Obnovljivi izvori energije

Tehnologije obnovljivih izvora energije
Većina tehnologije obnovljivih izvora energije se na direktan ili indirektan način napaja iz Sunca. Sustav Zemljine atmosfere je uravnotežen tako da je toplinsko zračenje u svemir jednako pristiglom sunčevom zračenju što rezultira određenim energetskim stupnjem unutar Zemljinog atmosferskog sustava što u grubo možemo opisati kao Zemljina klima. Hidrosfera (voda) upije veći udio dolazećeg zračenja. Najviše zračenja se apsorbira pri maloj geografskoj širini u području oko ekvatora, ali se ta energija raspršuje u obliku vjetrova i morskih struja po cijelom planetu. Gibanje valova moglo bi imati važnu ulogu u procesu pretvorbe mehaničke energije između atmosfere i oceana kroz opterećenje uzrokovano vjetrom. Sunčeva energija je također odgovorna za distribuciju padalina, koje su stvarane hidroelektričnim projektima, i za uzgoj biljaka koje su potrebne za proizvodnju biogoriva.
Strujanje obnovljive energije uključuje prirodne fenomene kao što su: sunčeva svjetlost, vjetar, valovi, geotermalna toplina kao što Internacionalna Agencija za Energiju objašnjava:
„Obnovljiva energija je dobivena iz prirodnih procesa koji se konstantno obnavljaju. U svojim različitim oblicima, dobiva se direktno iz sunca ili iz topline stvarane duboko u Zemlji. To još uključuje električnu struju i toplinu dobivenu iz izvora poput sunčeve svjetlosti, vjetra, oceana, hidroenergije, biomase i geotermalne energije te biogoriva i hidrogena dobivenog iz obnovljivih izvora.“Svaki od ovih izvora ima jedinstvene karakteristike koje utječu na to kako i gdje su korišteni.

Snaga vjetra
Protok zraka može se upotrebljavati za pokretanje vjetroturbina. Novije vjetroturbine imaju raspon snage od 600 kW do 5 MW premda su turbine sa izlaznom snagom od 1.5 do 3 MW postale tipične za komercijalne svrhe; izlazna snaga turbine je funkcija kubne brzine vjetra, tako se s povećanjem brzine vjetra dramatično poveća izlazna snaga. Područja gdje su vjetrovi snažniji i učestaliji, poput priobalja i mjesta velike nadmorske visine, preporučljiva su za izgradnju vjetroparkova.
Budući da brzina vjetra nije konstantna, proizvedena energija vjetroparka u godini nije nikad velika kao zbroj nazivnih vrijednosti generatora pomnoženih sa brojem radnih sati. Omjer stvarno proizvedene energije na godinu do teorijskog maksimuma se naziva faktor kapaciteta. Uobičajeni faktor kapaciteta iznosi od 20% do 40% sa vrijednostima u gornjim granicama na pogodnim mjestima proizvodnje. Na primjer, turbina snage 1 MW sa faktorom kapaciteta od 35% neće proizvoditi 8760 MWh na godinu već samo 0,35x24x365=3066 MWh, što u prosjeku iznosi 0.35 MW. Uz pomoć podataka dostupnih na Internetu za neke lokacije, faktor kapaciteta se može izračunati na temelju godišnje izlazne snage.
Globalno gledajući, smatra se da dugoročni tehnički potencijal energije vjetra je zapravo pet puta veći od konačne svjetske proizvodnje energije, tj. da je 40 puta veći od trenutne potražnje energije. To bi moglo zahtijevati veliku količinu tla za izgradnju vjetroturbina, posebno u područjima s većim izvorima vjetra. Iskustva s priobalnim izvorima ukazuju na to da je tamo brzina vjetra ~90% veća od one na kopnu, pa bi tako priobalni izvori mogli pridonijeti znatno više energije. Taj broj bi se također mogao povećati s povećanjem nadmorske visine vjetroturbina smještenih na kopnu ili u zraku.
Snaga vjetra je obnovljiva i ne uzrokuje stakleničke plinove (ugljikov dioksid i metan) tijekom rada. Na slici prikazana je usporedba plana Europske unije sa trenutnim stanjem proizvodnje energije iz vjetra. Prema sadašnjim pokazateljima plan će biti ostvaren, čak će biti premašen za pola. Vrijednosti na slici su u megavatima (MW) i iz toga se vidi da je ukupna proizvedena energija zanemariva prema energiji dobivenoj iz neobnovljivih izvora energije. Zbog početne ekonomske neisplativosti i nestalnosti vjetra, instalacija vjetrenjača je privilegija koju si mogu priuštiti samo bogate zemlje. Trenutno je cijena vjetrenjače veća od cijene termoelektrane po MW instalirane snage (vjetrenjača košta oko 1000 €/kW instalirane snage, a termoelektrana 700 €/kW), ali razvojem tehnologije ta razlika sve je manja. Ukupna potrošnja energije u svijetu procijenjena je na oko 410×1015 (kvadrilijuna Btu) u 2000. godini, što iznosi 1.2×1014 kWh godišnje. Ukupno instalirana snaga vjetroelektrana do konca 2000. godine predviđena je na 17415 MW s prosječnim godišnjim radom elektrana od 2 500 sati, što daje 0.044×109 kWh godišnje raspoložive količine energije. Dakle, udio energije vjetra u ukupnoj potrošnji energije je vrlo mali.

Njemačka je trenutni lider u proizvodnji električne energije iz vjetra sa 8750 MW, a to je više od jedne trećine ukupno instalirane snage vjetrenjača u svijetu. Toliko instaliranih vjetrenjača u Njemačkoj rezultat je politike njemačke vlade koja poticajnim mjerama pomaže instalaciju novih kapaciteta. Zbog toga u 2001. godini ukupno instalirana snaga povećala se za 43.7%. U Španjolskoj, Danskoj i Italiji također raste instalirani kapacitet. Od sveukupne proizvodnje električne energije Danska dobiva 14% od vjetra i dalje ubrzanim tempom gradi nove kapacitete. Namjera Danske je da takvim pristupom do 2030. godine 50% energetskih potreba kućanstava zadovolji iskorištavanjem energije vjetra. U SAD-u je trenutno instalirano 6.374 MW vjetrenjača. Tako mala instalirana snaga u gospodarski najjačoj zemlji svijeta rezultat je tradicionalnog američkog oslanjanja na fosilna goriva.

Snaga vode
Snaga vode (u obliku kinetičke energije, temperaturne razlike ili gradijenta slanosti) može se sakupljati i koristiti. S obzirom da je voda 800 puta gušća od zraka, čak i spori vodeni tok ili umjereni val može pridonijeti razmotrivu količinu energije.

Postoji mnogo oblika snage vode:

1. Hidroelektrična energija je izraz rezerviran za brane velikih dimenzija poput Grand Coulee Dam u državi Washington i Akosombo brana u Gani.
2. Mikro hidro sustavi su uređaji hidroelektrične energije koji inače proizvode do 100 kW snage. Često se upotrebljavaju u područjima bogatim vodom kao Remote Area Power Supply (RAPS). Diljem svijeta je mnogo takvih hidroelektrana uključujući i one od 50 kW na Solomonskim otocima.
3. Sustavi bez brane koriste kinetičku energiju samih rijeka ili oceana bez korištenja brana.
4. Energija oceana opisuje sve tehnologije za prikupljanje energije oceana i mora.
5. Snaga morskih struja: slično kao plimno-osečka snaga, koristi kinetičku energiju morskih struja.
6. Pretvorba toplinske energije oceana (PTEO) koristi temperaturnu razliku između toplije površine oceana i hladnijih dubina, te se na kraju primjenjuje ciklički generator topline. PTEO još nije testiran na terenu u velikim razmjerima.
7. Snaga morskih mijena obuhvaća energiju plime i oseke. Trenutno postoje dva različita načina proizvodnje energije iz plime i oseke:
7.1. Plimno-osečko kretanje u vertikalnom smjeru – plima uđe, razina vode u bazenu poraste i zatim dođe oseka. Prilikom oseke, razina vode pada i ona protječe kroz turbinu i tako se iskorištava potencijalna energija pohranjena u vodi.
7.2. Plimno-osečko kretanje u horizontalnom smjeru – morska struja. Zbog velike gustoće vode, koja je 800 puta veća od gustoće zraka, morske struje mogu imati puno kinetičke energije. Nekoliko komercijalnih prototipova je izgrađeno, a mnogi se tek razvijaju.
8. Snaga valova koristi energiju pohranjenu u valovima. Valovi inače pomiču velike pontone gore-dolje u vodi, ostavljajući dio sa smanjenom visinom vala u „sjeni“. Snaga valova je dosegla komercijalizaciju.
9. Snaga gradijenta slanosti, ili još snaga osmoze, je energija dobivena iz razlike u slanosti između slane, morske vode i slatke, riječne vode. Obrnuta elektrodijaliza i pritiskom odgođena osmoza su u procesu istraživanja i testiranja.
10. Hlađenje u dubokom jezeru, iako zapravo nije prava metoda stvaranja energije, može uštedjeti puno novaca tijekom ljeta. Ono koristi potopljene slavine i cijevi kao hladnjak za kontrolu klime. Dno jezera ima godišnju konstantu od 4˚C.