Альтернативная энергия — это любой источник энергии, который является альтернативой ископаемому топливу. Эти альтернативы предназначены для решения проблем, связанных с ископаемым топливом, такими как его высокие выбросы углекислого газа, что является важным фактором глобального потепления. Морская энергия, гидроэлектроэнергия, ветер, геотермальная и солнечная энергия — все это альтернативные источники энергии.

Характер того, что представляет собой альтернативный источник энергии, со временем значительно изменился, а также противоречия в отношении использования энергии. Из-за разнообразия вариантов энергии и различных целей их защитников, определение некоторых типов энергии как «альтернативных» считается весьма противоречивым.

Существующие типы альтернативной энергии
Гидроэнергия поглощает энергию от падающей воды.
Ядерная энергия использует ядерное деление для высвобождения энергии, хранящейся в атомных связях тяжелых элементов.
Энергия ветра — это генерация электричества от ветра, обычно с использованием пропеллерных турбин.
Солнечная энергия — это использование энергии от солнца. Тепло от солнца можно использовать для солнечных тепловых приложений, или свет может быть преобразован в электричество с помощью фотогальванических устройств.
Геотермальная энергия — это использование внутреннего тепла Земли для кипячения воды для отопления зданий или выработки электроэнергии.
Биотопливо и этанол — это бензиновые заменители, используемые для производства транспортных средств.
Водород можно использовать в качестве носителя энергии, создаваемого различными технологиями, такими как крекинг углеводородов или электролиз воды.

Обеспечивающие технологии
Кондиционеры для хранения льда и нагреватели для хранения тепла — это способы смещения потребления для использования недорогого внепикового электричества. По сравнению с нагревом сопротивления тепловые насосы сохраняют электроэнергию (или в редких случаях механическую или тепловую мощность) путем сбора тепла от холодного источника, такого как водопровод, земля или воздух.

Технологии теплового хранения позволяют хранить тепло или холод в течение периодов времени от дневного до межсезонного и могут включать хранение разумной энергии (т. Е. Путем изменения температуры среды) или скрытой энергии (например, путем изменения фазы среды (т. Е. изменяется от твердого к жидкому или наоборот), например, между водой и слякотью или льдом). Источники энергии могут быть естественными (с помощью солнечно-тепловых коллекторов или сухих градирен, используемых для сбора холода зимой), отработанной энергии (например, от оборудования ОВК, промышленных процессов или электростанций) или избыточной энергии (например, из сезонных проектов гидроэнергетики или периодически с ветропарков). Солнечное сообщество Drake Landing (Альберта, Канада) является иллюстративным. Скважинная тепловая энергия позволяет сообществу получать 97% своего круглогодичного тепла от солнечных коллекторов на крышах гаража. Хранилищами могут быть изолированные резервуары, скважинные кластеры на субстратах от гравия до коренных пород, глубокие водоносные горизонты или мелкие ямы, которые выложены и изолированы. В некоторых приложениях требуется включение теплового насоса.

Возобновляемая энергия против невозобновляемой энергии
Возобновляемая энергия генерируется из природных ресурсов, таких как солнечный свет, ветер, дождь, приливы и геотермальное тепло, которые являются возобновляемыми (естественно пополняются). При сравнении процессов производства энергии остается несколько принципиальных различий между возобновляемой энергией и ископаемым топливом. Процесс добычи нефти, угля или природного газа является сложным и требовательным процессом, который требует большого количества сложного оборудования, физических и химических процессов. С другой стороны, альтернативная энергия может быть широко разработана с использованием основного оборудования и естественных процессов. Древесина, наиболее возобновляемое и доступное альтернативное топливо, выделяет такое же количество углерода при сжигании, как и в случае его естественного разложения. Ядерная энергетика является альтернативой ископаемым видам топлива, которые не являются возобновляемыми, например, ископаемое топливо, ядерные являются конечным ресурсом.

Экологически чистые альтернативы
Источник возобновляемой энергии, такой как биомасса, иногда рассматривается как хорошая альтернатива обеспечению теплом и электричеством ископаемого топлива. Для этой цели биотопливо не являются экологически чистыми, в то время как сжигание биомассы нейтрально нейтрально, загрязнение воздуха все еще производится. Например, Нидерланды, когда-то лидер в области использования пальмового масла в качестве биотоплива, приостановили все субсидии на пальмовое масло из-за научных доказательств того, что их использование «иногда может создавать больший экологический ущерб, чем ископаемое топливо». Правительство Нидерландов и природоохранные группы пытаются проследить происхождение импортируемого пальмового масла, чтобы удостовериться, какие операции производят нефть ответственным образом. Что касается биотоплива из пищевых продуктов, то осознание того, что преобразование всего урожая зерновых в США приведет к производству только 16% своих потребностей в автомобильном топливе, и прореживание поглощающих тропические леса Бразилии, поглощающих СО2, чтобы освободить место для производства биотоплива, дало понять, что размещение энергии рынки в конкуренции с продовольственными рынками приводят к повышению цен на продукты питания и незначительному или негативному воздействию на энергетические вопросы, такие как глобальное потепление или зависимость от иностранной энергии. В последнее время изыскиваются альтернативы таким нежелательным устойчивым видам топлива, как коммерчески жизнеспособные источники целлюлозного этанола.

Относительно новые концепции альтернативной энергетики

Углеродно-нейтральное и отрицательное топливо
Углерод-нейтральное топливо представляет собой синтетическое топливо (в том числе метан, бензин, дизельное топливо, реактивное топливо или аммиак), получаемые путем гидрогенизации отходов двуокиси углерода, рециркулированных из выхлопов дымовых газов электростанций, извлеченных из автомобильных выхлопных газов или полученных из углекислоты в морской воде. Коммерческие компании по синтезу топлива предполагают, что они могут производить синтетическое топливо за меньшее, чем нефтяное топливо, когда нефть стоит более 55 долларов за баррель. Возобновляемый метанол (RM) представляет собой топливо, полученное из водорода и двуокиси углерода каталитическим гидрированием, где водород получен из электролиза воды. Его можно смешивать с транспортным топливом или обрабатывать в качестве химического сырья.

Завод по переработке углекислого газа Джордж Ола, эксплуатируемый компанией Carbon Recycling International в Гриндавике, Исландия, выпускает 2 миллиона литров метанольного топлива в год из дымовых газов Сварценской электростанции с 2011 года. Он способен производить 5 миллионов литров в год , Станция синтеза метана мощностью 250 киловатт была построена Центром исследований солнечной энергии и водорода (ZSW) в Баден-Вюртемберге и Фраунгофером в Германии и начала функционировать в 2010 году. Он модернизируется до 10 мегаватт, который планируется завершить осенью, 2012 год. Audi построила завод по производству сжиженного природного газа (LNG) с нейтральным углеродом в Верльте, Германия. Завод предназначен для производства транспортного топлива для компенсации СПГ, используемого в их автомобилях A3 Sportback g-tron, и может сэкономить 2800 тонн CO2 из окружающей среды в год по первоначальной мощности. Другие коммерческие разработки происходят в Колумбии, Южной Каролине, Камарилло, Калифорнии и Дарлингтоне, Англия.

Такие топлива считаются нейтральными по отношению к углероду, поскольку они не приводят к чистому увеличению атмосферных парниковых газов. В той мере, в какой синтетические топлива вытесняют ископаемые виды топлива или если они производятся из отходов углекислого газа или морской кислоты, а их сгорание подвергается улавливанию углерода в дымоходе или выхлопной трубе, они приводят к отрицательному выбросу углекислого газа и очистке углекислого газа из атмосферы и, таким образом, составляют форму регенерации парниковых газов.

Такие возобновляемые виды топлива облегчают проблемы с издержками и зависимостью импортируемых ископаемых видов топлива, не требуя ни электрификации парка транспортных средств, ни преобразования в водород или другие виды топлива, что позволяет использовать совместимые и доступные транспортные средства. Углерод-нейтральное топливо обеспечивает относительно низкое энергопотребление, облегчает проблемы ветровой и солнечной перерывов и позволяет распределять энергию ветра, воды и солнечной энергии через существующие газопроводы.

Ночная энергия ветра считается наиболее экономичной формой электроэнергии, с помощью которой синтезируется топливо, потому что кривая нагрузки для электричества резко возрастает в течение дня, но ветер имеет тенденцию к удару немного больше ночью, чем днем, поэтому цена ночного времени энергия ветра часто намного дешевле любой альтернативы. Германия построила 250-киловаттный завод по производству синтетического метана, который увеличил до 10 мегаватт.

Водоросли
Топливо из водорослей — это биотопливо, полученное из водорослей. Во время фотосинтеза водоросли и другие фотосинтетические организмы захватывают углекислый газ и солнечный свет и превращают его в кислород и биомассу. Обычно это делается путем размещения водорослей между двумя стеклами. Водоросли создают три вида энергетического топлива: тепло (из его цикла роста), биотопливо (природное «масло», полученное из водорослей) и биомасса (из самих водорослей, поскольку они собираются после зрелости).

Тепло может использоваться для питания строительных систем (таких как тепловая технологическая вода) или для производства энергии. Биотопливо — это масло, добытое из водорослей в зрелости и используемое для создания энергии, аналогичной использованию биодизеля. Биомасса — это вопрос, оставшийся после извлечения масла и воды, и может быть собран для производства горючего метана для производства энергии, подобно теплу, ощущаемому в куче компоста, или метану, собранному из биоразлагаемых материалов на полигоне. Кроме того, преимущества биотоплива из водорослей заключаются в том, что его можно производить как в промышленном, так и в вертикальном направлении (т.е. в качестве фасада здания), тем самым устраняя использование пахотных земель и пищевых культур (таких как соя, пальма и рапса).

Брикеты из биомассы
Брикеты из биомассы разрабатываются в развивающемся мире в качестве альтернативы древесному углю. Эта технология включает превращение практически любого растительного вещества в сжатые брикеты, которые обычно имеют около 70% теплотворной способности древесного угля. Сравнительно мало примеров крупномасштабного производства брикетов. Единственное исключение — в Северной Киву, в восточной части Демократической Республики Конго, где разрешение лесов на производство древесного угля считается самой большой угрозой для среды обитания горной гориллы. Сотрудники Национального парка Вирунга успешно обучили и оснастили более 3500 человек для производства брикетов из биомассы, заменив тем самым древесный уголь, произведенный незаконно в национальном парке, и создав значительную занятость для людей, живущих в условиях крайней нищеты в районах, затронутых конфликтами.

Биогазное расщепление
Биогаз переваривается с помощью метанового газа, который выделяется, когда органические отходы разрушаются в анаэробной среде. Этот газ можно получить на полигонах или в канализационных системах. Газ может использоваться в качестве топлива для отопления или, чаще всего, для выработки электроэнергии. Метановый газ, который собирается и очищается, может использоваться в качестве источника энергии для различных продуктов.

Производство биологического водорода
Водородный газ является полностью чистым горючим топливом; его единственным побочным продуктом является вода. Он также содержит относительно высокое количество энергии по сравнению с другими видами топлива из-за его химической структуры.

2H2 + O2 → 2H2O + Высокая энергия

Высокая энергия + 2H2O → 2H2 + O2

Для этого требуется высокоэнергетический вход, что делает коммерческий водород очень неэффективным. Использование биологического вектора в качестве средства для разделения воды и, следовательно, для производства газообразного водорода позволило бы единственному источнику энергии быть солнечной радиацией. Биологические векторы могут включать бактерии или чаще водоросли. Этот процесс известен как производство биологического водорода. Это требует использования одноклеточных организмов для создания газообразного водорода путем ферментации. Без присутствия кислорода, также известного как анаэробная среда, регулярное клеточное дыхание не может иметь место, и процесс, известный как ферментация, берет верх. Основным побочным продуктом этого процесса является газообразный водород. Если это может быть реализовано в больших масштабах, то солнечный свет, питательные вещества и вода могут создать водородный газ, который будет использоваться в качестве плотного источника энергии. Крупномасштабное производство оказалось трудным. Только в 1999 году было возможно даже вызвать эти анаэробные условия в результате лишения серы. Поскольку процесс ферментации является эволюционным резервом, включенным во время стресса, клетки будут умирать через несколько дней. В 2000 году был разработан двухстадийный процесс, позволяющий вводить клетки в анаэробные состояния и выходить из них и, следовательно, сохранять их в живых. В течение последних десяти лет поиски способа сделать это в крупном масштабе были главной целью исследований. Для обеспечения эффективного процесса перед крупномасштабным производством проводится тщательная работа, однако, как только будет создан механизм, этот вид производства может решить наши энергетические потребности.

Гидроэлектростанция
В 2013 году гидроэнергетика обеспечила 75% возобновляемой электроэнергии в мире. Большая часть электроэнергии, используемой сегодня, является результатом расцвета обычного гидроэлектрического развития в период с 1960 по 1980 год, который практически прекратился в Европе и Северной Америке из-за экологических проблем. В глобальном масштабе наблюдается тенденция к увеличению гидроэлектричества. С 2004 по 2014 год установленная мощность увеличилась с 715 до 1055 ГВт. Популярной альтернативой крупным плотинам прошлого является река-река, где нет воды, хранящейся за плотиной, и поколение обычно варьируется в зависимости от сезонных осадков. Использование run-of-the-river во влажные сезоны и солнечная энергия в сухом сезоне может сбалансировать сезонные колебания для обоих. Еще один отход от крупных плотин — это небольшая гидростанция, они, как правило, расположены высоко над притоками, а не на основных реках в долинах долины.

Оффшорный ветер
Оффшорные ветровые электростанции подобны наземным ветровым электростанциям, но расположены на берегу океана. Оффшорные ветровые электростанции могут быть погружены в воду глубиной до 40 метров (130 футов), а плавающие ветряные турбины могут плавать в воде до глубины до 700 метров (2300 футов). Преимущество наличия плавучей ветровой фермы состоит в том, чтобы иметь возможность использовать ветры из открытого океана. Без каких-либо препятствий, таких как холмы, деревья и здания, ветры из открытого океана могут достигать скорости в два раза быстрее, чем прибрежные районы.

Значительная генерация энергии ветра на шельфе уже способствует потребностям в электроэнергии в Европе и Азии, и теперь в морских водах США разрабатываются первые оффшорные ветровые электростанции. Несмотря на то, что за последние несколько десятилетий ветроэнергетика резко выросла, особенно в Европе, все еще существует неопределенность, связанная с тем, как строительство и эксплуатация этих ветряных электростанций влияют на морских животных и морскую среду.

Традиционные оффшорные ветровые турбины прикрепляются к морскому дну в более мелких водах в прибрежной морской среде. По мере того, как технологии оффшорного ветра становятся более развитыми, плавающие структуры начинают использоваться в более глубоких водах, где существует больше ветровых ресурсов.

Морская и гидрокинетическая энергия
Морская и гидрокинетическая (MHK) или морская энергетическая разработка включает проекты с использованием следующих устройств:

Мощность волны — это перенос энергии ветровыми волнами и захват этой энергии для полезной работы — например, выработка электроэнергии или перекачивание воды в водоемы. Машина, способная использовать значительные волны в открытых прибрежных зонах, обычно известна как преобразователь энергии волн.
Приливные силовые турбины размещены в прибрежных и устьевых районах, а суточные потоки вполне предсказуемы.
Ветровые турбины в быстроходных реках
Океанские турбины в районах сильных морских течений
Океанские тепловые преобразователи энергии в глубоководных тропических водах.

Атомная энергия
В 2015 году десять новых реакторов вышли в сеть и еще 67 строились, включая первые восемь новых реакторов Generation III + AP1000 в США и Китае и первые четыре новых реактора EPR поколения III в Финляндии, Франции и Китае. Реакторы также строятся в Беларуси, Бразилии, Индии, Иране, Японии, Пакистане, России, Словакии, Южной Корее, Турции, Украине и Объединенных Арабских Эмиратах.

Ториевая ядерная энергия
Торий является расщепляющимся материалом для возможного будущего использования в реакторе на основе тория. Сторонники ториевых реакторов претендуют на несколько потенциальных преимуществ по сравнению с урановым топливным циклом, например, с большим избытком тория, лучшей устойчивостью к распространению ядерного оружия и снижением производства плутония и актинидов. Ториевые реакторы могут быть модифицированы для производства урана-233, который затем может быть переработан в высокообогащенный уран, который был протестирован в низкодоходном оружии и не доказан в коммерческих масштабах.

Инвестирование в альтернативную энергетику
Будучи развивающимся экономическим сектором, существуют ограниченные возможности инвестирования на фондовом рынке в альтернативную энергетику, доступную широкой общественности. Общественность может покупать акции альтернативных энергетических компаний с разных фондовых рынков с дико волатильной отдачей. Недавнее IPO SolarCity демонстрирует зарождающийся характер этого сектора — через несколько недель оно уже достигло второй по величине рыночной капитализации в секторе альтернативной энергетики.

Инвесторы также могут инвестировать в ETF (биржевые фонды), которые отслеживают индекс альтернативной энергии, такой как индекс Новой Энергии WilderHill. Кроме того, существует ряд взаимных фондов, таких как Глобальный альтернативный энергетический фонд Calvert Global, которые немного более активны в выборе выбранных инвестиций.

Экономия солнечной энергии PV сильно зависит от ценообразования кремния, и даже компании, чьи технологии основаны на других материалах (например, First Solar), зависят от баланса спроса и предложения на рынке кремния. Кроме того, поскольку некоторые компании продают законченные солнечные элементы на открытом рынке (например, Q-Cells), это создает низкий барьер для входа для компаний, которые хотят выпускать солнечные модули, что, в свою очередь, может создать иррациональную ценовую среду.

Напротив, поскольку энергия ветра используется более 100 лет, ее базовая технология относительно стабильна. Его экономика в значительной степени определяется размещением (например, насколько сильно ветер дует и требованиями к инвестициям в сетку) и ценами на сталь (самый большой компонент ветряной турбины) и выбирают композиты (используемые для лезвий). Поскольку современные ветряные турбины часто превышают 100 метров, логистика и глобальная производственная платформа являются основными источниками конкурентного преимущества. Эти проблемы и другие исследования были изучены в исследовательском отчете Сэнфорда Бернштейна.

Альтернативная энергия в транспорте
В связи с неуклонно растущими ценами на газ в 2008 году, когда средняя цена на один галлон обычного неэтилированного газа в США выросла выше 4,00 долл. США в один момент, наблюдается устойчивое движение к разработке более высокой топливной эффективности и более альтернативных видов топлива для потребителей. В ответ многие более мелкие компании быстро увеличили объем исследований и разработок по радикально различным способам питания потребительских автомобилей. Гибридные и аккумуляторные электромобили являются коммерчески доступными и завоевывают все большую популярность в мире и во всем мире.

Например, Nissan USA представила первый в мире электромобиль массового производства — Nissan Leaf. Также был выпущен гибридный автомобиль-штекер, Chevrolet Volt, с использованием электродвигателя для управления колесами и небольшой четырехцилиндровый двигатель для генерации дополнительного электричества.

Внедрение альтернативной энергетики
Прежде, чем альтернативная энергия станет основной, есть несколько важных препятствий, которые она должна преодолеть. Прежде всего, необходимо уяснить, насколько полезны альтернативные энергии; во-вторых, компоненты доступности для этих систем должны увеличиваться; и, наконец, срок окупаемости должен быть уменьшен.

Например, электромобили (EV) и гибридные электромобили (PHEV) находятся на подъеме. Продолжающееся принятие этих транспортных средств зависит от инвестиций в общественную инфраструктуру взимания платы, а также за внедрение гораздо более альтернативной энергии для будущих перевозок.

Исследование
В академическом, федеральном и коммерческом секторах существует множество организаций, проводящих широкомасштабные передовые исследования в области альтернативной энергетики. Это исследование охватывает несколько областей фокусировки по альтернативному энергетическому спектру. Основная часть исследований направлена ​​на повышение эффективности и повышение общей энергетической эффективности.

В США несколько исследовательских организаций, поддерживающих федерацию, в последние годы сосредоточились на альтернативной энергии. Две из наиболее известных из этих лабораторий — Сандийские национальные лаборатории и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), оба из которых финансируются Департаментом энергетики Соединенных Штатов и поддерживаются различными корпоративными партнерами. Общий бюджет Сандии составляет 2,4 миллиарда долларов, а бюджет NREL — 375 миллионов долларов.

С увеличением уровня потребления энергии прогнозируется, что уровни повысятся на 21% в 2030 году. Стоимость возобновляемых источников энергии была относительно дешевле на уровне 2,5 млн. Долл. США / МВт по сравнению с невозобновляемыми источниками и 2,7 млн. МВт. Очевидно, что использование возобновляемых источников энергии является экономически эффективным методом получения энергии. Кроме того, их использование также не распространяется на компромисс, который существует между сохранением окружающей среды и экономическим ростом.

Механическая энергия
Механическая энергия, связанная с деятельностью человека, такая как кровообращение, дыхание, ходьба, печатание и бег, вездесущ, но обычно теряется. Он привлек огромное внимание со стороны исследователей по всему миру, чтобы найти методы для удаления таких механических энергий. Лучшим решением в настоящее время является использование пьезоэлектрических материалов, которые могут генерировать поток электронов при деформировании. Для улавливания механической энергии были созданы различные устройства с использованием пьезоэлектрических материалов. Учитывая, что пьезоэлектрическая постоянная материала играет решающую роль в общей производительности пьезоэлектрического устройства, одним из важных направлений исследований для повышения эффективности устройства является поиск нового материала с большим пьезоэлектрическим откликом. Нитрово-свинцовый титанат свинца (PMN-PT) представляет собой пьезоэлектрический материал следующего поколения с сверхвысокой пьезоэлектрической постоянной при достижении идеального состава и ориентации. В 2012 году PMN-PT Nanowires с очень высокой пьезоэлектрической постоянной были изготовлены с помощью гидротермического подхода, а затем собраны в энергоуборочное устройство. Пьезоэлектрическая константа с рекордной высотой была дополнительно улучшена за счет изготовления монокристаллического наночастица PMN-PT, который затем использовался в качестве основного строительного блока для пьезоэлектрического наногенератора.

солнечная
Солнечная энергия может использоваться для отопления, охлаждения или выработки электроэнергии с использованием солнца.

Солнечное тепло уже давно используется в пассивно и активно отапливаемых зданиях, а также в системах централизованного теплоснабжения. Примерами последних являются солнечное сообщество Drake Landing Solar — это Альберта, Канада и многочисленные районные системы в Дании и Германии. В Европе существует две программы для применения солнечного тепла: солнечная тепловая станция (SDH) и программа солнечного отопления и охлаждения (SHC) Международного энергетического агентства.

Препятствиями, препятствующими широкомасштабному внедрению солнечной энергии, является неэффективность современных солнечных технологий и их стоимость. В настоящее время фотоэлектрические (PV) панели имеют возможность конвертировать около 16% солнечного света, который поражает их электричеством.

Национальная лаборатория Sandia и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) финансируют программы исследований солнечной энергии. Солнечная программа NREL имеет бюджет около 75 миллионов долларов США и разрабатывает исследовательские проекты в области фотовольтаической (PV) технологии, солнечной тепловой энергии и солнечной радиации. Бюджет солнечного подразделения Sandia неизвестен, однако на него приходится значительная часть бюджета лаборатории стоимостью 2,4 миллиарда долларов.

В последние годы несколько академических программ были сосредоточены на исследованиях в области солнечной энергии. Исследовательский центр по солнечной энергии (SERC) Университета Северной Каролины (UNC) имеет единственную цель — разработать экономически эффективные солнечные технологии. В 2008 году исследователи из Массачусетского технологического института (Массачусетский технологический институт) разработали метод хранения солнечной энергии, используя его для производства водородного топлива из воды. Такие исследования направлены на устранение препятствий, с которыми сталкиваются солнечные системы хранения энергии для использования в ночные часы, когда солнце не светит. Проект демонстрации солнечной энергии и передачи энергии в Женеве в северо-западной части Пекина, использует аккумуляторы для хранения 71 МВтч, интегрируя энергию ветра и солнечной энергии в сетку с регулированием частоты и напряжения.

В феврале 2012 года компания Semprius Inc. в Северной Каролине, солнечная компания, поддерживаемая немецкой корпорацией Siemens, объявила, что они разработали самую эффективную солнечную панель в мире. Компания утверждает, что прототип преобразует 33,9% солнечного света, попадающего в него на электроэнергию, что более чем в два раза превышает предыдущий коэффициент конверсии высокого класса.

ветер
Исследования ветровой энергии датируются десятилетиями до 1970-х годов, когда НАСА разработало аналитическую модель для прогнозирования выработки энергии ветряных турбин при сильном ветре. Сегодня, как Сандиа Национальные лаборатории, так и Национальная лаборатория возобновляемой энергии имеют программы, посвященные исследованиям ветра. Лаборатория Сандии фокусируется на продвижении материалов, аэродинамики и датчиков. Проекты ветроэнергетики NREL сосредоточены на улучшении производства электроэнергии на ветровых электростанциях, снижении их капитальных затрат и повышении эффективности использования энергии ветра в целом.

Полевая лаборатория оптимизированной ветровой энергии (FLOWE) в Калтех была создана для исследования альтернативных подходов к технологиям использования технологий ветровой энергии, которые могут снизить затраты, размеры и воздействие ветровой энергии на окружающую среду.

Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, солнечная энергия, биомасса и геотермальная энергия, обеспечили 1,3% мирового конечного потребления энергии в 2013 году.

биомасса
Биомасса можно рассматривать как «биологический материал», полученный из живых или недавно живых организмов. Это чаще всего относится к растениям или растительным материалам, которые конкретно называют лигноцеллюлозной биомассой. В качестве источника энергии биомасса может быть использована непосредственно путем сжигания для получения тепла или косвенно после преобразования ее в различные формы биотоплива. Преобразование биомассы в биотопливо может быть достигнуто различными методами, которые в широком смысле классифицируются на: термические, химические и биохимические методы. Сегодня дерево остается крупнейшим источником энергии биомассы; примеры включают лесные остатки (такие как мертвые деревья, ветви и пни), вырезки ящиков, древесная щепа и даже муниципальные твердые отходы. Во втором смысле, биомасса включает растительное или животное вещество, которое может быть превращено в волокна или другие промышленные химикаты, включая биотопливо. Промышленную биомассу можно выращивать из многочисленных видов растений, в том числе мисантуса, куска, конопли, кукурузы, тополя, ивы, сорго, сахарного тростника, бамбука и различных видов деревьев, от эвкалипта до масляной пальмы (пальмового масла).

Биомасса, биогаз и биотопливо сжигаются для производства тепла / мощности и тем самым наносят ущерб окружающей среде. Из этого горения образуются загрязнители, такие как сернистые оксиды (SOx), оксиды азота (NOx) и твердые частицы (ТЧ). По оценкам Всемирной организации здравоохранения, ежегодно из-за загрязнения воздуха каждый год вызывается 7 млн. Преждевременных смертей, и сжигание биомассы является основным источником этого заболевания. Использование биомов является нейтральным по отношению к углероду во времени, но в остальном аналогично сжиганию ископаемого топлива.

Биотопливо этанольное
Являясь основным источником биотоплива в Северной Америке, многие организации проводят исследования в области производства этанола. На федеральном уровне Министерство сельского хозяйства США проводит большое количество исследований в области производства этанола в Соединенных Штатах. Большая часть этих исследований нацелена на эффект производства этанола на внутренних продовольственных рынках.

Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии провела различные исследовательские проекты по этанолу, главным образом в области целлюлозного этанола. Целлюлозный этанол имеет много преимуществ по сравнению с традиционным этанолом на основе кукурузы. Он не отнимает или напрямую не конфликтует с продовольствием, потому что он производится из дерева, трав или не съедобных частей растений. Более того, некоторые исследования показали, что целлюлозный этанол является более экономически эффективным и экономически устойчивым, чем этанол на основе кукурузы. Национальные лаборатории Sandia проводят собственные исследования целлюлозного этанола, а также являются членом Объединенного института биоэнергетики (JBEI), научно-исследовательского института, созданного Министерством энергетики Соединенных Штатов с целью разработки целлюлозного биотоплива.

Другие виды биотоплива
С 1978 по 1996 год Национальная лаборатория возобновляемой энергии экспериментировала с использованием водорослей в качестве источника биотоплива в программе «Водные виды». В опубликованной в статье статье Майкла Бриггса из Университета Нью-Хэмпшира Biofuels Group предлагаются оценки для реальной замены всего топлива на автомобильном топливе биотопливом за счет использования водорослей с содержанием природного масла более 50%, что, по мнению Бриггса, может быть выращиваемых на водоемах водорослей на очистных сооружениях сточных вод. Эти богатые нефтью водоросли можно затем экстрагировать из системы и перерабатывать в биотопливо, причем высушенный остаток дополнительно перерабатывают для получения этанола.

Добыча водорослей для сбора нефти для биотоплива еще не проводилась в коммерческих масштабах, но были проведены технико-экономические исследования для достижения вышеуказанной оценки урожайности. В дополнение к его прогнозируемому высокому урожаю, альгакультура — в отличие от биотоплива на основе растительных культур — не влечет за собой снижения производства продовольствия, поскольку для этого не требуются ни сельскохозяйственные угодья, ни пресная вода. Многие компании проводят биореакторы водорослей для различных целей, включая расширение производства биотоплива до коммерческих уровней.

Несколько групп в различных секторах проводят исследования ярофических курков, ядовитого кустарникового дерева, которое производит семена, которые многие считают жизнеспособным источником растительного масла биотоплива. Большая часть этих исследований сосредоточена на улучшении общей урожайности нефти на акров Ятрофы путем развития генетики, почвоведения и практики садоводства. SG Biofuels, разработчик Jatropha из Сан-Диего, использовал молекулярное размножение и биотехнологию для производства элитных гибридных семян Jatropha, которые демонстрируют значительное улучшение урожайности по сравнению с сортами первого поколения. Центр устойчивого энергетического земледелия (CfSEF) — некоммерческая исследовательская организация в Лос-Анджелесе, посвященная исследованиям Jatropha в области науки о растениеводстве, агрономии и садоводства. По прогнозам, успешное исследование этих дисциплин позволит увеличить урожайность фермерских хозяйств Jatropha на 200-300% в течение следующих десяти лет.

геотермальный
Геотермальная энергия вырабатывается путем попадания тепла в земную кору. Он считается устойчивым, поскольку эта тепловая энергия постоянно пополняется. Однако наука о генерации геотермальной энергии еще молода и развивает экономическую жизнеспособность. Несколько организаций, таких как Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии и Национальные лаборатории Сандиа, проводят исследования в целях создания доказанной науки в области геотермальной энергии. Международный центр геотермальных исследований (МКГР), исследовательская организация немецких геонаучных исследований, в основном сосредоточен на исследованиях геотермальной энергетики.

водород
Более 1 млрд. Долл. США было потрачено на исследования и разработку водородного топлива в Соединенных Штатах. Как Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии, так и национальные лаборатории Sandia имеют отделения, посвященные исследованиям водорода. Большая часть этих работ сосредоточена на технологиях хранения водорода и топливных элементов