Năng lượng tái tạo là năng lượng được thu thập từ các nguồn năng lượng tái tạo, được bổ sung tự nhiên vào một khoảng thời gian của con người, chẳng hạn như ánh sáng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và nhiệt địa nhiệt. Năng lượng tái tạo thường cung cấp năng lượng trong bốn lĩnh vực quan trọng: phát điện, không khí và nước nóng / làm mát, vận chuyển và các dịch vụ năng lượng nông thôn (ngoài lưới).
.png "Global public support for different energy sources (2011) based on a poll by Ipsos Global @dvisor")
Global public support for different energy sources (2011) based on a poll by Ipsos Global @dvisor
Dựa trên báo cáo năm 2016 của REN21, năng lượng tái tạo đóng góp 19,2% vào mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu của con người và 23,7% cho thế hệ điện của họ trong năm 2014 và 2015, tương ứng. Tiêu thụ năng lượng này được chia thành 8,9% từ sinh khối truyền thống, 4,2% là năng lượng nhiệt (sinh khối hiện đại, địa nhiệt và nhiệt mặt trời), 3,9% thủy điện và 2,2% là điện từ gió, mặt trời, địa nhiệt và sinh khối. Đầu tư trên toàn thế giới vào các công nghệ tái tạo lên đến hơn 286 tỷ đô la Mỹ trong năm 2015, với các nước như Trung Quốc và Hoa Kỳ đầu tư mạnh vào gió, thủy điện, năng lượng mặt trời và nhiên liệu sinh học. Trên toàn cầu, ước tính có 7,7 triệu việc làm liên quan đến các ngành công nghiệp năng lượng tái tạo, với quang điện mặt trời là công ty tái tạo lớn nhất. Tính đến năm 2015 trên toàn thế giới, hơn một nửa tổng công suất điện mới được lắp đặt đã được tái tạo.
Nguồn năng lượng tái tạo tồn tại trên các khu vực địa lý rộng, trái ngược với các nguồn năng lượng khác, tập trung ở một số quốc gia hạn chế. Việc triển khai nhanh chóng năng lượng tái tạo và hiệu quả năng lượng sẽ dẫn đến an ninh năng lượng đáng kể, giảm thiểu biến đổi khí hậu và các lợi ích kinh tế. Kết quả đánh giá gần đây của các tài liệu kết luận rằng phát thải khí nhà kính (GHG) bắt đầu chịu trách nhiệm về thiệt hại do phát thải khí nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu, một giá trị cao cho giảm thiểu trách nhiệm sẽ mang lại những ưu đãi mạnh mẽ cho việc triển khai các công nghệ năng lượng tái tạo . Trong các cuộc khảo sát ý kiến công chúng quốc tế có sự hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thúc đẩy các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Ở cấp quốc gia, ít nhất 30 quốc gia trên thế giới đã có năng lượng tái tạo đóng góp hơn 20% nguồn cung cấp năng lượng. Các thị trường năng lượng tái tạo quốc gia được dự báo sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong thập kỷ tới và xa hơn nữa. Một số nơi và ít nhất hai quốc gia, Iceland và Na Uy đã tạo ra tất cả điện của họ bằng năng lượng tái tạo, và nhiều quốc gia khác đã đặt mục tiêu đạt 100% năng lượng tái tạo trong tương lai. Ví dụ, ở Đan Mạch, chính phủ đã quyết định chuyển toàn bộ nguồn năng lượng (điện, di động và sưởi ấm / làm mát) thành 100% năng lượng tái tạo vào năm 2050.
Trong khi nhiều dự án năng lượng tái tạo có quy mô lớn, các công nghệ tái tạo cũng phù hợp với vùng nông thôn và vùng sâu, vùng xa và các nước đang phát triển, nơi năng lượng thường rất quan trọng trong phát triển con người. Cựu Tổng thư ký Liên Hợp Quốc Ban Ki-moon đã nói rằng năng lượng tái tạo có khả năng nâng các quốc gia nghèo nhất lên các cấp độ thịnh vượng mới. Vì hầu hết các năng lượng tái tạo cung cấp điện, việc triển khai năng lượng tái tạo thường được áp dụng cùng với điện khí hóa hơn, có nhiều lợi ích: Điện có thể được chuyển thành nhiệt (khi cần thiết tạo ra nhiệt độ cao hơn nhiên liệu hóa thạch). và sạch sẽ tại thời điểm tiêu thụ. Ngoài việc điện khí hóa với năng lượng tái tạo hiệu quả hơn và dẫn đến giảm đáng kể các yêu cầu năng lượng sơ cấp, vì hầu hết các năng lượng tái tạo không có chu kỳ hơi với tổn thất cao (các nhà máy điện hóa thạch thường mất từ 40 đến 65%) .
Các hệ thống năng lượng tái tạo đang nhanh chóng trở nên hiệu quả và rẻ hơn. Tổng lượng tiêu thụ năng lượng của họ ngày càng tăng. Tăng trưởng tiêu thụ than và dầu có thể kết thúc vào năm 2020 do tăng sự hấp thụ năng lượng tái tạo và khí thiên nhiên.
Tổng quan
.png)
Tiêu thụ năng lượng thế giới theo nguồn. Tái tạo chiếm 19% trong năm 2012.
PlanetSolar, chiếc thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới và là chiếc xe điện mặt trời đầu tiên ra đời trên toàn cầu (năm 2012)
Dòng năng lượng tái tạo liên quan đến các hiện tượng tự nhiên như ánh sáng mặt trời, gió, thủy triều, tăng trưởng thực vật và nhiệt địa nhiệt, như Cơ quan Năng lượng Quốc tế giải thích:
Năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ các quá trình tự nhiên được bổ sung liên tục. Trong các hình thức khác nhau của nó, nó xuất phát trực tiếp từ mặt trời, hoặc từ nhiệt sinh ra sâu trong lòng đất. Bao gồm trong định nghĩa là điện và nhiệt sinh ra từ năng lượng mặt trời, gió, đại dương, thủy điện, sinh khối, tài nguyên địa nhiệt, và nhiên liệu sinh học và hydro có nguồn gốc tái tạo.
Nguồn năng lượng tái tạo và cơ hội đáng kể cho hiệu quả năng lượng tồn tại trên các khu vực địa lý rộng, trái ngược với các nguồn năng lượng khác, tập trung ở một số quốc gia hạn chế. Triển khai nhanh chóng năng lượng tái tạo và hiệu quả năng lượng, và đa dạng hóa công nghệ các nguồn năng lượng, sẽ mang lại lợi ích kinh tế đáng kể và lợi ích kinh tế. Nó cũng sẽ làm giảm ô nhiễm môi trường như ô nhiễm không khí do đốt nhiên liệu hóa thạch và cải thiện sức khỏe cộng đồng, giảm tỷ lệ tử vong sớm do ô nhiễm và tiết kiệm chi phí y tế liên quan đến hàng trăm tỷ đô la mỗi năm chỉ ở Hoa Kỳ. Các nguồn năng lượng tái tạo, lấy năng lượng từ mặt trời, trực tiếp hoặc gián tiếp, như thủy điện và gió, dự kiến sẽ có khả năng cung cấp năng lượng cho nhân loại trong gần 1 tỷ năm nữa, tại thời điểm đó dự báo tăng nhiệt từ mặt trời dự kiến sẽ làm cho bề mặt của trái đất quá nóng cho nước lỏng tồn tại.
Biến đổi khí hậu và mối quan tâm về hâm nóng toàn cầu, cùng với giá dầu cao, dầu đỉnh và sự hỗ trợ của chính phủ ngày càng tăng, đang thúc đẩy pháp luật, ưu đãi và thương mại hóa năng lượng tái tạo ngày càng tăng. Chính phủ mới chi tiêu, quy định và chính sách đã giúp ngành công nghiệp thời tiết khủng hoảng tài chính toàn cầu tốt hơn so với nhiều lĩnh vực khác. Theo dự báo năm 2011 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, các nhà máy điện mặt trời có thể sản xuất hầu hết điện của thế giới trong vòng 50 năm, giảm phát thải khí nhà kính gây hại cho môi trường.
.png)
PlanetSolar, the world's largest solar-powered boat and the first ever solar electric vehicle to circumnavigate the globe (in 2012)
Tính đến năm 2011, các hệ thống PV năng lượng mặt trời nhỏ cung cấp điện cho vài triệu hộ gia đình, và thủy điện nhỏ được cấu hình thành các lưới mini phục vụ nhiều hơn nữa. Hơn 44 triệu hộ gia đình sử dụng biogas được chế tạo trong các máy tiêu hóa quy mô hộ gia đình để thắp sáng và / hoặc nấu ăn, và hơn 166 triệu hộ gia đình dựa vào một thế hệ bếp nấu sinh khối hiệu quả hơn. Tổng thư ký Liên Hợp Quốc Ban Ki-moon đã nói rằng năng lượng tái tạo có khả năng nâng các quốc gia nghèo nhất lên mức độ thịnh vượng mới. Ở cấp quốc gia, ít nhất 30 quốc gia trên thế giới đã có năng lượng tái tạo đóng góp hơn 20% nguồn cung cấp năng lượng. Thị trường năng lượng tái tạo quốc gia được dự báo sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ trong thập kỷ tới và khoảng 120 quốc gia có nhiều mục tiêu chính sách cho các cổ phiếu dài hạn về năng lượng tái tạo, bao gồm 20% mục tiêu của tất cả điện năng tạo ra cho Liên minh châu Âu vào năm 2020 Một số quốc gia có mục tiêu chính sách dài hạn cao hơn nhiều về khả năng tái tạo 100%. Bên ngoài châu Âu, một nhóm đa dạng gồm từ 20 quốc gia trở lên nhắm mục tiêu chia sẻ năng lượng tái tạo trong khung thời gian 2020–2030 từ 10% đến 50%.
Năng lượng tái tạo thường thay thế nhiên liệu thông thường trong bốn lĩnh vực: phát điện, nước nóng / sưởi ấm không gian, giao thông vận tải, và các dịch vụ năng lượng nông thôn (ngoài lưới):
Sản xuất điện
Đến năm 2040, năng lượng tái tạo được dự báo là bằng điện than và khí đốt tự nhiên. Một số khu vực pháp lý, bao gồm Đan Mạch, Đức, tiểu bang Nam Úc và một số tiểu bang Hoa Kỳ đã đạt được sự tích hợp cao về năng lượng tái tạo có thể thay đổi. Ví dụ, trong năm 2015, điện gió đã đáp ứng 42% nhu cầu điện ở Đan Mạch, 23,2% ở Bồ Đào Nha và 15,5% ở Uruguay. Interconnectors cho phép các nước cân bằng hệ thống điện bằng cách cho phép nhập khẩu và xuất khẩu năng lượng tái tạo. Hệ thống hybrid sáng tạo đã nổi lên giữa các quốc gia và khu vực.
Hệ thống sưởi
Nước nóng năng lượng mặt trời đóng góp quan trọng vào sức nóng tái tạo ở nhiều nước, đáng chú ý nhất ở Trung Quốc, hiện nay chiếm 70% tổng lượng nhiệt toàn cầu (180 GW). Hầu hết các hệ thống này được lắp đặt trên các tòa nhà chung cư nhiều gia đình và đáp ứng một phần nhu cầu nước nóng của khoảng 50-60 triệu hộ gia đình ở Trung Quốc. Trên thế giới, tổng số hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời được lắp đặt đáp ứng một phần nhu cầu sưởi ấm của hơn 70 triệu hộ gia đình. Việc sử dụng sinh khối để sưởi ấm tiếp tục phát triển. Ở Thụy Điển, việc sử dụng năng lượng sinh khối quốc gia đã vượt quá mức tiêu thụ dầu. Địa nhiệt trực tiếp để sưởi ấm cũng đang phát triển nhanh chóng. Việc bổ sung mới nhất cho hệ thống sưởi là từ máy bơm nhiệt địa nhiệt, cung cấp cả sưởi ấm và làm mát, đồng thời làm phẳng đường cầu điện và do đó ưu tiên quốc gia ngày càng tăng (xem thêm Năng lượng nhiệt tái tạo).
Vận tải
A bus fueled by biodiesel
Bioethanol là một loại rượu được làm bằng quá trình lên men, chủ yếu là từ carbohydrate được sản xuất trong đường hoặc các loại cây trồng tinh bột như ngô, mía hoặc lúa miến ngọt. Sinh khối xenlulô, có nguồn gốc từ các nguồn phi thực phẩm như cây và cỏ cũng đang được phát triển như một nguyên liệu cho sản xuất ethanol. Ethanol có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ở dạng nguyên chất, nhưng nó thường được sử dụng làm phụ gia xăng để tăng chỉ số octan và cải thiện lượng khí thải xe. Bioethanol được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và Brazil. Dầu diesel sinh học có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ở dạng nguyên chất, nhưng nó thường được sử dụng làm phụ gia diesel để giảm mức độ hạt, khí carbon monoxide và hydrocacbon từ các loại xe chạy bằng diesel. Dầu diesel sinh học được sản xuất từ dầu hoặc chất béo sử dụng transesterification và là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất ở châu Âu.
Một chiếc xe năng lượng mặt trời là một chiếc xe điện được hỗ trợ hoàn toàn hoặc đáng kể bằng năng lượng mặt trời trực tiếp. Thông thường, các tế bào quang điện (PV) chứa trong các tấm năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện. Thuật ngữ "xe năng lượng mặt trời" thường ngụ ý rằng năng lượng mặt trời được sử dụng để cung cấp năng lượng cho tất cả hoặc một phần động lực của xe. Năng lượng mặt trời cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho truyền thông hoặc điều khiển hoặc các chức năng phụ trợ khác. Xe năng lượng mặt trời không được bán như thiết bị vận chuyển hàng ngày thực tế hiện nay, nhưng chủ yếu là xe trình diễn và bài tập kỹ thuật, thường được các cơ quan chính phủ tài trợ. Tuy nhiên, các loại xe chạy bằng năng lượng mặt trời gián tiếp phổ biến rộng rãi và các loại thuyền năng lượng mặt trời có sẵn trên thị trường.
Lịch sử lĩnh vực năng lượng tái tạo
Trước khi phát triển than vào giữa thế kỷ 19, gần như tất cả năng lượng được sử dụng đều có thể tái tạo. Hầu như không nghi ngờ gì về việc sử dụng năng lượng tái tạo lâu đời nhất, dưới dạng sinh khối truyền thống để đốt cháy nhiên liệu, có niên đại từ 790.000 năm trước. Sử dụng sinh khối để chữa cháy đã không trở nên phổ biến cho đến hàng trăm nghìn năm sau đó, khoảng từ 200.000 đến 400.000 năm trước. Có lẽ việc sử dụng năng lượng tái tạo lâu đời thứ hai là khai thác gió để lái tàu trên mặt nước. Thực hành này có thể được truy tìm trở lại khoảng 7000 năm, để tàu ở Vịnh Ba Tư và trên sông Nile. Di chuyển vào thời điểm lịch sử được ghi lại, nguồn năng lượng tái tạo truyền thống chính là lao động của con người, sức mạnh động vật, nước, gió, trong cối xay gió hạt và củi, một sinh khối truyền thống. Một biểu đồ sử dụng năng lượng ở Hoa Kỳ cho đến năm 1900 cho thấy dầu và khí tự nhiên có tầm quan trọng tương tự vào năm 1900 khi gió và mặt trời phát trong năm 2010.
Vào những năm 1860 và 70, đã có những lo sợ rằng nền văn minh sẽ cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và nhu cầu được cảm nhận cho một nguồn tốt hơn. Năm 1873, Giáo sư Augustin Mouchot viết:
Thời gian sẽ đến khi ngành công nghiệp châu Âu sẽ chấm dứt để tìm những nguồn tài nguyên thiên nhiên, vì vậy cần thiết cho nó. Lò xo dầu mỏ và mỏ than không phải là vô tận nhưng đang giảm nhanh ở nhiều nơi. Liệu người đàn ông, sau đó, trở lại sức mạnh của nước và gió? Hay anh ta sẽ di cư nơi nguồn nhiệt mạnh nhất sẽ gửi tia của nó đến tất cả? Lịch sử sẽ hiển thị những gì sẽ đến.
Năm 1885, Werner von Siemens, bình luận về việc phát hiện ra hiệu ứng quang điện ở trạng thái rắn, đã viết:
Tóm lại, tôi có thể nói rằng tầm quan trọng khoa học của phát hiện này có thể là, giá trị thực tiễn của nó sẽ không ít rõ ràng hơn khi chúng ta phản ánh rằng việc cung cấp năng lượng mặt trời không có giới hạn và không có chi phí, và nó sẽ tiếp tục đổ xuống trên chúng ta cho vô số lứa tuổi sau khi tất cả các mỏ than đá của trái đất đã cạn kiệt và lãng quên.
Max Weber đã đề cập đến sự kết thúc của nhiên liệu hóa thạch trong các đoạn kết thúc của bài báo phản đối của ông Ethik und der Geist des Kapitalismus, được xuất bản vào năm 1905.
Tầm quan trọng của năng lượng mặt trời được công nhận trong một bài báo khoa học năm 1911 của Mỹ: "trong tương lai xa, nhiên liệu tự nhiên đã cạn kiệt [năng lượng mặt trời] sẽ vẫn là phương tiện duy nhất của sự tồn tại của loài người ".
Lý thuyết về dầu đỉnh đã được xuất bản vào năm 1956. Vào những năm 1970, các nhà môi trường đã thúc đẩy sự phát triển năng lượng tái tạo như là sự thay thế cho sự cạn kiệt dầu, cũng như thoát khỏi sự phụ thuộc vào dầu, và tuabin gió đầu tiên . Năng lượng mặt trời từ lâu đã được sử dụng để sưởi ấm và làm mát, nhưng các tấm pin mặt trời quá tốn kém để xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời cho đến năm 1980.
Triển vọng năng lượng thế giới năm 2014 của IEA dự báo tăng trưởng năng lượng tái tạo từ 1.700 gigawatt trong năm 2014 lên 4.550 gigawatt vào năm 2040. Nhiên liệu hóa thạch nhận được khoản trợ cấp 550 tỷ đô la trong năm 2013, so với 120 tỷ đô la cho tất cả năng lượng tái tạo.
Công nghệ dòng chính
Năng lượng gió
The 845 MW Shepherds Flat Wind Farm near Arlington, Oregon, US
Dòng khí có thể được sử dụng để chạy tuabin gió. Các tuabin gió quy mô hiện đại có công suất từ khoảng 600 kW đến 5 MW công suất định mức, mặc dù các tuabin có công suất định mức 1,5-3 MW đã trở thành phổ biến nhất cho mục đích thương mại. Công suất máy phát điện lớn nhất của tuabin gió lắp đặt trên mặt đất đạt 7,5 MW vào năm 2015. Nguồn điện có sẵn từ gió là chức năng của khối lập phương của tốc độ gió, do đó tốc độ gió tăng lên, sản lượng điện tăng lên đến đầu ra tối đa cho tuabin đặc biệt. Các khu vực có gió mạnh hơn và liên tục hơn, chẳng hạn như các địa điểm ngoài khơi và cao độ, là những địa điểm ưu tiên cho các trang trại gió. Thông thường, thời gian tải đầy đủ của tuabin gió thay đổi từ 16 đến 57 phần trăm mỗi năm, nhưng có thể cao hơn ở các vị trí ngoài khơi đặc biệt thuận lợi.
Điện gió tạo ra đáp ứng gần 4% nhu cầu điện toàn cầu trong năm 2015, với gần 63 GW công suất điện gió mới được lắp đặt. Năng lượng gió là nguồn cung cấp năng lực mới hàng đầu ở châu Âu, Mỹ và Canada, và lớn thứ hai ở Trung Quốc. Tại Đan Mạch, năng lượng gió đã đáp ứng được hơn 40% nhu cầu điện của mình trong khi Ireland, Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha từng đạt gần 20%.
Trên toàn cầu, tiềm năng kỹ thuật dài hạn về năng lượng gió được cho là gấp 5 lần tổng sản lượng năng lượng toàn cầu hiện tại, hoặc gấp 40 lần nhu cầu điện hiện tại, giả sử tất cả các rào cản thực tế cần được khắc phục. Điều này đòi hỏi các tuabin gió phải được lắp đặt trên các khu vực rộng lớn, đặc biệt là ở các khu vực có nguồn tài nguyên gió cao hơn, chẳng hạn như ngoài khơi. Do tốc độ gió ngoài khơi trung bình lớn hơn 90% so với mặt đất, nên các nguồn tài nguyên ngoài khơi có thể đóng góp nhiều năng lượng hơn so với các tuabin đóng tại đất liền. Trong năm 2014, thế hệ gió toàn cầu là 706 terawatt giờ hoặc 3% tổng số điện của thế giới.
Thủy điện
The Three Gorges Dam on the Yangtze River in China
Trong năm 2015, thủy điện tạo ra 16,6% tổng sản lượng điện của thế giới và 70% tổng lượng điện tái tạo. Vì nước có độ đậm đặc gấp 800 lần so với không khí, thậm chí một dòng nước chảy chậm, hoặc sóng biển vừa phải, có thể mang lại một lượng năng lượng đáng kể. Có nhiều dạng năng lượng nước:
Thủy điện lịch sử đến từ việc xây dựng các đập thủy điện và hồ chứa lớn, vốn vẫn phổ biến ở các nước thế giới thứ ba. Lớn nhất trong số đó là Đập Tam Hiệp (2003) ở Trung Quốc và Đập Itaipu (1984) do Brazil và Paraguay xây dựng.
Các hệ thống thủy điện nhỏ là các công trình thủy điện thường sản xuất tới 50 MW công suất. Chúng thường được sử dụng trên các con sông nhỏ hoặc là một sự phát triển tác động thấp trên các con sông lớn hơn. Trung Quốc là nước sản xuất thủy điện lớn nhất trên thế giới và có hơn 45.000 công trình thủy điện nhỏ.
Các nhà máy thủy điện chạy trên sông lấy động năng từ các con sông mà không tạo ra một hồ chứa lớn. Phong cách này của thế hệ vẫn có thể sản xuất một lượng lớn điện, chẳng hạn như Chief Joseph Dam trên sông Columbia ở Hoa Kỳ.
Thủy điện được sản xuất tại 150 quốc gia, với khu vực châu Á-Thái Bình Dương tạo ra 32% thủy điện toàn cầu vào năm 2010. Đối với các nước có tỷ lệ điện lớn nhất từ năng lượng tái tạo, 50 nước hàng đầu chủ yếu là thủy điện. Trung Quốc là nước sản xuất thủy điện lớn nhất, với 721 terawatt giờ sản xuất trong năm 2010, chiếm khoảng 17% lượng điện sử dụng trong nước. Hiện nay có ba trạm thủy điện lớn hơn 10 GW: Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, Đập Itaipu qua biên giới Brazil / Paraguay và Đập Guri ở Venezuela.
Sức mạnh sóng, nắm bắt năng lượng của sóng bề mặt đại dương, và thủy triều, chuyển đổi năng lượng thủy triều, là hai dạng thủy điện với tiềm năng trong tương lai; tuy nhiên, chúng chưa được sử dụng rộng rãi về mặt thương mại. Một dự án trình diễn được điều hành bởi Công ty Năng lượng Tái tạo Đại dương trên bờ biển Maine, và kết nối với lưới điện, khai thác sức mạnh thủy triều từ Vịnh Fundy, vị trí dòng chảy thủy triều cao nhất thế giới. Chuyển đổi năng lượng nhiệt đại dương, sử dụng chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nước bề mặt sâu và ấm hơn, hiện không có tính khả thi về kinh tế.
Năng lượng mặt trời
Satellite image of the 550-megawatt Topaz Solar Farm in California, US
Năng lượng mặt trời, ánh sáng bức xạ và nhiệt từ mặt trời, được khai thác bằng nhiều công nghệ phát triển như sưởi ấm mặt trời, quang điện, năng lượng mặt trời tập trung (CSP), quang điện tập trung (CPV), kiến trúc mặt trời và quang hợp nhân tạo. Công nghệ năng lượng mặt trời được mô tả rộng rãi như năng lượng mặt trời thụ động hoặc năng lượng mặt trời hoạt động tùy thuộc vào cách chúng thu nhận, chuyển đổi và phân phối năng lượng mặt trời. Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm định hướng một tòa nhà cho mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc các đặc tính phân tán ánh sáng, và thiết kế không gian tự nhiên lưu thông không khí. Công nghệ năng lượng mặt trời chủ động bao gồm năng lượng mặt trời, sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để sưởi ấm, và năng lượng mặt trời, chuyển ánh sáng mặt trời thành điện trực tiếp sử dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp sử dụng năng lượng mặt trời tập trung (CSP).
The Levelised Cost of utility-scale solar PV is in sharp decline around the world, at under 2c/kWh in some regions
Một hệ thống quang điện chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trực tiếp (DC) bằng cách tận dụng hiệu ứng quang điện. PV năng lượng mặt trời đã trở thành một ngành công nghiệp có tốc độ phát triển nhanh chóng, đa ngành, tiếp tục cải thiện hiệu quả chi phí và có tiềm năng lớn nhất của bất kỳ công nghệ tái tạo nào cùng với CSP. Hệ thống năng lượng mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính hoặc gương và hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. Các nhà máy điện mặt trời tập trung thương mại lần đầu tiên được phát triển trong những năm 1980. CSP-Stirling có hiệu quả cao nhất trong số tất cả các công nghệ năng lượng mặt trời.
Năm 2011, Cơ quan Năng lượng Quốc tế nói rằng "sự phát triển của các công nghệ năng lượng mặt trời vô tận, vô tận và sạch sẽ sẽ mang lại những lợi ích lâu dài lớn hơn. Nó sẽ tăng cường an ninh năng lượng của quốc gia thông qua sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên độc lập bản địa, vô tận và độc lập tăng cường tính bền vững, giảm ô nhiễm, giảm chi phí giảm thiểu biến đổi khí hậu, và giữ cho fuelprices hóa thạch thấp hơn so với cách khác. được chia sẻ rộng rãi ". Ý có tỷ lệ điện mặt trời lớn nhất trên thế giới, trong năm 2015, năng lượng mặt trời cung cấp 7,8% nhu cầu điện ở Italia. Trong năm 2016, sau một năm tăng trưởng nhanh, năng lượng mặt trời tạo ra 1,3% sức mạnh toàn cầu.
Năng lượng địa nhiệt
Steam rising from the Nesjavellir Geothermal Power Station in Iceland
Nhiệt độ cao Năng lượng địa nhiệt là từ năng lượng nhiệt được tạo ra và được lưu trữ trong trái đất. Năng lượng nhiệt là năng lượng xác định nhiệt độ vật chất. Năng lượng địa nhiệt của Trái Đất bắt nguồn từ sự hình thành ban đầu của hành tinh và từ sự phân rã phóng xạ của các khoáng chất (hiện tại không chắc chắn nhưng có thể có tỷ lệ xấp xỉ bằng). Địa nhiệt gradient, đó là sự khác biệt về nhiệt độ giữa lõi của hành tinh và bề mặt của nó, điều khiển sự dẫn nhiệt liên tục của năng lượng nhiệt dưới dạng nhiệt từ lõi đến bề mặt. Địa nhiệt tính từ nguồn gốc địa lý của Hy Lạp, có nghĩa là trái đất và nhiệt, có nghĩa là nhiệt.
Hơi nóng được sử dụng cho năng lượng địa nhiệt có thể từ sâu trong lòng trái đất, tất cả các con đường xuống lõi của Trái Đất - 4.000 dặm (6.400 km) xuống. Ở cốt lõi, nhiệt độ có thể đạt trên 9.000 ° F (5.000 ° C). Nhiệt dẫn từ lõi đến đá xung quanh. Nhiệt độ và áp suất cực cao khiến cho một số đá tan chảy, thường được gọi là magma. Magma đối lưu trở lên vì nó nhẹ hơn đá rắn. Magma này sau đó làm nóng đá và nước trong lớp vỏ, đôi khi lên tới 700 ° F (371 ° C).
Từ suối nước nóng, năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để tắm kể từ thời kỳ đồ đá cũ và để sưởi ấm không gian kể từ thời La Mã cổ đại, nhưng nó bây giờ được biết đến nhiều hơn cho phát điện.
Nhiệt độ thấp Địa nhiệt đề cập đến việc sử dụng lớp vỏ ngoài của trái đất như một Pin nhiệt để tạo điều kiện cho năng lượng nhiệt tái tạo cho các tòa nhà sưởi ấm và làm mát, và các ứng dụng làm lạnh và công nghiệp khác. Trong hình thức địa nhiệt này, một máy bơm nhiệt địa nhiệt và bộ trao đổi nhiệt nối đất được sử dụng cùng nhau để di chuyển năng lượng nhiệt vào trái đất (để làm mát) và ra khỏi trái đất (để sưởi ấm) trên cơ sở theo mùa khác nhau. Nhiệt độ thấp Địa nhiệt (thường được gọi là "GHP") là một công nghệ tái tạo ngày càng quan trọng vì nó làm giảm tổng tải năng lượng hàng năm liên quan đến sưởi ấm và làm mát, và nó cũng làm phẳng đường cầu điện loại bỏ các yêu cầu cung cấp điện cực đại vào mùa hè và mùa đông . Do đó nhiệt độ thấp địa nhiệt / GHP đang trở thành một ưu tiên quốc gia ngày càng tăng với nhiều hỗ trợ tín dụng thuế và tập trung như là một phần của phong trào liên tục hướng tới năng lượng Net Zero. Thành phố New York thậm chí đã thông qua một đạo luật để yêu cầu GHP bất cứ lúc nào được chứng minh là kinh tế với tài chính 20 năm bao gồm Chi phí xã hội của Carbon.
Năng lượng sinh học
Sugarcane plantation to produce ethanol in Brazil
Sinh khối là vật liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh vật, hoặc sinh vật sống gần đây. Nó thường đề cập đến thực vật hoặc vật liệu có nguồn gốc từ thực vật được gọi là sinh khối lignocellulosic. Là một nguồn năng lượng, sinh khối có thể được sử dụng trực tiếp thông qua quá trình đốt cháy để tạo ra nhiệt, hoặc gián tiếp sau khi chuyển đổi thành các dạng nhiên liệu sinh học khác nhau. Việc chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu sinh học có thể đạt được bằng các phương pháp khác nhau được phân loại rộng rãi thành: phương pháp nhiệt, hóa học và sinh hóa. Gỗ vẫn là nguồn năng lượng sinh khối lớn nhất hiện nay, ví dụ bao gồm dư lượng rừng - chẳng hạn như cây chết, cành cây và gốc cây -, cào sân, dăm gỗ và thậm chí chất thải rắn đô thị. Theo nghĩa thứ hai, sinh khối bao gồm thực vật hoặc động vật có thể chuyển đổi thành sợi hoặc hóa chất công nghiệp khác, kể cả nhiên liệu sinh học. Sinh khối công nghiệp có thể được trồng từ nhiều loại thực vật, bao gồm miscanthus, cỏ switchgrass, cây gai dầu, ngô, dương, liễu, lúa miến, mía, tre, và nhiều loại cây khác nhau, từ bạch đàn đến dầu cọ (dầu cọ).
A CHP power station using wood to supply 30,000 households in France
Năng lượng thực vật được sản xuất bởi các loại cây trồng đặc biệt được trồng để sử dụng làm nhiên liệu cung cấp sản lượng sinh khối cao trên mỗi ha với năng lượng đầu vào thấp. Một số ví dụ về những loại cây này là lúa mì, thường thu được 7,5-8 tấn ngũ cốc trên mỗi ha, và rơm, thường có năng suất 3,5-5 tấn / ha ở Anh. Hạt có thể được sử dụng cho nhiên liệu vận chuyển chất lỏng trong khi rơm có thể được đốt để sản xuất nhiệt hoặc điện. Sinh khối thực vật cũng có thể bị suy thoái từ cellulose thành glucose thông qua một loạt các phương pháp xử lý hóa học, và kết quả đường có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên.
Sinh khối có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng có thể sử dụng khác như khí metan hoặc nhiên liệu vận chuyển như ethanol và diesel sinh học. Rác rác, rác thải nông nghiệp và con người, tất cả đều thải khí mê-tan - còn gọi là khí bãi rác hoặc khí sinh học. Cây trồng, chẳng hạn như ngô và mía, có thể được lên men để sản xuất nhiên liệu vận chuyển, ethanol. Dầu diesel sinh học, nhiên liệu vận chuyển khác, có thể được sản xuất từ các sản phẩm thực phẩm dư thừa như dầu thực vật và mỡ động vật. Ngoài ra, sinh khối đối với chất lỏng (BTL) và ethanol xenluloza vẫn đang được nghiên cứu. Có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu tảo hoặc sinh khối có nguồn gốc từ tảo do thực tế nó là một nguồn thực phẩm phi thực phẩm và có thể sản xuất ở mức 5 đến 10 lần so với các loại nông nghiệp khác trên đất liền, chẳng hạn như ngô và đậu nành. Sau khi thu hoạch, nó có thể được lên men để sản xuất nhiên liệu sinh học như ethanol, butanol, và mêtan, cũng như dầu diesel sinh học và hydro. Sinh khối được sử dụng để phát điện thay đổi theo vùng. Các phụ phẩm từ rừng, chẳng hạn như cặn bã gỗ, phổ biến ở Hoa Kỳ. Chất thải nông nghiệp phổ biến ở Mauritius (dư lượng mía) và Đông Nam Á (trấu). Dư lượng chăn nuôi, chẳng hạn như rác gia cầm, là phổ biến ở Vương quốc Anh.
Nhiên liệu sinh học bao gồm một loạt các loại nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối. Thuật ngữ này bao gồm nhiên liệu rắn, lỏng và khí. Nhiên liệu sinh học lỏng bao gồm bioalcohols, chẳng hạn như ethanol sinh học, và các loại dầu, chẳng hạn như dầu diesel sinh học. Khí sinh học dạng khí bao gồm khí sinh học, khí bãi rác và khí tổng hợp. Bioethanol là một loại rượu được làm bằng cách lên men các thành phần đường của nguyên liệu thực vật và nó được làm chủ yếu từ các loại cây trồng đường và tinh bột. Chúng bao gồm ngô, mía và, gần đây hơn, lúa miến ngọt. Cây trồng thứ hai đặc biệt thích hợp cho việc phát triển trong điều kiện đất khô, và đang được Viện nghiên cứu cây trồng quốc tế cho vùng nhiệt đới bán khô cằn cung cấp nhiên liệu, cùng với thức ăn và thức ăn gia súc, ở các vùng khô cằn của châu Á và châu Phi.
Với công nghệ tiên tiến đang được phát triển, sinh khối xenlulô, chẳng hạn như cây và cỏ, cũng được sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất ethanol. Ethanol có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ở dạng nguyên chất, nhưng nó thường được sử dụng làm phụ gia xăng để tăng chỉ số octan và cải thiện lượng khí thải xe. Ethanol sinh học được sử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ và Brazil. Chi phí năng lượng để sản xuất ethanol sinh học gần bằng, năng suất từ ethanol sinh học. Tuy nhiên, theo Cơ quan Môi trường châu Âu, nhiên liệu sinh học không giải quyết các mối quan ngại về hâm nóng toàn cầu. Dầu diesel sinh học được làm từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc dầu mỡ tái chế. Nó có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ở dạng tinh khiết, hoặc thường là phụ gia diesel để giảm mức độ hạt, khí cacbon monoxide và hydrocacbon từ các loại xe chạy bằng diesel. Dầu diesel sinh học được sản xuất từ dầu hoặc chất béo sử dụng transesterificationand là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất ở châu Âu. Nhiên liệu sinh học cung cấp 2,7% nhiên liệu vận chuyển của thế giới trong năm 2010.
Nhiên liệu sinh học, biogas và nhiên liệu sinh học được đốt để tạo ra nhiệt / năng lượng và làm hại môi trường. Các chất ô nhiễm như các oxit sunphurous (SOx), các oxit nitơ (NOx) và các hạt vật chất (PM) được tạo ra từ quá trình cháy sinh khối; Tổ chức Y tế Thế giới ước tính có 7 triệu ca tử vong sớm được gây ra mỗi năm do ô nhiễm không khí. Sinh khối đốt là một đóng góp lớn.
Lưu trữ năng lượng
Lưu trữ năng lượng là một tập hợp các phương pháp được sử dụng để lưu trữ năng lượng điện trên một mạng lưới điện, hoặc tắt nó. Năng lượng điện được lưu trữ trong thời gian khi sản xuất (đặc biệt là từ các nhà máy điện liên tục như nguồn điện tái tạo như điện gió, thủy triều, năng lượng mặt trời) vượt quá tiêu thụ và quay trở lại lưới khi sản lượng giảm xuống dưới mức tiêu thụ. Thủy điện lưu trữ được bơm được sử dụng cho hơn 90% tổng lưu trữ năng lượng lưới. Chi phí của pin lithium ion đang giảm nhanh chóng và đang ngày càng được triển khai như các nguồn năng lượng lưới nhanh (tức là hoạt động dự trữ) và cho lưu trữ trong nước.
Xu hướng thị trường và ngành
Năng lượng tái tạo có hiệu quả hơn trong việc tạo ra công ăn việc làm hơn là than đá hoặc dầu mỏ ở Hoa Kỳ.
Tăng trưởng của năng lượng tái tạo
Global growth of renewables through to 2011
Comparing worldwide energy use, the growth of renewable energy is shown by the green line
Từ cuối năm 2004, công suất năng lượng tái tạo trên toàn thế giới đã tăng trưởng với tốc độ 10-60% mỗi năm cho nhiều công nghệ. Trong năm 2015, đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo tăng 5% lên 285,9 tỷ USD, phá vỡ kỷ lục trước đó là 278,5 tỷ USD năm 2011. Năm 2015 cũng là năm đầu tiên nhìn thấy năng lượng tái tạo, ngoại trừ thủy điện lớn, chiếm phần lớn toàn bộ công suất điện mới (134 GW, chiếm 53,6% tổng số. Trong tổng số năng lượng tái tạo, gió chiếm 72 GW và quang điện mặt trời 56 GW; cả hai con số kỷ lục và tăng mạnh so với con số năm 2014 (tương ứng là 49 GW và 45 GW). Về mặt tài chính, năng lượng mặt trời chiếm 56% tổng vốn đầu tư mới và gió chiếm 38%.
Dự đoán khác nhau. EIA đã dự đoán rằng gần hai phần ba các khoản bổ sung ròng cho năng lực điện sẽ đến từ năng lượng tái tạo vào năm 2020 do các lợi ích chính sách kết hợp của ô nhiễm địa phương, khử cacbonat và đa dạng hóa năng lượng. Một số nghiên cứu đã vạch ra lộ trình để cung cấp năng lượng 100% năng lượng của thế giới với gió, thủy điện và năng lượng mặt trời vào năm 2030.
Theo dự báo năm 2011 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, các nhà máy điện mặt trời có thể sản xuất hầu hết điện của thế giới trong vòng 50 năm, giảm phát thải khí nhà kính gây hại cho môi trường. Cedric Philibert, nhà phân tích cao cấp thuộc bộ phận năng lượng tái tạo tại IEA cho biết: "Các nhà máy nhiệt điện và mặt trời có thể đáp ứng hầu hết nhu cầu điện của thế giới vào năm 2060 - và một nửa nhu cầu năng lượng - với gió, thủy điện và các nhà máy sinh khối của thế hệ còn lại ". Philibert nói: “Điện mặt trời tập trung và tập trung có thể trở thành nguồn điện chính”.
Năm 2014, công suất điện gió toàn cầu đã tăng 16% lên 369.553 MW. Sản lượng năng lượng gió hàng năm cũng tăng nhanh và đã đạt khoảng 4% lượng điện sử dụng trên toàn thế giới, 11,4% ở EU, và nó được sử dụng rộng rãi ở châu Á và Hoa Kỳ. Năm 2015, năng lực quang điện được lắp đặt trên toàn thế giới tăng lên 227 GW (GW), đủ để cung cấp 1% nhu cầu điện toàn cầu. Các trạm năng lượng mặt trời hoạt động ở Hoa Kỳ và Tây Ban Nha, và đến năm 2016, Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời Ivanpah 392 MW ở California. Công suất lắp đặt địa nhiệt lớn nhất thế giới là The Geysers ở California, với công suất định mức 750 MW. Brazil có một trong những chương trình năng lượng tái tạo lớn nhất trên thế giới, liên quan đến sản xuất nhiên liệu ethanol từ mía, và ethanol hiện cung cấp 18% nhiên liệu ô tô của đất nước. Nhiên liệu Ethanol cũng có sẵn ở Hoa Kỳ.
| Selected renewable energy global indicators |
2008 |
2009 |
2010 |
2011 |
2012 |
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
| Investment in new renewable capacity (annual) (109 USD) |
182 |
178 |
237 |
279 |
256 |
232 |
270 |
285 |
241 |
| Renewables power capacity (existing) (GWe) |
1,140 |
1,230 |
1,320 |
1,360 |
1,470 |
1,578 |
1,712 |
1,849 |
2,017 |
| Hydropower capacity (existing) (GWe) |
885 |
915 |
945 |
970 |
990 |
1,018 |
1,055 |
1,064 |
1,096 |
| Wind power capacity (existing) (GWe) |
121 |
159 |
198 |
238 |
283 |
319 |
370 |
433 |
487 |
| Solar PV capacity (grid-connected) (GWe) |
16 |
23 |
40 |
70 |
100 |
138 |
177 |
227 |
303 |
| Solar hot water capacity (existing) (GWth) |
130 |
160 |
185 |
232 |
255 |
373 |
406 |
435 |
456 |
| Ethanol production (annual) (109 litres) |
67 |
76 |
86 |
86 |
83 |
87 |
94 |
98 |
98.6 |
| Biodiesel production (annual) (109 litres) |
12 |
17.8 |
18.5 |
21.4 |
22.5 |
26 |
29.7 |
30 |
30.8 |
Countries with policy targets
for renewable energy use |
79 |
89 |
98 |
118 |
138 |
144 |
164 |
173 |
176 |
| Source: The Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21)–Global Status Report |
Tính đến năm 2018, các công ty điện lực của Mỹ đang lên kế hoạch đầu tư năng lượng tái tạo mới hoặc tăng thêm. Các khoản đầu tư này đặc biệt nhằm vào năng lượng mặt trời, nhờ Luật cắt giảm thuế và việc làm năm 2017 được ký thành luật. Luật pháp đã giữ lại các ưu đãi cho phát triển năng lượng tái tạo. Các công ty tiện ích đang tận dụng lợi thế của tín dụng thuế đầu tư năng lượng mặt trời liên bang trước khi nó vĩnh viễn giảm xuống 10% sau năm 2021. Theo tóm tắt báo cáo tình hình thị trường toàn cầu S & P ngày 28 tháng 3, "NextEra Energy Inc., Duke Energy Corp., và Dominion Energy Inc Các công ty khác, trong đó có Xcel Energy Inc. và Alliant Energy Corp., đang thực hiện các dự án gió lớn trong thời gian tới, nhưng xem xét tăng cường đầu tư năng lượng mặt trời trong những năm tới. "
Xu hướng kinh tế
.png "Projection of levelized cost for wind in the U.S. (left) and solar power in Europe")
Projection of levelized cost for wind in the U.S. (left) and solar power in Europe
Công nghệ năng lượng tái tạo đang rẻ hơn, thông qua thay đổi công nghệ và thông qua lợi ích của sản xuất hàng loạt và cạnh tranh thị trường. Báo cáo của IEA năm 2011 cho biết: "Danh mục các công nghệ năng lượng tái tạo đang trở thành cạnh tranh về chi phí trong một loạt các trường hợp ngày càng rộng lớn, trong một số trường hợp cung cấp cơ hội đầu tư mà không cần hỗ trợ kinh tế cụ thể". , chẳng hạn như gió và mặt trời, được thiết lập để tiếp tục. "
Thủy điện và điện địa nhiệt được sản xuất tại các vị trí thuận lợi hiện nay là cách rẻ nhất để sản xuất điện. Chi phí năng lượng tái tạo tiếp tục giảm, và chi phí điện năng (LCOE) đang giảm cho năng lượng gió, quang điện mặt trời (PV), năng lượng mặt trời tập trung (CSP) và một số công nghệ sinh khối. Năng lượng tái tạo cũng là giải pháp kinh tế nhất cho khả năng kết nối lưới mới ở những vùng có nguồn lực tốt. Khi chi phí năng lượng tái tạo giảm, phạm vi ứng dụng kinh tế khả thi tăng lên. Công nghệ tái tạo hiện nay thường là giải pháp kinh tế nhất cho công suất phát điện mới. Nơi "phát điện bằng dầu lửa là nguồn phát điện chủ yếu (ví dụ trên các đảo, ngoài lưới điện và ở một số quốc gia), giải pháp tái tạo chi phí thấp hơn hầu như luôn luôn tồn tại ngày nay". Một loạt các nghiên cứu của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ đã mô tả "lưới điện ở miền Tây Hoa Kỳ theo một số kịch bản khác nhau, nơi năng lượng tái tạo liên tục chiếm 33% tổng công suất." Trong các mô hình, không hiệu quả trong việc đi xe đạp các nhà máy nhiên liệu hóa thạch để bù đắp cho sự thay đổi năng lượng mặt trời và gió dẫn đến chi phí bổ sung là "từ 0,47 đô la đến 1,28 đô la cho mỗi giờ MegaWatt được tạo"; tuy nhiên, tiết kiệm chi phí nhiên liệu tiết kiệm được "cộng thêm 7 tỷ đô la, có nghĩa là chi phí tăng thêm, nhiều nhất là hai phần trăm số tiền tiết kiệm".
Thủy điện
Chỉ có một phần tư tiềm năng thủy điện ước tính 14.000 TWh / năm được phát triển, tiềm năng khu vực cho sự phát triển thủy điện trên toàn thế giới là 71% Châu Âu, 75% Bắc Mỹ, 79% Nam Mỹ, 95% Châu Phi, 95 % Trung Đông, 82% Châu Á Thái Bình Dương. Tuy nhiên, thực tế chính trị của các hồ chứa mới ở các nước phương Tây, hạn chế kinh tế ở thế giới thứ ba và thiếu hệ thống truyền dẫn ở các khu vực kém phát triển, dẫn đến khả năng phát triển 25% tiềm năng còn lại trước năm 2050. trong khu vực Châu Á Thái Bình Dương. Có sự tăng trưởng chậm diễn ra ở các quận phương Tây, nhưng không phải trong đập thông thường và phong cách hồ chứa của quá khứ. Các dự án mới có dạng dòng chảy của dòng sông và thủy điện nhỏ, không sử dụng các hồ chứa lớn. Việc phổ biến các đập cũ là phổ biến do đó làm tăng hiệu quả và công suất cũng như đáp ứng nhanh hơn trên lưới điện. Trường hợp hoàn cảnh cho phép các đập hiện tại như đập Russell được xây dựng vào năm 1985 có thể được cập nhật với các thiết bị "bơm trở lại" để lưu trữ bơm có ích cho tải trọng cao điểm hoặc hỗ trợ gió và năng lượng mặt trời liên tục. Các nước có phát triển thủy điện lớn như Canada và Na Uy đang chi hàng tỉ đô la để mở rộng mạng lưới giao dịch với các nước láng giềng có thủy điện hạn chế.
Phát triển năng lượng gió
Worldwide growth of wind capacity (1996–2014)
Năng lượng gió được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, Trung Quốc và Hoa Kỳ. Từ năm 2004 đến năm 2014, năng lực gió được lắp đặt trên toàn thế giới đã tăng từ 47 GW lên 369 GW - tăng hơn 7 lần trong vòng 10 năm với 2014 phá kỷ lục mới trong việc lắp đặt toàn cầu (51 GW). Tính đến cuối năm 2014, Trung Quốc, Hoa Kỳ và Đức kết hợp chiếm một nửa tổng công suất toàn cầu. Một số quốc gia khác đã đạt được mức độ thâm nhập điện tương đối cao, như 21% sản lượng điện tĩnh tại Đan Mạch, 18% ở Bồ Đào Nha, 16% ở Tây Ban Nha và 14% ở Ireland năm 2010 và kể từ đó tiếp tục mở rộng công suất lắp đặt của họ . Hơn 80 quốc gia trên thế giới đang sử dụng năng lượng gió trên cơ sở thương mại.
Điện gió ngoài khơi
Four offshore wind farms are in the Thames Estuary area: Kentish Flats, Gunfleet Sands, Thanet and London Array. The latter is the largest in the world as of April 2013.
Tính đến năm 2014, năng lượng gió ngoài khơi lên tới 8.771 megawatt công suất lắp đặt toàn cầu. Mặc dù công suất ngoài khơi tăng gấp đôi trong vòng 3 năm (từ 4.117 MW vào năm 2011), nhưng nó chỉ chiếm 2,3% tổng công suất điện gió. Vương quốc Anh là nhà lãnh đạo không thể tranh cãi về sức mạnh ngoài khơi với một nửa công suất lắp đặt của thế giới trước Đan Mạch, Đức, Bỉ và Trung Quốc.
Danh sách các trang trại gió ngoài khơi và trên bờ
Tính đến năm 2012, Trung tâm Năng lượng gió Alta (California, 1.020 MW) là trang trại gió lớn nhất thế giới. [106] The London Array (630 MW) là trang trại gió ngoài khơi lớn nhất thế giới. Vương quốc Anh là máy phát điện gió ngoài khơi hàng đầu thế giới, tiếp theo là Đan Mạch. [107] Có một số trang trại gió lớn ngoài khơi hoạt động và đang được xây dựng và bao gồm Anholt (400 MW), BARD (400 MW), Clyde (548 MW), Fântânele-Cogealac (600 MW), Greater Gabbard (500 MW), Lincs (270) MW), London Array (630 MW), Lower Snake River (343 MW), Macarthur (420 MW), Shepherds Flat (845 MW) và Sheringham Shoal (317 MW).
Nhiệt mặt trời
Hoa Kỳ đã tiến hành nhiều nghiên cứu ban đầu về quang điện và năng lượng mặt trời tập trung. Hoa Kỳ là một trong những quốc gia hàng đầu trên thế giới về điện do Mặt Trời tạo ra và một số cài đặt quy mô tiện ích lớn nhất thế giới nằm ở vùng sa mạc phía Tây Nam.
Nhà máy nhiệt điện mặt trời lâu đời nhất trên thế giới là nhà máy nhiệt điện SEGS 354 MW (MW), ở California. [108] Các Ivanpah năng lượng mặt trời Hệ thống điện Generating là một dự án nhà máy nhiệt điện mặt trời ở California Mojave Desert, 40 dặm (64 km) về phía tây nam của Las Vegas, với công suất tổng 377 MW. [109] Các MW Generating Station 280 Solana là một nhà máy năng lượng mặt trời gần Gila Bend, bang Arizona, khoảng 70 dặm (110 km) về phía tây nam của Phoenix, hoàn thành vào năm 2013. Khi đưa vào nó là nhà máy máng parabol lớn nhất trên thế giới và các nhà máy năng lượng mặt trời đầu tiên của Mỹ với lưu trữ năng lượng nhiệt nóng chảy muối.
Ngành nhiệt điện mặt trời đang phát triển nhanh chóng với 1,3 GW đang được xây dựng vào năm 2012 và được lên kế hoạch nhiều hơn. Tây Ban Nha là tâm điểm của phát triển năng lượng mặt trời nhiệt điện với 873 MW đang được xây dựng và phát triển thêm 271 MW. Tại Hoa Kỳ, 5.600 MW các dự án nhiệt điện mặt trời đã được công bố. Một số nhà máy điện đã được xây dựng tại Sa mạc Mojave, Tây Nam Hoa Kỳ. Cơ sở năng lượng mặt trời Ivanpah là gần đây nhất. Ở các nước đang phát triển, ba dự án của Ngân hàng Thế giới về các nhà máy điện tuabin khí nhiệt / hỗn hợp năng lượng mặt trời tích hợp ở Ai Cập, Mexico và Ma-rốc đã được phê duyệt.
Phát triển quang điện
The 377 MW Ivanpah Solar Electric Generating System with all three towers under load, Feb 2014. Taken from I-15.
Quang điện (PV) sử dụng các tế bào năng lượng mặt trời được lắp ráp thành các tấm năng lượng mặt trời để chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng. Đó là một công nghệ phát triển nhanh chóng tăng gấp đôi công suất lắp đặt trên toàn thế giới mỗi vài năm. Các hệ thống PV trải dài từ tầng mái nhỏ, dân cư và thương mại hoặc xây dựng các công trình lắp đặt tích hợp, đến các nhà máy điện quang điện quy mô lớn. Công nghệ PV chiếm ưu thế là silicon tinh thể, trong khi công nghệ pin mặt trời màng mỏng chiếm khoảng 10% triển khai quang điện toàn cầu. Trong những năm gần đây, công nghệ PV đã cải thiện hiệu quả phát điện, giảm chi phí lắp đặt trên mỗi watt cũng như thời gian hoàn vốn năng lượng và đạt được tính chẵn lẻ lưới tại ít nhất 30 thị trường khác nhau vào năm 2014. vội vàng "trong tương lai gần.
Vào cuối năm 2014, công suất PV trên toàn thế giới đạt ít nhất 177.000 MW. Quang điện phát triển nhanh nhất ở Trung Quốc, tiếp theo là Nhật Bản và Hoa Kỳ, trong khi Đức vẫn là nước sản xuất điện năng quang điện lớn nhất thế giới, đóng góp khoảng 7,0% cho tổng sản lượng điện. Ý đáp ứng 7,9% nhu cầu điện năng của mình với quyền lực quang điện - thị phần cao nhất trên toàn thế giới. Trong năm 2015, công suất tích lũy toàn cầu được dự báo sẽ tăng hơn 50 GW (GW). Đến năm 2018, công suất trên toàn thế giới dự kiến đạt tới 430 gigawatt. Điều này tương ứng với ba lần trong vòng năm năm. Điện mặt trời được dự báo sẽ trở thành nguồn điện lớn nhất thế giới vào năm 2050, với quang điện mặt trời và năng lượng mặt trời tập trung đóng góp lần lượt là 16% và 11%. Điều này đòi hỏi phải tăng công suất lắp đặt PV lên 4,600 GW, trong đó hơn một nửa dự kiến sẽ được triển khai ở Trung Quốc và Ấn Độ.
Nhà máy điện quang điện mặt trời solar PV (Solar farm)
Solar Towers of the PS10 and PS20solar thermal plants in Spain
.png "Worldwide growth of PV capacity grouped by region in MW (2006–2014)")
Worldwide growth of PV capacity grouped by region in MW (2006–2014)
Các nhà máy điện mặt trời tập trung thương mại lần đầu tiên được phát triển trong những năm 1980. Khi chi phí điện mặt trời giảm, số lượng các hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới điện đã phát triển thành hàng triệu và các nhà máy điện mặt trời quy mô công suất với hàng trăm megawatt đang được xây dựng. Năng lượng mặt trời PV nhanh chóng trở thành một công nghệ rẻ tiền, ít carbon để khai thác năng lượng tái tạo từ Mặt Trời.
-02.png "Solar panels at the 550 MW Topaz Solar Farm")
Solar panels at the 550 MW Topaz Solar Farm
Nhiều nhà máy điện mặt trời đã được xây dựng, chủ yếu ở châu Âu, Trung Quốc và Hoa Kỳ. Ngôi sao năng lượng mặt trời 579 MW, tại Hoa Kỳ, là nhà máy điện PV lớn nhất thế giới.
Nhiều người trong số các nhà máy này được tích hợp với nông nghiệp và một số hệ thống theo dõi sử dụng theo con đường hàng ngày của mặt trời trên bầu trời để tạo ra nhiều điện hơn so với các hệ thống gắn cố định. Không có chi phí nhiên liệu hoặc khí thải trong quá trình hoạt động của các nhà máy điện.
Nellis Solar Power Plant, photovoltaic power plant in Nevada, US
Tuy nhiên, khi nói đến hệ thống năng lượng tái tạo và PV, nó không chỉ là hệ thống lớn quan trọng. Các quang điện tích hợp xây dựng hoặc hệ thống PV "tại chỗ" sử dụng đất và cấu trúc hiện có và tạo ra năng lượng gần nơi tiêu thụ.
Phát triển nhiên liệu sinh học
Brazil produces bioethanol made from sugarcane available throughout the country. A typical gas station with dual fuel service is marked "A" for alcohol (ethanol) and "G" for gasoline.
Nhiên liệu sinh học cung cấp 3% nhiên liệu vận chuyển của thế giới trong năm 2010. Các nhiệm vụ pha trộn nhiên liệu sinh học tồn tại ở 31 quốc gia ở cấp quốc gia và 29 tiểu bang / tỉnh. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, nhiên liệu sinh học có khả năng đáp ứng hơn một phần tư nhu cầu về nhiên liệu vận chuyển của thế giới vào năm 2050.
Kể từ những năm 1970, Brazil đã có một chương trình nhiên liệu ethanol đã cho phép nước này trở thành nước sản xuất ethanol lớn thứ hai thế giới (sau Hoa Kỳ) và nước xuất khẩu lớn nhất thế giới. Chương trình nhiên liệu ethanol của Brazil sử dụng thiết bị hiện đại và mía rẻ làm nguyên liệu, và chất thải mía còn dư (bã mía) được sử dụng để sản xuất nhiệt và năng lượng. Không còn xe hạng nhẹ ở Brazil chạy bằng xăng nguyên chất. Đến cuối năm 2008 đã có 35.000 trạm xăng trên khắp Brazil với ít nhất một máy bơm ethanol. Thật không may, Operation Car Wash đã nghiêm trọng làm xói mòn lòng tin của công chúng trong các công ty dầu mỏ và đã ám chỉ một số quan chức cấp cao của Brazil.
Gần như tất cả xăng được bán tại Hoa Kỳ ngày nay được pha trộn với 10% ethanol, và các nhà sản xuất xe có động cơ đã sản xuất xe được thiết kế để chạy trên các hỗn hợp ethanol cao hơn nhiều. Ford, Daimler AG và GM là một trong những công ty ô tô bán xe hơi, xe tải và xe tải nhỏ có thể sử dụng hỗn hợp xăng và ethanol từ xăng nguyên chất đến 85% ethanol. Vào giữa năm 2006, đã có khoảng 6 triệu xe tương thích ethanol trên đường Mỹ.
Phát triển địa nhiệt
Geothermal plant at The Geysers, California, US
Năng lượng địa nhiệt là chi phí hiệu quả, đáng tin cậy, bền vững và thân thiện với môi trường, nhưng trong lịch sử được giới hạn ở các khu vực gần ranh giới mảng kiến tạo. Những tiến bộ công nghệ gần đây đã mở rộng phạm vi và kích thước của các nguồn lực khả thi, đặc biệt là đối với các ứng dụng như sưởi ấm tại nhà, mở ra một tiềm năng để khai thác rộng rãi. Các giếng địa nhiệt giải phóng các khí nhà kính bị bẫy sâu trong lòng đất, nhưng các phát thải này thấp hơn nhiều so với các loại nhiên liệu hóa thạch. Kết quả là, năng lượng địa nhiệt có tiềm năng giúp giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu nếu được triển khai rộng rãi thay cho nhiên liệu hóa thạch.
Hiệp hội địa nhiệt quốc tế (IGA) đã báo cáo rằng 10.715 MW năng lượng địa nhiệt ở 24 quốc gia là trực tuyến, dự kiến sẽ tạo ra 67.246 GWh điện vào năm 2010. Dự án IGA này sẽ tăng lên 18.500 MW vào năm 2015, do số lượng lớn các dự án hiện đang được xem xét, thường ở các khu vực trước đây được cho là có ít tài nguyên khai thác.
Năm 2010, Hoa Kỳ dẫn đầu thế giới về sản xuất điện địa nhiệt với 3,086 MW công suất lắp đặt từ 77 nhà máy điện; nhóm lớn nhất của các nhà máy điện địa nhiệt trên thế giới được đặt tại The Geysers, một lĩnh vực địa nhiệt ở California. Philippines sau Mỹ là nước sản xuất năng lượng địa nhiệt cao thứ hai trên thế giới, với 1,904 MW công suất trực tuyến; năng lượng địa nhiệt chiếm khoảng 18% sản lượng điện của cả nước.
Các quốc gia phát triển
Solar cookers use sunlight as energy source for outdoor cooking
Công nghệ năng lượng tái tạo đôi khi được xem là một mặt hàng đắt tiền đắt tiền bởi các nhà phê bình, và chỉ có giá cả phải chăng trong thế giới phát triển thịnh vượng. Quan điểm sai lầm này đã kéo dài trong nhiều năm, nhưng năm 2015 là năm đầu tiên khi đầu tư vào năng lượng tái tạo phi thuỷ điện, cao hơn ở các nước đang phát triển, với 156 tỷ USD đầu tư, chủ yếu ở Trung Quốc, Ấn Độ và Brazil.
Năng lượng tái tạo có thể đặc biệt thích hợp cho các nước đang phát triển. Ở các vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa, việc truyền tải và phân phối năng lượng sinh ra từ nhiên liệu hóa thạch có thể khó khăn và tốn kém. Sản xuất năng lượng tái tạo tại địa phương có thể cung cấp một giải pháp thay thế khả thi.
Những tiến bộ công nghệ đang mở ra một thị trường năng lượng mặt trời mới khổng lồ: khoảng 1,3 tỷ người trên thế giới không có điện lưới. Mặc dù họ thường rất nghèo, những người này phải trả tiền nhiều hơn cho ánh sáng hơn những người ở các nước giàu vì họ sử dụng đèn dầu hỏa không hiệu quả. Năng lượng mặt trời có giá bằng một nửa so với ánh sáng với dầu hỏa. Tính đến năm 2010, ước tính có khoảng 3 triệu hộ gia đình có điện từ các hệ thống PV năng lượng mặt trời nhỏ. Kenya là nước dẫn đầu thế giới về số lượng các hệ thống năng lượng mặt trời được lắp đặt trên đầu người. Hơn 30.000 tấm pin mặt trời rất nhỏ, mỗi tấm sản xuất từ 12 đến 30 watt, được bán ở Kenya hàng năm. Một số quốc gia đang phát triển đảo nhỏ (SIDS) cũng đang chuyển sang năng lượng mặt trời để giảm chi phí và tăng tính bền vững của họ.
Micro-hydro được cấu hình thành các lưới mini cũng cung cấp năng lượng. Hơn 44 triệu hộ gia đình sử dụng biogas được chế tạo trong các máy tiêu hóa quy mô hộ gia đình để thắp sáng và / hoặc nấu ăn, và hơn 166 triệu hộ gia đình dựa vào một thế hệ bếp nấu sinh khối hiệu quả hơn. Nhiên liệu lỏng sạch có nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo được sử dụng để nấu ăn và thắp sáng ở các khu vực nghèo năng lượng của các nước đang phát triển. Nhiên liệu cồn (ethanol và methanol) có thể được sản xuất bền vững từ thức ăn không có đường, không có nguồn gốc thực phẩm, và cellulose. Project Gaia, Inc. và CleanStar Mozambique đang triển khai các chương trình nấu ăn sạch với bếp ethanol lỏng ở Ethiopia, Kenya, Nigeria và Mozambique.
Các dự án năng lượng tái tạo ở nhiều nước đang phát triển đã chứng minh rằng năng lượng tái tạo có thể trực tiếp góp phần giảm nghèo bằng cách cung cấp năng lượng cần thiết cho việc tạo ra các doanh nghiệp và việc làm. Công nghệ năng lượng tái tạo cũng có thể đóng góp gián tiếp để giảm nghèo bằng cách cung cấp năng lượng cho nấu ăn, sưởi ấm không gian và ánh sáng. Năng lượng tái tạo cũng có thể đóng góp cho giáo dục, bằng cách cung cấp điện cho trường học.
Xu hướng chính sách và ngành
Global New Investments in Renewable Energy
Đạo luật Phục hồi và Tái đầu tư Mỹ của Tổng thống Mỹ Barack Obama năm 2009 bao gồm hơn 70 tỷ đô la chi tiêu trực tiếp và tín dụng thuế cho năng lượng sạch và các chương trình giao thông liên quan. Các công ty năng lượng tái tạo hàng đầu bao gồm First Solar, Gamesa, GE Energy, Hanwha Q Cells, Sharp Solar, Siemens, SunOpta, Suntech Power và Vestas.
Nhiều chính phủ quốc gia, tiểu bang và địa phương cũng đã tạo ra các ngân hàng xanh. Ngân hàng xanh là một tổ chức tài chính bán công có sử dụng vốn công để tận dụng đầu tư tư nhân vào các công nghệ năng lượng sạch. Ngân hàng xanh sử dụng nhiều công cụ tài chính khác nhau để thu hẹp khoảng cách thị trường cản trở việc triển khai năng lượng sạch.
Quân đội cũng đã tập trung vào việc sử dụng nhiên liệu tái tạo cho xe quân sự. Không giống như nhiên liệu hóa thạch, nhiên liệu tái tạo có thể được sản xuất ở bất kỳ quốc gia nào, tạo ra lợi thế chiến lược. Quân đội Hoa Kỳ đã tự cam kết có 50% mức tiêu thụ năng lượng đến từ các nguồn thay thế.
Cơ quan năng lượng tái tạo quốc tế (IRENA) là một tổ chức liên chính phủ để thúc đẩy việc áp dụng năng lượng tái tạo trên toàn thế giới. Nó nhằm mục đích cung cấp tư vấn chính sách cụ thể và tạo thuận lợi cho việc xây dựng năng lực và chuyển giao công nghệ. IRENA được thành lập vào ngày 26 tháng 1 năm 2009, bởi 75 quốc gia ký điều lệ của IRENA. [144] Vào tháng 3 năm 2010, IRENA có 143 quốc gia thành viên, tất cả đều được coi là thành viên sáng lập, trong đó 14 nước cũng đã phê chuẩn đạo luật.
Tính đến năm 2011, 119 quốc gia có một số mục tiêu chính sách năng lượng tái tạo quốc gia hoặc chính sách hỗ trợ tái tạo. Các mục tiêu quốc gia hiện đang tồn tại ở ít nhất 98 quốc gia. Ngoài ra còn có một loạt các chính sách ở cấp tiểu bang / tỉnh và địa phương.
Tổng thư ký Liên Hợp Quốc Ban Ki-moon đã nói rằng năng lượng tái tạo có khả năng nâng các quốc gia nghèo nhất lên mức độ thịnh vượng mới. [13] Vào tháng 10 năm 2011, ông "tuyên bố thành lập một nhóm cấp cao để hỗ trợ cho việc tiếp cận năng lượng, tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng tái tạo nhiều hơn. Nhóm này sẽ được đồng chủ trì bởi Kandeh Yumkella, Chủ tịch UN Energy và Tổng giám đốc của Tổ chức Phát triển Công nghiệp LHQ, và Charles Holliday, Chủ tịch Ngân hàng Mỹ ".
100% năng lượng tái tạo
Việc khuyến khích sử dụng 100% năng lượng tái tạo, cho điện, giao thông, hoặc thậm chí toàn bộ nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp trên toàn cầu, đã được thúc đẩy bởi sự nóng lên toàn cầu và các mối quan tâm về kinh tế cũng như sinh thái khác. Hội đồng liên chính phủ về biến đổi khí hậu đã nói rằng có rất ít giới hạn công nghệ cơ bản để tích hợp một danh mục các công nghệ năng lượng tái tạo để đáp ứng hầu hết nhu cầu năng lượng toàn cầu. Sử dụng năng lượng tái tạo đã phát triển nhanh hơn nhiều so với những người ủng hộ dự đoán. Ở cấp quốc gia, ít nhất 30 quốc gia trên thế giới đã có năng lượng tái tạo đóng góp hơn 20% nguồn cung cấp năng lượng. Ngoài ra, các giáo sư S. Pacala và Robert H. Socolow đã phát triển một loạt các "nêm ổn định" có thể cho phép chúng ta duy trì chất lượng cuộc sống trong khi tránh thay đổi khí hậu thảm khốc, và "nguồn năng lượng tái tạo". của "nêm" của họ.
Sử dụng 100% năng lượng tái tạo được đề xuất đầu tiên trong một bài báo khoa học được xuất bản năm 1975 bởi nhà vật lí người Đan Mạch Bent Sørensen. Tiếp theo là một số đề xuất khác, cho đến năm 1998, phân tích chi tiết đầu tiên về các kịch bản với số lượng tái tạo rất cao đã được công bố. Chúng được theo sau bởi các kịch bản 100% chi tiết đầu tiên. Năm 2006, một luận án tiến sĩ đã được Czisch xuất bản, trong đó nó được chứng minh rằng trong một nguồn cung cấp năng lượng tái tạo 100% có thể đáp ứng nhu cầu trong mỗi giờ trong năm ở châu Âu và Bắc Phi. Trong cùng năm, giáo sư Năng lượng Đan Mạch Henrik Lund đã xuất bản một bài báo đầu tiên [150], trong đó ông đề cập đến sự kết hợp tối ưu của năng lượng tái tạo, tiếp theo là một số giấy tờ khác về việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo 100% ở Đan Mạch. Kể từ đó Lund đã xuất bản một số giấy tờ về 100% năng lượng tái tạo. Sau khi các ấn phẩm năm 2009 bắt đầu tăng mạnh, bao gồm 100% kịch bản cho các quốc gia ở châu Âu, Mỹ, Úc và các nơi khác trên thế giới.
Năm 2011 Mark Z. Jacobson, giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Đại học Stanford và Mark Delucchi đã xuất bản một nghiên cứu về nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu tái tạo 100% trong tạp chí Energy Policy. Họ phát hiện ra tất cả năng lượng mới với năng lượng gió, năng lượng mặt trời và thủy điện vào năm 2030 là khả thi và sắp xếp cung cấp năng lượng hiện tại có thể được thay thế vào năm 2050. Các rào cản để thực hiện kế hoạch năng lượng tái tạo được xem là "chủ yếu là xã hội và chính trị, không công nghệ hoặc thuộc kinh tế". Họ cũng thấy rằng chi phí năng lượng với gió, mặt trời, hệ thống nước nên tương tự với chi phí năng lượng ngày nay.
Tương tự, tại Hoa Kỳ, Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia độc lập đã lưu ý rằng "đủ nguồn năng lượng tái tạo trong nước tồn tại để cho phép điện tái tạo đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất điện trong tương lai và do đó giúp đối mặt với các vấn đề liên quan đến biến đổi khí hậu, an ninh năng lượng và leo thang chi phí năng lượng… Năng lượng tái tạo là một lựa chọn hấp dẫn vì các nguồn năng lượng tái tạo có sẵn tại Hoa Kỳ, được tập thể, có thể cung cấp lượng điện lớn hơn đáng kể so với tổng nhu cầu nội địa hiện tại hoặc dự kiến ”.
Rào cản quan trọng nhất đối với việc thực hiện rộng rãi các chiến lược năng lượng tái tạo quy mô lớn và các chiến lược năng lượng carbon thấp chủ yếu là chính trị và không công nghệ. Theo báo cáo năm 2013 của Báo cáo đường carbon, xem xét nhiều nghiên cứu quốc tế, các rào cản chính là: từ chối biến đổi khí hậu, tiền nhiên liệu hóa thạch, không hoạt động chính trị, tiêu thụ năng lượng không bền vững, cơ sở hạ tầng năng lượng đã lỗi thời và hạn chế về tài chính.
Công nghệ mới nổi
Enhanced geothermal system (see file descriptionfor details)
Các công nghệ năng lượng tái tạo khác vẫn đang được phát triển và bao gồm ethanol xenlulô, năng lượng địa nhiệt nóng, và năng lượng biển. Những công nghệ này chưa được chứng minh rộng rãi hoặc có thương mại hóa hạn chế. Nhiều người đang ở trên đường chân trời và có thể có tiềm năng so sánh với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, nhưng vẫn phụ thuộc vào việc thu hút đủ sự chú ý và tài trợ nghiên cứu, phát triển và trình diễn (RD & D).
Có rất nhiều tổ chức trong các lĩnh vực học thuật, liên bang và thương mại thực hiện nghiên cứu tiên tiến quy mô lớn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Nghiên cứu này mở rộng một số lĩnh vực tập trung trên phổ năng lượng tái tạo. Hầu hết các nghiên cứu được nhắm mục tiêu vào việc nâng cao hiệu quả và tăng năng suất tổng thể. [156] Nhiều tổ chức nghiên cứu được liên bang hỗ trợ đã tập trung vào năng lượng tái tạo trong những năm gần đây. Hai trong số các phòng thí nghiệm nổi bật nhất là Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia và Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL), cả hai đều được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và được hỗ trợ bởi nhiều đối tác của công ty. Sandia có tổng ngân sách 2,4 tỷ USD trong khi NREL có ngân sách 375 triệu USD.
Tăng cường hệ thống địa nhiệt
Các hệ thống địa nhiệt nâng cao (EGS) là một loại công nghệ năng lượng địa nhiệt mới không đòi hỏi tài nguyên thủy nhiệt đối lưu tự nhiên. Phần lớn năng lượng địa nhiệt trong phạm vi khoan là trong đá khô và không xốp. Công nghệ EGS "tăng cường" và / hoặc tạo ra các nguồn địa nhiệt trong "đá khô nóng" (HDR) này thông qua kích thích thủy lực. Các công nghệ EGS và HDR, như địa nhiệt thủy nhiệt, được dự kiến sẽ là nguồn tài nguyên cơ bản tạo ra năng lượng 24 giờ một ngày như một nhà máy hóa thạch. Khác biệt với thủy nhiệt, HDR và EGS có thể khả thi ở mọi nơi trên thế giới, tùy thuộc vào giới hạn kinh tế của độ sâu khoan. Các vị trí tốt là trên đá granit sâu được bao phủ bởi một lớp trầm tích cách nhiệt dày (3-5 km) làm chậm sự mất nhiệt. Hiện có các hệ thống HDR và EGS hiện đang được phát triển và thử nghiệm ở Pháp, Úc, Nhật Bản, Đức, Hoa Kỳ và Thụy Sĩ. Dự án EGS lớn nhất trên thế giới là một nhà máy trình diễn 25 megawatt hiện đang được phát triển ở lưu vực Cooper, Úc. Lưu vực Cooper có tiềm năng tạo ra 5.000–10.000 MW.
Etanol xenluloza
Một số nhà máy lọc dầu có thể xử lý sinh khối và biến nó thành ethanol được xây dựng bởi các công ty như Iogen, POET và Abengoa, trong khi các công ty khác như Verenium Corporation, Novozymes và Dyadic International đang sản xuất các enzim có thể cho phép thương mại hóa trong tương lai. Sự chuyển đổi từ nguyên liệu thực phẩm sang phế liệu và cỏ bản địa đem lại nhiều cơ hội đáng kể cho nhiều người chơi, từ nông dân đến các công ty công nghệ sinh học và từ các nhà phát triển dự án đến các nhà đầu tư.
Năng lượng biển
Rance Tidal Power Station, France
Năng lượng biển (cũng đôi khi được gọi là năng lượng đại dương) đề cập đến năng lượng được mang bởi sóng biển, thủy triều, độ mặn và sự khác biệt về nhiệt độ đại dương. Sự chuyển động của nước trong các đại dương của thế giới tạo ra một kho lưu trữ động năng khổng lồ, hoặc năng lượng trong chuyển động. Năng lượng này có thể được khai thác để tạo ra điện cho các ngôi nhà, giao thông và các ngành công nghiệp. Thuật ngữ năng lượng biển bao gồm cả công suất sóng - sức mạnh từ sóng bề mặt và năng lượng thủy triều - thu được từ động năng của các cơ quan lớn của nước di chuyển. Điện phân ngược (RED) là công nghệ tạo ra điện bằng cách trộn nước sông tươi và nước biển mặn trong các tế bào năng lượng lớn được thiết kế cho mục đích này; tính đến năm 2016 nó đang được thử nghiệm ở quy mô nhỏ (50 kW). Năng lượng gió ngoài khơi không phải là một dạng năng lượng biển, vì năng lượng gió có nguồn gốc từ gió, ngay cả khi các tuabin gió được đặt trên mặt nước. Các đại dương có một lượng lớn năng lượng và gần với nhiều người nếu không tập trung nhiều nhất. Năng lượng đại dương có tiềm năng cung cấp một lượng đáng kể năng lượng tái tạo mới trên toàn thế giới.
| # |
Station |
Country |
Location |
Capacity |
Refs |
| 1. |
Sihwa Lake Tidal Power Station |
South Korea |
 37°18′47″N 126°36′46″E |
254 MW |
|
| 2. |
Rance Tidal Power Station |
France |
48°37′05″N 02°01′24″W |
240 MW |
|
| 3. |
Annapolis Royal Generating Station |
Canada |
44°45′07″N 65°30′40″W |
20 MW |
|
Năng lượng mặt trời thử nghiệm
Hệ thống quang điện tập trung (CPV) sử dụng ánh sáng mặt trời tập trung vào các bề mặt quang điện cho mục đích phát điện. Các thiết bị nhiệt điện hoặc "nhiệt điện" chuyển đổi sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vật liệu khác nhau thành dòng điện.
Mảng năng lượng mặt trời nổi
Các mảng năng lượng mặt trời nổi là các hệ thống PV nổi trên bề mặt các hồ chứa nước uống, các hồ mỏ, kênh tưới tiêu hoặc các ao xử lý và ao nuôi. Một số ít các hệ thống như vậy tồn tại ở Pháp, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Vương quốc Anh, Singapore và Hoa Kỳ. Các hệ thống được cho là có lợi thế hơn quang điện trên đất liền. Chi phí đất đai đắt hơn, và có ít quy tắc và quy định cho các cấu trúc được xây dựng trên các cơ quan của nước không được sử dụng để giải trí. Không giống như hầu hết các nhà máy năng lượng mặt trời trên mặt đất, mảng nổi có thể không phô trương bởi vì chúng bị che khuất khỏi công chúng. Chúng đạt hiệu suất cao hơn so với tấm PV trên đất liền, vì nước làm mát các tấm. Các tấm có một lớp phủ đặc biệt để ngăn chặn rỉ sét hoặc ăn mòn. Vào tháng 5 năm 2008, Far Niente Winery ở Oakville, California, đã đi tiên phong trong hệ thống floatovoltaic đầu tiên trên thế giới bằng cách lắp đặt 994 mô-đun năng lượng mặt trời với tổng công suất 477 kW lên 130 pontoons và thả chúng vào ao tưới của nhà máy rượu. Trang trại PV nổi quy mô hữu ích đang bắt đầu được xây dựng. Kyocera sẽ phát triển trang trại lớn nhất thế giới, một trang trại 13,4 MW trên hồ chứa trên đập Yamakura ở tỉnh Chiba sử dụng 50.000 tấm pin mặt trời. Các trang trại nổi chống mặn cũng đang được xây dựng để sử dụng đại dương. Dự án phao nổi lớn nhất từ trước tới nay là một nhà máy điện 350 MW ở khu vực Amazon của Brazil.
Bơm nhiệt năng lượng mặt trời
Một bơm nhiệt là một thiết bị cung cấp năng lượng nhiệt từ một nguồn nhiệt đến một điểm gọi là "tản nhiệt". Máy bơm nhiệt được thiết kế để di chuyển năng lượng nhiệt đối diện với hướng của dòng nhiệt tự phát bằng cách hấp thụ nhiệt từ một không gian lạnh và thả nó ra một cái nóng hơn. Một máy bơm nhiệt hỗ trợ năng lượng mặt trời đại diện cho sự tích hợp của một tấm nhiệt năng lượng mặt trời và nhiệt trong một hệ thống tích hợp duy nhất. Thông thường hai công nghệ này được sử dụng riêng biệt (hoặc chỉ đặt chúng song song) để sản xuất nước nóng. [179] Trong hệ thống này, bảng điều khiển nhiệt mặt trời thực hiện chức năng của nguồn nhiệt nhiệt độ thấp và nhiệt được tạo ra được sử dụng để nạp thiết bị bay hơi của máy bơm nhiệt. [180] Mục tiêu của hệ thống này là để có được COP cao và sau đó sản xuất năng lượng một cách hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn.
Có thể sử dụng bất kỳ loại bảng điều khiển nhiệt mặt trời (tấm và ống, cuộn trái phiếu, ống dẫn nhiệt, tấm nhiệt) hoặc lai (mono / đa tinh thể, màng mỏng) kết hợp với bơm nhiệt. Việc sử dụng bảng lai thích hợp hơn vì nó cho phép bao phủ một phần nhu cầu điện của bơm nhiệt và giảm tiêu thụ năng lượng và do đó chi phí biến đổi của hệ thống.
Quang hợp nhân tạo
Việc quang hợp nhân tạo sử dụng các kỹ thuật bao gồm công nghệ nano để lưu trữ năng lượng điện từ mặt trời trong các liên kết hóa học bằng cách tách nước thành hydro và sau đó sử dụng carbon dioxide để tạo ra metanol. [181] Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đang cố gắng thiết kế mô phỏng quang hợp phân tử sử dụng một vùng rộng lớn hơn của quang phổ mặt trời, sử dụng các hệ thống xúc tác làm từ vật liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ sửa chữa, không độc hại, ổn định trong nhiều điều kiện môi trường và thực hiện hiệu quả hơn cho phép một tỷ lệ lớn hơn của năng lượng photon kết thúc trong các hợp chất lưu trữ, ví dụ, carbohydrate (chứ không phải là xây dựng và duy trì các tế bào sống). Tuy nhiên, nghiên cứu nổi bật phải đối mặt với rào cản, Sun Catalytix một spin-off MIT ngừng mở rộng quy mô tế bào nhiên liệu của họ trong năm 2012, bởi vì nó cung cấp ít tiết kiệm hơn các cách khác để làm cho hydro từ ánh sáng mặt trời.
Nhiên liệu tảo
Sản xuất nhiên liệu lỏng từ các loại tảo giàu dầu là một đề tài nghiên cứu đang diễn ra. Nhiều loại vi tảo được trồng trong các hệ thống mở hoặc kín đang được thử nghiệm bao gồm một số hệ thống có thể được thiết lập ở vùng đất nâu và sa mạc.
Máy bay năng lượng mặt trời
In 2016, Solar Impulse 2 was the first solar-powered aircraft to complete a circumnavigation of the world.
Một chiếc máy bay điện là một chiếc máy bay chạy trên động cơ điện chứ không phải là động cơ đốt trong, với điện đến từ các tế bào nhiên liệu, pin mặt trời, siêu tụ điện, chùm điện, hoặc pin.
Hiện nay, máy bay điện có người lái bay chủ yếu là những người biểu tình thử nghiệm, mặc dù nhiều xe máy không người lái nhỏ được trang bị pin. Máy bay mô hình chạy bằng điện đã được bay từ những năm 1970, với một báo cáo vào năm 1957. Chuyến bay chạy bằng điện đầu tiên do người đàn ông thực hiện được thực hiện vào năm 1973. Từ năm 2015–2016, một chiếc máy bay năng lượng mặt trời có người lái, Solar Impulse 2 đã hoàn thành chuyến đi vòng quanh của trái đất.
Tháp năng lượng mặt trời
Tháp năng lượng mặt trời là một nhà máy điện năng lượng tái tạo để sản xuất điện từ nhiệt mặt trời ở nhiệt độ thấp. Ánh nắng mặt trời làm nóng không khí bên dưới một cấu trúc thu lợp mái nhà rất rộng bao quanh cơ sở trung tâm của một tháp khói rất cao. Các đối lưu kết quả gây ra một không khí nóng updraft trong tháp bằng hiệu ứng ống khói. Luồng khí này đẩy các tuabin gió đặt trong ống khói hoặc xung quanh ống khói để tạo ra điện. Kế hoạch cho các phiên bản thu nhỏ của mô hình trình diễn sẽ cho phép tạo ra năng lượng đáng kể, và có thể cho phép phát triển các ứng dụng khác, chẳng hạn như chiết xuất nước hoặc chưng cất, và nông nghiệp hoặc làm vườn. Một phiên bản cao cấp hơn của một công nghệ theo chủ đề tương tự là động cơ Vortex nhằm thay thế các ống khói vật lý lớn với một xoáy không khí được tạo ra bởi một cấu trúc ngắn hơn, ít tốn kém hơn.
Năng lượng mặt trời dựa trên không gian
Đối với một trong hai hệ thống quang điện hoặc nhiệt, một lựa chọn là đặt chúng vào không gian, đặc biệt là quỹ đạo Geosynchronous. Để cạnh tranh với các hệ thống năng lượng mặt trời trên Trái đất, khối lượng riêng (kg / kW) nhân với chi phí cho khối lượng gác xép cộng với chi phí của các bộ phận cần phải là $ 2400 hoặc ít hơn. Tức là, với chi phí một phần cộng với rectenna là $ 1100 / kW, sản phẩm của $ / kg và kg / kW phải là $ 1300 / kW hoặc ít hơn. Như vậy với 6,5 kg / kW, chi phí vận chuyển không được vượt quá 200 USD / kg. Mặc dù điều đó sẽ yêu cầu giảm 100 đến 1, SpaceX đang nhắm mục tiêu giảm từ 10 đến 1, Công cụ phản ứng có thể giảm 100 đến một mức có thể.
Tranh luận
Sản xuất điện tái tạo, từ các nguồn như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, đôi khi bị chỉ trích vì biến đổi hoặc gián đoạn, nhưng không đúng với năng lượng mặt trời tập trung, địa nhiệt và nhiên liệu sinh học, có tính liên tục. Trong mọi trường hợp, Cơ quan Năng lượng Quốc tế đã tuyên bố rằng việc triển khai các công nghệ tái tạo thường làm tăng sự đa dạng của các nguồn điện và, thông qua thế hệ địa phương, góp phần vào tính linh hoạt của hệ thống và khả năng chống lại các cú sốc trung tâm.
Đã có những mối lo ngại "không ở sân sau của tôi" (NIMBY) liên quan đến các hình ảnh và các tác động khác của một số trang trại gió, với các cư dân địa phương đôi khi chiến đấu hoặc ngăn chặn việc xây dựng. [191] Tại Hoa Kỳ, dự án Massachusetts Cape Wind đã bị trì hoãn trong nhiều năm vì lý do thẩm mỹ. Tuy nhiên, cư dân ở các khu vực khác đã tích cực hơn. Theo một ủy viên hội đồng thành phố, đa số người dân địa phương tin rằng trang trại gió Ardrossan ở Scotland đã tăng cường diện tích.
Một tài liệu của Chính phủ Anh gần đây nói rằng "các dự án nói chung có nhiều khả năng thành công hơn nếu họ có sự hỗ trợ rộng rãi của cộng đồng và sự đồng ý của cộng đồng địa phương. Điều này có nghĩa là cho cộng đồng cả lời nói và cổ phần". Ở các nước như Đức và Đan Mạch, nhiều dự án tái tạo được sở hữu bởi các cộng đồng, đặc biệt là thông qua các cơ cấu hợp tác, và đóng góp đáng kể vào mức độ tổng thể của việc triển khai năng lượng tái tạo.
Thị trường công nghệ năng lượng tái tạo đã tiếp tục tăng trưởng. Những lo ngại về biến đổi khí hậu và tăng giá các công việc xanh, cùng với giá dầu cao, dầu đỉnh, cuộc chiến tranh dầu, sự cố tràn dầu, thúc đẩy các phương tiện điện và điện tái tạo, thảm họa hạt nhân và sự hỗ trợ của chính phủ ngày càng tăng, đang gia tăng luật năng lượng, ưu đãi và thương mại hóa năng lượng tái tạo. Chính phủ mới chi tiêu, quy định và chính sách đã giúp ngành công nghiệp thời tiết khủng hoảng kinh tế năm 2009 tốt hơn so với nhiều lĩnh vực khác.
Trong khi năng lượng tái tạo đã rất thành công trong sự đóng góp ngày càng tăng của họ đối với quyền lực điện thì không có quốc gia nào bị chi phối bởi các nhiên liệu hóa thạch, những người có kế hoạch dừng lại và nhận được quyền lực đó từ những người nổi loạn. Chỉ có Scotland và Ontario đã ngừng đốt than, phần lớn là do nguồn cung cấp khí tự nhiên tốt. Trong lĩnh vực giao thông, nhiên liệu hóa thạch thậm chí còn được cố thủ hơn và các giải pháp khó tìm hơn. Không rõ liệu có thất bại với chính sách hay năng lượng tái tạo hay không, nhưng hai mươi năm sau khi nhiên liệu hóa thạch của Nghị định thư Kyoto vẫn là nguồn năng lượng chính của chúng tôi và mức tiêu thụ tiếp tục tăng.
Tác động môi trường
Khả năng sinh khối và nhiên liệu sinh học góp phần giảm lượng khí thải CO2 bị giới hạn bởi vì cả sinh khối và nhiên liệu sinh học thải ra một lượng lớn ô nhiễm không khí khi đốt cháy và trong một số trường hợp cạnh tranh với nguồn cung cấp thực phẩm. Hơn nữa, sinh khối và nhiên liệu sinh học tiêu thụ một lượng lớn nước. Các nguồn tái tạo khác như năng lượng gió, quang điện và thuỷ điện có lợi thế là có thể tiết kiệm nước, giảm ô nhiễm và giảm lượng khí thải CO2.
English edition
Renewable energy is energy that is collected from renewable resources, which are naturally replenished on a human timescale, such as sunlight, wind, rain, tides, waves, and geothermal heat. Renewable energy often provides energy in four important areas: electricity generation, air and water heating/cooling, transportation, and rural (off-grid) energy services.
Based on REN21's 2016 report, renewables contributed 19.2% to humans' global energy consumption and 23.7% to their generation of electricity in 2014 and 2015, respectively. This energy consumption is divided as 8.9% coming from traditional biomass, 4.2% as heat energy (modern biomass, geothermal and solar heat), 3.9% hydro electricity and 2.2% is electricity from wind, solar, geothermal, and biomass. Worldwide investments in renewable technologies amounted to more than US$286 billion in 2015, with countries like Chinaand the United States heavily investing in wind, hydro, solar and biofuels. Globally, there are an estimated 7.7 million jobs associated with the renewable energy industries, with solar photovoltaics being the largest renewable employer. As of 2015 worldwide, more than half of all new electricity capacity installed was renewable.
Renewable energy resources exist over wide geographical areas, in contrast to other energy sources, which are concentrated in a limited number of countries. Rapid deployment of renewable energy and energy efficiency is resulting in significant energy security, climate change mitigation, and economic benefits. The results of a recent review of the literature concluded that as greenhouse gas (GHG) emitters begin to be held liable for damages resulting from GHG emissions resulting in climate change, a high value for liability mitigation would provide powerful incentives for deployment of renewable energy technologies. In international public opinion surveys there is strong support for promoting renewable sources such as solar power and wind power. At the national level, at least 30 nations around the world already have renewable energy contributing more than 20 percent of energy supply. National renewable energy markets are projected to continue to grow strongly in the coming decade and beyond. Some places and at least two countries, Iceland and Norway generate all their electricity using renewable energy already, and many other countries have the set a goal to reach 100% renewable energy in the future. For example, in Denmark the government decided to switch the total energy supply (electricity, mobility and heating/cooling) to 100% renewable energy by 2050.
While many renewable energy projects are large-scale, renewable technologies are also suited to rural and remote areas and developing countries, where energy is often crucial in human development. Former United Nations Secretary-General Ban Ki-moon has said that renewable energy has the ability to lift the poorest nations to new levels of prosperity. As most of renewables provide electricity, renewable energy deployment is often applied in conjunction with further electrification, which has several benefits: Electricity can be converted to heat (where necessary generating higher temperatures than fossil fuels), can be converted into mechanical energy with high efficiency and is clean at the point of consumption. In addition to that electrification with renewable energy is much more efficient and therefore leads to a significant reduction in primary energy requirements, because most renewables don't have a steam cycle with high losses (fossil power plants usually have losses of 40 to 65%).
Renewable energy systems are rapidly becoming more efficient and cheaper. Their share of total energy consumption is increasing. Growth in consumption of coal and oil could end by 2020 due to increased uptake of renewables and natural gas.
Overview
World energy consumption by source. Renewables accounted for 19% in 2012.
PlanetSolar, the world's largest solar-powered boat and the first ever solar electric vehicle to circumnavigate the globe (in 2012)
Renewable energy flows involve natural phenomena such as sunlight, wind, tides, plant growth, and geothermal heat, as the International Energy Agency explains:
Renewable energy is derived from natural processes that are replenished constantly. In its various forms, it derives directly from the sun, or from heat generated deep within the earth. Included in the definition is electricity and heat generated from solar, wind, ocean, hydropower, biomass, geothermal resources, and biofuels and hydrogen derived from renewable resources.
Renewable energy resources and significant opportunities for energy efficiency exist over wide geographical areas, in contrast to other energy sources, which are concentrated in a limited number of countries. Rapid deployment of renewable energy and energy efficiency, and technological diversification of energy sources, would result in significant energy security and economic benefits. It would also reduce environmental pollution such as air pollution caused by burning of fossil fuels and improve public health, reduce premature mortalities due to pollution and save associated health costs that amount to several hundred billion dollars annually only in the United States.[20] Renewable energy sources, that derive their energy from the sun, either directly or indirectly, such as hydro and wind, are expected to be capable of supplying humanity energy for almost another 1 billion years, at which point the predicted increase in heat from the sun is expected to make the surface of the earth too hot for liquid water to exist.
Climate change and global warming concerns, coupled with high oil prices, peak oil, and increasing government support, are driving increasing renewable energy legislation, incentives and commercialization. New government spending, regulation and policies helped the industry weather the global financial crisis better than many other sectors. According to a 2011 projection by the International Energy Agency, solar power generators may produce most of the world's electricity within 50 years, reducing the emissions of greenhouse gases that harm the environment.
As of 2011, small solar PV systems provide electricity to a few million households, and micro-hydro configured into mini-grids serves many more. Over 44 million households use biogas made in household-scale digesters for lighting and/or cooking, and more than 166 million households rely on a new generation of more-efficient biomass cookstoves. United Nations' Secretary-General Ban Ki-moon has said that renewable energy has the ability to lift the poorest nations to new levels of prosperity. At the national level, at least 30 nations around the world already have renewable energy contributing more than 20% of energy supply. National renewable energy markets are projected to continue to grow strongly in the coming decade and beyond, and some 120 countries have various policy targets for longer-term shares of renewable energy, including a 20% target of all electricity generated for the European Union by 2020. Some countries have much higher long-term policy targets of up to 100% renewables. Outside Europe, a diverse group of 20 or more other countries target renewable energy shares in the 2020–2030 time frame that range from 10% to 50%.
Renewable energy often displaces conventional fuels in four areas: electricity generation, hot water/space heating, transportation, and rural (off-grid) energy services:
Power generation
By 2040, renewable energy is projected to equal coal and natural gas electricity generation. Several jurisdictions, including Denmark, Germany, the state of South Australia and some US states have achieved high integration of variable renewables. For example, in 2015 wind power met 42% of electricity demand in Denmark, 23.2% in Portugal and 15.5% in Uruguay. Interconnectors enable countries to balance electricity systems by allowing the import and export of renewable energy. Innovative hybrid systems have emerged between countries and regions.
Heating
Solar water heating makes an important contribution to renewable heat in many countries, most notably in China, which now has 70% of the global total (180 GWth). Most of these systems are installed on multi-family apartment buildings and meet a portion of the hot water needs of an estimated 50–60 million households in China. Worldwide, total installed solar water heating systems meet a portion of the water heating needs of over 70 million households. The use of biomass for heating continues to grow as well. In Sweden, national use of biomass energy has surpassed that of oil. Direct geothermal for heating is also growing rapidly. The newest addition to Heating is from Geothermal Heat Pumps which provide both heating and cooling, and also flatten the electric demand curve and are thus an increasing national priority (see also Renewable thermal energy).
Transportation
Bioethanol is an alcohol made by fermentation, mostly from carbohydrates produced in sugar or starch crops such as corn, sugarcane, or sweet sorghum. Cellulosic biomass, derived from non-food sources such as trees and grasses is also being developed as a feedstock for ethanol production. Ethanol can be used as a fuel for vehicles in its pure form, but it is usually used as a gasoline additive to increase octane and improve vehicle emissions. Bioethanol is widely used in the USA and in Brazil. Biodiesel can be used as a fuel for vehicles in its pure form, but it is usually used as a diesel additive to reduce levels of particulates, carbon monoxide, and hydrocarbons from diesel-powered vehicles. Biodiesel is produced from oils or fats using transesterification and is the most common biofuel in Europe.
A solar vehicle is an electric vehicle powered completely or significantly by direct solar energy. Usually, photovoltaic (PV) cells contained in solar panels convert the sun's energy directly into electric energy. The term "solar vehicle" usually implies that solar energy is used to power all or part of a vehicle's propulsion. Solar power may be also used to provide power for communications or controls or other auxiliary functions. Solar vehicles are not sold as practical day-to-day transportation devices at present, but are primarily demonstration vehicles and engineering exercises, often sponsored by government agencies. However, indirectly solar-charged vehicles are widespread and solar boats are available commercially.
History
Prior to the development of coal in the mid 19th century, nearly all energy used was renewable. Almost without a doubt the oldest known use of renewable energy, in the form of traditional biomass to fuel fires, dates from 790,000 years ago. Use of biomass for fire did not become commonplace until many hundreds of thousands of years later, sometime between 200,000 and 400,000 years ago. Probably the second oldest usage of renewable energy is harnessing the wind in order to drive ships over water. This practice can be traced back some 7000 years, to ships in the Persian Gulf and on the Nile. Moving into the time of recorded history, the primary sources of traditional renewable energy were human labor, animal power, water power, wind, in grain crushing windmills, and firewood, a traditional biomass. A graph of energy use in the United States up until 1900 shows oil and natural gas with about the same importance in 1900 as wind and solar played in 2010.
In the 1860s and '70s there were already fears that civilization would run out of fossil fuels and the need was felt for a better source. In 1873 Professor Augustin Mouchot wrote:
The time will arrive when the industry of Europe will cease to find those natural resources, so necessary for it. Petroleum springs and coal mines are not inexhaustible but are rapidly diminishing in many places. Will man, then, return to the power of water and wind? Or will he emigrate where the most powerful source of heat sends its rays to all? History will show what will come.
In 1885, Werner von Siemens, commenting on the discovery of the photovoltaic effect in the solid state, wrote:
In conclusion, I would say that however great the scientific importance of this discovery may be, its practical value will be no less obvious when we reflect that the supply of solar energy is both without limit and without cost, and that it will continue to pour down upon us for countless ages after all the coal deposits of the earth have been exhausted and forgotten.
Max Weber mentioned the end of fossil fuel in the concluding paragraphs of his Die protestantische Ethik und der Geist des Kapitalismus, published in 1905.
Development of solar engines continued until the outbreak of World War I. The importance of solar energy was recognized in a 1911 Scientific American article: "in the far distant future, natural fuels having been exhausted [solar power] will remain as the only means of existence of the human race".
The theory of peak oil was published in 1956. In the 1970s environmentalists promoted the development of renewable energy both as a replacement for the eventual depletion of oil, as well as for an escape from dependence on oil, and the first electricity generating wind turbines appeared. Solar had long been used for heating and cooling, but solar panels were too costly to build solar farms until 1980.
The IEA 2014 World Energy Outlook projects a growth of renewable energy supply from 1,700 gigawatts in 2014 to 4,550 gigawatts in 2040. Fossil fuels received about $550 billion in subsidies in 2013, compared to $120 billion for all renewable energies.
Mainstream technologies
Wind power
Airflows can be used to run wind turbines. Modern utility-scale wind turbines range from around 600 kW to 5 MW of rated power, although turbines with rated output of 1.5–3 MW have become the most common for commercial use. The largest generator capacity of a single installed onshore wind turbine reached 7.5 MW in 2015. The power available from the wind is a function of the cube of the wind speed, so as wind speed increases, power output increases up to the maximum output for the particular turbine. Areas where winds are stronger and more constant, such as offshore and high altitude sites, are preferred locations for wind farms. Typically full load hours of wind turbines vary between 16 and 57 percent annually, but might be higher in particularly favorable offshore sites.
Wind-generated electricity met nearly 4% of global electricity demand in 2015, with nearly 63 GW of new wind power capacity installed. Wind energy was the leading source of new capacity in Europe, the US and Canada, and the second largest in China. In Denmark, wind energy met more than 40% of its electricity demand while Ireland, Portugal and Spain each met nearly 20%.
Globally, the long-term technical potential of wind energy is believed to be five times total current global energy production, or 40 times current electricity demand, assuming all practical barriers needed were overcome. This would require wind turbines to be installed over large areas, particularly in areas of higher wind resources, such as offshore. As offshore wind speeds average ~90% greater than that of land, so offshore resources can contribute substantially more energy than land stationed turbines. In 2014 global wind generation was 706 terawatt-hours or 3% of the worlds total electricity.
Hydropower
In 2015 hydropower generated 16.6% of the worlds total electricity and 70% of all renewable electricity.[45] Since water is about 800 times denser than air, even a slow flowing stream of water, or moderate sea swell, can yield considerable amounts of energy. There are many forms of water energy:
Historically hydroelectric power came from constructing large hydroelectric dams and reservoirs, which are still popular in third world countries. The largest of which is the Three Gorges Dam(2003) in China and the Itaipu Dam(1984) built by Brazil and Paraguay.
Small hydro systems are hydroelectric power installations that typically produce up to 50 MW of power. They are often used on small rivers or as a low impact development on larger rivers. China is the largest producer of hydroelectricity in the world and has more than 45,000 small hydro installations.
Run-of-the-river hydroelectricity plants derive kinetic energy from rivers without the creation of a large reservoir. This style of generation may still produce a large amount of electricity, such as the Chief Joseph Dam on the Columbia river in the United States.
Hydropower is produced in 150 countries, with the Asia-Pacific region generating 32 percent of global hydropower in 2010. For countries having the largest percentage of electricity from renewables, the top 50 are primarily hydroelectric. China is the largest hydroelectricity producer, with 721 terawatt-hours of production in 2010, representing around 17 percent of domestic electricity use. There are now three hydroelectricity stations larger than 10 GW: the Three Gorges Dam in China, Itaipu Dam across the Brazil/Paraguay border, and Guri Dam in Venezuela.
Wave power, which captures the energy of ocean surface waves, and tidal power, converting the energy of tides, are two forms of hydropower with future potential; however, they are not yet widely employed commercially. A demonstration project operated by the Ocean Renewable Power Company on the coast of Maine, and connected to the grid, harnesses tidal power from the Bay of Fundy, location of world's highest tidal flow. Ocean thermal energy conversion, which uses the temperature difference between cooler deep and warmer surface waters, has currently no economic feasibility.
Solar energy
Solar energy, radiant light and heat from the sun, is harnessed using a range of ever-evolving technologies such as solar heating, photovoltaics, concentrated solar power (CSP), concentrator photovoltaics (CPV), solar architecture and artificial photosynthesis.[48][49] Solar technologies are broadly characterized as either passive solar or active solar depending on the way they capture, convert and distribute solar energy. Passive solar techniques include orienting a building to the Sun, selecting materials with favorable thermal mass or light dispersing properties, and designing spaces that naturally circulate air. Active solar technologies encompass solar thermal energy, using solar collectorsfor heating, and solar power, converting sunlight into electricity either directly using photovoltaics (PV), or indirectly using concentrated solar power (CSP).
A photovoltaic system converts light into electrical direct current (DC) by taking advantage of the photoelectric effect. Solar PV has turned into a multi-billion, fast-growing industry, continues to improve its cost-effectiveness, and has the most potential of any renewable technologies together with CSP. Concentrated solar power (CSP) systems use lenses or mirrors and tracking systems to focus a large area of sunlight into a small beam. Commercial concentrated solar power plants were first developed in the 1980s. CSP-Stirling has by far the highest efficiency among all solar energy technologies.
In 2011, the International Energy Agency said that "the development of affordable, inexhaustible and clean solar energy technologies will have huge longer-term benefits. It will increase countries' energy security through reliance on an indigenous, inexhaustible and mostly import-independent resource, enhance sustainability, reduce pollution, lower the costs of mitigating climate change, and keep fossil fuelprices lower than otherwise. These advantages are global. Hence the additional costs of the incentives for early deployment should be considered learning investments; they must be wisely spent and need to be widely shared".[48] Italy has the largest proportion of solar electricity in the world, in 2015 solar supplied 7.8% of electricity demand in Italy. In 2016, after another year of rapid growth, solar generated 1.3% of global power.
Geothermal energy
High Temperature Geothermal energy is from thermal energy generated and stored in the Earth. Thermal energy is the energy that determines the temperature of matter. Earth's geothermal energy originates from the original formation of the planet and from radioactive decay of minerals (in currently uncertain but possibly roughly equal[56] proportions). The geothermal gradient, which is the difference in temperature between the core of the planet and its surface, drives a continuous conduction of thermal energy in the form of heat from the core to the surface. The adjective geothermal originates from the Greek roots geo, meaning earth, and thermos, meaning heat.
The heat that is used for geothermal energy can be from deep within the Earth, all the way down to Earth's core – 4,000 miles (6,400 km) down. At the core, temperatures may reach over 9,000 °F (5,000 °C). Heat conducts from the core to surrounding rock. Extremely high temperature and pressure cause some rock to melt, which is commonly known as magma. Magma convects upward since it is lighter than the solid rock. This magma then heats rock and water in the crust, sometimes up to 700 °F (371 °C).
From hot springs, geothermal energy has been used for bathing since Paleolithic times and for space heating since ancient Roman times, but it is now better known for electricity generation.
Low Temperature Geothermal refers to the use of the outer crust of the earth as a Thermal Battery to facilitate Renewable thermal energy for heating and cooling buildings, and other refrigeration and industrial uses. In this form of Geothermal, a Geothermal Heat Pump and Ground-coupled heat exchanger are used together to move heat energy into the earth (for cooling) and out of the earth (for heating) on a varying seasonal basis. Low temperature Geothermal (generally referred to as "GHP") is an increasingly important renewable technology because it both reduces total annual energy loads associated with heating and cooling, and it also flattens the electric demand curve eliminating the extreme summer and winter peak electric supply requirements. Thus Low Temperature Geothermal/GHP is becoming an increasing national priority with multiple tax credit support and focus as part of the ongoing movement toward Net Zero Energy. New York City has even just passed a law to require GHP anytime is shown to be economical with 20 year financing including the Socialized Cost of Carbon.
Bio energy
Biomass is biological material derived from living, or recently living organisms. It most often refers to plants or plant-derived materials which are specifically called lignocellulosic biomass. As an energy source, biomass can either be used directly via combustion to produce heat, or indirectly after converting it to various forms of biofuel. Conversion of biomass to biofuel can be achieved by different methods which are broadly classified into: thermal, chemical, and biochemical methods. Wood remains the largest biomass energy source today; examples include forest residues – such as dead trees, branches and tree stumps –, yard clippings, wood chips and even municipal solid waste. In the second sense, biomass includes plant or animal matter that can be converted into fibers or other industrial chemicals, including biofuels. Industrial biomass can be grown from numerous types of plants, including miscanthus, switchgrass, hemp, corn, poplar, willow, sorghum, sugarcane, bamboo, and a variety of tree species, ranging from eucalyptus to oil palm (palm oil).
Plant energy is produced by crops specifically grown for use as fuel that offer high biomass output per hectare with low input energy. Some examples of these plants are wheat, which typically yield 7.5–8 tonnes of grain per hectare, and straw, which typically yield 3.5–5 tonnes per hectare in the UK. The grain can be used for liquid transportation fuels while the straw can be burned to produce heat or electricity. Plant biomass can also be degraded from cellulose to glucose through a series of chemical treatments, and the resulting sugar can then be used as a first generation biofuel.
Biomass can be converted to other usable forms of energy like methane gas or transportation fuels like ethanol and biodiesel. Rotting garbage, and agricultural and human waste, all release methane gas – also called landfill gas or biogas. Crops, such as corn and sugarcane, can be fermented to produce the transportation fuel, ethanol. Biodiesel, another transportation fuel, can be produced from left-over food products like vegetable oils and animal fats. Also, biomass to liquids (BTLs) and cellulosic ethanol are still under research. There is a great deal of research involving algal fuel or algae-derived biomass due to the fact that it's a non-food resource and can be produced at rates 5 to 10 times those of other types of land-based agriculture, such as corn and soy. Once harvested, it can be fermented to produce biofuels such as ethanol, butanol, and methane, as well as biodiesel and hydrogen. The biomass used for electricity generation varies by region. Forest by-products, such as wood residues, are common in the United States. Agricultural waste is common in Mauritius (sugar cane residue) and Southeast Asia (rice husks). Animal husbandry residues, such as poultry litter, are common in the United Kingdom.
Biofuels include a wide range of fuels which are derived from biomass. The term covers solid, liquid, and gaseous fuels. Liquid biofuels include bioalcohols, such as bioethanol, and oils, such as biodiesel. Gaseous biofuels include biogas, landfill gas and synthetic gas. Bioethanol is an alcohol made by fermenting the sugar components of plant materials and it is made mostly from sugar and starch crops. These include maize, sugarcane and, more recently, sweet sorghum. The latter crop is particularly suitable for growing in dryland conditions, and is being investigated by International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics for its potential to provide fuel, along with food and animal feed, in arid parts of Asia and Africa.
With advanced technology being developed, cellulosic biomass, such as trees and grasses, are also used as feedstocks for ethanol production. Ethanol can be used as a fuel for vehicles in its pure form, but it is usually used as a gasoline additive to increase octane and improve vehicle emissions. Bioethanol is widely used in the United States and in Brazil. The energy costs for producing bio-ethanol are almost equal to, the energy yields from bio-ethanol. However, according to the European Environment Agency, biofuels do not address global warming concerns. Biodiesel is made from vegetable oils, animal fats or recycled greases. It can be used as a fuel for vehicles in its pure form, or more commonly as a diesel additive to reduce levels of particulates, carbon monoxide, and hydrocarbons from diesel-powered vehicles. Biodiesel is produced from oils or fats using transesterificationand is the most common biofuel in Europe. Biofuels provided 2.7% of the world's transport fuel in 2010.
Biomass, biogas and biofuels are burned to produce heat/power and in doing so harm the environment. Pollutants such as sulphurous oxides (SOx), nitrous oxides (NOx), and particulate matter (PM) are produced from the combustion of biomass; the World Health Organisation estimates that 7 million premature deaths are caused each year by air pollution.[76] Biomass combustion is a major contributor.
Energy storage
Energy storage is a collection of methods used to store electrical energy on an electrical power grid, or off it. Electrical energy is stored during times when production (especially from intermittent power plants such as renewable electricity sources such as wind power, tidal power, solar power) exceeds consumption, and returned to the grid when production falls below consumption. Pumped-storage hydroelectricity is used for more than 90% of all grid power storage. Costs of lithium ion batteries are dropping rapidly, and are increasingly being deployed as fast acting sources of grid power (i.e. operating reserve) and for domestic storage.
Market and industry trends
Renewable power has been more effective in creating jobs than coal or oil in the United States.
Growth of renewables
From the end of 2004, worldwide renewable energy capacity grew at rates of 10–60% annually for many technologies. In 2015 global investment in renewables rose 5% to $285.9 billion, breaking the previous record of $278.5 billion in 2011. 2015 was also the first year that saw renewables, excluding large hydro, account for the majority of all new power capacity (134 GW, making up 53.6% of the total). Of the renewables total, wind accounted for 72 GW and solar photovoltaics 56 GW; both record-breaking numbers and sharply up from 2014 figures (49 GW and 45 GW respectively). In financial terms, solar made up 56% of total new investment and wind accounted for 38%.
Projections vary. The EIA has predicted that almost two thirds of net additions to power capacity will come from renewables by 2020 due to the combined policy benefits of local pollution, decarbonisation and energy diversification. Some studies have set out roadmaps to power 100% of the world’s energy with wind, hydroelectric and solar by the year 2030.
According to a 2011 projection by the International Energy Agency, solar power generators may produce most of the world's electricity within 50 years, reducing the emissions of greenhouse gases that harm the environment. Cedric Philibert, senior analyst in the renewable energy division at the IEA said: "Photovoltaic and solar-thermal plants may meet most of the world's demand for electricity by 2060 – and half of all energy needs – with wind, hydropower and biomass plants supplying much of the remaining generation". "Photovoltaic and concentrated solar power together can become the major source of electricity", Philibert said.
In 2014 global wind power capacity expanded 16% to 369,553 MW. Yearly wind energy production is also growing rapidly and has reached around 4% of worldwide electricity usage, 11.4% in the EU,[84] and it is widely used in Asia, and the United States. In 2015, worldwide installed photovoltaics capacity increased to 227 gigawatts (GW), sufficient to supply 1 percent of global electricity demands.Solar thermal energy stations operate in the United States and Spain, and as of 2016, the largest of these is the 392 MW Ivanpah Solar Electric Generating System in California. The world's largest geothermal power installation is The Geysers in California, with a rated capacity of 750 MW. Brazil has one of the largest renewable energy programs in the world, involving production of ethanol fuel from sugar cane, and ethanol now provides 18% of the country's automotive fuel. Ethanol fuel is also widely available in the United States.
| Selected renewable energy global indicators |
2008 |
2009 |
2010 |
2011 |
2012 |
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
| Investment in new renewable capacity (annual) (109 USD) |
182 |
178 |
237 |
279 |
256 |
232 |
270 |
285 |
241 |
| Renewables power capacity (existing) (GWe) |
1,140 |
1,230 |
1,320 |
1,360 |
1,470 |
1,578 |
1,712 |
1,849 |
2,017 |
| Hydropower capacity (existing) (GWe) |
885 |
915 |
945 |
970 |
990 |
1,018 |
1,055 |
1,064 |
1,096 |
| Wind power capacity (existing) (GWe) |
121 |
159 |
198 |
238 |
283 |
319 |
370 |
433 |
487 |
| Solar PV capacity (grid-connected) (GWe) |
16 |
23 |
40 |
70 |
100 |
138 |
177 |
227 |
303 |
| Solar hot water capacity (existing) (GWth) |
130 |
160 |
185 |
232 |
255 |
373 |
406 |
435 |
456 |
| Ethanol production (annual) (109 litres) |
67 |
76 |
86 |
86 |
83 |
87 |
94 |
98 |
98.6 |
| Biodiesel production (annual) (109 litres) |
12 |
17.8 |
18.5 |
21.4 |
22.5 |
26 |
29.7 |
30 |
30.8 |
Countries with policy targets
for renewable energy use |
79 |
89 |
98 |
118 |
138 |
144 |
164 |
173 |
176 |
| Source: The Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21)–Global Status Report |
As of 2018, American electric utility companies are planning new or extra renewable energy investments. These investments are particularly aimed at solar energy, thanks to the Tax Cuts and Jobs Act of 2017 being signed into law. The law retained incentives for renewable energy development. Utility companies are taking advantage of the federal solar investment tax credit before it permanently goes down to 10% after 2021. According to the March 28 S&P Global Market Intelligence report summary, "NextEra Energy Inc., Duke Energy Corp., and Dominion Energy Inc.’s utilities are among a number of companies in the sector contemplating significant solar investments in the near-term. Other companies, including Xcel Energy Inc. and Alliant Energy Corp., are undertaking large wind projects in the near-term, but are considering ramping up solar investments in the coming years."
Economic trends
Renewable energy technologies are getting cheaper, through technological change and through the benefits of mass production and market competition. A 2011 IEA report said: "A portfolio of renewable energy technologies is becoming cost-competitive in an increasingly broad range of circumstances, in some cases providing investment opportunities without the need for specific economic support," and added that "cost reductions in critical technologies, such as wind and solar, are set to continue."
Hydro-electricity and geothermal electricity produced at favourable sites are now the cheapest way to generate electricity. Renewable energy costs continue to drop, and the levelised cost of electricity (LCOE) is declining for wind power, solar photovoltaic (PV), concentrated solar power (CSP) and some biomass technologies. Renewable energy is also the most economic solution for new grid-connected capacity in areas with good resources. As the cost of renewable power falls, the scope of economically viable applications increases. Renewable technologies are now often the most economic solution for new generating capacity. Where "oil-fired generation is the predominant power generation source (e.g. on islands, off-grid and in some countries) a lower-cost renewable solution almost always exists today". A series of studies by the US National Renewable Energy Laboratorymodeled the "grid in the Western US under a number of different scenarios where intermittent renewables accounted for 33 percent of the total power." In the models, inefficiencies in cycling the fossil fuel plants to compensate for the variation in solar and wind energy resulted in an additional cost of "between $0.47 and $1.28 to each MegaWatt hour generated"; however, the savings in the cost of the fuels saved "adds up to $7 billion, meaning the added costs are, at most, two percent of the savings."
Hydroelectricity
Only a quarter of the worlds estimated hydroelectric potential of 14,000 TWh/year has been developed, the regional potentials for the growth of hydropower around the world are, 71% Europe, 75% North America, 79% South America, 95% Africa, 95% Middle East, 82% Asia Pacific. However, the political realities of new reservoirs in western countries, economic limitations in the third world and the lack of a transmission system in undeveloped areas, result in the possibility of developing 25% of the remaining potential before 2050, with the bulk of that being in the Asia Pacific area. There is slow growth taking place in Western counties, but not in the conventional dam and reservoir style of the past. New projects take the form of run-of-the-river and small hydro, neither using large reservoirs. It is popular to repower old dams thereby increasing their efficiency and capacity as well as quicker responsiveness on the grid. Where circumstances permit existing dams like the Russell Dam built in 1985 may be updated with "pump back" facilities for pumped-storagewhich is useful for peak loads or to support intermittent wind and solar power. Countries with large hydroelectric developments like Canada and Norway are spending billions to expand their grids to trade with neighboring countries having limited hydro.
Wind power development
Wind power is widely used in Europe, China, and the United States. From 2004 to 2014, worldwide installed capacity of wind power has been growing from 47 GW to 369 GW—a more than sevenfold increase within 10 years with 2014 breaking a new record in global installations (51 GW). As of the end of 2014, China, the United States and Germany combined accounted for half of total global capacity. Several other countries have achieved relatively high levels of wind power penetration, such as 21% of stationary electricity production in Denmark, 18% in Portugal, 16% in Spain, and 14% in Ireland in 2010 and have since continued to expand their installed capacity. More than 80 countries around the world are using wind power on a commercial basis.
Offshore wind power
As of 2014, offshore wind power amounted to 8,771 megawatt of global installed capacity. Although offshore capacity doubled within three years (from 4,117 MW in 2011), it accounted for only 2.3% of the total wind power capacity. The United Kingdom is the undisputed leader of offshore power with half of the world's installed capacity ahead of Denmark, Germany, Belgium and China.
List of offshore and onshore wind farms
As of 2012, the Alta Wind Energy Center (California, 1,020 MW) is the world's largest wind farm.[106] The London Array (630 MW) is the largest offshore wind farm in the world. The United Kingdom is the world's leading generator of offshore wind power, followed by Denmark. There are several large offshore wind farms operational and under construction and these include Anholt (400 MW), BARD (400 MW), Clyde (548 MW), Fântânele-Cogealac (600 MW), Greater Gabbard (500 MW), Lincs (270 MW), London Array (630 MW), Lower Snake River (343 MW), Macarthur (420 MW), Shepherds Flat (845 MW), and the Sheringham Shoal (317 MW).
Solar thermal
The United States conducted much early research in photovoltaics and concentrated solar power. The U.S. is among the top countries in the world in electricity generated by the Sun and several of the world's largest utility-scale installations are located in the desert Southwest.
The oldest solar thermal power plant in the world is the 354 megawatt (MW) SEGS thermal power plant, in California. The Ivanpah Solar Electric Generating System is a solar thermal power project in the California Mojave Desert, 40 miles (64 km) southwest of Las Vegas, with a gross capacity of 377 MW. The 280 MW Solana Generating Station is a solar power plant near Gila Bend, Arizona, about 70 miles (110 km) southwest of Phoenix, completed in 2013. When commissioned it was the largest parabolic trough plant in the world and the first U.S. solar plant with molten salt thermal energy storage.
The solar thermal power industry is growing rapidly with 1.3 GW under construction in 2012 and more planned. Spain is the epicenter of solar thermal power development with 873 MW under construction, and a further 271 MW under development. In the United States, 5,600 MW of solar thermal power projects have been announced. Several power plants have been constructed in the Mojave Desert, Southwestern United States. The Ivanpah Solar Power Facility being the most recent. In developing countries, three World Bank projects for integrated solar thermal/combined-cycle gas-turbine power plants in Egypt, Mexico, and Morocco have been approved.
Photovoltaic development
Photovoltaics (PV) uses solar cells assembled into solar panels to convert sunlight into electricity. It's a fast-growing technology doubling its worldwide installed capacity every couple of years. PV systems range from small, residential and commercial rooftop or building integrated installations, to large utility-scale photovoltaic power station. The predominant PV technology is crystalline silicon, while thin-film solar cell technology accounts for about 10 percent of global photovoltaic deployment. In recent years, PV technology has improved its electricity generating efficiency, reduced the installation cost per watt as well as its energy payback time, and has reached grid parity in at least 30 different markets by 2014. Financial institutions are predicting a second solar "gold rush" in the near future.
At the end of 2014, worldwide PV capacity reached at least 177,000 megawatts. Photovoltaics grew fastest in China, followed by Japan and the United States, while Germany remains the world's largest overall producer of photovoltaic power, contributing about 7.0 percent to the overall electricity generation. Italy meets 7.9 percent of its electricity demands with photovoltaic power—the highest share worldwide. For 2015, global cumulative capacity is forecasted to increase by more than 50 gigawatts (GW). By 2018, worldwide capacity is projected to reach as much as 430 gigawatts. This corresponds to a tripling within five years. Solar power is forecasted to become the world's largest source of electricity by 2050, with solar photovoltaics and concentrated solar power contributing 16% and 11%, respectively. This requires an increase of installed PV capacity to 4,600 GW, of which more than half is expected to be deployed in China and India.
Photovoltaic power stations
Commercial concentrated solar power plants were first developed in the 1980s. As the cost of solar electricity has fallen, the number of grid-connected solar PV systems has grown into the millions and utility-scale solar power stations with hundreds of megawatts are being built. Solar PV is rapidly becoming an inexpensive, low-carbon technology to harness renewable energy from the Sun.
Many solar photovoltaic power stations have been built, mainly in Europe, China and the United States. The 579 MW Solar Star, in the United States, is the world's largest PV power station.
Many of these plants are integrated with agriculture and some use tracking systems that follow the sun's daily path across the sky to generate more electricity than fixed-mounted systems. There are no fuel costs or emissions during operation of the power stations.
However, when it comes to renewable energy systems and PV, it is not just large systems that matter. Building-integrated photovoltaics or "onsite" PV systems use existing land and structures and generate power close to where it is consumed.
Biofuel development
Biofuels provided 3% of the world's transport fuel in 2010. Mandates for blending biofuels exist in 31 countries at the national level and in 29 states/provinces. According to the International Energy Agency, biofuels have the potential to meet more than a quarter of world demand for transportation fuels by 2050.
Since the 1970s, Brazil has had an ethanol fuel program which has allowed the country to become the world's second largest producer of ethanol (after the United States) and the world's largest exporter. Brazil's ethanol fuel program uses modern equipment and cheap sugarcane as feedstock, and the residual cane-waste (bagasse) is used to produce heat and power. There are no longer light vehicles in Brazil running on pure gasoline. By the end of 2008 there were 35,000 filling stations throughout Brazil with at least one ethanol pump. Unfortunately, Operation Car Wash has seriously eroded public trust in oil companies and has implicated several high ranking Brazilian officials.
Nearly all the gasoline sold in the United States today is mixed with 10% ethanol, and motor vehicle manufacturers already produce vehicles designed to run on much higher ethanol blends. Ford, Daimler AG, and GM are among the automobile companies that sell "flexible-fuel" cars, trucks, and minivans that can use gasoline and ethanol blends ranging from pure gasoline up to 85% ethanol. By mid-2006, there were approximately 6 million ethanol compatible vehicles on U.S. roads.
Geothermal development
Geothermal power is cost effective, reliable, sustainable, and environmentally friendly, but has historically been limited to areas near tectonic plate boundaries. Recent technological advances have expanded the range and size of viable resources, especially for applications such as home heating, opening a potential for widespread exploitation. Geothermal wells release greenhouse gases trapped deep within the earth, but these emissions are much lower per energy unit than those of fossil fuels. As a result, geothermal power has the potential to help mitigate global warming if widely deployed in place of fossil fuels.
The International Geothermal Association (IGA) has reported that 10,715 MW of geothermal power in 24 countries is online, which is expected to generate 67,246 GWh of electricity in 2010.[130] This represents a 20% increase in geothermal power online capacity since 2005. IGA projects this will grow to 18,500 MW by 2015, due to the large number of projects presently under consideration, often in areas previously assumed to have little exploitable resource.
In 2010, the United States led the world in geothermal electricity production with 3,086 MW of installed capacity from 77 power plants; the largest group of geothermal power plants in the world is located at The Geysers, a geothermal field in California. The Philippines follows the US as the second highest producer of geothermal power in the world, with 1,904 MW of capacity online; geothermal power makes up approximately 18% of the country's electricity generation.
Developing countries
Renewable energy technology has sometimes been seen as a costly luxury item by critics, and affordable only in the affluent developed world. This erroneous view has persisted for many years, but 2015 was the first year when investment in non-hydro renewables, was higher in developing countries, with $156 billion invested, mainly in China, India, and Brazil.
Renewable energy can be particularly suitable for developing countries. In rural and remote areas, transmission and distribution of energy generated from fossil fuels can be difficult and expensive. Producing renewable energy locally can offer a viable alternative.
Technology advances are opening up a huge new market for solar power: the approximately 1.3 billion people around the world who don't have access to grid electricity. Even though they are typically very poor, these people have to pay far more for lighting than people in rich countries because they use inefficient kerosene lamps. Solar power costs half as much as lighting with kerosene. As of 2010, an estimated 3 million households get power from small solar PV systems. Kenya is the world leader in the number of solar power systems installed per capita. More than 30,000 very small solar panels, each producing 12 to 30 watts, are sold in Kenya annually. Some Small Island Developing States (SIDS) are also turning to solar power to reduce their costs and increase their sustainability.
Micro-hydro configured into mini-grids also provide power. Over 44 million households use biogas made in household-scale digesters for lighting and/or cooking, and more than 166 million households rely on a new generation of more-efficient biomass cookstoves. Clean liquid fuel sourced from renewable feedstocks are used for cooking and lighting in energy-poor areas of the developing world. Alcohol fuels (ethanol and methanol) can be produced sustainably from non-food sugary, starchy, and cellulostic feedstocks. Project Gaia, Inc. and CleanStar Mozambique are implementing clean cooking programs with liquid ethanol stoves in Ethiopia, Kenya, Nigeria and Mozambique.
Renewable energy projects in many developing countries have demonstrated that renewable energy can directly contribute to poverty reduction by providing the energy needed for creating businesses and employment. Renewable energy technologies can also make indirect contributions to alleviating poverty by providing energy for cooking, space heating, and lighting. Renewable energy can also contribute to education, by providing electricity to schools.
Industry and policy trends
U.S. President Barack Obama's American Recovery and Reinvestment Act of 2009 includes more than $70 billion in direct spending and tax credits for clean energy and associated transportation programs. Leading renewable energy companies include First Solar, Gamesa, GE Energy, Hanwha Q Cells, Sharp Solar, Siemens, SunOpta, Suntech Power, and Vestas.
Many national, state, and local governments have also created green banks. A green bank is a quasi-public financial institution that uses public capital to leverage private investment in clean energy technologies. Green banks use a variety of financial tools to bridge market gaps that hinder the deployment of clean energy.
The military has also focused on the use of renewable fuels for military vehicles. Unlike fossil fuels, renewable fuels can be produced in any country, creating a strategic advantage. The US military has already committed itself to have 50% of its energy consumption come from alternative sources.
The International Renewable Energy Agency (IRENA) is an intergovernmental organization for promoting the adoption of renewable energy worldwide. It aims to provide concrete policy advice and facilitate capacity building and technology transfer. IRENA was formed on 26 January 2009, by 75 countries signing the charter of IRENA.[144] As of March 2010, IRENA has 143 member states who all are considered as founding members, of which 14 have also ratified the statute.
As of 2011, 119 countries have some form of national renewable energy policy target or renewable support policy. National targets now exist in at least 98 countries. There is also a wide range of policies at state/provincial and local levels.
United Nations' Secretary-General Ban Ki-moon has said that renewable energy has the ability to lift the poorest nations to new levels of prosperity.[13] In October 2011, he "announced the creation of a high-level group to drum up support for energy access, energy efficiency and greater use of renewable energy. The group is to be co-chaired by Kandeh Yumkella, the chair of UN Energy and director general of the UN Industrial Development Organisation, and Charles Holliday, chairman of Bank of America".
100% renewable energy
The incentive to use 100% renewable energy, for electricity, transport, or even total primary energy supply globally, has been motivated by global warming and other ecological as well as economic concerns. The Intergovernmental Panel on Climate Change has said that there are few fundamental technological limits to integrating a portfolio of renewable energy technologies to meet most of total global energy demand. Renewable energy use has grown much faster than even advocates anticipated. At the national level, at least 30 nations around the world already have renewable energy contributing more than 20% of energy supply. Also, Professors S. Pacala and Robert H. Socolow have developed a series of "stabilization wedges" that can allow us to maintain our quality of life while avoiding catastrophic climate change, and "renewable energy sources," in aggregate, constitute the largest number of their "wedges".
Using 100% renewable energy was first suggested in a Science paper published in 1975 by Danish physicist Bent Sørensen. It was followed by several other proposals, until in 1998 the first detailed analysis of scenarios with very high shares of renewables were published. These were followed by the first detailed 100% scenarios. In 2006 a PhD thesis was published by Czisch in which it was shown that in a 100% renewable scenario energy supply could match demand in every hour of the year in Europe and North Africa. In the same year Danish Energy professor Henrik Lund published a first paper[150] in which he addresses the optimal combination of renewables, which was followed by several other papers on the transition to 100% renewable energy in Denmark. Since then Lund has been publishing several papers on 100% renewable energy. After 2009 publications began to rise steeply, covering 100% scenarios for countries in Europe, America, Australia and other parts of the world.
In 2011 Mark Z. Jacobson, professor of civil and environmental engineering at Stanford University, and Mark Delucchi published a study on 100% renewable global energy supply in the journal Energy Policy. They found producing all new energy with wind power, solar power, and hydropower by 2030 is feasible and existing energy supply arrangements could be replaced by 2050. Barriers to implementing the renewable energy plan are seen to be "primarily social and political, not technological or economic". They also found that energy costs with a wind, solar, water system should be similar to today's energy costs.
Similarly, in the United States, the independent National Research Council has noted that "sufficient domestic renewable resources exist to allow renewable electricity to play a significant role in future electricity generation and thus help confront issues related to climate change, energy security, and the escalation of energy costs … Renewable energy is an attractive option because renewable resources available in the United States, taken collectively, can supply significantly greater amounts of electricity than the total current or projected domestic demand."
The most significant barriers to the widespread implementation of large-scale renewable energy and low carbon energy strategies are primarily political and not technological. According to the 2013 Post Carbon Pathways report, which reviewed many international studies, the key roadblocks are: climate change denial, the fossil fuels lobby, political inaction, unsustainable energy consumption, outdated energy infrastructure, and financial constraints.
Emerging technologies
Other renewable energy technologies are still under development, and include cellulosic ethanol, hot-dry-rock geothermal power, and marine energy. These technologies are not yet widely demonstrated or have limited commercialization. Many are on the horizon and may have potential comparable to other renewable energy technologies, but still depend on attracting sufficient attention and research, development and demonstration (RD&D) funding.
There are numerous organizations within the academic, federal, and commercial sectors conducting large scale advanced research in the field of renewable energy. This research spans several areas of focus across the renewable energy spectrum. Most of the research is targeted at improving efficiency and increasing overall energy yields.[156] Multiple federally supported research organizations have focused on renewable energy in recent years. Two of the most prominent of these labs are Sandia National Laboratories and the National Renewable Energy Laboratory (NREL), both of which are funded by the United States Department of Energy and supported by various corporate partners. Sandia has a total budget of $2.4 billion while NREL has a budget of $375 million.
Enhanced geothermal system
Enhanced geothermal systems (EGS) are a new type of geothermal power technologies that do not require natural convective hydrothermal resources. The vast majority of geothermal energy within drilling reach is in dry and non-porous rock. EGS technologies "enhance" and/or create geothermal resources in this "hot dry rock (HDR)" through hydraulic stimulation. EGS and HDR technologies, like hydrothermal geothermal, are expected to be baseload resources which produce power 24 hours a day like a fossil plant. Distinct from hydrothermal, HDR and EGS may be feasible anywhere in the world, depending on the economic limits of drill depth. Good locations are over deep granite covered by a thick (3–5 km) layer of insulating sediments which slow heat loss. There are HDR and EGS systems currently being developed and tested in France, Australia, Japan, Germany, the U.S. and Switzerland. The largest EGS project in the world is a 25 megawatt demonstration plant currently being developed in the Cooper Basin, Australia. The Cooper Basin has the potential to generate 5,000–10,000 MW.
Cellulosic ethanol
Several refineries that can process biomass and turn it into ethanol are built by companies such as Iogen, POET, and Abengoa, while other companies such as the Verenium Corporation, Novozymes, and Dyadic International are producing enzymes which could enable future commercialization. The shift from food crop feedstocks to waste residues and native grasses offers significant opportunities for a range of players, from farmers to biotechnology firms, and from project developers to investors.
Marine energy
Marine energy (also sometimes referred to as ocean energy) refers to the energy carried by ocean waves, tides, salinity, and ocean temperature differences. The movement of water in the world's oceans creates a vast store of kinetic energy, or energy in motion. This energy can be harnessed to generate electricity to power homes, transport and industries. The term marine energy encompasses both wave power – power from surface waves, and tidal power – obtained from the kinetic energy of large bodies of moving water. Reverse electrodialysis (RED) is a technology for generating electricity by mixing fresh river water and salty sea water in large power cells designed for this purpose; as of 2016 it is being tested at a small scale (50 kW). Offshore wind power is not a form of marine energy, as wind power is derived from the wind, even if the wind turbines are placed over water. The oceans have a tremendous amount of energy and are close to many if not most concentrated populations. Ocean energy has the potential of providing a substantial amount of new renewable energy around the world.
| # |
Station |
Country |
Location |
Capacity |
Refs |
| 1. |
Sihwa Lake Tidal Power Station |
South Korea |
37°18′47″N 126°36′46″E |
254 MW |
|
| 2. |
Rance Tidal Power Station |
France |
48°37′05″N 02°01′24″W |
240 MW |
|
| 3. |
Annapolis Royal Generating Station |
Canada |
44°45′07″N 65°30′40″W |
20 MW |
|
Experimental solar power
Concentrated photovoltaics (CPV) systems employ sunlight concentrated onto photovoltaic surfaces for the purpose of electricity generation. Thermoelectric, or "thermovoltaic" devices convert a temperature difference between dissimilar materials into an electric current.
Floating solar arrays
Floating solar arrays are PV systems that float on the surface of drinking water reservoirs, quarry lakes, irrigation canals or remediation and tailing ponds. A small number of such systems exist in France, India, Japan, South Korea, the United Kingdom, Singapore and the United States. The systems are said to have advantages over photovoltaics on land. The cost of land is more expensive, and there are fewer rules and regulations for structures built on bodies of water not used for recreation. Unlike most land-based solar plants, floating arrays can be unobtrusive because they are hidden from public view. They achieve higher efficiencies than PV panels on land, because water cools the panels. The panels have a special coating to prevent rust or corrosion. In May 2008, the Far Niente Winery in Oakville, California, pioneered the world's first floatovoltaic system by installing 994 solar PV modules with a total capacity of 477 kW onto 130 pontoons and floating them on the winery's irrigation pond. Utility-scale floating PV farms are starting to be built. Kyocera will develop the world's largest, a 13.4 MW farm on the reservoir above Yamakura Dam in Chiba Prefecture using 50,000 solar panels. Salt-water resistant floating farms are also being constructed for ocean use. The largest so far announced floatovoltaic project is a 350 MW power station in the Amazon region of Brazil.
Solar-assisted heat pump
A heat pump is a device that provides heat energy from a source of heat to a destination called a "heat sink". Heat pumps are designed to move thermal energy opposite to the direction of spontaneous heat flow by absorbing heat from a cold space and releasing it to a warmer one. A solar-assisted heat pump represents the integration of a heat pumpand thermal solar panels in a single integrated system. Typically these two technologies are used separately (or only placing them in parallel) to produce hot water. In this system the solar thermal panel performs the function of the low temperature heat source and the heat produced is used to feed the heat pump's evaporator.[180] The goal of this system is to get high COP and then produce energy in a more efficient and less expensive way.
It is possible to use any type of solar thermal panel (sheet and tubes, roll-bond, heat pipe, thermal plates) or hybrid (mono/polycrystalline, thin film) in combination with the heat pump. The use of a hybrid panel is preferable because it allows covering a part of the electricity demand of the heat pump and reduce the power consumption and consequently the variable costs of the system.
Artificial photosynthesis
Artificial photosynthesis uses techniques including nanotechnology to store solar electromagnetic energy in chemical bonds by splitting water to produce hydrogen and then using carbon dioxide to make methanol. Researchers in this field are striving to design molecular mimics of photosynthesis that utilize a wider region of the solar spectrum, employ catalytic systems made from abundant, inexpensive materials that are robust, readily repaired, non-toxic, stable in a variety of environmental conditions and perform more efficiently allowing a greater proportion of photon energy to end up in the storage compounds, i.e., carbohydrates (rather than building and sustaining living cells). However, prominent research faces hurdles, Sun Catalytix a MIT spin-off stopped scaling up their prototype fuel-cell in 2012, because it offers few savings over other ways to make hydrogen from sunlight.
Algae fuels
Producing liquid fuels from oil-rich varieties of algae is an ongoing research topic. Various microalgae grown in open or closed systems are being tried including some system that can be set up in brownfield and desert lands.
Solar aircraft
An electric aircraft is an aircraft that runs on electric motors rather than internal combustion engines, with electricity coming from fuel cells, solar cells, ultracapacitors, power beaming, or batteries.
Currently, flying manned electric aircraft are mostly experimental demonstrators, though many small unmanned aerial vehicles are powered by batteries. Electrically powered model aircraft have been flown since the 1970s, with one report in 1957. The first man-carrying electrically powered flights were made in 1973. Between 2015–2016, a manned, solar-powered plane, Solar Impulse 2, completed a circumnavigation of the Earth.
Solar updraft tower
The Solar updraft tower is a renewable-energy power plant for generating electricity from low temperature solar heat. Sunshine heats the air beneath a very wide greenhouse-like roofed collector structure surrounding the central base of a very tall chimney tower. The resulting convection causes a hot air updraft in the tower by the chimney effect. This airflow drives wind turbines placed in the chimney updraft or around the chimney base to produce electricity. Plans for scaled-up versions of demonstration models will allow significant power generation, and may allow development of other applications, such as water extraction or distillation, and agriculture or horticulture. A more advanced version of a similarly themed technology is the Vortex engine which aims to replace large physical chimneys with a vortex of air created by a shorter, less-expensive structure.
Space-based solar power
For either photovoltaic or thermal systems, one option is to loft them into space, particularly Geosynchronous orbit. To be competitive with Earth-based solar power systems, the specific mass (kg/kW) times the cost to loft mass plus the cost of the parts needs to be $2400 or less. I.e., for a parts cost plus rectenna of $1100/kW, the product of the $/kg and kg/kW must be $1300/kW or less. Thus for 6.5 kg/kW, the transport cost cannot exceed $200/kg. While that will require a 100 to one reduction, SpaceX is targeting a ten to one reduction, Reaction Engines may make a 100 to one reduction possible.
Debate
Renewable electricity production, from sources such as wind power and solar power, is sometimes criticized for being variable or intermittent, but is not true for concentrated solar, geothermal and biofuels, that have continuity. In any case, the International Energy Agency has stated that deployment of renewable technologies usually increases the diversity of electricity sources and, through local generation, contributes to the flexibility of the system and its resistance to central shocks.
There have been "not in my back yard" (NIMBY) concerns relating to the visual and other impacts of some wind farms, with local residents sometimes fighting or blocking construction. In the United States, the Massachusetts Cape Wind project was delayed for years partly because of aesthetic concerns. However, residents in other areas have been more positive. According to a town councilor, the overwhelming majority of locals believe that the Ardrossan Wind Farm in Scotland has enhanced the area.
A recent UK Government document states that "projects are generally more likely to succeed if they have broad public support and the consent of local communities. This means giving communities both a say and a stake". In countries such as Germany and Denmark many renewable projects are owned by communities, particularly through cooperativestructures, and contribute significantly to overall levels of renewable energy deployment.
The market for renewable energy technologies has continued to grow. Climate change concerns and increasing in green jobs, coupled with high oil prices, peak oil, oil wars, oil spills, promotion of electric vehicles and renewable electricity, nuclear disasters and increasing government support, are driving increasing renewable energy legislation, incentives and commercialization. New government spending, regulation and policies helped the industry weather the 2009 economic crisis better than many other sectors.
While renewables have been very successful in their ever-growing contribution to electrical power there are no countries dominated by fossil fuels who have a plan to stop and get that power from renwables. Only Scotland and Ontario have stopped burning coal, largely due to good natural gas supplies. In the area of transportation, fossil fuels are even more entrenched and solutions harder to find. It's unclear if there are failures with policy or renewable energy, but twenty years after the Kyoto Protocol fossil fuels are still our primary energy source and consumption continues to grow.
Environmental impact
The ability of biomass and biofuels to contribute to a reduction in CO2 emissions is limited because both biomass and biofuels emit large amounts of air pollution when burned and in some cases compete with food supply. Furthermore, biomass and biofuels consume large amounts of water.[199] Other renewable sources such as wind power, photovoltaics, and hydroelectricity have the advantage of being able to conserve water, lower pollution and reduce CO2 emissions.
(Nguyễn Thảo Trường - http://DienElectric.com theo Wikipedia)
dienelectrics@gmail.com
0909186879 
