Verschiedene Arten alternativer Energiequellen
Seit mehreren Jahrzehnten wird viel über die Umweltschäden durch Verunreinigungen und das Pumpen schädlicher Gase in die Atmosphäre diskutiert. Viele Ideen zum Schutz der Umwelt wurden entweder durch soziales Bewusstsein oder durch Gesetz umgesetzt, um die Erde zu reinigen und zukünftige Umweltverschmutzung zu reduzieren. Diese Ideen reichen vom Recycling über die Müllabfuhr bis hin zur Nutzung alternativer Energiequellen., Wir werden uns auf die Vorteile, Möglichkeiten und Barrieren konzentrieren, die mit der Nutzung alternativer Energie verbunden sind.
Alternative Energie ist am besten definiert als die Nutzung anderer Energiequellen als herkömmliche fossile Brennstoffe, die als umweltschädlich gelten und knapp sind. Fossile Brennstoffe bestehen aus Erdgas, Kohle und Öl. Derzeit sind fossile Brennstoffe die am häufigsten verwendete Energiequelle, um unsere Häuser zu heizen und unsere Autos mit Strom zu versorgen. Um diese Brennstoffe als Energie zu verwenden, müssen sie verbrannt werden, und die Verbrennung dieser Brennstoffe setzt schädliche Gase in die Atmosphäre frei, was zu Umweltverschmutzung führt., Ein weiteres Problem, das mit fossilen Brennstoffen verbunden ist, ist ihre Versorgung: Es ist unklar, wie lange Öl-und Kohlevorkommen mit unserer aktuellen Verbrauchsrate halten werden oder ob neue Reserven gefunden werden, bevor die aktuellen Reserven aufgebraucht sind. Schätzungen, wie lange die laufenden Reserven dauern werden, reichen von 20 Jahren bis 400 Jahren. Aufgrund dieser Bedenken gegenüber fossilen Brennstoffen beginnen immer mehr Menschen, alternative Energiequellen zu nutzen. Einige beliebte alternative Energiequellen sind Windkraft, Wasserkraft (Wasserkraft), Solarenergie, Biokraftstoffe und Wasserstoff., Diese Kraftstoffe haben alle zwei Dinge gemeinsam: ihre geringen Umweltauswirkungen auf die Erde und ihre Nachhaltigkeit (endlose Versorgung) als Energiequelle.
Wenn also alternative Energiequellen unsere Umwelt – und Versorgungsprobleme lösen sollen, warum haben wir dann nicht auf alternative Energiequellen umgestellt? Nun, die einfache Antwort ist, dass alternative Energiequellen auch dazu neigen, gemeinsame Hindernisse für ihre Verwendung als weit verbreitete Energiequellen zu haben. Diese Barrieren umfassen Standort, Lagerung, hohe Herstellungs-und Nutzungskosten sowie eine inkonsistente Energieversorgung.,
Windkraft
Windkraft ist keine neue Energiequelle. Seit Hunderten von Jahren nutzen Menschen die Kraft des Windes, um ihre Schiffe über die Ozeane zu schicken, und verwenden Windmühlen, um Getreide zu mahlen, Wasser zu pumpen und Holz zu sägen. Die Kraft des Windes kann am leichtesten mit der Windmühle eines Kindes gesehen werden. Das Grundkonzept ist, dass, wenn die Windmühle in entgegenkommenden Windströmungen gehalten wird, der Wind in der Kurve der Schaufeln einfängt, wodurch sich die Windmühle dreht. Dies ist die Energie des Windes bei der Arbeit.,
Eine Windkraftanlage funktioniert ähnlich wie eine altmodische Windmühle, da sie auch die kinetische Energie des Windes (Energie, die durch Bewegung verursacht wird) verwendet, um die Schaufeln zu drehen. Die Schaufeln drehen eine Welle, die an einen Generator angeschlossen ist. Ein Generator ist ein Gerät, das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Im Inneren des Generators wird eine Kupferspule durch die Welle, die mit den sich bewegenden Schaufeln verbunden ist, durch ein Magnetfeld bewegt. Diese Bewegung bewirkt, dass ein elektrischer Strom durch die Kupferspule fließt. Wenn der Generator über eine Windkraftanlage mechanisch vom Wind angetrieben wird, kann er Strom erzeugen.,
Windkraft gilt als saubere Energiequelle, da keine chemischen Prozesse an der Windenergieerzeugung beteiligt sind. Es werden keine Nebenprodukte wie Kohlendioxid hergestellt, die Luft-oder Wasserverschmutzung verursachen. Die Windenergie ist eine erneuerbare Ressource, die niemals ausgehen wird, und sie ist eine großartige Energiequelle für Menschen, die in abgelegenen Gebieten leben, in denen es schwierig sein kann, sie mit Strom zu versorgen, indem sie Kabel verwenden, die an ein weit entferntes Kraftwerk angeschlossen sind. Der tatsächliche Platzbedarf einer Windkraftanlage ist im Vergleich zu anderen alternativen Energiequellen relativ gering., Ein Durchmesser von nur etwa sechs Fuß wird an der Basis benötigt, was die Immobilienkosten für eine Windkraftanlage relativ günstig macht.
Ein Problem bei der Nutzung von Windenergie ist, dass sie nicht immer eine garantierte Energiequelle ist. Wenn der Wind nicht weht, kann kein Strom erzeugt werden, und es muss auf eine Backup-Energiequelle zurückgegriffen werden. Windparks werden für die kommerzielle Erzeugung benötigt, was die Frage der landschaftlichen Behinderung aufwirft, die durch so viele nebeneinander aufgereihte Windkraftanlagen verursacht wird. Viele Menschen wollen nicht mehrere Windräder vor ihren Küchenfenstern sehen., Ein weiteres Problem ist die Gefahr, die diese beweglichen Klingen für Vögel verursachen, die durch das Gebiet fliegen. Neubau von Windkraftanlagen haben größere Schaufeln, die mit langsameren Geschwindigkeiten drehen, so dass Vögel sie sehen können und nicht in den Schaufeln verfangen.
Wasserkraft
Der Begriff Wasserkraft bezieht sich auf die Stromerzeugung durch Wasserkraft. „Hydro“ kommt vom griechischen Wort hydra, was Wasser bedeutet. Wie Windkraft hat auch die Nutzung von Wasser für Strom frühere Wurzeln als in der Neuzeit. Wasserräder wurden zuerst verwendet, um die Energie des Wassers einzufangen und Getreide mechanisch zu mahlen., Sie wurden später zum Pumpen von Wasser, zur Bewässerung von Pflanzen, zum Fahren von Sägewerken und zur Stromversorgung von Textilmühlen verwendet. Heute nutzen wir Wasserturbinen ähnlich wie Windkraftanlagen zur Stromerzeugung.
Die häufigste Quelle für die Erfassung der Wasserkraft ist heute das Wasserkraftwerk. Wasserkraftwerke benötigen normalerweise einen Damm, der auf einem Fluss gebaut wird, der ein Wasserreservoir bildet. Der Damm hält das Wasser zurück, bis sich die Tore öffnen, damit das Wasser durchlaufen kann. Mit Hilfe der Schwerkraft fließt das Wasser durch eine Rohrleitung, die als Federstock bezeichnet wird, zur Turbine., Die Höhenänderung durch den Federstock hilft dem Wasser, Druck aufzubauen, wenn es sich der Turbine nähert. Das sich bewegende Wasser erreicht die Turbine und dreht die Schaufeln der Turbine. Über der Turbine befindet sich ein Generator, der über eine Welle mit der Turbine verbunden ist. Wie der Generator in einer Windkraftanlage erzeugt auch der Generator in einer Wasserturbine Strom, indem er eine Reihe von Kupferspulen an Magneten vorbeiführt. Ein Transformator nimmt dann den vom Generator erzeugten Strom auf und wandelt ihn in einen höheren Spannungsstrom um. Der Strom ist jetzt bereit, Unternehmen und Häuser über Stromleitungen zu versorgen.,
Wasserkraft ist eine erneuerbare Quelle, die keine Verschwendung oder Verschmutzung verursacht. Im Gegensatz zur Windkraft ist die Wasserkraft zuverlässiger. Die Energie kann durch den Damm gespeichert werden, der Wasser zurückhält, bis mehr Energie benötigt wird. Wasserkraft erfordert jedoch ein großes Kraftwerk, das sehr teuer zu bauen ist. Diese Kraftwerke erfordern auch den Bau von Dämmen an Flüssen, die das Ökosystem der Region verändern. Anstelle eines Flusses im Bereich über dem Damm gibt es jetzt einen großen See, der sich über die Lebensräume von Landtieren ausdehnt., Die Menge und Qualität des aus dem Damm fließenden Wassers kann sich nachteilig (negativ) auf die Pflanzen auswirken, die auf dem Land und im Wasser darunter leben.
Solarenergie
Solar-Stromversorgung ist verwenden Sie einfach das Licht der Sonne als Energiequelle. Dies kann durch die Verwendung einer Solarzelle erfolgen, um das Licht der Sonne in Strom umzuwandeln, mithilfe von Solarthermiekollektoren, die Sonnenlicht zum Erwärmen von Luft und Wasser verwenden, oder passiv mit der Sonnenenergie, indem Sonnenlicht durch Fenster eindringen kann, um ein Gebäude zu heizen., Die Gesamtenergie, die wir jedes Jahr von der Sonne erhalten, ist etwa 35.000 Mal mehr Energie als das, was die Menschheit verbraucht, was bedeutet, dass diese Energiequelle wahrscheinlich eine der besten Quellen für die Zukunft ist. Die Herausforderung liegt darin, diese Energie kostengünstig zu nutzen und zu speichern.
Eine der beliebtesten Möglichkeiten, die Sonnenenergie zu nutzen, ist die Verwendung von Photovoltaik (PV) – Zellen, die auch als Solarzellen bezeichnet werden. PV-Zellen absorbieren die Teilchen der Sonnenenergie, aus denen Sonnenlicht besteht. Diese Teilchen werden Photonen genannt., Die absorbierten Photonen werden auf ein Halbleitermaterial, üblicherweise Silizium, übertragen. (Halbleiter sind Substanzen, die Elektrizität leichter leiten als Isolatoren, aber nicht so leicht wie Leiter wie Kupfer.) Elektronen im Halbleiter werden von den ankommenden Photonen losgeschlagen und lassen Zwischenräume zwischen den Bindungen der Atome. Sowohl die losen Elektronen als auch die offenen Räume können einen elektrischen Strom tragen. PV-Zellen werden mit einem oder mehreren elektrischen Feldern gebaut, um den Fluss der Elektronen zu steuern und so den Fluss des Stroms zu steuern., Wenn Metallkontakte oben und unten in einer PV-Zelle platziert werden (ähnlich wie bei einer Batterie), können wir diesen elektrischen Strom extrahieren, um ihn in unserem täglichen Leben zu verwenden.
Wie die oben genannten alternativen Energiequellen ist Solarenergie erneuerbar und umweltfreundlich. Im Gegensatz zu Windkraftanlagen und Wasserkraft ist die photovoltaische Umwandlung in Strom direkt, was bedeutet, dass kein teurer, sperriger Generator erforderlich ist. Wie Windkraftanlagen kann Solarenergie auch an abgelegenen Orten eingesetzt werden, wo es wirtschaftlich unmöglich wäre, Strom aus einem weit entfernten Kraftwerk zu liefern., Solarenergie kann auch sehr effizient bei der Bereitstellung von Wärme und Licht durch den Einsatz von Solaröfen, Solarwasserbereitern, Solarheizungen zu Hause und die Verwendung von Oberlichtern sein.
Solarenergie hat bei Windkraftanlagen einen gemeinsamen Nachteil: ihre Unberechenbarkeit. Solarenergie funktioniert nur, wenn die Sonne ausgeht, wodurch eine PV-Zelle nachts unwirksam wird und an einem bewölkten Tag getroffen oder verfehlt wird. Für diese Zeiten muss Stromspeicher implementiert werden, um Solarstrom zur Hauptstromquelle zu machen. Viele Formen der Solarenergie sind wirtschaftlich noch nicht praktikabel., Photovoltaik – Kraftwerke sind teuer zu bauen und nur etwa 10% effizient in der Energieerzeugung. Es dauert ungefähr fünf Jahre, bis ein Kraftwerk die gleiche Menge an Energie produziert, die in das ursprüngliche Gebäude des Kraftwerks gelangt ist. Mit der aktuellen Technologie wird Solarstrom am besten in kleinerem Maßstab verwendet, z. B. in einzelnen Häusern.
Biokraftstoffe
Es gibt viele Energiequellen, die unter die Kategorie Biokraftstoffe fallen: Biomasse, Biodiesel, Ethanol und Methanol sind nur einige. Die Grundidee hierbei ist, organische Stoffe (normalerweise pflanzliche Stoffe) als Brennstoffquelle zu verwenden., Biomasse bezieht sich auf die Verwendung von Müll und Vegetation als Brennstoffquelle. Wenn sich Müll zersetzt (abbaut), produziert er ein Gas namens Methan, das eingefangen und später verbrannt werden kann, um Energie zu erzeugen, die in Elektrizität umgewandelt werden kann. Vegetation kann direkt verbrannt werden, ähnlich wie fossile Brennstoffe, um Energie zu erzeugen. Während diese Methoden in den Kosten-und Nachhaltigkeitsbereichen helfen, verursachen sie immer noch erhebliche Umweltauswirkungen, ähnlich wie fossile Brennstoffe.
Ethanol und Methanol sind zwei Alkohole, die aus Biomasse hergestellt werden., Ethanol wird normalerweise aus Mais hergestellt, kann aber auch aus landwirtschaftlichen Abfällen, Holzeinschlag und Papierabfällen hergestellt werden. Methanol wird auch als Holzalkohol bezeichnet, da es aus Holz hergestellt werden kann; Das meiste Methanol wird jedoch mit Erdgas hergestellt, weil es billiger ist. Während Biodiesel die Alternative für Dieselmotoren ist, sind Ethanol und Methanol die Alternativen für Benzinmotoren. Die meisten Privatfahrzeuge haben Benzinmotoren und können Ethanolmischungen mit wenig oder keiner Modifikation des Motors verwenden. Ethanol verbrennt auch sauberer und produziert geringere Treibhausgasemissionen als Benzin., Der Vergleich des Ethanolpreises mit dem Benzinpreis ist jedoch etwas schwierig. Eine Gallone reines Ethanol enthält 34% weniger Energie als eine Gallone reines Benzin. Eine gängige Ethanolmischung, E85, ist eine Mischung aus 85% Ethanol und 15% Benzin und produziert 27% weniger Kraftstoffverbrauch als 100% Benzin. Damit E85 weniger kostet als Benzin, muss es mehr als 27% Preissenkung als Benzin haben. Benzin, das $3,00 pro Gallone kostet, hat den gleichen Kraftstoffverbrauch wie E85, das $2,19 pro Gallone kostet.,
Biodiesel wird durch die Kombination eines Pflanzenöls wie Raps-oder Sojaöl und eines Alkohols wie Methanol oder Ethanol hergestellt. Ein Katalysator wird oft hinzugefügt, um die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Pflanzenöl und Alkohol zu erhöhen. Dieser Prozess zur Herstellung von Biodiesel wird als Umesterung bezeichnet (weitere Informationen zur Umesterung finden Sie hier). Dieser chemische Prozess bewirkt, dass sich das Glycerin vom Fett im Pflanzenöl löst und zwei Produkte zurücklässt: Methylester oder Ethylester (der chemische Name für Biodiesel) und Glycerin., Glycerin ist ein wertvolles Nebenprodukt, das häufig zur Herstellung von Seifen und anderen Produkten verwendet wird.
Biodiesel gilt als idealer Kraftstoff, da er sauber verbrennt und in jedem Dieselmotor verwendet werden kann. Es wird oft mit normalem Erdöldiesel gemischt, um Komplikationen bei kaltem Wetter zu vermeiden. Reine Biodieselgele bei höherer Temperatur als Erdöldiesel. (Soja-Biodiesel, der in den USA gekauft wird, beginnt bei etwa 40 °F zu gelieren) Dies bedeutet, dass es schwieriger ist, einen LKW bei Temperaturen unter Null zu starten, der mit Biodiesel fährt, als einen LKW, der mit Erdöldiesel fährt., Biodiesel kostet mehr zu produzieren und kostet daher mehr zu kaufen als Erdöldiesel. Ansonsten funktioniert Biodiesel tendenziell genauso gut wie Erdöldiesel. Reine Biodiesel-und Biodieselmischungen setzen weniger Treibhausgase frei, sind biologisch abbaubar (können sich durch natürliche Prozesse zersetzen) und können die Lebensdauer von Dieselmotoren verlängern. Einige Tankstellen, die Diesel liefern, liefern auch Biodiesel. Diese Einzelhändler sind in den Staaten des Mittleren Westens häufiger. Hier ist eine Karte von Einzelhändlern, die Biodiesel in den USA verkaufen.,
Wasserstoff
Einer der vielversprechendsten alternativen Kraftstoffe der Zukunft ist Wasserstoff. Sein großes Angebot und seine sauberen Brenneigenschaften haben viele Wissenschaftler und umweltbewusste Bürger, die es als die Lösung für den Ersatz fossiler Brennstoffe betrachten, ohne unseren gegenwärtigen Lebensstil und unsere Abhängigkeit von persönlichen Fahrzeugen drastisch zu verändern. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ist es ein kohlenstofffreier Brennstoff, der beim Verbrennen nicht mehr Kohlendioxid produziert. Wasserstoff ist das einfachste und am häufigsten vorkommende Element auf der Erde und findet sich in Wasser, Luft und allen organischen Stoffen., Aber selbst bei all diesen positiven Aspekten stehen der Verwendung von Wasserstoff als Hauptbrennstoffquelle zwei große Probleme im Wege: seine Produktion und seine Lagerung.
Es gibt zwei Möglichkeiten, Wasserstoff zu erzeugen: Elektrolyse und Reformierung von Erdgas. Bei der Elektrolyse wird ein elektrischer Strom verwendet, um das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuteilen. (Um Wasserstoff zu Hause mit Elektrolyse zu trennen, klicken Sie hier., Bei der Reformierung von Erdgas wird Methan (das ein Hauptbestandteil des zur Herstellung von Wasserstoff verwendeten Erdgases ist) mit Dampf erhitzt, wodurch eine Reaktion zwischen Methan und Wasserdampf entsteht, die Wasserstoff, Kohlendioxid und Spuren von Kohlenmonoxid erzeugt. Derzeit verwenden beide Methoden Erdgas zur Herstellung von Wasserstoff. Die Reformierung von Methan erfordert die Spaltung des Wasserstoffs aus dem Kohlenstoff in Methan, aber die Elektrolyse erfordert eine Stromquelle, um Strom zu erzeugen, um das Wassermolekül zu spalten. Erdgas wird am häufigsten als Brennstoffquelle zur Erzeugung dieses Stroms verwendet., Da beide Methoden den Verbrauch von Erdgas zur Herstellung von Wasserstoff erfordern, kostet Wasserstoff mehr als Erdgas.
Mit Wasserstoff können Fahrzeuge auf zwei Arten angetrieben werden: zur Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle oder direkt in einem Verbrennungsmotor. Die Verwendung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle ist die sauberere Methode. Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das Wasserstoff und Sauerstoff zur Stromerzeugung kombiniert. Seine einzigen Nebenprodukte sind Wärme und Wasser, die die Umwelt nicht verschmutzen., Wenn Wasserstoff direkt in einem Verbrennungsmotor verwendet wird, wird der Wasserstoff mit der Außenluft (die etwa zwei Drittel Stickstoff ist) verbrannt, wodurch stickstoffbasierte Oxidgase, die eine gewisse Verschmutzung verursachen, und Wasserdampf erzeugt werden. Unabhängig davon, ob Wasserstoff direkt in einem Verbrennungsmotor oder in einer Brennstoffzelle verwendet wird, erfordern beide Methoden die Speicherung von Wasserstoff für den Einsatz beim Fahren des Fahrzeugs. Auf Gewichtsbasis erzeugt Wasserstoff beim Verbrennen die meiste Energie im Vergleich zu jedem anderen Kraftstoff — ein Pfund Wasserstoff erzeugt 2,6-mal mehr Energie als ein Pfund Benzin., Wasserstoff ist jedoch ein Gas, so dass ein Pfund Wasserstoff viermal so viel Platz beansprucht wie ein Pfund Benzin. Zum Beispiel müsste ein Fahrzeug, das 15 Gallonen Benzin hält, 60 Gallonen äquivalenten Wert von Wasserstoff halten, um die gleiche Menge an Energie zu produzieren. Der Tank im Fahrzeug müsste die Größe von zwei durchschnittlichen Badewannen haben, um den benötigten Wasserstoff aufzunehmen, um eine angemessene Entfernung ohne Auftanken zurückzulegen. Die 15 Gallonen Benzin würden jedoch 90 Pfund wiegen, während die 60 Gallonen Wasserstoff nur 34 Pfund wiegen würden.,
Um dieses Raumproblem zu lösen, kann Wasserstoff in eine Flüssigkeit umgewandelt werden, die weniger Platz einnimmt als Wasserstoff als Gas, aber um Wasserstoff in eine Flüssigkeit umzuwandeln, muss er gekühlt und auf -423.2 ° Fahrenheit gehalten werden. Die Speicherung von Wasserstoff als Gas oder Flüssigkeit ist sehr teuer und umständlich. Dennoch gibt es Hoffnung am Horizont., Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat Wissenschaftlern Zuschüsse angeboten, um Wege zu finden, die Speicherung von Wasserstoff in kleinen Fahrzeugen zu verbessern, indem die Kompression und Verflüssigung von Wasserstoff verbessert wird, Metallhydride verwendet werden, um mehr Wasserstoff zu speichern, ohne dem Fahrzeug zu viel Gewicht zuzusetzen, und die Verwendung von Adsorptionsmaterialien zum Sammeln und Halten von Wasserstoffgas auf der Oberfläche eines Festkörpers zu verbessern., Selbst wenn wir das Speicherproblem überwinden, stehen wir immer noch vor der Hürde und den Kosten, alle benzinbetriebenen Autos durch wasserstoffbetriebene Autos zu ersetzen und Benzintankstellen durch Wasserstofftankstellen zu ersetzen, um ein Amerika auf Wasserstoffbasis zu werden.