Det tar mycket energi att fostra en art som homo sapiens. Under de senaste århundradena har denna art uppstått som en sammankopplad global närvaro på ett sätt som, så vitt vetenskapen vet, aldrig tidigare har förekommit på planeten.
De typer av energi som människor behöver inkluderar el för att driva sina hem och industrier, biokemisk energi för att mata sina kroppar och brännbara resurser för värme, transporter och industriell produktion.
I en bred skala, jordens förmåga att tillhandahålla vad människor behöver beror på fem huvudkällor:
Vatten, som inte bara är livsnödvändigt, utan som också kan utnyttjas för energiproduktion.
- Gravitation, den mystiska kraften som skapar och förstör stjärnor, är ansvarig för tidvattnet, och den förvandlar vatten till en källa för konvertibel kinetisk energi.
- Jordens rörelser skapar dagliga och säsongsbetonade temperaturskillnader som genererar vindar och havsströmmar som kan omvandlas till elektricitet.Radioaktivitet är det naturliga sönderfallet av tunga grundämnen till lättare med en resulterande frigöring av strålning. Strålningen skapar värme som kan användas för att generera el.
Dessutom kommer en viktig energiförsörjning för människor från de sönderfallande kropparna av organismer som har blomstrat och dog under eonerna. Till skillnad från de resurser som anges ovan är detta utbud dock begränsat.
Fossila bränslen, som inkluderar olja, naturgas och kol, är faktiskt en annan form av solenergi. För evigheter sedan omvandlade levande organismer solens ljus och värme till de kolbaserade molekylerna som bildade deras kroppar. Organismerna dog och deras kroppar sjönk djupt ner i marken och till havens botten. Idag kan energin som är låst i dessa kolbindningar frigöras genom att hämta vad deras kvarlevor förvandlats till och bränna dem.
Olja och naturgas kommer från mikroskopiskt havsplankton som levde för miljoner år sedan. De dog och sjönk till havens botten, där nedbrytning och andra kemiska processer gjorde dem till vaxartad kerogen och tjärartad bitumen. Havet bäddar torkade så småningom ut, och dessa material grävdes ner under sten och jord. De har blivit råvaror för tillverkning, bensin, diesel, fotogen och en mängd andra petroleumprodukter.
Det traditionella sättet att hämta råolja från marken är genom borrning, men hydraulisk frakturering, eller fracking, har blivit ett ofta använt modernt alternativ. I denna process tvingas en blandning av sand, vatten och potentiellt farliga kemikalier ner i marken för att tränga undan petroleum. Fracking är en dyr process, och den har ett antal skadliga effekter på berggrunden, grundvattenytan och den omgivande luften.
Kol kommer från landväxter som slog sig ner i myrar och träsk och förvandlades till torv. Torven stelnade när marken torkade ut, och den täcktes så småningom av stenar och annat skräp. Trycket förvandlade det till det svarta, steniga ämnet som brann i många industrianläggningar och kraftverk. Allt detta började hända för cirka 300 miljoner år sedan, när dinosaurier strövade omkring på jorden, men i motsats till populära myter är kol inte nedbrutna dinosaurier.
Floder och bäckar är en viktig energikälla
I årtusenden har människor utnyttjat vatten kraft att utföra arbete, och inom fysiken är arbete synonymt med energi. Vattenhjul placerade nära en bäck eller vattenfall har använt energin som genereras av att flytta vatten för att mala spannmål, bevattna grödor, såga ved och utföra en mängd andra uppgifter. Med tillkomsten av elektricitet har vattenhjul förvandlats till kraftverk.
Vattenturbinen är hjärtat i en vattenkraftverk, och den fungerar på grund av fenomenet elektromagnetisk induktion, upptäckt av fysikern Michael Faraday 1831. Faraday hittade att en snurrande magnet inuti en spole eller ledande tråd genererar en elektrisk ström i spolen, och mindre än 100 år senare kom den första induktionsgeneratorn online vid Niagarafallen.
Idag levererar vattenkraftverk cirka 6 procent av den elektricitet som förbrukas i världen . Förbränning av fossila bränslen för att generera ång- och spinnturbiner genererar å andra sidan nästan 60 procent av världens el. Det mesta av vattenkraften genereras av dammar, inte av vattenfall.
En damm, som en bäck eller vattenfall, beror på gravitationen. Vattnet kommer in i en passage på toppen av dammen, rinner genom ett rör som förstorar sin energi och snurrar en turbin innan det går ut nära dammens bas. Två av världens största vattenkraftsdammar är Three Gorges Dam i Kina, som genererar 22,5 gigawatt energi och Itaipu Dam på gränsen mellan Brasilien och Paraguay, som genererar 14 GW. Den största dammen i Nordamerika är Grand Coulee Dam i delstaten Washington, som genererar endast cirka 7 megawatt.
Haven är en av de världens viktigaste energiresurser av två skäl. Den första är att de har strömmar, som i samband med vindarna bildar vågor. Vågor kan förvandlas till elektricitet. Eftersom de är resultatet av temperaturskillnader orsakade av solens värme, är vågor och strömmarna som bildar dem tekniskt sett en form av solenergi.
Den andra energiresursen i haven är tidvattnet, som är orsakad av månens och solens gravitationsinflytande, samt av jordens rörelser. Tekniker finns också för att omvandla energin i tidvattnet till elektricitet.
Våggenererande stationer är ännu inte mainstream, och prototypen, som installerades utanför Skottlands kust, genererar endast 0,5 MW. Tillgängliga vågteknologier inkluderar:
- Flyt och bojar, som stiger och faller på vågor och generera kraft med hydrauliska enheter.
- Oscillerande vattenpelare, som tillåter vatten att komma in i en kammare och komprimera innesluten luft, som sedan snurrar en turbin.
- Avsmalnande kanalsystem, som är landbundna. De kanaliserar vatten till förhöjda reservoarer, och när vattnet tillåts falla snurrar det en turbin.
Tidvattenkraftverk kan använda kraften från inkommande och utgående tidvatten för att snurra turbiner direkt. Vatten är cirka 800 gånger tätare än luft, så om en turbin placeras på havsbotten genererar tidvattenrörelserna betydande kraft för att snurra dem. Tidvattenspärrsystem är dock vanligare.
En tidvattenspärr är en barriär som sätts upp tvärs över en tidvattenbassäng som tillåter vatten från det stigande tidvattnet att komma in, sedan stänger och kontrollerar utflödet på ebb. Den största sådan generatorn är Sihwa Lake Tidal Power Station i Sydkorea. Den genererar cirka 254 MW.
Teknik utnyttjar sol- och vindkraft
Två av de bästa- kända sätt att generera el på ett sätt som inte är beroende av försvinnande fossila bränslen och inte skapar föroreningar är att installera vindkraftverk eller solcellspaneler. Eftersom solen är ansvarig för temperaturskillnaderna som skapar vind, är båda, strängt taget, former av solenergi.
Vindgeneratorer fungerar precis som vattenkraft eller vågdrivna. . När vinden blåser snurrar den en axel som är ansluten med kugghjul till en kraftgenererande induktionsturbin. Moderna turbiner är kalibrerade för att ge växelström vid samma frekvens som konventionell växelström, vilket gör den tillgänglig för omedelbar användning. Vindkraftsparker över hela världen levererar nästan 5 procent av världens el.
Solpaneler förlitar sig på solcellseffekten, varvid solens strålning skapar en spänning i en halvledande material. Spänningen skapar likström som måste omvandlas till växelström genom att passera den genom en växelriktare. Solpaneler genererar bara el när solen är ute, så de används ofta för att ladda batterier, som lagrar strömmen för senare användning.
Solpaneler representerar kanske en av de mest tillgängliga metoderna för att generera elektricitet, men de levererar bara en liten del av världens elektricitet — mindre än 1 procent.
Kärnkraftsproduktion alternativ till fossila bränslen
Strängt taget är kärnklyvningsprocessen inte ett naturligt förekommande fenomen, utan det kommer från naturen. Kärnklyvning uppfanns strax efter att forskare kunde förstå atomen och det naturliga fenomenet radioaktivitet. Även om klyvning ursprungligen användes för att tillverka bomber, kom det första kärnkraftverket online bara tre år efter att den första bomben exploderade på Trinity-platsen i New Mexicos öken.
Kontrollerade fissionsreaktioner förekommer inuti världens alla kärnkraftverk. Den genererar värme för att koka vatten, vilket producerar den ånga som behövs för att driva elektriska turbiner. När en fissionsreaktion väl startar behöver den lite bränsle för att fortsätta i det oändliga.
Nästan 20 procent av världens elbehov tillgodoses av kärnkraftsgeneratorer. Ursprungligen ansett som en billig källa till praktiskt taget obegränsad kraft, har kärnklyvning allvarliga nackdelar, inte minst av dessa är möjligheten till härdsmälta och okontrollerad utsläpp av skadlig strålning. Två välkända olyckor, en vid Rysslands kraftverk i Tjernobyl och en annan vid Japans anläggning i Fukushima, har undanröjt dessa faror och gjort kärnkraftsproduktionen mindre attraktiv än den en gång var.
Djupt inne i jordskorpan är tryck och temperaturer så höga att de gör sten till smält lava. Detta överhettade material rinner genom ådror i skorpan som ibland leder det nära ytan. Samhällen i områden där detta inträffar kan använda värmen för att generera el och för att ge värme till sina hem. Detta kallas geotermisk energi, och i vissa fall förstärks den av radioaktiva material i marken, som också genererar värme.
För att utnyttja geotermisk energi borrar utvecklare en tunnel i jorden på en lämplig plats och cirkulerar vatten genom tunneln. Det uppvärmda vattnet kommer upp till ytan som ånga, där det kan användas direkt för uppvärmning eller för att snurra en turbin. I vissa fall överförs värmen från vattnet till ett annat ämne med lägre kokpunkt, såsom isobutan, och den resulterande ångan snurrar turbinerna.
I sin enklaste form har geotermisk energi gett läkning och komfort på naturliga spaanläggningar och varma källor så länge som det har funnits folk att besöka dem. Japan är ett av de mest geologiskt aktiva länderna i världen, och det har ett stort nätverk av naturliga varma källor och en lång historia av blötläggning. Experter uppskattar att det har tillräckligt med geotermiska resurser för att tillgodose upp till 10 procent av sitt elbehov, vilket gör dess geotermiska potential till tredje i världen, efter bara USA och Indonesien.
Människor måste göra ett val
Vissa resurser är ömtåliga och försvinner, och omvandling av dem till användbar energi skapar föroreningar som förändrar planetens miljö. Andra resurser beror bara på sol- och planetdynamik som lovar att förbli oförändrade under de närmaste miljarderna åren. I det nuvarande ögonblicket har mänskligheten ett brådskande val att göra. Dess överlevnad kan bero på dess förmåga att byta beroende från det förra till det senare på kort tid.
