Χρειάζεται πολλή ενέργεια για την καλλιέργεια ενός είδους όπως homo sapiens. Τους τελευταίους αιώνες, αυτό το είδος εμφανίστηκε ως διασυνδεδεμένη παγκόσμια παρουσία με τρόπο που, από ό, τι γνωρίζει η επιστήμη, δεν έχει συμβεί ποτέ πριν στον πλανήτη.
Οι τύποι ενέργειας που χρειάζονται οι άνθρωποι περιλαμβάνουν ηλεκτρική ενέργεια για την τροφοδοσία των σπιτιών και των βιομηχανιών τους, βιοχημικών ενέργεια για τη σίτιση του σώματός τους και των καύσιμων πόρων για τη ζεστασιά, τις μεταφορές και τη βιομηχανία παραγωγή.
Σε ευρεία κλίμακα, η ικανότητα της γης να παρέχει αυτό που χρειάζεται ο άνθρωπος εξαρτάται από πέντε κύριες πηγές:
- Ο ήλιος, αυτός ο γιγαντιαίος αντιδραστήρας σύντηξης στον ουρανό, τροφοδοτεί ενέργεια με τη σειρά των yottawatts (10)24 βατ) σε 24/7 βάση.
- Νερό, το οποίο δεν είναι μόνο απαραίτητο για τη ζωή, αλλά μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας.
- Βαρύτητα, η μυστηριώδης δύναμη που δημιουργεί και καταστρέφει τα αστέρια, είναι υπεύθυνη για τις παλίρροιες και μετατρέπει το νερό σε πηγή μετατρέψιμης κινητικής ενέργειας.
- Οι κινήσεις της γης δημιουργήστε καθημερινές και εποχιακές διαφορές θερμοκρασίας που παράγουν ανέμους και ωκεάνια ρεύματα που μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρική ενέργεια.
- Ραδιοενέργεια είναι η φυσική αποσύνθεση βαρέων στοιχείων σε ελαφρύτερα με επακόλουθη απελευθέρωση ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία δημιουργεί θερμότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Επιπλέον, ένας σημαντικός ενεργειακός εφοδιασμός για τον άνθρωπο προέρχεται από τα αποσυντιθέμενα σώματα οργανισμών που άνθισαν και πέθαναν καθ 'όλη τη διάρκεια των αιώνων. Σε αντίθεση με τους πόρους που αναφέρονται παραπάνω, ωστόσο, αυτή η προσφορά είναι περιορισμένη.
Τα ορυκτά καύσιμα τροφοδότησαν τη βιομηχανική επανάσταση
Τα ορυκτά καύσιμα, που περιλαμβάνουν το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και τον άνθρακα, είναι στην πραγματικότητα μια άλλη μορφή ηλιακής ενέργειας. Πριν από αιώνες, ζωντανοί οργανισμοί μετέτρεψαν το φως και τη θερμότητα του ήλιου σε μόρια με βάση τον άνθρακα που σχημάτισαν το σώμα τους. Οι οργανισμοί πέθαναν, και το σώμα τους βυθίστηκε βαθιά στο έδαφος και στους πυθμένες των ωκεανών. Σήμερα, η ενέργεια που είναι κλειδωμένη σε αυτούς τους δεσμούς άνθρακα μπορεί να απελευθερωθεί ανακτώντας ό, τι τα απομεινάρια τους μετατράπηκαν και κάηκαν.
Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο προέρχονται από μικροσκοπικό θαλάσσιο πλαγκτόν που έζησε εκατομμύρια χρόνια πριν. Πέθαναν και βυθίστηκαν στους πυθμένα των ωκεανών, όπου η αποσύνθεση και άλλες χημικές διεργασίες τις μετέτρεψαν σε κηρώδη ορογόνο και μείνω πίσσα. Τα ωκεάνια στρώματα τελικά ξηράνθηκαν και αυτά τα υλικά θάφτηκαν κάτω από βράχο και χώμα. Έχουν γίνει οι πρώτες ύλες για την παραγωγή, βενζίνη, καύσιμο ντίζελ, κηροζίνη και πολλά άλλα προϊόντα πετρελαίου.
Ο παραδοσιακός τρόπος ανάκτησης αργού πετρελαίου από το έδαφος είναι με διάτρηση, αλλά με υδραυλική θραύση ή fracking, έχει γίνει μια σύγχρονη εναλλακτική λύση που χρησιμοποιείται συχνά. Σε αυτήν τη διαδικασία, ένα μείγμα άμμου, νερού και δυνητικά επικίνδυνων χημικών ουσιών αναγκάζεται στο έδαφος να αντικαταστήσει το πετρέλαιο. Το Fracking είναι μια δαπανηρή διαδικασία και έχει μια σειρά επιβλαβών επιπτώσεων στο υπόστρωμα, στον υδροφόρο ορίζοντα και στον περιβάλλοντα αέρα.
Ο άνθρακας προέρχεται από χερσαία φυτά που εγκαταστάθηκαν σε έλη και βάλτους και μετατράπηκαν σε τύρφη. Η τύρφη στερεοποιήθηκε καθώς το έδαφος στέγνωσε, και τελικά καλύφθηκε από βράχια άλλα συντρίμμια. Η πίεση το μετέτρεψε σε μαύρη, βραχώδη ουσία που καίγεται σε πολλές βιομηχανικές μονάδες και σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Όλα αυτά άρχισαν να συμβαίνουν πριν από περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια, όταν οι δεινόσαυροι περιπλανήθηκαν στη γη, αλλά σε αντίθεση με τον δημοφιλή μύθο, ο άνθρακας δεν είναι αποσυντεθειμένοι δεινόσαυροι.
Οι ποταμοί και τα ρεύματα είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας
Για χιλιετίες, οι άνθρωποι εκμεταλλεύονται την υδραυλική δύναμη για να εκτελέσουν εργασία, και στη φυσική, η εργασία είναι συνώνυμη με την ενέργεια. Οι υδραυλικοί τροχοί που τοποθετούνται κοντά σε ένα ρεύμα ή καταρράκτη έχουν χρησιμοποιήσει την ενέργεια που παράγεται μεταφέροντας νερό σε μύλο σιτηρών, αρδεύονται καλλιέργειες, πριόνι ξύλου και κάνουν πολλές άλλες εργασίες. Με την έλευση της ηλεκτρικής ενέργειας, οι τροχοί νερού έχουν μετατραπεί σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας.
Ο στρόβιλος νερού είναι η καρδιά ενός σταθμού παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας και λειτουργεί λόγω του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, που ανακαλύφθηκε από τον φυσικό Michael Faraday το 1831. Ο Faraday διαπίστωσε ότι ένας περιστρεφόμενος μαγνήτης μέσα σε ένα πηνίο ή αγωγό καλώδιο παράγει ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο, και λιγότερο από 100 χρόνια αργότερα, η πρώτη γεννήτρια επαγωγής ήρθε online στο Niagara Πτώσεις.
Σήμερα, τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια τροφοδοτούν περίπου το 6% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται παγκοσμίως. Η καύση ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή ατμού και στροβίλων από την άλλη πλευρά, παράγει σχεδόν το 60% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας. Η περισσότερη υδροηλεκτρική ενέργεια παράγεται από φράγματα και όχι από καταρράκτες.
Ένα φράγμα, όπως ένα ρεύμα ή ένας καταρράκτης, εξαρτάται από τη βαρύτητα. Το νερό εισέρχεται σε ένα πέρασμα στην κορυφή του φράγματος, ρέει μέσω ενός σωλήνα που μεγεθύνει την ενέργειά του και περιστρέφει μια τουρμπίνα πριν βγεί κοντά στη βάση του φράγματος. Δύο από τα μεγαλύτερα υδροηλεκτρικά φράγματα στον κόσμο είναι το φράγμα Three Gorges στην Κίνα, το οποίο παράγει ενέργεια 22,5 gigawatts και το φράγμα Itaipu στα σύνορα Βραζιλίας / Παραγουάης, το οποίο παράγει 14 GW. Το μεγαλύτερο φράγμα στη Βόρεια Αμερική είναι το φράγμα Grand Coulee στο Washington State, το οποίο παράγει μόνο περίπου 7 μεγαβάτ.
Οι Ωκεανοί είναι επίσης σημαντικοί ενεργειακοί πόροι
Οι ωκεανοί είναι ένας από τους σημαντικότερους ενεργειακούς πόρους στον κόσμο για δύο λόγους. Το πρώτο είναι ότι έχουν ρεύματα, τα οποία σε συνδυασμό με τους ανέμους, σχηματίζουν κύματα. Τα κύματα μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρική ενέργεια. Επειδή είναι το αποτέλεσμα των διαφορών θερμοκρασίας που προκαλούνται από τη θερμότητα του ήλιου, τα κύματα και τα ρεύματα που τα σχηματίζουν είναι τεχνικά μια μορφή ηλιακής ενέργειας.
Ο άλλος ενεργειακός πόρος στους ωκεανούς είναι οι παλίρροιες, οι οποίες προκαλούνται από τις βαρυτικές επιδράσεις του φεγγαριού και του ήλιου, καθώς και από τις κινήσεις της ίδιας της γης. Υπάρχουν επίσης τεχνολογίες για τη μετατροπή της ενέργειας στις παλίρροιες σε ηλεκτρική ενέργεια.
Οι σταθμοί παραγωγής κυμάτων δεν είναι ακόμη mainstream και το πρωτότυπο, το οποίο αναπτύχθηκε στα ανοικτά των ακτών της Σκωτίας, παράγει μόνο 0,5 MW. Οι διαθέσιμες τεχνολογίες κυμάτων περιλαμβάνουν:
- Πλωτήρες και σημαντήρες, που ανεβαίνουν και πέφτουν στα κύματα και παράγουν ισχύ με υδραυλικές συσκευές.
- Στήλες νερού ταλαντώσεων, οι οποίες επιτρέπουν στο νερό να εισέλθει σε θάλαμο και να συμπιέσει τον κλειστό αέρα, ο οποίος στη συνέχεια περιστρέφει μια τουρμπίνα.
- Συστήματα κωνικών καναλιών, τα οποία συνδέονται με την ακτή. Διοχετεύουν νερό σε υπερυψωμένες δεξαμενές και όταν αφήνεται το νερό να πέσει, περιστρέφει μια τουρμπίνα.
Οι παλιρροιακοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη δύναμη των εισερχόμενων και εξερχόμενων παλιρροιών για απευθείας περιστροφή των στροβίλων. Το νερό είναι περίπου 800 φορές πιο πυκνό από τον αέρα, οπότε εάν τοποθετηθεί μια τουρμπίνα στον πυθμένα του ωκεανού, οι παλιρροιακές κινήσεις δημιουργούν σημαντική δύναμη για να τα περιστρέψουν. Ωστόσο, τα συστήματα παλιρροιακού φράγματος είναι πιο κοινά.
Ένα παλιρροιακό φράγμα είναι ένα φράγμα που δημιουργείται κατά μήκος μιας παλιρροιακής λεκάνης που επιτρέπει στο νερό να εισέρχεται στην ανερχόμενη παλίρροια, στη συνέχεια κλείνει και ελέγχει την εκροή της παλίρροιας. Η μεγαλύτερη τέτοια γεννήτρια είναι η Sihwa Lake Tidal Power Station στη Νότια Κορέα. Παράγει περίπου 254 MW.
Η τεχνολογία αξιοποιεί τον ήλιο και την αιολική ενέργεια
Δύο από τους πιο γνωστούς τρόπους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τρόπο που δεν βασίζεται στην εξαφάνιση ορυκτών καυσίμων και δεν δημιουργεί ρύπανση είναι η ανάπτυξη ανεμογεννητριών ή φωτοβολταϊκών πάνελ. Επειδή ο ήλιος είναι υπεύθυνος για τις διαφορές θερμοκρασίας που δημιουργούν άνεμο, και οι δύο είναι, αυστηρά, μορφές ηλιακής ενέργειας.
Οι ανεμογεννήτριες λειτουργούν ακριβώς όπως υδροηλεκτρικές ή κυματοκίνητες. Όταν φυσάει ο άνεμος, περιστρέφει έναν άξονα που συνδέεται με γρανάζια σε ένα στρόβιλο επαγωγικού τύπου. Οι σύγχρονοι στρόβιλοι βαθμονομούνται για παροχή ρεύματος AC στην ίδια συχνότητα με τη συμβατική ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος, γεγονός που το καθιστά διαθέσιμο για άμεση χρήση. Τα αιολικά πάρκα σε όλο τον κόσμο παρέχουν σχεδόν το 5% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας.
Οι ηλιακοί συλλέκτες βασίζονται στο φωτοβολταϊκό αποτέλεσμα, με το οποίο η ακτινοβολία του ήλιου δημιουργεί τάση σε ένα ημιαγώγιμο υλικό. Η τάση δημιουργεί συνεχές ρεύμα το οποίο πρέπει να μετατραπεί σε εναλλασσόμενο ρεύμα περνώντας το μέσω ενός μετατροπέα. Οι ηλιακοί συλλέκτες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μόνο όταν ο ήλιος είναι έξω, επομένως χρησιμοποιούνται συχνά για τη φόρτιση μπαταριών, οι οποίες αποθηκεύουν την ενέργεια για μελλοντική χρήση.
Τα ηλιακά πάνελ αντιπροσωπεύουν ίσως μια από τις πιο προσιτές μεθόδους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά παρέχουν μόνο ένα μικρό μέρος της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας - λιγότερο από 1 τοις εκατό.
Εναλλακτική λύση παραγωγής πυρηνικής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα
Ακριβώς, η διαδικασία της πυρηνικής σχάσης δεν είναι ένα φυσικό φαινόμενο, αλλά προέρχεται από τη φύση. Η πυρηνική σχάση επινοήθηκε αμέσως αφού οι επιστήμονες κατάφεραν να κατανοήσουν το άτομο και το φυσικό φαινόμενο της ραδιενέργειας. Παρόλο που η σχάση χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την κατασκευή βομβών, ο πρώτος πυρηνικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος κυκλοφόρησε μόλις τρία χρόνια μετά την έκρηξη της πρώτης βόμβας στην τοποθεσία Trinity στην έρημο του Νέου Μεξικού.
Οι αντιδράσεις ελεγχόμενης σχάσης εμφανίζονται σε όλους τους πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας στον κόσμο. Παράγει θερμότητα για να βράσει νερό, το οποίο παράγει τον ατμό που απαιτείται για την οδήγηση ηλεκτρικών στροβίλων. Μόλις ξεκινήσει μια αντίδραση σχάσης, χρειάζεται λίγο καύσιμο για να συνεχιστεί επ 'αόριστον.
Σχεδόν το 20 τοις εκατό των παγκόσμιων ηλεκτρικών αναγκών καλύπτονται από πυρηνικούς παραγωγούς. Αρχικά θεωρήθηκε μια φτηνή πηγή σχεδόν απεριόριστης ισχύος, η πυρηνική σχάση έχει σοβαρή μειονεκτήματα, το λιγότερο από τα οποία είναι η πιθανότητα κατάρρευσης και η ανεξέλεγκτη απελευθέρωση επιβλαβών ακτινοβολία. Δύο γνωστά ατυχήματα, ένα στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας του Τσέρνομπιλ της Ρωσίας και ένα άλλο στο Φουκουσίμα της Ιαπωνίας εγκατάσταση, έχουν ξεπεράσει αυτούς τους κινδύνους και έχουν κάνει την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας λιγότερο ελκυστική από ό, τι μια φορά ήταν.
Γεωθερμική ενέργεια
Βαθιά μέσα στο φλοιό της γης, οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες είναι τόσο μεγάλες που υγροποιούν το βράχο σε λειωμένη λάβα. Αυτό το υπερθερμαινόμενο υλικό περνά μέσα από φλέβες στο φλοιό που το οδηγούν περιστασιακά κοντά στην επιφάνεια. Οι κοινότητες σε περιοχές όπου συμβαίνει αυτό μπορούν να χρησιμοποιούν τη θερμότητα για να παράγουν ηλεκτρισμό και να παρέχουν ζεστασιά για τα σπίτια τους. Αυτό ονομάζεται γεωθερμική ενέργεια, και σε ορισμένες περιπτώσεις, αυξάνεται από ραδιενεργά υλικά στο έδαφος, τα οποία παράγουν επίσης θερμότητα.
Για να κάνουν χρήση της γεωθερμικής ενέργειας, οι προγραμματιστές ανοίγουν μια σήραγγα στη γη σε μια κατάλληλη τοποθεσία και κυκλοφορούν νερό μέσω της σήραγγας. Το θερμαινόμενο νερό έρχεται στην επιφάνεια ως ατμός, όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για θέρμανση ή περιστροφή στροβίλου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η θερμότητα μεταφέρεται από το νερό σε άλλη ουσία με χαμηλότερο σημείο βρασμού, όπως ισοβουτάνιο, και ο ατμός που προκύπτει περιστρέφει τους στροβίλους.
Στην απλούστερη μορφή του, η γεωθερμική ενέργεια παρέχει επούλωση και άνεση στα φυσικά ιαματικά λουτρά και τις ιαματικές πηγές για όσο χρονικό διάστημα υπάρχουν άνθρωποι που τα συχνάζουν. Η Ιαπωνία είναι μία από τις πιο γεωλογικά ενεργές χώρες στον κόσμο και διαθέτει ένα μεγάλο δίκτυο φυσικών θερμών πηγών και μια μακρά ιστορία διαβροχής. Οι ειδικοί εκτιμούν ότι διαθέτει αρκετούς γεωθερμικούς πόρους για να καλύψει έως και το 10% της ηλεκτρικής ενέργειας ανάγκες, καθιστώντας το γεωθερμικό δυναμικό του τρίτο στον κόσμο, πίσω από μόνο τις Ηνωμένες Πολιτείες και Ινδονησία.
Οι άνθρωποι πρέπει να κάνουν μια επιλογή
Ορισμένοι πόροι είναι εύθραυστοι και εξαφανίζονται και η μετατροπή τους σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια δημιουργεί ρύπους που αλλάζουν το πλανητικό περιβάλλον. Άλλοι πόροι εξαρτώνται μόνο από την ηλιακή και πλανητική δυναμική που υπόσχονται να παραμείνουν αμετάβλητα για τα επόμενα δισεκατομμύρια χρόνια. Στην παρούσα στιγμή, η ανθρωπότητα έχει μια επείγουσα επιλογή να κάνει. Η ίδια η επιβίωσή του μπορεί να εξαρτάται από την ικανότητά του να αλλάζει την εξάρτησή του από το πρώτο στο δεύτερο σε σύντομο χρονικό διάστημα.
