plantas que são especificamente chamados de biomassa lignocelulósica. Como fonte de energia, a biomassa pode ser usada diretamente através da combustão para produzir calor, ou indiretamente, após convertê-la em várias formas de biocombustível. A conversão de biomassa em biocombustível pode ser alcançada por diferentes métodos que são amplamente classificados em: métodos térmicos, químicos e bioquímicos. A madeira continua a ser a maior fonte de energia de biomassa hoje; exemplos incluem resíduos florestais (como árvores mortas, galhos e troncos de árvores), aparas de quintal, lascas de madeira e até resíduos sólidos urbanos. No segundo sentido, a biomassa inclui matéria vegetal ou animal que pode ser convertida em fibras ou outros produtos químicos industriais, incluindo biocombustíveis. A biomassa industrial pode ser cultivada a partir de numerosos tipos de plantas, incluindo miscanthus, switchgrass, cânhamo, milho, choupo, salgueiro, sorgo, cana de açúcar, bambu e uma variedade de espécies de árvores, desde eucalipto a dendê (óleo de palma).

A biomassa, o biogás e os biocombustíveis são queimados para produzir calor / energia e, ao fazê-lo, prejudicam o meio ambiente. Poluentes como óxidos sulfurosos (SOx), óxidos nitrosos (NOx) e material particulado (PM) são produzidos a partir desta combustão. A Organização Mundial de Saúde estima que 7 milhões de mortes prematuras são causadas a cada ano pela poluição do ar, e a combustão de biomassa é um dos principais contribuintes da mesma. O uso de biomas é neutro em carbono ao longo do tempo, mas é similar à queima de combustíveis fósseis.

Biocombustíveis de etanol
Como principal fonte de biocombustíveis na América do Norte, muitas organizações estão realizando pesquisas na área de produção de etanol. No nível federal, o USDA realiza uma grande quantidade de pesquisas sobre a produção de etanol nos Estados Unidos. Grande parte dessa pesquisa é voltada para o efeito da produção de etanol nos mercados domésticos de alimentos.

O Laboratório Nacional de Energia Renovável realizou diversos projetos de pesquisa de etanol, principalmente na área de etanol celulósico. O etanol celulósico tem muitos benefícios em relação ao tradicional etanol à base de milho. Não tira nem entra em conflito direto com o suprimento de alimentos porque é produzido a partir de madeira, gramíneas ou partes não comestíveis de plantas. Além disso, alguns estudos mostraram que o etanol celulósico é mais rentável e economicamente sustentável do que o etanol à base de milho. A Sandia National Laboratories realiza pesquisas de etanol celulósico em casa e também é membro do Joint BioEnergy Institute (JBEI), um instituto de pesquisa fundado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos com o objetivo de desenvolver biocombustíveis celulósicos.

Outros biocombustíveis
De 1978 a 1996, o Laboratório Nacional de Energia Renovável experimentou o uso de algas como fonte de biocombustíveis no “Programa de Espécies Aquáticas”. Um artigo auto-publicado por Michael Briggs, da Universidade de New Hampshire Biofuels Group, oferece estimativas para a substituição realista de todos os combustíveis de veículos a biocombustíveis, utilizando algas que têm um teor de óleo natural superior a 50%, que Briggs sugere pode ser cultivada em lagoas de algas em estações de tratamento de águas residuais. Essa alga rica em óleo pode então ser extraída do sistema e processada em biocombustíveis, com o restante seco reprocessado para criar etanol.

A produção de algas para a colheita de óleo para biocombustíveis ainda não foi realizada em escala comercial, mas estudos de viabilidade foram realizados para se chegar à estimativa de rendimento acima. Além de seu alto rendimento projetado, a algicultura – ao contrário dos biocombustíveis baseados em culturas alimentares – não implica uma diminuição na produção de alimentos, uma vez que não requer nem terras agrícolas nem água doce. Muitas empresas estão buscando bio-reatores de algas para diversos fins, incluindo o aumento da produção de biocombustíveis para níveis comerciais.

Vários grupos em vários setores estão realizando pesquisas sobre a Jatropha curcas, uma árvore venenosa semelhante a um arbusto que produz sementes consideradas por muitos como uma fonte viável de óleo de biocombustível. Grande parte desta pesquisa se concentra em melhorar o rendimento global de óleo por hectare de Jatropha através de avanços em genética, ciência do solo e práticas de horticultura. A SG Biofuels, um desenvolvedor de Jatropha baseado em San Diego, utilizou a reprodução molecular e a biotecnologia para produzir sementes híbridas de elite de Jatropha que mostram melhorias significativas no rendimento em relação às variedades de primeira geração. O Centro para Agricultura Sustentável em Energia (CfSEF) é uma organização de pesquisa sem fins lucrativos com sede em Los Angeles dedicada à pesquisa de jatrofa nas áreas de ciência de plantas, agronomia e horticultura. A exploração bem-sucedida dessas disciplinas é projetada para aumentar o rendimento da produção agrícola de Jatropha em 200-300% nos próximos dez anos.

Geotérmico
A energia geotérmica é produzida através do aproveitamento do calor dentro da crosta terrestre. Considera-se sustentável porque a energia térmica é constantemente reabastecida. No entanto, a ciência da geração de energia geotérmica ainda é jovem e desenvolve a viabilidade econômica. Diversas entidades, como o Laboratório Nacional de Energia Renovável e os Laboratórios Nacionais de Sandia, estão realizando pesquisas com o objetivo de estabelecer uma ciência comprovada em torno da energia geotérmica. O Centro Internacional para Pesquisa Geotérmica (IGC), uma organização alemã de pesquisa em geociências, está amplamente focado na pesquisa em desenvolvimento de energia geotérmica.

Hidrogênio
Mais de US $ 1 bilhão foi gasto na pesquisa e desenvolvimento de combustível de hidrogênio nos Estados Unidos. Tanto o Laboratório Nacional de Energia Renovável quanto o Sandia National Laboratories possuem departamentos dedicados à pesquisa de hidrogênio. Grande parte deste trabalho está centrada nas tecnologias de armazenamento de hidrogênio e de células de combustível