انواع انرژی های تجدیدپذیر و منابع انرژی آینده

نژاد بشر برای ارتقاء سطح زندگی خود همواره به انرژی الکتریکی زیادی وابسته بوده است. برآوردها نشان می‌دهد که روزانه 320 میلیارد کیلووات ساعت انرژی مصرف می‌کنیم که عمدتاً از سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود. این سوخت‌ها اگرچه به طور مؤثری نیازهای انرژی ما را برآورده کرده‌اند، اما تجدیدناپذیر و در حال اتمام هستند و به آلودگی هوا و انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر می شوند.

بنابراین، نیاز به جایگزین‌های مناسب و سبز برای سوخت‌های فسیلی احساس می‌شود. گزینه‌های امیدوارکننده‌ای مانند انرژی اتمی، خورشیدی، بادی و سوخت‌های زیستی در حال بررسی هستند، همچنین منابع جدیدی مانند پیل‌های سوختی، انرژی زمین‌گرمایی و انرژی اقیانوسی نیز مورد توجه قرار دارند. در بخش‌های بعدی مقاله دیرل استار، به منابع فعلی و احتمالی انرژی در آینده خواهیم پرداخت.

سوخت های فسیلی (زغال سنگ)

سوخت‌های فسیلی از بقایای گیاهان و جانوران مرده در خشکی و دریا تشکیل شده‌اند که طی صدها میلیون سال تحت فشار و حرارت زمین فسیل شده‌اند. این سوخت‌ها عمدتاً از هیدروکربن‌ها تشکیل می‌شوند، شامل کربن و هیدروژن با نسبت‌های مختلف. انرژی شیمیایی ذخیره شده در این سوخت‌ها در هنگام احتراق آزاد می‌شود و برای تولید برق استفاده می‌گردد.

طبق برآوردها، سوخت‌های فسیلی ۸۶ درصد از کل انرژی تولید شده در جهان را تشکیل می‌دهند که شامل نفت (۳۶.۸ درصد)، زغال‌سنگ (۲۶.۶ درصد) و گاز طبیعی (۲۲.۹ درصد) است. با این حال، این منابع انرژی تجدیدناپذیر هستند و تشکیل آن‌ها صدها میلیون سال طول می‌کشد، در حالی که مصرف آن‌ها بسیار سریع‌تر از تولید ذخایر جدید است. برای تولید یک لیتر بنزین به ۲۳.۵ تن مواد آلی فسیل شده نیاز است.

یکی از معایب وابستگی به سوخت‌های فسیلی، تولید دی‌اکسید کربن در حین احتراق است که سالانه حدود 21.3 میلیارد تن تخمین زده می‌شود. فرآیندهای طبیعی تنها قادر به جذب نیمی از این مقدار هستند، بنابراین هر سال میزان دی‌اکسید کربن در جو افزایش می‌یابد و این امر به گرمایش زمین و عواقب ناگوار برای اکوسیستم منجر می‌شود.

سوخت‌های فسیلی (گاز طبیعی)

گاز طبیعی معمولاً در کنار سوخت‌های فسیلی و در بسترهای زغال‌سنگ یافت می‌شود و توسط موجودات متان‌زا در محل‌های دفن زباله، مرداب‌ها و باتلاق‌ها تولید می‌شود. این گاز عمدتاً از متان و مقادیر کمی از گازهای دیگر مانند اتان، پروپان و نیتروژن تشکیل شده است. قبل از استفاده به عنوان سوخت، باید اجزای غیرمتان آن حذف شوند.

اگرچه گاز طبیعی نسبت به دیگر سوخت‌های فسیلی پاک‌تر محسوب می‌شود، اما همچنان به آلودگی و گرمایش زمین کمک می‌کند. در سال ۲۰۰۴، انتشار دی‌اکسید کربن ناشی از استفاده از گاز طبیعی به ۵۳۰۰ میلیون تن رسید. پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۳۰، این میزان به ۱۱۰۰۰ میلیون تن افزایش یابد. گاز طبیعی هنگام رها شدن در جو، گاز گلخانه‌ای قوی‌تری نسبت به دی‌اکسید کربن است، اما به دلیل انتشار کم آن، در حال حاضر نگرانی اصلی محسوب نمی‌شود.

انرژی خورشیدی

تقریباً همه چیز در این دنیا انرژی خود را از خورشید می‌گیرد. به جای استفاده از منابع غیرمستقیم مانند سوخت‌های فسیلی، محققان در تلاشند تا از انرژی خورشید به‌طور مستقیم بهره‌برداری کنند. زمین به طور متوسط روزانه ۱۷۴ میلیارد مگاوات انرژی از خورشید دریافت می‌کند که حدود ۳۰ درصد آن به فضا بازتاب می‌شود و باقی‌مانده توسط جو، اقیانوس‌ها و خشکی‌ها جذب می‌شود. انرژی خورشیدی که در یک ساعت به زمین می‌رسد، بیشتر از کل انرژی مصرفی جهان در یک سال است، اما چالش اصلی در جذب و استفاده از آن، پراکندگی این انرژی است.

انرژی گرمایی و نوری خورشید می‌تواند از طریق پنل‌های خورشیدی نیمه‌رسانا مهار شود. تابش خورشیدی الکترون‌ها را در این پنل‌ها تحریک کرده و انرژی الکتریکی تولید می‌کند. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها، ساخت پنل‌های خورشیدی مقرون به صرفه است. هزینه برق خورشیدی بین 8 تا 15 سنت به ازای هر کیلووات ساعت است، در حالی که هزینه برق مبتنی بر زغال‌سنگ حدود 6 سنت است.

ذخیره‌سازی انرژی نیز یکی از موانع بزرگ است، زیرا انرژی خورشیدی در شب در دسترس نیست. روش‌هایی مانند سیستم‌های جرم گرمایی، ذخیره‌سازی حرارتی و سیستم‌های فتوولتائیک خارج از شبکه برای ذخیره انرژی خورشیدی برای استفاده بعدی وجود دارد.

با وجود پیشرفت‌های تکنولوژیکی، فناوری انرژی خورشیدی هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد. تا زمانی که این فناوری به طور کامل توسعه یابد و بتوانیم انرژی خورشیدی را به‌طور قابل اطمینان و مقرون به صرفه ذخیره کنیم، سوخت‌های فسیلی همچنان رایج‌ترین منبع انرژی خواهند بود.

انرژی هسته‌ای

با افزایش تقاضای جهانی برای انرژی، انرژی هسته‌ای به عنوان یک منبع پاک و امیدوارکننده برای مقابله با تغییرات آب و هوایی اهمیت بیشتری پیدا کرده است. نوسانات قیمت سوخت‌های فسیلی و نگرانی کشورها درباره امنیت تأمین انرژی نیز از عوامل محرک توسعه این نوع انرژی هستند.

در حال حاضر، ۴۳۹ راکتور هسته‌ای در ۳۰ کشور فعال هستند که ۱۴ درصد از تولید برق جهان را تشکیل می‌دهند. آژانس بین‌المللی انرژی اتمی پیش‌بینی می‌کند که ظرفیت تولید برق هسته‌ای تا سال ۲۰۳۰ به ۴۷۳ تا ۷۴۸ گیگاوات برسد. اما برای اینکه انرژی هسته‌ای به عنوان منبعی قابل اعتماد و پاک شناخته شود، باید چالش‌هایی مانند بهبود رقابت‌پذیری اقتصادی، طراحی نیروگاه‌های ایمن، مدیریت سوخت مصرف‌شده و دفع زباله‌های رادیواکتیو حل شوند.

انرژی هسته‌ای از طریق شکافت یا همجوشی هسته‌ای تولید می‌شود. شکافت معمولاً با اورانیوم انجام می‌شود، اما با توجه به نرخ مصرف فعلی، منابع اورانیوم تنها حدود ۳۰ سال دیگر دوام خواهند آورد. بازپردازش سوخت مصرف‌شده می‌تواند به افزایش منابع اورانیوم کمک کند. بزرگ‌ترین چالش‌های این منبع انرژی شامل دفع زباله‌های رادیواکتیو و هزینه بالای ساخت نیروگاه‌هاست.

همچنین، انرژی هسته‌ای همجوشی که از ایزوتوپ‌های هیدروژن، لیتیوم و بور استفاده می‌کند، می‌تواند به عنوان یک راه‌حل پایدار برای مشکلات انرژی ما مطرح شود. با این حال، فرآیند برداشت انرژی از همجوشی هنوز در مراحل اولیه است. اگر بتوانیم به طور مؤثر از همجوشی هسته‌ای برای تولید انرژی استفاده کنیم، این نوع انرژی می‌تواند به عنوان یک منبع پاک و با انتشار کم دی‌اکسید کربن، آینده انرژی را تغییر دهد.

انرژی بادی

نیروگاه‌های بادی برای مهار انرژی مکانیکی باد و تبدیل آن به انرژی الکتریکی ساخته می‌شوند. این نیروگاه‌ها سپس به شبکه‌های انتقال برق متصل می‌شوند تا برق توزیع شود. به طور متوسط، فقط ۲۰ تا ۴۰ درصد از کل ظرفیت انرژی یک نیروگاه بادی قابل استفاده است.

عامل محدود کننده در بهره‌برداری از انرژی باد، نوسانات سرعت باد است و در اکثر موارد، انرژی باد فقط با سرعت باد بسیار زیاد و بادهای شدید و پایدار قابل بهره‌برداری مؤثر است. این شرایط عموماً در ارتفاعات بالاتر رخ می‌دهد. انرژی باد همچنین برای ساخت مزارع بادی به مساحت‌های وسیع و باز نیاز دارد.

در سال ۲۰۰۸، ظرفیت تولید برق بادی در سراسر جهان به ۱۲۱.۲ گیگاوات رسید. در حال حاضر، برق بادی به طور متوسط تنها ۱.۵ درصد از ظرفیت تولید برق جهانی را تشکیل می‌دهد. با این حال، این بخش در دوره سه‌ساله ۲۰۰۵ تا ۲۰۰۸ دو برابر شده است. برق بادی ۱۹ درصد از کل تولید برق در دانمارک، ۱۰ درصد در پرتغال و اسپانیا و ۷ درصد در جمهوری ایرلند و آلمان را تشکیل می‌دهد.

سوخت‌های زیستی و بیومس

این سوخت‌ها شامل سوخت‌هایی از منابع گیاهی و جانوری هستند. نفت یا اتانول که از گیاهانی مانند نیشکر، چمن‌زار، جلبک، درخت بید و ذرت به دست می‌آید، می‌تواند به طور مستقیم یا مخلوط با سوخت‌های دیگر مانند گازوئیل و بنزین تجاری برای تولید نیرو استفاده شود. حتی مواد گیاهی مانند چوب مرده، برگ، تراشه‌های چوب و شاخه‌ها نیز می‌توانند برای تولید انرژی سوزانده شوند.

این نوع سوخت به طور معمول به عنوان زیست توده طبقه‌بندی می‌شود. زیست توده همچنین شامل هرگونه زباله قابل تجزیه بیولوژیکی از منابع گیاهی و جانوری است که می‌تواند برای سوخت سوزانده شود. عامل محدود کننده در استفاده از سوخت‌های زیستی این است که برای برداشت انرژی ذخیره شده در گیاهان، به تعداد زیادی محصول نیاز است.

این امر به مناطق وسیعی از زمین حاصلخیز نیاز دارد. علاوه بر این، تمام منابع گیاهی بازدهی بالایی ندارند. آزمایشاتی برای هیبرید کردن و دستکاری ژنتیکی این محصولات در حال انجام است تا آنها را مقاوم‌تر کرده و بازدهی آنها را افزایش دهند. سوخت‌های زیستی برای استفاده در مقیاس کوچک بسیار امیدوارکننده هستند زیرا انتشار گازهای گلخانه‌ای کمی دارند، سیستم مدیریت زباله موثری هستند و آلودگی هوای کمی تولید می‌کنند.

با پیشرفت فناوری‌های جدید و کشف دیدگاه‌های نو در مورد محیط اطرافمان، دانشمندان قادر به ارائه گزینه‌های انرژی ماجراجویانه‌تر شده‌اند. این گزینه‌ها شامل سلول‌های سوختی، انرژی زمین گرمایی و انرژی جزر و مدی و موجی می‌شود.

پیله‌های سوختی

سلول‌های سوختی شبیه باتری هستند، اما از منابع خارجی برای مواد اولیه استفاده می‌کنند، بر خلاف باتری‌ها که خودکفا هستند. اگر سوخت و اکسیدان در سلول‌های سوختی به طور مناسب حفظ شوند، می‌توان تقریباً به طور مداوم برق تولید کرد. راندمان سلول‌های سوختی با توانی که از آن گرفته می‌شود، متناسب است. آن‌ها همچنین سبک وزن و بسیار قابل اعتماد هستند.

انرژی زمین گرمایی

داخل زمین گرما بسیار زیادی وجود دارد. در مناطق کم عمق آب داغ، سنگ و بخار وجود دارد. در اعماق بیشتر، ماگما به شدت داغ است. این گرما را می توان برای تولید انرژی الکتریکی و به کار انداختن کاربردهای مختلف مهار کرد. مهار انرژی زمین گرمایی نیازی به سوخت و زمین اندکی دارد. این انرژی نسبتا ارزان و یک منبع انرژی بسیار پایدار است، زیرا مقدار گرمای موجود در بستر زمین آنقدر زیاد است که حتی اگر از آن بیشتر از نیاز خود انرژی برداشت کنیم، باز هم برای میلیون ها سال آینده کافی خواهد بود.

انرژی اقیانوسی

اقیانوس‌ها منابع عظیمی از انرژی را در خود دارند که می‌توان از جریان‌های آبی، اختلاف دما و شوری آب برای تولید برق استفاده کرد. انرژی جزر و مد و امواج نیز قابلیت تولید برق را دارند. اختلاف دما در عمق‌های مختلف می‌تواند موتورهای حرارتی را به حرکت درآورد و اختلاف فشار اسمزی بین آب شور و شیرین نیز به تولید برق کمک می‌کند. اگرچه بیشتر این روش‌ها هنوز در مراحل آزمایشی هستند، اما با تحقیقات بیشتر می‌توانند به عنوان منابع انرژی پایدار برای بشریت عمل کنند.

یکی از نظریه‌های پیچیده در تولید انرژی، استفاده از ماده و پاد ماده است. پاد ماده نقطه مقابل ماده است و در صورت برخورد با ماده، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. با این حال، هنوز مشخص نیست که آیا پاد ماده در جهان وجود دارد و چگونه می‌توان آن را مهار کرد.

انسان‌ها راه‌های مختلفی برای استخراج انرژی از زمین پیدا کرده‌اند و به دنبال منابع جدید و کارآمدتر با کمترین تأثیر بر محیط زیست هستند. در حال حاضر، نفت به عنوان اقتصادی‌ترین سوخت شناخته می‌شود، اما با تخلیه ذخایر نفتی، باید به منابع دیگری روی آوریم. برای ادامه پیشرفت تمدن و حفظ کیفیت زندگی، ضروری است که در زمینه تحقیق و توسعه منابع جدید انرژی پیشرو باشیم.