Šiame tinklaraščio įraše lengvai suprantamai paaiškinami įvairių atsinaujinančių energijos šaltinių, tokių kaip saulės, vėjo ir geoterminė energija, principai ir potencialas.
Pastaruoju metu visame pasaulyje dažnai pasitaikant ekstremaliems oro reiškiniams, susidomėjimas aplinkosaugos problemomis yra didesnis nei bet kada anksčiau. Ypač svarbu atkreipti dėmesį į anglį, kuri pasižymi puikiu šiluminiu efektyvumu, tačiau dėl didelio anglies dioksido išmetimo teršia aplinką, ir jos naudojimas jau seniai palaipsniui nutraukiamas. Todėl aktyviai vykdomi atsinaujinančios energijos, kuri aplinkai kelia žymiai mažesnę apkrovą nei įprasti ištekliai, tyrimai ir plėtra. Korėjoje įvairios institucijos, tokios kaip Korėjos hidro ir branduolinė energija bei Korėjos fotovoltinės pramonės asociacija, spartina atsinaujinančios energijos technologijų plėtrą. Be jau žinomos saulės ir vėjo energijos, panagrinėkime, kokie kiti ištekliai priskiriami atsinaujinančiai energijai, jų atitinkamas savybes ir būsimą potencialą.
Nors atsinaujinanti energija dažnai primena tik saulės šiluminę energiją, jos taikymo sritis yra daug platesnė, nei galima pamanyti. Pirma, saulės šiluminė energija tiesiogiai naudoja saulės spindulių skleidžiamą šilumą. Tai reiškia pačios šilumos naudojimą šildymui, karšto vandens tiekimui, maisto ruošimui ir kt., neatliekant atskiro elektros energijos konvertavimo proceso. Pavyzdžiui, tiesioginis saulės šviesos panaudojimas pro namo langus dienos apšvietimui arba saulės šviesos naudojimas vandens šildymui. Šalyse, turinčiose dideles teritorijas, pavyzdžiui, Jungtinėse Amerikos Valstijose, taip pat naudojami metodai, kai saulės šiluma sutelkiama dideliuose plotuose, kad būtų gaminama elektra bokštuose. Svarbiausias veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti renkantis saulės šiluminę energiją, yra „saulės spinduliuotė“. Saulės spinduliuotei įtakos turi regiono platuma, klimatas ir saulėtų valandų skaičius. Reguliuojant saulės kolektorių arba fotovoltinių modulių kampą, galima surinkti maksimalų saulės spinduliuotės energijos kiekį. Paprastai pavasarį ir rudenį veiksminga pakreipti kampą pagal regiono platumą, vasarą sumažinti kampą, o žiemą dar labiau padidinti.
Saulės energijos naudojimas turi labai ilgą istoriją. Gerai žinomas pavyzdys yra senovės Graikijos Archimedo, gyvenusio 212 m. pr. Kr., istorija. Jis naudojo veidrodžius saulės šviesai sukoncentruoti ir padegti romėnų laivus. Vėliau, XVIII a. pabaigoje, prancūzų mokslininkas Lavoisier panaudojo saulės energiją, kad sukurtų daugiau nei 1700 laipsnių Celsijaus temperatūrą, o tai žymiai padidino jos praktinio pritaikymo potencialą. Šiuolaikinis gyvenamųjų namų projektavimas taip pat maksimaliai padidina natūralų apšvietimą, atsižvelgiant į pastatų orientaciją, langų išdėstymą ir stiklo tipus. Efektyvus energijos panaudojimas įmanomas naudojant šilumos kaupimo įrenginius, karšto vandens rezervuarus ir pritvirtintus šiltnamius.
Saulės fotovoltinė energija paverčia vandenilio, saulėje virstančio heliu, generuojamą šviesos energiją į elektros energiją, kurią galima naudoti. Tai daugiausia pasiekiama naudojant saulės elementus, bendrai vadinamus fotovoltine (FV) energija. Yra keletas saulės elementų tipų, o labiausiai naudojami silicio pagrindu pagaminti elementai. Silicio gausu Žemės plutoje, todėl jis lengvai prieinamas, nors jam reikalingas 99.9999 % ar didesnis grynumas. Didelio grynumo monokristalinis silicis gaminamas naudojant „Chokralskio metodą“. Šis procesas apima polikristalinio silicio lydymą, priemaišų pašalinimą ir lėtą silicio sėklų kristalo ištraukimą, kad jis išaugtų į monokristalinę formą.
Monokristaliniai saulės elementai pasižymi dideliu efektyvumu, tačiau jų gamybos sąnaudos yra didelės. Tuo tarpu polikristalinio silicio elementai pasižymi šiek tiek mažesniu efektyvumu, tačiau pasižymi mažesniais pjovimo nuostoliais ir didesniais ekonominiais privalumais. Be to, yra galio arsenido ir indžio fosfido pagrindu pagamintų saulės elementų, kurie pasižymi dideliu efektyvumu ir atsparumu aukštai temperatūrai bei spinduliuotei. Naudojant dabartines technologijas, monokristaliniams saulės elementams sunku viršyti 25 % efektyvumą dėl įvairių nuostolių veiksnių (paviršiaus atspindžio, nuosekliosios varžos, fotonų energijos pertekliaus ir kt.).
Saulės elementai sudaryti iš pagrindinių vienetų, vadinamų „celėmis“. „Modulį“ sudaro 36 nuosekliai sujungti elementai. Sujungus kelis modulius nuosekliai, siekiant padidinti įtampą, sudaroma „grandinė“. „Masyvas“ – tai kelių girliandų rinkinys. Įrengiant saulės energijos sistemą, reikia atsižvelgti į įvairius veiksnius, įskaitant sumažėjusią energijos gamybą dėl šešėliavimo, žiemos sniego, šilumos išsklaidymo problemas ir akumuliatoriaus tarnavimo laiką. Nors saulės energijos gamyba yra labai naudinga aplinkai, nes gamybos proceso metu neišskiria teršalų, svarbu atkreipti dėmesį, kad kartais energijos suvartojimas reikalingas aukštos temperatūros šildymui.
Vėjo energija panaudoja vėjo galią, evoliucionuodama nuo senovinių technologijų, tokių kaip olandiški vėjo malūnai, iki šiuolaikinių vėjo turbinų. Vėjo energijos gamyba yra ypač jautri vietai ir laikui, nes galia labai skiriasi, todėl vietos sąlygos yra itin svarbios. Vėjo turbinos skirstomos į kategorijas pagal tai, kaip jų mentės išsidėsto vėjo krypties atžvilgiu: „prieš vėją“ (priekinės mentės) ir „pavėjinės“ (galinės mentės). Prieš vėją nukreiptoms turbinoms sunku savaime išsilyginti, joms reikalingi atskiri pavaros mechanizmai arba uodegos mentės. Ir atvirkščiai, pavėjinės turbinos gali natūraliai reguliuoti kryptį, tačiau jų nestabilumas oro srovėse yra trūkumas.
Vėjo turbinų veikimo metodai plačiai skirstomi į du tipus: pastovaus ašmenų greičio santykio palaikymas siekiant padidinti išėjimo efektyvumą ir menčių sukimosi greičio reguliavimas siekiant gaminti elektrą fiksuotu dažniu. Vėjo turbinos iš prigimties sukuria tam tikrą triukšmo lygį dėl savo besisukančių pavaros komponentų, tačiau technologiniai tyrimai, pavyzdžiui, bepavarės konstrukcijos, ir toliau sprendžia šią problemą.
Geoterminė energija naudoja Žemės gelmių šilumą, panaudodama radioaktyviųjų izotopų skilimo arba iš Žemės mantijos išsiskiriančios šilumos energiją. Vidutinis geoterminis gradientas yra apie 25–30 laipsnių Celsijaus kilometrui, tačiau regionuose, kuriuose aktyviai plėtojama geoterminė energija, pavyzdžiui, Pohange Pietų Korėjoje, jis gali siekti 100 laipsnių Celsijaus kilometrui. Geoterminei energijai didelę įtaką daro orai ar sezoniniai pokyčiai, todėl ji suteikia didelį stabilaus 24 valandų energijos tiekimo pranašumą. Dažniausias metodas – šalto vandens įpurškimas po žeme per gręžinius ir pašildyto vandens išgavimas šildymui. Be aukštos temperatūros geoterminių sistemų ir metodų, naudojančių natūralią žemės temperatūrą, atliekami tyrimai dėl patobulintų geoterminių sistemų (EGS) – giluminio geoterminio vystymo metodo. Tačiau ši technologija išlieka brangi. Be to, plačiai naudojamas metodas – vamzdžių įrengimas po žeme pastatuose, siekiant panaudoti geoterminę energiją vėsinimui vasarą ir šildymui žiemą.
Naudojant geoterminę energiją elektros energijos gamybai, sistemos skirstomos į kategorijas pagal naudojamą šilumos perdavimo terpę, pavyzdžiui, sauso garo, vieno blyksnio, dviejų blyksnių arba dviejų ciklų elektros energijos gamybos sistemos. Šios sistemos sulaukia dėmesio dėl savo gebėjimo užtikrinti stabilų energijos tiekimą nenaudojant įprasto iškastinio kuro.
Bioenergija – tai energija, gaunama iš organinių medžiagų arba šalutinių produktų, gaunamų iš augalų ir gyvūnų, o tipiški pavyzdžiai yra biodyzelinas, biometanas ir bioetanolis. Tai taip pat apima sąvartynuose susidarančių dujų surinkimą, skirtą naudoti kaip energijos šaltinį. Biokuras gaminamas termocheminės konversijos (anglies monoksido ir vandenilio maišymo, siekiant gauti kitus angliavandenilius) arba fermentacijos metodais (naudojant mieles cukrui paversti etanoliu). Tokia bioenergija ypač populiarėja kaip praktiška alternatyva transporto degalams pakeisti.
Jeremy Rifkinas, JAV Ekonomikos tendencijų instituto prezidentas, savo 2014 m. pagrindiniame pranešime Energetikos didžiajame forume prognozavo, kad „tobulėjant atsinaujinančiosios energijos technologijoms, per ateinančius kelis dešimtmečius ribinės elektros energijos gamybos sąnaudos priartės prie nulio“. Savo knygoje „Nulinių ribinių sąnaudų visuomenė“ jis prognozavo, kad daiktų interneto (IoT) plėtra sujungs ryšius, transportą ir energiją į vieną tinklą, sukurdama naują ekonominę struktūrą, kurioje energijos ir prekių gamybos sąnaudos taps itin mažos. Atsinaujinančiosios energijos gamybos sąnaudos, kurios aštuntajame dešimtmetyje siekė 68 USD už vatą, dabar sumažėjo iki 60 centų. Atrodo, kad artėja „energijos dalijimosi era“, kai kiekvienas gali tiesiogiai gaminti energiją ir dalytis elektros energijos pertekliumi su kitais.
Taip pat aktyviai vyksta technologinė plėtra, skirta atsinaujinančios energijos nestabilumui įveikti. Pavyzdžiui, „LG Chem“ energijos kaupimo sistema (ESS) taikoma „LG CNS“ atsinaujinančios energijos jėgainės sistemoje „Microgrid Solution“. Tai leidžia kaupti ir tiekti saulės energija pagamintą elektros energiją piko metu. Tai pakeičia tradicinę „gamybos-vartojimo“ energijos struktūrą į „gamybos-kaupimo-vartojimo“ modelį, kompensuojant atsinaujinančiai energijai būdingus gamybos svyravimus. Ypač atsižvelgiant į tai, kad atsinaujinančios energijos dalis viršija 10 % visos elektros energijos gamybos, tinklo nestabilumas gali tapti problemiškas; ESS yra pripažinta pagrindine technologija šiam iššūkiui spręsti.
Norėdami pasiruošti ateičiai, turime gerai suprasti tokius išteklius kaip saulės šiluminė energija, saulės fotovoltinė energija, vėjo energija, geoterminė energija ir bioenergija – tuos, kurie kelia mažą aplinkos taršos pavojų ir turi didelį šiluminio efektyvumo potencialą. Atsinaujinanti energija taps labai svarbiu elementu, transformuojančiu ne tik alternatyviąją energiją, bet ir visą būsimą socialinę struktūrą bei ekonominę sistemą. Tai, kaip gerai suprasime šią technologiją ir jai pasiruošime dabar, nulems, ar susiklostys švaresnė ir tvaresnė ateitis.
