Jakie są główne źródła energii na Ziemi?

Pielęgnowanie gatunku takiego jak homo sapiens. W ciągu ostatnich kilku stuleci gatunek ten wyłonił się jako połączona globalna obecność w sposób, który, o ile nauka wie, nigdy wcześniej nie występował na naszej planecie.

Rodzaje energii potrzebnej ludziom obejmują energię elektryczną do zasilania domów i przemysłu, biochemiczną energia do karmienia ich ciał i zasoby palne do ogrzewania, transportu i przemysłu produkcja.

Na szeroką skalę zdolność Ziemi do zapewnienia ludziom potrzeb zależy od pięciu głównych źródeł:

• Słońce, ten gigantyczny reaktor termojądrowy na niebie, dostarcza energię rzędu jottawatów (10²⁴ watów) w trybie 24/7.
• Woda, która jest nie tylko niezbędna do życia, ale także może być wykorzystana do produkcji energii.
• Powaga, tajemnicza siła, która tworzy i niszczy gwiazdy, odpowiada za pływy i zamienia wodę w źródło wymienialnej energii kinetycznej.
• Ruchy Ziemi tworzą dzienne i sezonowe różnice temperatur, które generują wiatry i prądy oceaniczne, które można przekształcić w energię elektryczną.
• Radioaktywność to naturalny rozpad ciężkich pierwiastków na lżejsze, w wyniku którego następuje uwolnienie promieniowania. Promieniowanie wytwarza ciepło, które można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej.

Ponadto ważne źródło energii dla ludzi pochodzi z rozkładających się ciał organizmów, które rozkwitały i umierały przez eony. W przeciwieństwie do zasobów wymienionych powyżej, ta podaż jest jednak ograniczona.

Paliwa kopalne, w tym ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel, są w rzeczywistości inną formą energii słonecznej. Eony temu żywe organizmy przekształciły światło słoneczne i ciepło w oparte na węglu cząsteczki, które uformowały ich ciała. Organizmy umarły, a ich ciała zatopiły się głęboko w ziemi i na dnie oceanów. Dziś energia zamknięta w tych wiązaniach węglowych może zostać uwolniona poprzez odzyskanie tego, w co zamieniły się ich szczątki i spalenie ich.

Ropa i gaz ziemny pochodzą z mikroskopijnego morskiego planktonu, który żył miliony lat temu. Zginęły i opadły na dna oceanów, gdzie rozkład i inne procesy chemiczne zmieniły je w woskowate kerogen i zwlekaj bitum. Dna oceaniczne ostatecznie wyschły, a materiały te zostały zakopane pod skałami i glebą. Stały się one surowcami do produkcji benzyny, oleju napędowego, nafty i wielu innych produktów naftowych.

Tradycyjnym sposobem wydobywania ropy naftowej z ziemi jest wiercenie, ale szczelinowanie hydrauliczne lub szczelinowanie, stał się często stosowaną nowoczesną alternatywą. W tym procesie mieszanina piasku, wody i potencjalnie niebezpiecznych chemikaliów jest wtłaczana do gruntu, aby wyprzeć ropę naftową. Szczelinowanie jest procesem kosztownym i ma szereg szkodliwych skutków dla podłoża skalnego, zwierciadła wody i otaczającego powietrza.

Węgiel pochodzi z roślin lądowych, które osiedliły się w torfowiskach i bagnach i zamieniły się w torf. Torf zestalił się, gdy ziemia wyschła, i ostatecznie została przykryta skałami i innymi gruzami. Ciśnienie przekształciło go w czarną, skalistą substancję spalaną w wielu zakładach przemysłowych i elektrowniach. Wszystko to zaczęło się dziać jakieś 300 milionów lat temu, kiedy po ziemi wędrowały dinozaury, ale wbrew popularnemu mitowi węgiel nie jest rozkładem dinozaurów.

Przez tysiąclecia ludzie wykorzystywali energię wody do wykonywania pracy, a w fizyce praca jest synonimem energii. Koła wodne umieszczone w pobliżu strumienia lub wodospadu wykorzystują energię generowaną przez poruszanie się wody do mielenia zboża, nawadniania upraw, piłowania drewna i wykonywania wielu innych zadań. Wraz z pojawieniem się elektryczności koła wodne zamieniono w elektrownie.

Turbina wodna jest sercem elektrowni wodnej i działa dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej, odkrytemu przez fizyka Michaela Faradaya w 1831 roku. Faraday odkrył, że wirujący magnes wewnątrz cewki lub przewodzącego drutu generuje prąd elektryczny w cewce, a niecałe 100 lat później pierwszy generator indukcyjny pojawił się w Niagara Spada.

Obecnie elektrownie wodne dostarczają około 6% energii elektrycznej zużywanej na całym świecie. Z drugiej strony spalanie paliw kopalnych w celu wytworzenia turbin parowych i obrotowych generuje prawie 60 procent światowej energii elektrycznej. Większość energii hydroelektrycznej wytwarzają tamy, a nie wodospady.

Zapora, podobnie jak strumień lub wodospad, zależy od grawitacji. Woda wpływa do przejścia na szczycie tamy, przepływa przez rurę, która zwiększa jej energię i obraca turbinę, zanim wypłynie w pobliżu podstawy tamy. Dwie z największych na świecie zapór hydroelektrycznych to zapora Trzech Przełomów w Chinach, która wytwarza 22,5 gigawatów energii, oraz zapora Itaipu na granicy Brazylii i Paragwaju, która generuje 14 GW. Największą tamą w Ameryce Północnej jest zapora Grand Coulee w stanie Waszyngton, która generuje tylko około 7 megawatów.

Oceany są jednym z najważniejszych światowych zasobów energetycznych z dwóch powodów. Po pierwsze, mają prądy, które w połączeniu z wiatrami tworzą fale. Fale można zamienić w energię elektryczną. Ponieważ są one wynikiem różnic temperatur spowodowanych ciepłem słonecznym, fale i prądy, które je tworzą, są technicznie formą energii słonecznej.

Innym źródłem energii w oceanach są pływy, które są powodowane grawitacyjnym wpływem księżyca i słońca, a także ruchami samej ziemi. Istnieją również technologie przekształcania energii pływów w energię elektryczną.

Elektrownie falowe nie są jeszcze popularne, a prototyp, który został wdrożony u wybrzeży Szkocji, generuje tylko 0,5 MW. Dostępne technologie falowe obejmują:

• Pływaki i boje, które wznoszą się i opadają na falach i generują energię za pomocą urządzeń hydraulicznych.

• Oscylujące słupy wody, które pozwalają wodzie dostać się do komory i sprężać zamknięte powietrze, które następnie obraca turbinę.

• Systemy kanałów stożkowych, które są związane z brzegiem. Kierują wodę do wzniesionych zbiorników, a kiedy pozwala się jej opaść, obraca turbinę.

Elektrownie pływowe mogą wykorzystywać moc przypływów i odpływów do bezpośredniego wirowania turbin. Woda jest około 800 razy gęstsza od powietrza, więc jeśli turbina zostanie umieszczona na dnie oceanu, ruchy pływowe generują znaczną moc do ich obracania. Jednak bardziej powszechne są systemy zaporowe pływowe.

Zapora pływowa to bariera wzniesiona w poprzek basenu pływowego, która umożliwia wpłynięcie wody z przypływu, a następnie zamyka się i kontroluje odpływ podczas przypływu. Największym takim generatorem jest elektrownia pływowa Sihwa Lake Tidal w Korei Południowej. Generuje około 254 MW.

Dwa z najbardziej znanych sposobów wytwarzania energii elektrycznej w sposób, który nie opiera się na znikających paliwach kopalnych i nie powoduje zanieczyszczeń, to rozmieszczenie turbin wiatrowych lub paneli fotowoltaicznych. Ponieważ słońce jest odpowiedzialne za różnice temperatur, które wytwarzają wiatr, obie są, ściśle mówiąc, formami energii słonecznej.

Generatory wiatrowe działają tak samo jak elektrownie wodne lub zasilane falami. Kiedy wieje wiatr, obraca się wałem, który jest połączony za pomocą kół zębatych z turbiną indukcyjną wytwarzającą energię. Nowoczesne turbiny są kalibrowane tak, aby dostarczały prąd przemienny o tej samej częstotliwości, co konwencjonalne zasilanie prądem przemiennym, dzięki czemu są dostępne do natychmiastowego użycia. Farmy wiatrowe na całym świecie dostarczają prawie 5 procent światowej energii elektrycznej.

Panele słoneczne wykorzystują efekt fotowoltaiczny, w którym promieniowanie słoneczne wytwarza napięcie w materiale półprzewodnikowym. Napięcie wytwarza prąd stały, który należy przekształcić w prąd przemienny, przepuszczając go przez falownik. Panele słoneczne wytwarzają energię elektryczną tylko wtedy, gdy nie świeci słońce, dlatego często służą do ładowania akumulatorów, które przechowują energię do późniejszego wykorzystania.

Panele słoneczne są być może jedną z najbardziej dostępnych metod wytwarzania elektryczności, ale dostarczają tylko niewielki ułamek światowej energii elektrycznej – mniej niż 1 procent.

Ściśle mówiąc, proces rozszczepienia jądra nie jest zjawiskiem występującym naturalnie, ale pochodzi z natury. Rozszczepienie jądrowe zostało wynalezione wkrótce po tym, jak naukowcy byli w stanie zrozumieć atom i naturalne zjawisko radioaktywności. Chociaż rozszczepienie było pierwotnie używane do produkcji bomb, pierwsza elektrownia jądrowa pojawiła się w sieci zaledwie trzy lata po wybuchu pierwszej bomby w miejscu Trinity na pustyni w Nowym Meksyku.

We wszystkich elektrowniach jądrowych na świecie zachodzą kontrolowane reakcje rozszczepienia. Generuje ciepło do zagotowania wody, która wytwarza parę potrzebną do napędzania turbin elektrycznych. Gdy rozpocznie się reakcja rozszczepienia, potrzebuje niewiele paliwa, aby trwać w nieskończoność.

Prawie 20 procent światowego zapotrzebowania na energię elektryczną zaspokajają elektrownie jądrowe. Początkowo uważane za tanie źródło praktycznie nieograniczonej energii, rozszczepienie jądrowe ma poważne konsekwencje wady, z których nie najmniejszą jest możliwość stopienia i niekontrolowanego uwalniania szkodliwych promieniowanie. Dwa dobrze znane wypadki, jeden w rosyjskiej elektrowni w Czarnobylu, a drugi w japońskiej Fukushimie obiektu, zapobiegły tym zagrożeniom i sprawiły, że produkcja energii jądrowej była mniej atrakcyjna niż kiedyś był.

Głęboko w skorupie ziemskiej ciśnienie i temperatury są tak wysokie, że upłynniają skały w stopioną lawę. Ten przegrzany materiał przepływa przez żyły w skorupie, które czasami kierują go blisko powierzchni. Społeczności na obszarach, na których ma to miejsce, mogą wykorzystywać ciepło do wytwarzania energii elektrycznej i zapewniania ciepła w swoich domach. Nazywa się to energią geotermalną, aw niektórych przypadkach jest wspomagana przez materiały radioaktywne w ziemi, które również generują ciepło.

Aby wykorzystać energię geotermalną, deweloperzy drążą tunel w ziemi w odpowiednim miejscu i przepuszczają przez niego wodę. Podgrzana woda wypływa na powierzchnię w postaci pary, gdzie może być wykorzystana bezpośrednio do ogrzewania lub do wirowania turbiny. W niektórych przypadkach ciepło jest przenoszone z wody do innej substancji o niższej temperaturze wrzenia, takiej jak izobutan, a powstająca para wiruje w turbinach.

W swojej najprostszej formie energia geotermalna zapewniała uzdrowienie i komfort w naturalnych uzdrowiskach i gorących źródłach, odkąd byli ludzie, którzy je odwiedzali. Japonia jest jednym z najbardziej aktywnych geologicznie krajów na świecie i ma dużą sieć naturalnych gorących źródeł i długą historię moczenia. Eksperci szacują, że dysponuje wystarczającymi zasobami geotermalnymi, aby zaspokoić nawet 10 procent energii elektrycznej its potrzeb, czyniąc swój potencjał geotermalny trzecim na świecie, za Stanami Zjednoczonymi i Indonezja.

Niektóre zasoby są kruche i zanikają, a przekształcanie ich w użyteczną energię tworzy zanieczyszczenia, które zmieniają środowisko planety. Inne zasoby zależą wyłącznie od dynamiki słonecznej i planetarnej, które obiecują, że pozostaną niezmienione przez następne kilka miliardów lat. W chwili obecnej ludzkość musi dokonać pilnego wyboru. Samo jego przetrwanie może zależeć od jego zdolności do zmiany zależności z pierwszego na drugie w krótkim czasie.