Materie & Energie

Energieumwandlung - Nutzung erneuerbarer Energiequellen

Ausnutzen erneuerbare Energiequellen

Die wachsende Besorgnis über den ständig wachsenden Energiebedarf der Welt und die Aussicht auf rasch schwindende Reserven an Öl , Erdgas und Uranbrennstoff haben zu Bemühungen geführt, eine tragfähige Entwicklung zu erreichenalternative Energiequellen . Die Volatilität und Unsicherheit der Erdölversorgung wurde während der Energiekrise der 1970er Jahre, die durch die plötzliche Einschränkung der Öllieferungen aus dem Nahen Osten in viele der hochindustrialisierten Länder der Welt verursacht wurde, dramatisch in den Vordergrund gerückt . Es wurde auch erkannt, dass das starke Vertrauen auffossile Brennstoffe haben sich nachteilig auf die Umwelt ausgewirkt . Benzinmotoren und Dampfturbinenkraftwerke, die Kohle oder Erdgas verbrennen, geben erhebliche Mengen an Schwefeldioxid und Stickoxiden an die Atmosphäre ab. Wenn sich diese Gase mit atmosphärischem Wasserdampf verbinden, bilden sie Schwefelsäure und Salpetersäure, was zu stark sauren Ausfällungen führt. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wird auch Kohlendioxid freigesetzt . Die Menge dieses Gases in der Atmosphäre ist seit Mitte des 19. Jahrhunderts stetig gestiegen, was hauptsächlich auf den wachsenden Verbrauch zurückzuführen istvon Kohle, Öl und Erdgas. Immer mehr Wissenschaftler glauben, dass der atmosphärische Aufbau von Kohlendioxid (zusammen mit dem anderer Industriegase wie Methan und Fluorchlorkohlenwasserstoffe) einen Treibhauseffekt hervorrufen kann , der die Oberflächentemperatur der Erde erhöht, indem die in der unteren Atmosphäre eingeschlossene Wärmemenge erhöht wird . Dieser Zustand könnte klimatische Veränderungen mit schwerwiegenden Auswirkungen auf natürliche und landwirtschaftliche Ökosysteme bewirken . (Eine ausführliche Beschreibung des sauren Regens und des Treibhauseffekts finden Sie in den Artikeln Globale Erwärmung , klimatische Schwankungen und Veränderungen sowie Hydrosphäre: Saurer Regen undBildung von Treibhausgasen .)

Viele Länder haben Programme zur Entwicklung erneuerbarer Energietechnologien initiiert, mit denen sie den Verbrauch fossiler Brennstoffe und die damit verbundenen Probleme senken können. Es wird angenommen, dass Fusionsvorrichtungen die beste langfristige Option sind, da ihre primäre Energiequelle das Wasserstoffisotop Deuterium wäre, das in gewöhnlichem Wasser reichlich vorhanden ist. Andere Technologien, die aktiv verfolgt werden, sind solche, die darauf ausgelegt sind, die Energie in Sonnenlicht, Wind, fließendem Wasser und terrestrischer Wärme (dh Geothermie) breiter und effizienter zu nutzen. Die Energiemenge in solchen erneuerbaren und praktisch umweltfreundlichen Quellen ist im Verhältnis zum weltweiten Energiebedarf groß, aber derzeit kann nur ein kleiner Teil davon zu angemessenen Kosten in elektrischen Strom umgewandelt werden .

Eine Vielzahl von Geräten und Systemen wurde entwickelt, um das besser zu nutzen Energie im Sonnenlicht . Zu den effizientesten zählen Photovoltaikanlagen, die mithilfe von Silizium- oder Galliumarsenid-Solarzellen Strahlungsenergie von der Sonne direkt in Elektrizität umwandeln. Große Arrays, die aus Tausenden dieser Halbleiterzellen bestehen, können als zentrale Kraftwerke fungieren. Andere Systeme, die sich noch in der Entwicklung befinden, sollen die Sonnenstrahlung nicht nur zur Stromerzeugung, sondern auch zur Erzeugung von Prozesswärme bei hohen Temperaturen für verschiedene Anwendungen konzentrieren. Diese Systeme verwenden eine Reihe verschiedener Komponenten, einschließlich großer Parabolkonzentratoren und Wärmekraftmaschinen vom Typ Stirling ( siehe oben)). Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung von Flachkollektoren zur Raumheizung von Gewerbe- und Wohngebäuden.

Obwohl Wind ist intermittierend und diffus, er enthält enorme Mengen an Energie. Um diese Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, wurden ausgefeilte Windkraftanlagen entwickelt. Die Nutzung von Windenergieanlagen nahm in den 1980er Jahren spürbar zu. So sind derzeit in Hawaii und Kalifornien an speziell ausgewählten Standorten mehr als 15.000 Windkraftanlagen in Betrieb. Ihre kombinierte Leistung von 1.500 Megawatt entspricht in etwa der einer herkömmlichen Dampfturbinenanlage.

Die Umwandlung der Energie in Wasser in Elektrizität ist eine langjährige Technologie . Noch,Wasserkraftwerke decken schätzungsweise nur etwa 2 Prozent des weltweiten Energiebedarfs. Die Technologie beteiligt ist einfach genug: hydraulische Turbinen , die Energie verändern schnell fließenden oder Wasser fallen in mechanische Energie , dass Antriebe Stromgeneratoren, die produzieren Strom . Wasserkraftwerke erfordern jedoch im Allgemeinen den Bau kostspieliger Dämme. Ein weiterer Faktor, der einen signifikanten Anstieg der Wasserkraftproduktion einschränkt, ist der Mangel an geeigneten Standorten für zusätzliche Anlagen, außer in bestimmten Regionen der Welt.

In bestimmten Küstengebieten der Welt, wie beispielsweise der Mündung des Rance River in der Bretagne , Frankreich, wurden hydraulische Turbinen-Generator-Einheiten eingesetzt, um die große Energiemenge bei Gezeiten des Ozeans zu nutzen. An den meisten dieser Standorte sind die Kapitalkosten für den Bau von dammartigen Strukturen, mit denen Wasser aufgefangen und gespeichert werden kann, jedoch unerschwinglich.

Geothermische Energie fließt von dem heißen Innern der Erde an die Oberfläche in Dampf oder heißes Wasser am häufigsten in den Bereichen der aktiven volcanism. Geothermische Speicher mit Temperaturen von 180 ° C oder höher eignen sich zur Stromerzeugung. Das früheste kommerzielle Geothermiekraftwerk wurde 1904 in gebautLarderello , Italien . Heute treibt Dampf aus Brunnen, die bis zu einer Tiefe von Hunderten von Metern gebohrt wurden, die Turbinengeneratoren der Anlage an, um etwa 190 Megawatt Strom zu erzeugen. Geothermische Anlagen wurden in einer Reihe anderer Länder gebaut, darunter El Salvador , Japan, Mexiko , Neuseeland und die Vereinigten Staaten. Das wichtigste US-Werk in The Geysers nördlich von San Francisco kann bis zu 1.900 Megawatt erzeugen, obwohl die Produktion möglicherweise eingeschränkt wird, um die Lebensdauer des Dampffelds zu verlängern.