Који су главни извори енергије на Земљи?

Потребно је много енергије да се негује врста као што је хомо сапиенс. У последњих неколико векова ова врста се појавила као међусобно повезано глобално присуство на начин који се, колико наука зна, никада раније није догодио на планети.

Врсте енергије које су људима потребне укључују електричну енергију за напајање домова и индустрију, биохемијску енергије за исхрану њихових тела и запаљивих ресурса за топлоту, транспорт и индустрију производња.

У широком обиму, способност земље да пружи оно што је потребно људима зависи од пет главних извора:

• Сунце, тај џиновски фузиони реактор на небу, снабдева енергијом реда јотавата (10²⁴ вати) на бази 24/7.
• Вода, што није само неопходно за живот, већ се такође може искористити за производњу енергије.
• Гравитација, мистериозна сила која ствара и уништава звезде, одговорна је за плиму и осеку, а воду претвара у извор конвертибилне кинетичке енергије.
• Земљина кретања створити дневне и сезонске температурне разлике које генеришу ветрове и океанске струје које се могу претворити у електричну енергију.
• Радиоактивност је природно пропадање тешких елемената у лакше са последичним ослобађањем зрачења. Зрачење ствара топлоту која се може користити за производњу електричне енергије.

Поред тога, важно снабдевање човеком енергијом потиче из распадајућих тела организама који су цветали и умирали током еона. За разлику од горе наведених ресурса, ова понуда је ограничена.

Фосилна горива, која укључују нафту, природни гас и угаљ, заправо су још један облик соларне енергије. Пре много година, живи организми су претворили сунчеву светлост и топлоту у молекуле на бази угљеника који су формирали њихова тела. Организми су умрли, а њихова тела су утонула дубоко у земљу и на дно океана. Данас се енергија закључана у те угљеничне везе може ослободити преузимањем онога у шта су се претворили њихови остаци и спаљивањем.

Нафта и природни гас потичу из микроскопског морског планктона који је живео пре милиона година. Умрли су и потонули на дно океана, где су их распадање и други хемијски процеси претворили у воштане кероген и задржавати се битумен. Океанска корита су се на крају осушила, а ови материјали су закопани под камењем и земљом. Постали су сировина за производњу, бензин, дизел гориво, керозин и мноштво других нафтних деривата.

Традиционални начин извлачења сирове нафте из земље је бушењем, али хидрауличним ломљењем, или фрацкинг, постала је често коришћена савремена алтернатива. У овом процесу, мешавина песка, воде и потенцијално опасних хемикалија утискује се у земљу да би истиснула нафту. Пуцање је скуп процес и има низ штетних ефеката на темељну подлогу, површину воде и околни ваздух.

Угаљ потиче од копнених биљака које су се населиле у мочваре и мочваре и претвориле у тресет. Тресет се стврднуо како се земља исушивала, а на крају су га камење прекрили остали остаци. Притисак га је претворио у црну, камениту супстанцу изгорелу у многим индустријским постројењима и електранама. Све ово почело је да се дешава пре неких 300 милиона година, када су диносауруси лутали земљом, али супротно популарном миту, угаљ није разграђени диносаурус.

Хиљадама година људи користе енергију воде за обављање посла, а у физици је посао синоним за енергију. Водени точкови постављени у близини потока или водопада користили су енергију генерисану померањем воде за млевење жита, наводњавање усева, тестење дрвета и обављање низа других задатака. Појавом електричне енергије водени точкови су претворени у електране.

Водена турбина је срце хидроелектране, а ради због феномена електромагнетне индукције, који је открио физичар Мицхаел Фарадаи 1831. године. Фарадаи је открио да магнет који се окреће унутар калема или проводне жице генерише електричну струју у калему, а мање од 100 година касније, први индукциони генератор се појавио на мрежи на Ниагари Фаллс.

Данас хидроцентрале снабдевају око 6 процената електричне енергије која се троши широм света. Сагоревање фосилних горива за производњу парних и вртљивих турбина, с друге стране, генерише готово 60 процената светске електричне енергије. Већину хидроелектрана генеришу бране, а не водопади.

Брана, попут потока или водопада, зависи од гравитације. Вода улази у пролаз на врху бране, протиче кроз цев која увећава њену енергију и окреће турбину пре изласка близу дна бране. Две од највећих хидроелектрана на свету су брана Три клисуре у Кини која генерише 22,5 гигавата енергије и брана Итаипу на бразилско-парагвајској граници која генерише 14 ГВ. Највећа брана у Северној Америци је брана Гранд Цоулее у држави Вашингтон која генерише само око 7 мегавата.

Океани су један од најважнијих светских енергетских ресурса из два разлога. Прва је та што имају струје, које у спрези са ветровима формирају таласе. Таласи се могу претворити у електричну енергију. Будући да су резултат температурних разлика узрокованих сунчевом топлотом, таласи и струје које их формирају су технички облик сунчеве енергије.

Други енергетски ресурс у океанима су плима и осека, које су узроковане гравитационим утицајима месеца и сунца, као и кретањима саме земље. Такође постоје технологије за претварање енергије плиме и осеке у електричну енергију.

Станице за генерисање таласа још увек нису уобичајене, а прототип, који је постављен на обали Шкотске, производи само 0,5 МВ. Доступне таласне технологије укључују:

• Плутају и плутаче, које се подижу и спуштају на таласима и генеришу снагу хидрауличким уређајима.

• Осцилирајуће водене колоне, које омогућавају улазак воде у комору и сабијање затвореног ваздуха, који затим окреће турбину.

• Конусни каналски системи који су везани за обалу. Они каналишу воду у повишене резервоаре, а када се дозволи да вода заврти турбином.

Електране са плимом и осеком могу да користе снагу долазних и одлазних плима и осека за директно окретање турбина. Вода је око 800 пута гушћа од ваздуха, па ако се турбина постави на дно океана, плимни покрети генеришу значајну снагу да их заврте. Међутим, систем плимне ограде је чешћи.

Плима и осека је преграда постављена преко базена са плимом и осеком која омогућава улазак воде из осеке која расте, а затим затвара и контролише одлив осеке. Највећи такав генератор је електрана на осеке Сихва Лаке у Јужној Кореји. Производи око 254 МВ.

Два најпознатија начина за производњу електричне енергије на начин који се не ослања на фосилна горива која нестају и не ствара загађење су постављање ветротурбина или фотонапонских панела. Будући да је сунце одговорно за температурне разлике које стварају ветар, обје су, строго говорећи, облици сунчеве енергије.

Генератори ветра раде баш као хидроелектрични или таласни. Када ветар дува, он се окреће вратилу које је зупчаницима повезано са турбином у индукционом стилу која ствара енергију. Савремене турбине су калибрисане тако да пружају наизменичну струју на истој фреквенцији као и конвенционална снага наизменичне струје, што је чини доступном за непосредну употребу. Вјетроелектране широм свијета испоручују готово 5 посто свјетске електричне енергије.

Соларни панели се ослањају на фотонапонски ефекат, при чему сунчево зрачење ствара напон у полупроводном материјалу. Напон ствара једносмерну струју која се мора претворити у наизменичну пролазећи је кроз претварач. Соларни панели производе електричну енергију само када је сунце вани, па се често користе за пуњење батерија, које складиште енергију за каснију употребу.

Соларни панели представљају можда један од најприступачнијих метода за производњу електричне енергије, али они испоручују само мали део светске електричне енергије - мање од 1 одсто.

Строго говорећи, процес нуклеарне фисије није природни феномен, али долази из природе. Нуклеарна фисија је изумљена убрзо након што су научници успели да разумеју атом и природни феномен радиоактивности. Иако је фисија првобитно коришћена за прављење бомби, прва нуклеарна електрана пуштена је у рад само три године након експлозије прве бомбе на месту Тринити у пустињи Нови Мексико.

Реакције контролисане фисије јављају се у свим светским нуклеарним електранама. Генерише топлоту за кључање воде која производи пару потребну за погон електричних турбина. Једном када реакција фисије започне, треба јој мало горива да би се наставила у недоглед.

Готово 20 процената светских потреба за електричном енергијом задовољавају нуклеарни генератори енергије. Нуклеарна фисија која се првобитно сматрала јефтиним извором практично неограничене снаге, имала је озбиљан значај недостаци, од којих је најмање битна могућност топљења и неконтролисано испуштање штетних састојака зрачења. Две добро познате несреће, једна у руској електрани Чернобил и друга у јапанској Фукушими постројења, уклонили су ове опасности и производњу нуклеарне енергије учинили мање атрактивном него некада био.

Дубоко у земљиној кори притисци и температуре су толико велики да течност тече у течну лаву. Овај прегрејани материјал пролази кроз вене у кори које га повремено усмеравају близу површине. Заједнице у подручјима у којима се то догоди могу користити топлоту за производњу електричне енергије и за пружање топлине својим домовима. То се назива геотермална енергија, а у неким случајевима се повећава помоћу радиоактивних материјала у земљи, који такође генеришу топлоту.

Да би искористили геотермалну енергију, програмери буше тунел у земљу на одговарајућем месту и циркулишу воду кроз тунел. Загрејана вода излази на површину као пара, где се може користити директно за грејање или за окретање турбине. У неким случајевима топлота се преноси из воде у другу супстанцу са нижом тачком кључања, као што је изобутан, и резултујућа пара врти турбине.

У свом најједноставнијем облику, геотермална енергија пружа лечење и удобност у природним бањама и топлим изворима све док постоји људи који их посећују. Јапан је једна од геолошки најактивнијих земаља на свету и има велику мрежу природних извора вреле и дугу историју намакања. Стручњаци процењују да има довољно геотермалних ресурса да задовољи до 10 процената своје електричне енергије потребе, чинећи свој геотермални потенцијал трећим на свету, иза само Сједињених Држава и Индонезија.

Неки ресурси су крхки и нестају, а претварајући их у употребљиву енергију ствара загађиваче који мењају планетарно окружење. Остали ресурси зависе само од соларне и планетарне динамике која обећава да ће остати непромењена у наредних неколико милијарди година. У овом тренутку човечанство мора хитно да се одлучи. Само преживљавање може зависити од његове способности да у кратком временском периоду пребаци ослањање са првог на други.