Wat zijn de belangrijkste energiebronnen op aarde?

Het kost veel energie om een ​​soort als homo sapiens. In de afgelopen paar eeuwen is deze soort naar voren gekomen als een onderling verbonden wereldwijde aanwezigheid op een manier die, voor zover de wetenschap weet, nog nooit eerder op de planeet is voorgekomen.

De soorten energie die mensen nodig hebben, zijn onder meer elektriciteit om hun huizen en industrieën van stroom te voorzien, biochemische energie om hun lichaam te voeden en brandbare bronnen voor warmte, transport en industrie productie.

Op grote schaal hangt het vermogen van de aarde om te voorzien in wat mensen nodig hebben af ​​van vijf hoofdbronnen:

• De zon, die gigantische fusiereactor in de lucht, levert energie in de orde van yottawatt (10²⁴ watt) op een 24/7 basis.
• Water, die niet alleen essentieel is voor het leven, maar ook kan worden ingezet voor de productie van energie.
• Zwaartekracht, de mysterieuze kracht die sterren creëert en vernietigt, is verantwoordelijk voor getijden en verandert water in een bron van converteerbare kinetische energie.
• De bewegingen van de aarde creëer dagelijkse en seizoensgebonden temperatuurverschillen die winden en oceaanstromingen genereren die kunnen worden omgezet in elektriciteit.
• Radioactiviteit is het natuurlijke verval van zware elementen in lichtere met als gevolg het vrijkomen van straling. De straling creëert warmte die kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Bovendien wordt een belangrijke energievoorziening voor de mens afgeleid van de ontbindende lichamen van organismen die door de eeuwen heen hebben gebloeid en gestorven. In tegenstelling tot de hierboven genoemde middelen is dit aanbod echter beperkt.

Fossiele brandstoffen, waaronder olie, aardgas en steenkool, zijn eigenlijk een andere vorm van zonne-energie. Eeuwen geleden hebben levende organismen het licht en de warmte van de zon omgezet in de op koolstof gebaseerde moleculen die hun lichaam vormden. De organismen stierven en hun lichamen zonken diep in de grond en naar de bodem van de oceanen. Tegenwoordig kan de energie die in die koolstofbindingen zit, worden vrijgegeven door terug te halen waar hun overblijfselen in zijn veranderd en ze te verbranden.

Olie en aardgas zijn afkomstig van microscopisch zeeplankton dat miljoenen jaren geleden leefde. Ze stierven en zonken naar de bodem van de oceanen, waar ze door ontbinding en andere chemische processen veranderden in wasachtig kerogeen en vertoeven bitumen. De oceaanbodems droogden uiteindelijk uit en deze materialen werden begraven onder rots en aarde. Ze zijn de grondstoffen geworden voor het maken van benzine, diesel, kerosine en tal van andere aardolieproducten.

De traditionele manier om ruwe olie uit de grond te halen is door te boren, maar hydrofracturering, of fracken, is een veelgebruikt modern alternatief geworden. Bij dit proces wordt een mengsel van zand, water en potentieel gevaarlijke chemicaliën de grond in geduwd om de aardolie te verdringen. Fracking is een duur proces en heeft een aantal schadelijke effecten op de bodem, het grondwaterpeil en de omringende lucht.

Steenkool is afkomstig van terrestrische planten die zich in moerassen en moerassen vestigden en in turf veranderden. Het veen stolde toen de grond uitdroogde en het werd uiteindelijk bedekt door rotsen en ander puin. De druk veranderde het in de zwarte, rotsachtige substantie die in veel industriële fabrieken en elektriciteitscentrales werd verbrand. Dit alles begon zo'n 300 miljoen jaar geleden, toen dinosaurussen over de aarde zwierven, maar in tegenstelling tot de populaire mythe, zijn steenkool geen ontbonden dinosaurussen.

Al millennia lang gebruiken mensen waterkracht om werk uit te voeren, en in de natuurkunde is werk synoniem met energie. Waterwielen die in de buurt van een beek of waterval zijn geplaatst, hebben de energie gebruikt die wordt gegenereerd door het verplaatsen van water om graan te malen, gewassen te irrigeren, hout te zagen en tal van andere taken uit te voeren. Met de komst van elektriciteit zijn waterwielen veranderd in energiecentrales.

De waterturbine is het hart van een waterkrachtcentrale en werkt dankzij het fenomeen van elektromagnetische inductie, ontdekt door natuurkundige Michael Faraday in 1831. Faraday ontdekte dat een draaiende magneet in een spoel of geleidende draad een elektrische stroom genereert in de spoel, en minder dan 100 jaar later kwam de eerste inductiegenerator online bij Niagara Valt.

Tegenwoordig leveren waterkrachtcentrales ongeveer 6 procent van de wereldwijd verbruikte elektriciteit. De verbranding van fossiele brandstoffen om stoom en spinturbines op te wekken, genereert daarentegen bijna 60 procent van de elektriciteit in de wereld. De meeste waterkracht wordt opgewekt door dammen, niet door watervallen.

Een dam is, net als een beek of waterval, afhankelijk van de zwaartekracht. Het water komt een doorgang aan de bovenkant van de dam binnen, stroomt door een pijp die zijn energie vergroot en een turbine laat draaien voordat het bij de voet van de dam naar buiten gaat. Twee van 's werelds grootste hydro-elektrische dammen zijn de Three Gorges Dam in China, die 22,5 gigawatt aan energie genereert, en de Itaipu-dam op de grens tussen Brazilië en Paraguay, die 14 GW genereert. De grootste dam in Noord-Amerika is de Grand Coulee Dam in de staat Washington, die slechts ongeveer 7 megawatt opwekt.

De oceanen zijn om twee redenen een van 's werelds belangrijkste energiebronnen. De eerste is dat ze stromingen hebben, die in combinatie met de wind golven vormen. Golven kunnen worden omgezet in elektriciteit. Omdat ze het resultaat zijn van temperatuurverschillen veroorzaakt door de hitte van de zon, zijn golven en de stromingen die ze vormen technisch gezien een vorm van zonne-energie.

De andere energiebron in de oceanen zijn de getijden, die worden veroorzaakt door de zwaartekrachtsinvloeden van de maan en de zon, evenals door de bewegingen van de aarde zelf. Er bestaan ​​ook technologieën om de energie in de getijden om te zetten in elektriciteit.

Golfopwekkingsstations zijn nog niet mainstream en het prototype, dat voor de kust van Schotland werd ingezet, genereert slechts 0,5 MW. Beschikbare golftechnologieën zijn onder meer:

• Drijvers en boeien, die op en neer gaan op de golven en stroom opwekken met hydraulische apparaten.

• Oscillerende waterkolommen, waardoor water een kamer binnenkomt en ingesloten lucht samendrukt, die vervolgens een turbine laat draaien.

• Taps toelopende kanaalsystemen, die aan de wal zijn gebonden. Ze leiden water naar verhoogde reservoirs en wanneer het water mag vallen, laat het een turbine draaien.

Getijdencentrales kunnen de kracht van inkomend en uitgaand getij gebruiken om turbines direct te laten draaien. Water is ongeveer 800 keer dichter dan lucht, dus als een turbine op de oceaanbodem wordt geplaatst, genereren de getijdenbewegingen aanzienlijke kracht om ze te laten draaien. Getijdenversperringssystemen komen echter vaker voor.

Een getijdebarrage is een barrière die over een getijbekken is opgericht en die water van het opkomende tij binnenlaat, vervolgens sluit en de uitstroom bij eb regelt. De grootste dergelijke generator is de Sihwa Lake Tidal Power Station in Zuid-Korea. Het genereert ongeveer 254 MW.

Twee van de bekendste manieren om elektriciteit op te wekken op een manier die niet afhankelijk is van verdwijnende fossiele brandstoffen en geen vervuiling veroorzaakt, zijn windturbines of fotovoltaïsche panelen. Omdat de zon verantwoordelijk is voor de temperatuurverschillen die wind creëren, zijn beide strikt genomen vormen van zonne-energie.

Windgeneratoren werken net als hydro-elektrische of door golven aangedreven generatoren. Wanneer de wind waait, laat hij een as draaien die door middel van tandwielen is verbonden met een energieopwekkende inductie-achtige turbine. Moderne turbines zijn gekalibreerd om wisselstroom te leveren met dezelfde frequentie als conventionele wisselstroom, waardoor deze direct beschikbaar is voor gebruik. Windparken over de hele wereld leveren bijna 5 procent van de elektriciteit in de wereld.

Zonnepanelen vertrouwen op het fotovoltaïsche effect, waarbij de zonnestraling een spanning creëert in een halfgeleidend materiaal. De spanning creëert gelijkstroom die moet worden omgezet in wisselstroom door deze door een omvormer te leiden. Zonnepanelen wekken alleen elektriciteit op als de zon schijnt, dus worden ze vaak gebruikt om batterijen op te laden, die de stroom opslaan voor later gebruik.

Zonnepanelen vormen misschien wel een van de meest toegankelijke methoden voor het opwekken van elektriciteit, maar ze leveren slechts een klein deel van de elektriciteit in de wereld - minder dan 1 procent.

Strikt genomen is het proces van kernsplijting geen natuurlijk verschijnsel, maar komt het uit de natuur. Kernsplijting werd uitgevonden kort nadat wetenschappers het atoom en het natuurlijke fenomeen radioactiviteit konden begrijpen. Hoewel splijting oorspronkelijk werd gebruikt om bommen te maken, kwam de eerste kerncentrale slechts drie jaar nadat de eerste bom was ontploft op de Trinity-site in de woestijn van New Mexico online.

Gecontroleerde splijtingsreacties vinden plaats in alle kerncentrales van de wereld. Het genereert warmte om water te koken, dat de stoom produceert die nodig is om elektrische turbines aan te drijven. Zodra een splijtingsreactie begint, heeft deze weinig brandstof nodig om voor onbepaalde tijd door te gaan.

Bijna 20 procent van de elektriciteitsbehoefte in de wereld wordt gedekt door kerncentrales. Oorspronkelijk beschouwd als een goedkope bron van vrijwel onbeperkte energie, heeft kernsplijting ernstige gevolgen nadelen, niet in de laatste plaats de mogelijkheid van kernsmelting en het ongecontroleerd vrijkomen van schadelijke straling. Twee bekende ongevallen, een in de Russische kerncentrale in Tsjernobyl en een andere in Fukushima. in Japan hebben deze gevaren ondervangen en de productie van kernenergie minder aantrekkelijk gemaakt dan ooit was.

Diep in de aardkorst zijn de drukken en temperaturen zo hoog dat ze gesteente vloeibaar maken tot gesmolten lava. Dit oververhitte materiaal stroomt door aderen in de korst die het af en toe naar het oppervlak leiden. Gemeenschappen in gebieden waar dit gebeurt, kunnen de warmte gebruiken om elektriciteit op te wekken en hun huizen van warmte te voorzien. Dit wordt aardwarmte genoemd en in sommige gevallen wordt het aangevuld met radioactieve stoffen in de grond, die ook warmte genereren.

Om gebruik te maken van aardwarmte boren ontwikkelaars op een geschikte plek een tunnel in de aarde en laten ze water door de tunnel circuleren. Het verwarmde water komt als stoom naar de oppervlakte, waar het direct kan worden gebruikt voor verwarming of om een ​​turbine te laten draaien. In sommige gevallen wordt de warmte van het water overgebracht naar een andere stof met een lager kookpunt, zoals isobutaan, en de resulterende damp laat de turbines draaien.

In zijn eenvoudigste vorm heeft geothermische energie gezorgd voor genezing en comfort in natuurlijke spa's en warmwaterbronnen zolang er mensen zijn geweest om ze te bezoeken. Japan is een van de meest geologisch actieve landen ter wereld en heeft een groot netwerk van natuurlijke warmwaterbronnen en een lange geschiedenis van baden. Experts schatten dat het genoeg geothermische bronnen heeft om tot 10 procent van zijn elektriciteit te voorzien behoeften, waardoor zijn geothermische potentieel de derde in de wereld is, achter alleen de Verenigde Staten en Indonesië.

Sommige hulpbronnen zijn kwetsbaar en verdwijnen, en door ze om te zetten in bruikbare energie ontstaan ​​vervuilende stoffen die de planetaire omgeving veranderen. Andere hulpbronnen zijn alleen afhankelijk van de dynamiek van de zon en de planeet, die belooft de komende miljard jaar onveranderd te blijven. Op dit moment moet de mensheid een dringende keuze maken. Zijn voortbestaan ​​kan afhangen van zijn vermogen om in korte tijd zijn afhankelijkheid van de eerste naar de laatste over te schakelen.