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替代能源

替代能源(Alternative energy)是替代化石燃料的任何能源。 这些替代品旨在解决对化石燃料的担忧,例如高二氧化碳排放,这是全球变暖的重要因素。 海洋能,水电,风能,地热能和太阳能都是替代能源。

随着时间的推移,构成替代能源的性质发生了很大变化,关于能源使用的争议也是如此。 由于能源选择的多样性和倡导者的不同目标,将一些能源类型定义为“替代”被认为是非常有争议的。

现有的替代能源类型
水电从捕获的水中捕获能量。
核能利用核裂变释放存储在重元素原子键中的能量。
风能是风的发电,通常使用螺旋桨式涡轮机。
太阳能是利用太阳能。 来自太阳的热量可用于太阳能热应用,或者光可通过光伏装置转换成电能。
地热能是利用地球的内部热量来煮沸水,用于加热建筑物或发电。
生物燃料和乙醇是用于为车辆提供动力的植物衍生汽油替代品。
氢可以用作能量的载体,通过各种技术产生,例如烃裂解或水电解。

启用技术
冰蓄冷空调和蓄热加热器是转移消耗以使用低成本非高峰电力的方法。 与电阻加热相比,热泵通过从诸如水体,地面或空气的冷源收集热量来节省电力(或在极少数情况下为机械或热力)。

储热技术允许热量或冷量存储一段时间,从昼夜到交叉,并且可以涉及存储显热能量(即通过改变介质的温度)或潜在能量(例如通过介质的相变(即从固体到液体的变化,反之亦然),例如在水和雪泥或冰之间)。 能源可以是天然的(通过太阳能集热器,或用于收集冬季寒冷的干式冷却塔),废物能源(例如来自HVAC设备,工业过程或发电厂)或剩余能源(例如季节性来自水电项目或间歇性地来自风电场)。 Drake Landing Solar Community(加拿大阿尔伯塔省)是一个例证。 钻孔热能储存使社区能够从车库屋顶上的太阳能集热器获得97%的全年热量。 储存库可以是隔热罐,钻孔集群在基质中,从砾石到基岩,深层含水层,或有衬里和隔热的浅坑。 某些应用需要包含热泵。

可再生能源与不可再生能源
可再生能源来自自然资源 – 例如阳光,风,雨,潮汐和地热 – 可再生(自然补充)。 在比较生产能源的过程时,可再生能源和化石燃料之间仍存在一些根本差异。 生产石油,煤炭或天然气燃料的过程是一个困难且要求苛刻的过程,需要大量复杂的设备,物理和化学过程。 另一方面,可以使用基本设备和自然过程广泛生产替代能源。 木材是最可再生和可用的替代燃料,在燃烧时会释放出相同数量的碳,如果它自然降解则会释放出来。 核能是化石燃料的替代品,不可再生,如化石燃料,核能是有限的资源。

生态友好的替代品
诸如生物质之类的可再生能源有时被认为是用化石燃料提供热量和电力的良好替代品。 生物燃料本身并不具有生态友好性,而燃烧生物质是碳中性的,仍然会产生空气污染。 例如,曾经使用棕榈油作为生物燃料的领导者荷兰暂停了对棕榈油的所有补贴,因为科学证据表明它们的使用“有时会产生比化石燃料更多的环境危害”。 荷兰政府和环保组织正试图追踪进口棕榈油的来源,以证明哪些业务以负责任的方式生产石油。 关于食品中的生物燃料,认识到转换美国全谷物产量只会产生16%的汽车燃料需求,巴西吸收二氧化碳的热带雨林为生物燃料生产铺平道路已经明确表明放置能源与食品市场竞争的市场导致食品价格上涨,对全球变暖或依赖外国能源等能源问题产生微不足道或负面影响。 最近,正在寻找这种不希望的可持续燃料的替代品,例如商业上可行的纤维素乙醇来源。

替代能源的相对新概念

碳中性和负燃料
碳中性燃料是合成燃料(包括甲烷,汽油,柴油,喷气燃料或氨),其通过氢化从发电厂烟气排放中回收的废二氧化碳,从汽车废气中回收或从海水中的碳酸衍生而产生。 商业燃料合成公司表示,当石油价格超过每桶55美元时,他们可以生产低于石油燃料的合成燃料。 可再生甲醇(RM)是通过催化氢化由氢和二氧化碳产生的燃料,其中氢是从水电解获得的。 它可以混合到运输燃料中或作为化学原料加工。

位于冰岛Grindavík的Carbon Recycling International运营的George Olah二氧化碳回收工厂自2011年以来每年从Svartsengi电站的烟道废气中生产200万升甲醇运输燃料。它有能力每年生产500万升。 巴登 – 符腾堡州太阳能和氢能研究中心(ZSW)和德国弗劳恩霍夫协会建造了一座250千瓦的甲烷合成装置,并于2010年开始运营。该装置正在升级至10兆瓦,计划于秋季完工, 2012年,奥迪在德国Werlte建造了一座碳中性液化天然气(LNG)工厂。 该工厂旨在生产运输燃料,以抵消其A3 Sportback g-tron汽车中使用的液化天然气,并且每年可以在其初始容量下将2800公吨的二氧化碳排出环境。 其他商业开发项目正在南卡罗来纳州哥伦比亚,加利福尼亚州卡马里奥和英国达灵顿进行。

这种燃料被认为是碳中性的,因为它们不会导致大气温室气体的净增加。 如果合成燃料取代化石燃料,或者它们是由废碳或海水碳酸生产,并且它们的燃烧在烟道或排气管处受到碳捕获,则会导致负二氧化碳排放和净二氧化碳排放从大气层开始,从而构成温室气体修复的一种形式。

这种可再生燃料减轻了进口化石燃料的成本和依赖性问题,而不需要车辆电气化或转换成氢气或其他燃料,从而能够实现持续兼容且价格合理的车辆。 碳中性燃料提供相对低成本的能量存储,缓解风和太阳能间歇性问题,并且它们能够通过现有天然气管道分配风,水和太阳能。

夜间风力被认为是用于合成燃料的最经济的电力形式,因为电力的负荷曲线在白天急剧上升,但风在夜间比白天稍微吹得更多,因此,夜间的价格风力发电通常比任何替代品便宜得多。 德国建造了一座250千瓦的合成甲烷装置,它们可以扩大到10兆瓦。

藻类燃料
藻类燃料是源自藻类的生物燃料。 在光合作用过程中,藻类和其他光合生物捕获二氧化碳和阳光,并将其转化为氧气和生物质。 这通常通过将藻类置于两块玻璃之间来完成。 藻类产生三种形式的能量燃料:热(来自其生长周期),生物燃料(来自藻类的天然“油”)和生物质(来自藻类本身,因为它是在成熟时收获的)。

热量可用于为建筑系统(例如热处理水)供电或产生能量。 生物燃料是成熟时从藻类中提取的油,用于产生类似于使用生物柴油的能量。 生物质是提取油和水后留下的物质,可以收获以生产可燃甲烷用于能源生产,类似于堆肥堆中的温暖毡或从垃圾填埋场中的可生物降解材料收集的甲烷。 此外,藻类生物燃料的好处是它可以在工业上和垂直上(即作为建筑物立面)生产,从而避免使用可耕地和粮食作物(例如大豆,棕榈和油菜)。

生物质煤球
生物质煤球正在发展中国家开发,作为木炭的替代品。 该技术涉及将几乎任何植物物质转化为压缩的压块,其通常具有约70%的木炭热值。 大规模型煤生产的例子相对较少。 在刚果民主共和国东部的北基伍省,有一个例外,即木炭生产的森林清除被认为是对山地大猩猩栖息地的最大威胁。 维龙加国家公园的工作人员已经成功培训和装备了3500多人来生产生物质压块,从而取代了国家公园内非法生产的木炭,并为受冲突影响地区的极端贫困人口创造了大量就业机会。

沼气消化
沼气消化利用有机废物在厌氧环境中分解时释放的甲烷气体。 这种气体可以从垃圾填埋场或污水系统中回收。 该气体可用作加热燃料,或更常见的是发电。 收集和精制的甲烷气体可用作各种产品的能源。

生物制氢
氢气是一种完全清洁的燃烧燃料; 它唯一的副产品是水。 由于其化学结构,与其他燃料相比,它还含有相对高的能量。

2H2 + O2→2H2O +高能

高能+ 2H2O→2H2 + O2

这需要高能量输入,使得商业氢气效率非常低。 使用生物载体作为分解水并因此产生氢气的手段将允许唯一的能量输入是太阳辐射。 生物载体可包括细菌或更常见的藻类。 该过程称为生物制氢。 它需要使用单细胞生物通过发酵产生氢气。 在没有氧气(也称为厌氧环境)的情况下,不能进行常规的细胞呼吸,并且称为发酵的过程接管。 该方法的主要副产物是氢气。 如果这可以大规模实施,那么阳光,养分和水可以产生氢气,用作密集的能源。 事实证明,大规模生产很困难。 直到1999年,甚至有可能通过硫剥夺来诱导这些厌氧条件。 由于发酵过程是一种进化后备,在压力期间开启,细胞会在几天后死亡。 2000年,开发了一个两阶段的过程,使细胞进入和离开厌氧条件,从而使它们保持活力。 在过去十年中,寻找大规模实现这一目标的方法一直是研究的主要目标。 正在进行认真的工作以确保在大规模生产之前实现有效的过程,但是一旦开发出一种机制,这种类型的生产就可以解决我们的能源需求。

水电
2013年,水力发电占全球可再生电力的75%。今天使用的大部分电力是1960年至1980年间传统水电开发的鼎盛时期的结果,由于环境问题,该电力发展在欧洲和北美几乎停止。 在全球范围内,存在着更多水电的趋势。 从2004年到2014年,装机容量从715增加到1,055 GW。 过去大型水坝的一种流行替代方案是河流,在水坝后面没有水存储,而且一代通常随着季节性降雨而变化。 在潮湿季节使用河流,在干燥季节使用太阳能可以平衡两者的季节变化。 远离大型水坝的另一个举措是小型水电站,这些水电站往往位于支流上,而不是位于山谷底部的主要河流上。

海上风电
海上风电场类似于陆基风电场,但位于海洋上。 海上风电场可放置在深达40米(130英尺)的水中,而浮动风力发电机可漂浮在深达700米(2,300英尺)的水中。 拥有浮动风电场的优势是能够利用来自开阔海洋的风。 没有任何障碍物,如山丘,树木和建筑物,来自开阔海域的风速可达到沿海地区的两倍。

大量的海上风能已经为欧洲和亚洲的电力需求做出了贡献,现在美国水域的第一批海上风电场正在开发中。 虽然海上风电行业在过去几十年中发展迅速,特别是在欧洲,但这些风电场的建设和运营如何影响海洋动物和海洋环境仍然存在不确定性。

传统的海上风力涡轮机在近岸海洋环境中的较浅水域中附着在海床上。 随着海上风力技术的发展,浮动结构已经开始用于存在更多风力资源的更深水域。

海洋和流体动能
海洋和水力发电(MHK)或海洋能源开发包括使用以下设备的项目:

波浪能是通过风浪传输能量,捕获能量来做有用的工作 – 例如,发电或将水泵入水库。 能够在开放的沿海地区利用重要波浪的机器通常被称为波浪能转换器。
潮汐发电涡轮机位于沿海和河口地区,日常流量非常可预测。
在快速流动的河流中的河流涡轮机
海流涡轮机在强大的海流区域
海洋热能转换器在深热带水域。

核电
2015年,10个新反应堆上线,另有67个正在建设中,包括美国和中国的前8个新一代III + AP1000反应堆以及芬兰,法国和中国的前四个新一代EPR反应堆。 白俄罗斯,巴西,印度,伊朗,日本,巴基斯坦,俄罗斯,斯洛伐克,韩国,土耳其,乌克兰和阿拉伯联合酋长国的反应堆也在建设中。

钍核电
钍是一种可裂变材料,可用于将来在钍基反应器中使用。 钍反应堆的支持者声称比铀燃料循环具有几个潜在的优势,例如钍的丰度更高,对核武器扩散的抵抗力更强,以及钚和act系元素的产生减少。 钍反应堆可以进行改造以生产铀-233,然后可以将其加工成高浓缩铀,这种铀已经在低产武器中进行了测试,并且在商业规模上尚未得到证实。

投资替代能源
作为一个新兴的经济部门,公众可以获得替代能源的股票市场投资机会有限。 公众可以从各种股票市场购买替代能源公司的股票,回报率极不稳定。 SolarCity最近的首次公开募股证明了该行业的新生性 – 几周之内,它已经在替代能源领域实现了第二高的市值。

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投资者还可以选择投资跟踪替代能源指数的ETF(交易所交易基金),例如WilderHill新能源指数。 此外,还有一些共同基金,例如Calvert的全球替代能源共同基金,它们在选择所选投资方面更加积极主动。

太阳能光伏发电的经济性高度依赖于硅的定价,甚至其技术基于其他材料(例如First Solar)的公司也会受到硅市场供需平衡的影响。 此外,由于一些公司在公开市场上销售已完成的太阳能电池(例如,Q-Cells),这为想要制造太阳能电池组件的公司创造了低门槛,这反过来又会产生不合理的定价环境。

相比之下,由于风力发电已经使用了100多年,其基础技术相对稳定。 其经济性主要取决于选址(例如,风力和电网投资要求的难度)和钢材(风力涡轮机的最大部件)和精选复合材料(用于叶片)的价格。 由于目前的风力涡轮机通常超过100米,物流和全球制造平台是竞争优势的主要来源。 桑福德伯恩斯坦在一份研究报告中探讨了这些问题和其他问题。

交通中的替代能源
由于2008年天然气价格稳步上涨,美国全国每加仑普通无铅汽油平均价格一度上涨至4.00美元以上,因此为消费者提供了更高的燃油效率和更多的替代燃料汽车。 作为回应,许多小公司迅速将研究和开发增加到为消费者车辆提供动力的完全不同的方式。 混合动力和电池电动车辆是商业上可获得的,并且在全世界范

例如,日产美国推出了世界上第一款批量生产的电动汽车 – 日产Leaf。 雪佛兰Volt也是一款插电式混合动力汽车,采用电动马达驱动车轮,还有一个小型四缸发动机,可产生额外的电力。

使替代能源成为主流
在替代能源成为主流之前,它必须克服一些关键障碍。 首先,必须增加对替代能源如何有益的理解; 其次,这些系统的可用性组件必须增加; 最后必须减少回收期。

例如,电动汽车(EV)和插电式混合动力电动汽车(PHEV)正在增加。 这些车辆的继续采用取决于对公共充电基础设施的投资,以及为未来的运输实施更多的替代能源。

研究
学术界,联邦和商业部门中有许多组织在替代能源领域进行大规模的先进研究。 该研究涵盖了替代能谱的几个重点领域。 大多数研究的目标是提高效率和提高整体能源产量。

在美国,多个联邦政府支持的研究机构近年来一直专注于替代能源。 其中两个最重要的实验室是桑迪亚国家实验室和国家可再生能源实验室(NREL),这两个实验室均由美国能源部资助,并得到各种企业合作伙伴的支持。 桑迪亚的总预算为24亿美元,而NREL的预算为3.75亿美元。

随着能源消费水平的提高,预计到2030年这一水平将增加21%。与不可再生能源和270万/ MW相比,可再生能源的成本相对便宜,为250万美元/ MW。 显然,使用可再生能源是获得能源的一种经济有效的方法。 此外,它们的使用还省去了环境保护和经济增长之间存在的权衡。

机械能
与人类活动相关的机械能,如血液循环,呼吸,行走,打字和跑步,无处不在,但通常会浪费。 它引起了全球研究人员的极大关注,寻找清除这种机械能的方法。 目前最好的解决方案是使用压电材料,这种材料在变形时会产生电子流。 已经建立了使用压电材料的各种装置来清除机械能。 考虑到材料的压电常数在压电器件的整体性能中起关键作用,提高器件效率的一个关键研究方向是寻找具有大压电响应的新材料。 铅铌酸铅 – 钛酸铅(PMN-PT)是一种新一代压电材料,具有超高压电常数,可获得理想的成分和取向。 2012年,具有极高压电常数的PMN-PT纳米线通过水热法制造,然后组装成能量收集装置。 通过制造单晶PMN-PT纳米带进一步改善了创纪录的压电常数,然后将其用作压电纳米发电机的基本构件。

太阳能
太阳能可以用于使用太阳的加热,冷却或发电。

太阳能热量长期以来一直用于被动和主动加热的建筑物以及区域供热系统。 后者的例子是Drake Landing Solar Community是加拿大的Alberta,以及丹麦和德国的众多地区系统。 在欧洲,有两个应用太阳能热的计划:太阳能区域供热(SDH)和国际能源机构的太阳能加热和制冷(SHC)计划。

阻碍大规模实施太阳能发电的障碍是当前太阳能技术的低效率和成本。 目前,光伏(PV)面板仅具有将约16%的阳光转换成电能的能力。

桑迪亚国家实验室和国家可再生能源实验室(NREL)都资助了太阳能研究项目。 NREL太阳能项目的预算约为7500万美元,并开发了光伏(PV)技术,太阳能热能和太阳辐射领域的研究项目。 桑迪亚太阳能部门的预算不明,但它占该实验室24亿美元预算的很大一部分。

近年来,有几个学术课程专注于太阳能研究。 北卡罗来纳大学(UNC)的太阳能研究中心(SERC)的唯一目的是开发具有成本效益的太阳能技术。 2008年,麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种储存太阳能的方法,利用它从水中生产氢燃料。 这项研究的目的是解决太阳能发展所面临的障碍,即在太阳不发光的夜间,储存能量。 北京西北的Zhangebei国家风能和太阳能储存和输电示范项目,使用电池存储71兆瓦时,通过频率和电压调节将风能和太阳能集成在电网上。

2012年2月,总部位于北卡罗来纳州的Semprius Inc.,一家由德国西门子公司支持的太阳能开发公司,宣布他们开发出世界上最高效的太阳能电池板。 该公司声称该原型将33.9%的阳光转化为电能,是之前高端转换率的两倍多。


风能研究可追溯到几十年到20世纪70年代,当时NASA开发了一种分析模型来预测大风期间的风力涡轮机发电。 今天,桑迪亚国家实验室和国家可再生能源实验室都有致力于风能研究的计划。 桑迪亚的实验室专注于材料,空气动力学和传感器的进步。 NREL风电项目的重点是改善风电厂的发电量,降低资本成本,使风能整体上更具成本效益。

加州理工学院的优化风能实验室(FLOWE)的成立是为了研究风能农业技术实践的替代方法,这些方法有可能降低风能生产的成本,规模和环境影响。

风能,太阳能,生物质能和地热能等可再生能源在2013年占全球最终能源消耗的1.3%。

生物质能
生物质可以被视为源自生物或最近生物的“生物材料”。 它通常是指植物或植物衍生的材料,其特别称为木质纤维素生物质。 作为能源,生物质可以通过燃烧直接使用以产生热量,或者在将其转化为各种形式的生物燃料之后间接使用。 生物质转化为生物燃料可以通过不同的方法实现,这些方法大致分为:热,化学和生物化学方法。 木材仍然是当今最大的生物质能源; 例子包括森林残留物(如死树,树枝和树桩),庭院剪报,木屑甚至城市固体废物。 在第二种意义上,生物质包括可以转化成纤维或其他工业化学品(包括生物燃料)的植物或动物物质。 工业生物质可以从许多类型的植物中生长,包括芒草,柳枝稷,大麻,玉米,杨树,柳树,高粱,甘蔗,竹子和各种树种,从桉树到油棕(棕榈油)。

生物质,沼气和生物燃料被燃烧产生热量/电力,这样做会损害环境。 由这种燃烧产生诸如含硫氧化物(SOx),氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)的污染物。 据世界卫生组织估计,每年因空气污染造成700万人过早死亡,生物质燃烧是其主要原因。 随着时间的推移,生物质的使用是碳中性的,但在其他方面类似于燃烧化石燃料。

乙醇生物燃料
作为北美生物燃料的主要来源,许多组织正在进行乙醇生产领域的研究。 在联邦层面,美国农业部对美国的乙醇生产进行了大量研究。 大部分研究都是针对乙醇生产对国内食品市场的影响。

国家可再生能源实验室开展了各种乙醇研究项目,主要是在纤维素乙醇领域。 与传统的玉米基乙醇相比,纤维素乙醇具有许多优点。 它不会带走或直接与食物供应冲突,因为它是由木材,草或植物的不可食用部分产生的。 此外,一些研究表明纤维素乙醇比玉米乙醇更具成本效益和经济可持续性。 桑迪亚国家实验室进行内部纤维素乙醇研究,同时也是联合生物能源研究所(JBEI)的成员,该研究所是由美国能源部成立的研究机构,其目标是开发纤维素生物燃料。

其他生物燃料
从1978年到1996年,国家可再生能源实验室尝试在“水生物种计划”中使用藻类作为生物燃料来源。 新罕布什尔大学生物燃料集团的迈克尔·布里格斯(Michael Briggs)发表的一篇自我发表的文章,通过利用天然油含量大于50%的藻类提供了用生物燃料真实替代所有机动车燃料的估计,布里格斯建议可以生长在污水处理厂的藻类池塘。 然后可以从系统中提取这种富含油的藻类并加工成生物燃料,干燥的剩余物进一步再加工以产生乙醇。

尚未以商业规模生产用于收集生物燃料油的藻类,但已进行可行性研究以达到上述产量估算。 除了预计的高产量之外,不同于粮食作物的生物燃料的藻类养殖不会导致粮食减产,因为它既不需要农田也不需要淡水。 许多公司正在寻求用于各种目的的藻类生物反应器,包括将生物燃料生产扩大到商业水平。

各个部门的几个小组正在对麻风树(Jatropha curcas)进行研究,麻风树是一种有毒的灌木状树,其产生的种子被许多人认为是生物燃料原料油的可行来源。 这项研究的大部分内容都集中在通过遗传学,土壤科学和园艺实践的进步来提高麻风树的每英亩总产油量。 总部位于圣地亚哥的麻风树开发商SG Biofuels利用分子育种和生物技术生产麻风树的优良杂交种子,与第一代品种相比,产量显着提高。 可持续能源农业中心(CfSEF)是一家位于洛杉矶的非营利性研究机构,致力于麻风树在植物科学,农学和园艺领域的研究。 预计这些学科的成功探索将在未来十年内将麻风树农场的产量提高200-300%。

地热
通过利用地壳内的热量产生地热能。 它被认为是可持续的,因为热能不断得到补充。 然而,地热能发电科学仍然很年轻,并且正在发展经济可行性。 国家可再生能源实验室和桑迪亚国家实验室等几个实体正在开展研究,以实现围绕地热能建立成熟科学的目标。 德国地球科学研究组织国际地热研究中心(IGC)主要致力于地热能开发研究。


在美国,氢燃料的研究和开发已花费超过10亿美元。 国家可再生能源实验室和桑迪亚国家实验室都设有致力于氢研究的部门。 大部分工作都集中在储氢和燃料电池技术上

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