Кои са основните източници на енергия на Земята?

Отнема много енергия, за да се подхранва вид като хомо сапиенс. През последните няколко века този вид се появи като взаимосвързано глобално присъствие по начин, който, доколкото науката знае, никога не се е срещал досега на планетата.

Видовете енергия, от която хората се нуждаят, включват електричество за захранване на домовете и индустриите, биохимични енергия за захранване на телата им и горими ресурси за топлина, транспорт и индустрия производство.

В широк мащаб способността на земята да осигури това, от което се нуждаят хората, зависи от пет основни източника:

• Слънцето, този гигантски термоядрен реактор в небето, доставя енергия от порядъка на йотавата (10²⁴ ватове) на база 24/7.
• Вода, което е не само от съществено значение за живота, но и може да бъде използвано за производството на енергия.
• Земно притегляне, тайнствената сила, която създава и унищожава звездите, е отговорна за приливите и отливите и превръща водата в източник на конвертируема кинетична енергия.
• Движенията на земята създават дневни и сезонни температурни разлики, които генерират ветрове и океански течения, които могат да бъдат превърнати в електричество.
• Радиоактивност е естественото разпадане на тежки елементи в по-леки с произтичащо отделяне на радиация. Радиацията създава топлина, която може да се използва за генериране на електричество.

В допълнение, важен енергиен запас за хората се получава от разлагащите се организми, които са процъфтявали и умирали през еоните. За разлика от изброените по-горе ресурси обаче това предлагане е ограничено.

Изкопаемите горива, които включват нефт, природен газ и въглища, всъщност са друга форма на слънчева енергия. Преди едни живи организми преобразуваха слънчевата светлина и топлината в молекули на основата на въглерод, които формираха телата им. Организмите загинаха и телата им потънаха дълбоко в земята и до дъното на океаните. Днес енергията, заключена в тези въглеродни връзки, може да бъде освободена чрез извличане на това, в което са се превърнали останките им, и изгарянето им.

Нефтът и природният газ идват от микроскопичния морски планктон, живял преди милиони години. Те умряха и потънаха в дъното на океаните, където разлагането и други химични процеси ги превърнаха във восъчни кероген и забавяне битум. В крайна сметка океанските легла изсъхнаха и тези материали бяха заровени под скали и пръст. Те са се превърнали в суровини за производство, бензин, дизелово гориво, керосин и множество други петролни продукти.

Традиционният начин за извличане на суров нефт от земята е чрез сондиране, но хидравлично разбиване или фракинг, се превърна в често използвана съвременна алтернатива. В този процес смес от пясък, вода и потенциално опасни химикали се вкарва в земята, за да измести петрола. Фрекингът е скъп процес и има редица вредни ефекти върху скалата, водната маса и околния въздух.

Въглищата идват от сухоземни растения, които са се заселили в блата и блата и са се превърнали в торф. Торфът се втвърди, когато земята изсъхна и в крайна сметка беше покрит с камъни други отломки. Налягането го превърна в черното, скалисто вещество, изгорено в много индустриални централи и електроцентрали. Всичко това започва да се случва преди около 300 милиона години, когато динозаврите са бродили по земята, но противно на популярния мит, въглищата не са разложени динозаври.

В продължение на хилядолетия хората са използвали водната сила, за да извършват работа, а във физиката работата е синоним на енергия. Водните колела, разположени близо до поток или водопад, са използвали енергията, генерирана от движението на водата, за смилане на зърно, напояване на култури, резане на дърва и извършване на множество други задачи. С появата на електричество водните колела са превърнати в електроцентрали.

Водната турбина е сърцето на водноелектрическа електроцентрала и работи поради феномена на електромагнитната индукция, открит от физика Майкъл Фарадей през 1831 г. Фарадей установи, че въртящият се магнит вътре в намотка или проводящ проводник генерира електрически ток в бобината и по-малко от 100 години по-късно първият индукционен генератор се появи онлайн в Ниагара Водопад.

Днес водноелектрическите централи доставят около 6 процента от електроенергията, консумирана по целия свят. Изгарянето на изкопаеми горива за генериране на пара и въртящи се турбини, от друга страна, генерира почти 60 процента от електричеството в света. Повечето водноелектрически централи се генерират от язовири, а не от водопади.

Язовир, като поток или водопад, зависи от гравитацията. Водата влиза в проход в горната част на язовира, преминава през тръба, която увеличава енергията си и завърта турбина, преди да излезе близо до основата на язовира. Две от най-големите водноелектрически язовири в света са язовирът Трите дефилета в Китай, който генерира 22,5 гигавата енергия и язовир Итайпу на границата между Бразилия и Парагвай, който генерира 14 GW. Най-големият язовир в Северна Америка е язовирът Grand Coulee в щата Вашингтон, който генерира само около 7 мегавата.

Океаните са един от най-важните енергийни ресурси в света по две причини. Първият е, че те имат течения, които заедно с ветровете образуват вълни. Вълните могат да се превърнат в електричество. Тъй като те са резултат от температурни разлики, причинени от топлината на слънцето, вълните и теченията, които ги образуват, технически са форма на слънчева енергия.

Другият енергиен ресурс в океаните са приливите и отливите, които са причинени от гравитационните влияния на Луната и Слънцето, както и от движенията на самата Земя. Съществуват и технологии за преобразуване на енергията от приливите и отливите в електричество.

Станциите за генериране на вълни все още не са масови, а прототипът, който е разположен край бреговете на Шотландия, генерира само 0,5 MW. Наличните вълнови технологии включват:

• Плувки и шамандури, които се издигат и спускат върху вълните и генерират мощност с хидравлични устройства.

• Трептящи водни колони, които позволяват на водата да влезе в камерата и да компресира затворения въздух, който след това завърта турбина.

• Конусни канални системи, които са обвързани с брега. Те насочват водата към издигнати резервоари и когато се остави водата да падне, тя завърта турбина.

Приливните електроцентрали могат да използват силата на входящите и изходящите приливи и отливи за директно въртене на турбини. Водата е около 800 пъти по-плътна от въздуха, така че ако на океанското дъно е поставена турбина, приливните движения генерират значителна сила за тяхното завъртане. Приливните баражни системи обаче са по-чести.

Приливният прилив е преграда, издигната през приливен басейн, която позволява на водата от надигащия се прилив да влезе, след което се затваря и контролира изтичането на прилива. Най-големият такъв генератор е приливната електроцентрала Sihwa Lake в Южна Корея. Той генерира около 254 MW.

Два от най-известните начини за генериране на електричество по начин, който не разчита на изчезващите изкопаеми горива и не създава замърсяване, са разполагането на вятърни турбини или фотоволтаични панели. Тъй като слънцето е отговорно за температурните разлики, които създават вятър, и двете са, строго погледнато, форми на слънчева енергия.

Вятърните генератори работят точно като хидроелектрическите или задвижваните от вълни. Когато вятърът духа, той върти вал, който е свързан чрез зъбни колела към индукционна турбина, генерираща енергия. Съвременните турбини са калибрирани, за да осигурят променлив ток със същата честота като конвенционалната променлива мощност, което я прави достъпна за незабавна употреба. Вятърните паркове по целия свят доставят почти 5 процента от електричеството в света.

Слънчевите панели разчитат на фотоволтаичния ефект, при което слънчевата радиация създава напрежение в полупроводим материал. Напрежението създава постоянен ток, който трябва да се преобразува в променлив, като го прекара през инвертор. Слънчевите панели генерират електричество само когато слънцето е излязло, така че те често се използват за зареждане на батерии, които съхраняват енергията за по-късна употреба.

Слънчевите панели представляват може би един от най-достъпните методи за производство на електроенергия, но те доставят само малка част от електричеството в света - по-малко от 1%.

Строго погледнато, процесът на ядрено делене не е естествено явление, но идва от природата. Ядреното делене е изобретено скоро след като учените са успели да разберат атома и природния феномен на радиоактивността. Въпреки че първоначално делението е било използвано за направата на бомби, първата атомна електроцентрала е включена в мрежата само три години след експлозията на първата бомба на площадката на Тринити в пустинята Ню Мексико

Контролирани реакции на делене се случват във всички световни атомни електроцентрали. Той генерира топлина за кипене на вода, която произвежда парата, необходима за задвижване на електрическите турбини. След като реакцията на делене започне, тя се нуждае от малко гориво, за да продължи безкрайно.

Почти 20 процента от световните електрически нужди се задоволяват от ядрени генератори. Първоначално считан за евтин източник на практически неограничена мощност, ядреното делене е сериозно недостатъци, не на последно място от които е възможността за разтопяване и неконтролирано освобождаване на вредни радиация. Две добре известни аварии, една на руската електроцентрала в Чернобил и друга на японската Фукушима съоръжението, са избегнали тези опасности и са направили производството на ядрена енергия по-малко привлекателно от преди беше.

Дълбоко в земната кора налягането и температурите са толкова големи, че те втечняват скалите в разтопена лава. Този прегрят материал преминава през вени в кората, които от време на време го насочват близо до повърхността. Общностите в райони, където това се случва, могат да използват топлината за производство на електричество и за осигуряване на топлина за домовете си. Това се нарича геотермална енергия и в някои случаи се увеличава от радиоактивни материали в земята, които също генерират топлина.

За да използват геотермалната енергия, разработчиците пробиват тунел в земята на подходящо място и циркулират вода през тунела. Нагрятата вода излиза на повърхността като пара, където може да се използва директно за отопление или за въртене на турбина. В някои случаи топлината се прехвърля от водата към друго вещество с по-ниска точка на кипене, като изобутан, и получената пара завърта турбините.

В най-простата си форма геотермалната енергия осигурява изцеление и комфорт в естествените минерални извори и горещи извори, докато има хора, които да ги посещават. Япония е една от най-активните в геологично отношение страни в света и има широка мрежа от естествени горещи извори и дълга история на накисване. Експертите изчисляват, че разполага с достатъчно геотермални ресурси, за да посреща до 10 процента от електричеството си нуждите, правейки своя геотермален потенциал трети в света, след само САЩ и Индонезия.

Някои ресурси са крехки и изчезват и превръщането им в използваема енергия създава замърсители, които променят планетарната среда. Други ресурси зависят само от слънчевата и планетарна динамика, които обещават да останат непроменени през следващите няколко милиарда години. В настоящия момент човечеството трябва да направи спешен избор. Самото му оцеляване може да зависи от способността му да промени зависимостта си от първото към второто за кратък период от време.