Care sunt sursele majore de energie de pe Pământ?

Este nevoie de multă energie pentru a hrăni o specie precum homo sapiens. În ultimele secole, această specie a apărut ca o prezență globală interconectată într-un mod care, din câte știe știința, nu a mai avut loc până acum pe planetă.

Tipurile de energie de care au nevoie oamenii includ electricitate pentru a-și alimenta casele și industriile, biochimice energie pentru a-și hrăni corpurile și resursele combustibile pentru căldură, transport și industrial producție.

La scară largă, capacitatea Pământului de a oferi ceea ce oamenii au nevoie depinde de cinci surse principale:

• Soarele, acel reactor gigant de fuziune din cer, furnizează energie în ordinea yottawaților (10²⁴ wați) 24/7.
• Apă, care nu este doar esențial pentru viață, ci care poate fi valorificat și pentru producerea de energie.
• Gravitatie, forța misterioasă care creează și distruge stelele, este responsabilă de maree și transformă apa într-o sursă de energie cinetică convertibilă.
• Mișcările pământului creați diferențe zilnice și sezoniere de temperatură care generează vânturi și curenți oceanici care pot fi transformați în electricitate.
• Radioactivitate este degradarea naturală a elementelor grele în elemente mai ușoare, cu o eliberare rezultată de radiații. Radiația creează căldură care poate fi utilizată pentru a genera electricitate.

În plus, o sursă importantă de energie pentru oameni este derivată din corpurile în descompunere ale organismelor care au înflorit și au murit de-a lungul eonilor. Spre deosebire de resursele enumerate mai sus, această ofertă este însă limitată.

Combustibilii fosili, care includ petrolul, gazele naturale și cărbunele, sunt de fapt o altă formă de energie solară. Eoni în urmă, organismele vii au transformat lumina și căldura soarelui în molecule pe bază de carbon care le-au format corpul. Organismele au murit, iar corpurile lor s-au scufundat adânc în pământ și în fundul oceanelor. Astăzi, energia blocată în acele legături de carbon poate fi eliberată prin recuperarea a ceea ce a transformat rămășițele lor și arderea lor.

Petrolul și gazele naturale provin din planctonul marin microscopic care a trăit cu milioane de ani în urmă. Au murit și s-au scufundat în fundul oceanelor, unde descompunerea și alte procese chimice le-au transformat în ceros kerogen și tarry bitum. Paturile oceanice s-au uscat în cele din urmă, iar aceste materiale au fost îngropate sub stâncă și sol. Acestea au devenit materiile prime pentru fabricarea benzinei, motorinei, kerosenului și o serie de alte produse petroliere.

Modul tradițional de a extrage țițeiul de la sol este prin forare, dar prin fracturare hidraulică sau fracking, a devenit o alternativă modernă des folosită. În acest proces, un amestec de nisip, apă și substanțe chimice potențial periculoase este forțat în pământ pentru a deplasa petrolul. Fracking-ul este un proces costisitor și are o serie de efecte dăunătoare asupra rocii de bază, a pânzei freatice și a aerului din jur.

Cărbunele provine din plante terestre care s-au așezat în mlaștini și mlaștini și s-au transformat în turbă. Turba s-a solidificat pe măsură ce pământul s-a uscat și a fost în cele din urmă acoperit de pietre și alte resturi. Presiunea a transformat-o în substanță neagră, stâncoasă, arsă în multe centrale industriale și centrale electrice. Toate acestea au început să se întâmple în urmă cu aproximativ 300 de milioane de ani, când dinozaurii cutreierau pământul, dar, spre deosebire de mitul popular, cărbunele nu este dinozauri descompuși.

De milenii, oamenii au folosit puterea apei pentru a efectua munca, iar în fizică, munca este sinonimă cu energia. Roțile de apă plasate lângă un pârâu sau o cascadă au folosit energia generată de mișcarea apei pentru a mori cerealele, a iriga culturile, a tăiat lemnul și a îndeplini o serie de alte sarcini. Odată cu apariția electricității, roțile de apă au fost transformate în centrale electrice.

Turbina cu apă este inima unei stații de generare a energiei hidroelectrice și funcționează din cauza fenomenului de inducție electromagnetică, descoperit de fizicianul Michael Faraday în 1831. Faraday a descoperit că un magnet care se rotește în interiorul unei bobine sau a unui fir conductor generează un curent electric în bobină și mai puțin de 100 de ani mai târziu, primul generator de inducție a venit online la Niagara Cade.

Astăzi, centralele hidroelectrice furnizează aproximativ 6% din energia electrică consumată la nivel mondial. Arderea combustibililor fosili pentru a genera turbine cu abur și rotire, pe de altă parte, generează aproape 60% din electricitatea lumii. Cea mai mare parte a energiei hidroelectrice este generată de baraje, nu de cascade.

Un baraj, ca un pârâu sau o cascadă, depinde de gravitație. Apa intră într-un pasaj din partea de sus a barajului, curge printr-o conductă care îi mărește energia și învârte o turbină înainte de a ieși lângă baza barajului. Două dintre cele mai mari baraje hidroelectrice din lume sunt Barajul Trei Defilee din China, care generează 22,5 gigawați de energie și Barajul Itaipu de la frontiera Brazilia / Paraguay, care generează 14 GW. Cel mai mare baraj din America de Nord este barajul Grand Coulee din statul Washington, care generează doar aproximativ 7 megawați.

Oceanele sunt una dintre cele mai importante resurse energetice din lume din două motive. Primul este că au curenți, care împreună cu vânturile formează valuri. Valurile pot fi transformate în electricitate. Deoarece sunt rezultatul diferențialelor de temperatură cauzate de căldura soarelui, valurile și curenții care le formează sunt tehnic o formă de energie solară.

Cealaltă resursă energetică din oceane este mareea, care este cauzată de influențele gravitaționale ale lunii și ale soarelui, precum și de mișcările pământului în sine. Există, de asemenea, tehnologii pentru a converti energia din maree în electricitate.

Stațiile de generare a valurilor nu sunt încă obișnuite, iar prototipul, care a fost desfășurat în largul coastei Scoției, generează doar 0,5 MW. Tehnologiile valurilor disponibile includ:

• Plute și geamanduri, care se ridică și cad pe valuri și generează energie cu ajutorul dispozitivelor hidraulice.

• Coloane oscilante de apă, care permit apei să pătrundă într-o cameră și să comprime aerul închis, care apoi rotește o turbină.

• Sisteme de canale conice, care sunt legate la țărm. Acestea canalizează apa în rezervoare ridicate și, atunci când apa este lăsată să cadă, rotește o turbină.

Centralele de maree pot folosi puterea mareelor ​​de intrare și ieșire pentru a roti direct turbine. Apa este de aproximativ 800 de ori mai densă decât aerul, deci dacă o turbină este plasată pe fundul oceanului, mișcările mareelor ​​generează o putere semnificativă pentru a le roti. Cu toate acestea, sistemele de baraj de maree sunt mai frecvente.

Un baraj de maree este o barieră ridicată peste un bazin de maree care permite pătrunderea apei din valul ascendent, apoi se închide și controlează scurgerea de pe valul reflux. Cel mai mare astfel de generator este Centrala de maree a lacului Sihwa din Coreea de Sud. Acesta generează aproximativ 254 MW.

Două dintre cele mai cunoscute modalități de a genera electricitate într-un mod care nu se bazează pe dispariția combustibililor fosili și nu creează poluare sunt desfășurarea de turbine eoliene sau panouri fotovoltaice. Deoarece soarele este responsabil pentru diferențialele de temperatură care creează vântul, ambele sunt, strict vorbind, forme de energie solară.

Generatoarele eoliene funcționează la fel ca cele hidroelectrice sau cu energie electrică. Când bate vântul, învârte un arbore care este conectat de unelte la o turbină de tip inducție generatoare de energie. Turbinele moderne sunt calibrate pentru a furniza curent alternativ la aceeași frecvență ca puterea alternativă convențională, ceea ce îl face disponibil pentru utilizare imediată. Parcurile eoliene din întreaga lume furnizează aproape 5% din electricitatea lumii.

Panourile solare se bazează pe efectul fotovoltaic, prin care radiația solară creează o tensiune într-un material semiconductor. Tensiunea creează curent continuu care trebuie convertit în curent alternativ trecându-l printr-un invertor. Panourile solare generează electricitate numai când soarele este afară, deci sunt adesea folosite pentru încărcarea bateriilor, care stochează energia pentru o utilizare ulterioară.

Panourile solare reprezintă probabil una dintre cele mai accesibile metode de generare a energiei electrice, dar furnizează doar o mică parte din electricitatea lumii - mai puțin de 1%.

Strict vorbind, procesul de fisiune nucleară nu este un fenomen natural, ci provine din natură. Fisiunea nucleară a fost inventată la scurt timp după ce oamenii de știință au reușit să înțeleagă atomul și fenomenul natural al radioactivității. Deși fisiunea a fost inițial utilizată pentru a produce bombe, prima centrală nucleară a intrat pe internet la doar trei ani după ce prima bombă a fost explodată la locul Trinity din deșertul New Mexico.

Reacțiile de fisiune controlate apar în interiorul tuturor centralelor nucleare din lume. Acesta generează căldură pentru a fierbe apa, care produce aburul necesar pentru acționarea turbinelor electrice. Odată ce începe o reacție de fisiune, are nevoie de puțin combustibil pentru a continua la nesfârșit.

Aproape 20 la sută din necesitățile electrice ale lumii sunt satisfăcute de generatorii de energie nucleară. Considerată inițial o sursă ieftină de energie practic nelimitată, fisiunea nucleară este gravă dezavantaje, dintre care cel mai puțin este posibilitatea de topire și eliberarea necontrolată de produse dăunătoare radiații. Două accidente cunoscute, unul la centrala electrică din Cernobîl din Rusia și altul la Fukushima din Japonia au eliminat aceste pericole și au făcut producția de energie nucleară mai puțin atractivă decât o dată a fost.

Adânc în interiorul scoarței terestre, presiunile și temperaturile sunt atât de mari încât lichidează roca în lavă topită. Acest material supraîncălzit trece prin vene în crustă care îl îndreaptă ocazional aproape de suprafață. Comunitățile din zonele în care se întâmplă acest lucru pot folosi căldura pentru a genera electricitate și pentru a oferi căldură caselor lor. Aceasta se numește energie geotermală și, în unele cazuri, este mărită de materiale radioactive din sol, care generează și căldură.

Pentru a utiliza energia geotermală, dezvoltatorii forează un tunel în pământ într-un loc adecvat și circulă apa prin tunel. Apa încălzită iese la suprafață sub formă de abur, unde poate fi utilizată direct pentru încălzirea sau rotirea unei turbine. În unele cazuri, căldura este transferată din apă către o altă substanță cu un punct de fierbere mai scăzut, cum ar fi izobutan, iar vaporii rezultați învârt turbinele.

În forma sa cea mai simplă, energia geotermală a oferit vindecare și confort la spa-urile naturale și la izvoarele termale atâta timp cât au existat oameni care le frecventează. Japonia este una dintre cele mai active țări din punct de vedere geologic din lume și are o rețea mare de izvoare termale naturale și o lungă istorie de înmuiere. Experții estimează că are suficiente resurse geotermale pentru a-și atinge până la 10% din energia electrică necesităților sale, făcând potențialul său geotermal al treilea în lume, în spatele doar Statelor Unite și Indonezia.

Unele resurse sunt fragile și dispar, iar transformarea lor în energie utilizabilă creează poluanți care modifică mediul planetar. Alte resurse depind doar de dinamica solară și planetară care promit să rămână neschimbate pentru următorii câțiva miliarde de ani. În momentul prezent, omenirea are de ales urgent. Supraviețuirea sa poate depinde de capacitatea sa de a-și schimba dependența de la prima la cea de-a doua într-o perioadă scurtă de timp.