Kestävät energialähteet ja käyttöönottoasteet

Kasvava maailmanlaajuinen väestömäärä ja ympäristötietoisuus ajavat tarvetta/halua kohdella kotiamme (Maata) lempeämmin. Onneksi, jos katsomme tarkkaan, rajoittamatonta energiaa löytyy ympäriltämme. Kaikki liikkeessä oleva, lämpöä tai jopa valoa tuottava esine on mahdollinen lähde.

Energialähteiden tunnistaminen on helppo osa. Vaikea haaste on näiden resurssien hyödyntäminen luotettavalla ja johdonmukaisella tavalla. Onneksi materiaalitieteen edistysaskeleet ovat mahdollistaneet menneinä unohdetut tehokkuudet.

Kestävä energia

Ennen kuin sukellamme muutamiin puhtaan energian esimerkkeihin ja niiden hyödyntämiseen vaikuttaviin yrityksiin, on tärkeää ymmärtää ero kestävien ja uusiutuvien lähteiden välillä.

Yksinkertaisesti sanottuna uusiutuva energia tulee lähteistä, jotka luonnollisesti uusiutuvat nopeammin kuin kulutamme niitä. Tämä ei kuitenkaan välttämättä tarkoita, että nämä lähteet tarjoavat puhdasta energiaa – ainoastaan, että niiden varantoa ei voida kuluttaa nykyisillä vaatimuksilla.

Kestävä energia puolestaan viittaa lähteisiin, jotka eivät ainoastaan uusiudu itse, vaan eivät myöskään ajan myötä aiheuta negatiivisia vaikutuksia Maahan. Nämä lähteet ottavat huomioon tulevat sukupolvet ja pyrkivät tarjoamaan heille vihreän maapallon, eivätkä jatkuvasti hiilen, öljyn, metaanin ja muiden likaisien energialähteiden ryöpyttämää.

On syytä huomata, että vaikka kestävien ja uusiutuvien lähteiden välillä on ero, useimmissa tapauksissa molemmat termit pätevät. Luonnollisesti ne, jotka onnistuvat olemaan molempia, ovat mielenkiintoisimpia.

Tyypillisesti kestävän energian on täytettävä kolme ehtoa, jotta sitä voidaan pitää sellaisena.

• Ympäristöllisesti kestävä
• Taloudellisesti kestävä
• Sosiaalinen kestävyys

Yleinen esimerkki kestävästä energialähteestä on vesivoima. Kuun aiheuttamien vuorovesien, aaltojen ja ilmastokiertojen ansiosta maapallolla on aina virtaavaa vettä. Virtaavan veden kineettisen energian hyödyntäminen ei ole vain luonnollisesti uusiutuva prosessi, vaan se on myös kestävä, koska se ei tule vaikuttamaan negatiivisesti Maahan tulevina vuosina, ja on jo taloudellisesti ja sosiaalisesti toteuttamiskelpoinen.

Yleinen esimerkki uusiutuvasta energialähteestä, jota ei yleensä pidetä kestävänä, on biomassa. Selkein toteutus on puun polttaminen lämmönlähteenä. Vaikka biomassan varanto uusiutuu nopeammin kuin kulutamme sitä, se ei ole kestävä, koska sen käytöstä syntyy kasvihuonekaasuja.

Yleinen esimerkki uusiutumattomasta, ei-kestävästä energialähteestä on fossiiliset polttoaineet. Sisäisen polttomoottorin yleistymisen myötä fossiilisten polttoaineiden varannot ovat jo lähes loppumassa. Tämä lähde, joka on kerryttänyt kirjaimellisesti miljoonia vuosia, on periaatteessa uusiutumaton, ympäristölle haitallinen, eikä se ole kestävä tulevaisuudessa.

Parhaat ehdokkaat

Kun ymmärrämme eron uusiutuvien ja kestävien energialähteiden välillä, tässä on muutamia esimerkkejä, joilla on suurin lupaavuus. Jokainen näistä on jo käytössä ympäri maailmaa, ja ne saavuttavat lupaavia käyttöönottoasteita.

On tärkeää muistaa, että yksi ei ole välttämättä parempi kuin toinen. Paras energialähde on se, joka on helposti saatavilla paikallisessa ympäristössä.

Vesivoima

Veden hyödyntäminen energialähteenä ei ole uutta – olemme hyödyntäneet patoja ja vesimyllyjä vuosisatojen ajan. Nykyään vesivoima on maailman suurin vähähiilisen sähkön lähde, kattaen yli 15% kokonaisvalmistuksesta. Tyypilliset käyttötapaukset perustuvat liikkuvan veden kineettisen energian hyödyntämiseen turbiinin pyörittämiseksi ja sähkön tuottamiseksi.

Esimerkki organisaatiosta, joka pyrkii edistämään kykyämme hyödyntää vuorovesivoimaa ja ymmärtämään sen vaikutuksia paikallisiin ekosysteemeihin, on Fundy Ocean Research Centre for Energy (FORCE). Tämä valtion rahoittama organisaatio sijaitsee Nova Scotiassa, Kanadassa, jossa Bay of Fundyssa on maailman suurimmat vuorovedet.

Bay of Fundyssa yli 160 miljardia tonnia vettä virtaa sisään ja ulos kahdesti päivässä, jokaisena päivänä – kuin kellon tarkkuudella. Tämän liikkuvan veden voima on hämmästyttävä, ja se tarjoaa mahdollisuuden yhtä hämmästyttävään energiantuotantoon, joka on yhtä luotettava kuin Kuun nousu. Tämä projekti on keskellä pitkäaikaista tutkimusta, jossa tarkastellaan vuorovesiturbiinien mahdollisia vaaroja merikasveille ja -eläimille.

Tällä hetkellä vesivoima kokonaisuudessaan kattaa yli 70 % maailmanlaajuisesta sähköstä, joka tulee kestävästä lähteestä, ja Kiina sekä Yhdysvallat johtavat. Tulevaisuudessa aallo- ja vuorovesimarkkinat odotetaan kasvavan 0,59 miljardista dollarista vuonna 2021 4,41 miljardiin dollariin vuonna 2028.

Tuuli

Kuten vesivoiman, myös tuulen voimalla tuotettu sähkö ei ole uutta. Sen sijaan, että hyödynnettäisiin liikkuvan veden kineettistä energiaa turbiinin pyörittämiseen, prosessi toteutetaan antamalla tuulen pyörittää turbiiniin kytkettyjä siipipaloja.

Vaikka tuulta voidaan hyödyntää sähkön tuottamiseen lähes missä tahansa maailmassa, käytäntö ei ole ilman omia haasteitaan. Suurten maa-alueiden tarve näiden valtavien kenttien isännöintiin on yksi haaste, ja tuuli ei yksinkertaisesti ole yhtä luotettava kuin vuorovedet. Yhdeltä päivältä voi olla tuulista, ja seuraavalta voi olla tyyni.

Näistä haasteista huolimatta tuulivoima jatkaa suosiotaan, edustaen yli 7,6 % maailman sähköntuotannosta. Yhdysvalloissa tuuli on jo noussut suurimmaksi uusiutuvan energian lähteeksi, edustaen noin 10 % sen omasta sähköntuotannosta.

Esimerkki yrityksestä, joka edistää tuulivoiman käyttöönottoa, on Siemens AG (SIE.SW ) (SIE.DE ) (SIEGY). Tämä konglomeraatti ilmoitti 2022 tulokseksi 71,98 miljardia dollaria, ja kirjoitushetkellä Siemens AG:n (SIEGY) osakkeet on listattu eri analyytikoiden mukaan ‘ylä’. Yritys on toiminut vuodesta 1847, joten se tietää, miten sopeutua aikakausiin. Tästä syystä Siemensillä on kokonaisia osastoja, jotka keskittyvät teknologioiden kehittämiseen, joiden avulla voimme siirtyä fossiilisista polttoaineista kestäviin lähteisiin.

Aurinko

Vaikka turbiinit ovat keskeisiä energian tuotannossa hyödynnettäessä vesivoimaa tai tuulta, ne eivät enää ole tarpeen, kun hyödynnämme fotovoltaisuutta. Fotovoltaattinen efekti, joka mahdollistuu, kun fotonit asettavat alustan jännitteiseen tilaan, on aurinkoenergian taustalla oleva teknologia. Aurinko on mahdollisesti runsain energialähde aurinkokunnassamme – miksi emme käyttäisi kaikkea sen tarjoamaa.

Solar on ainutlaatuinen kyvyssään olla käytettävissä niin pienissä sovelluksissa kuin henkilökohtaisessa akkupankissa, tai jopa kaupunkien energianlähteenä.  Kuten kaikki energialähteet, sillä on rajoituksia. Vaikka nykyaikaiset teknologiat ovat merkittävästi lisänneet tehokkuutta ja edullisuutta aurinkopaneeleissa, käytäntö on edelleen parhaiten soveltuva alueille, joilla on runsaasti auringonvaloa. Lähestyessäsi napoja, on maapallon alueita, joilla aurinko ei nouse kuukausia kerrallaan.

Tällä hetkellä viimeaikaiset edistysaskeleet aurinkoteknologiassa ovat mahdollistaneet, että 4,8 % ja kasvava osuus maailman sähköntuotannosta tulee tästä kestävästä lähteestä. Vaikka Yhdysvallat on edellä tuulivoiman osalta, se on hieman jäljessä aurinkovoiman osalta, jonka osuus on noin 3 % auringon säteiden hyödyntämisestä.

Yksi merkittävimmistä yrityksistä ja innovaattoreista aurinkoteknologian alalla on sähköautovalmistaja Tesla (TSLA ) (TSLA). Vuosien ajan yritys on kehittänyt ja asentanut aurinkokattoja, jotka mahdollistavat kotitalouksien luopumisen perinteisistä aurinkopaneeleista ja käyttävät fotovoltaisessa kattolevyissä. Vuoden 2022 aikana Tesla ilmoitti liikevaihdokseen 81,46 miljardia dollaria, ja kirjoitushetkellä se on listattu eri rahoitusanalyytikoiden mukaan ‘ylä’.

Geoterminen

Uskotaan, että kauan sitten Maa koostui kokonaan sulasta materiaalista, jota peittivät magman valtameret. Miljardeja vuosia myöhemmin se on jäähtynyt, ja pinta on muuttunut ihmisille asuttavaksi. Ydin on kuitenkin edelleen riehakas, lämmittäen ympäröiviä kerroksia. Tämä energia, joka löytyy Maan pinnan alapuolelta, on nyt hyödynnettävissä, ja sitä kutsutaan geotermiseksi.

Geoterminen energia toimii tyypillisesti hyödyntämällä Maan lämpöenergiaa lämmittämään korkean lämpökapasiteetin nestemediaa, jota käytetään sitten turbiinien pyörittämiseen ja sähkön tuottamiseen. Viime vuosina geoterminen energia on yleistynyt, sillä se ei ole enää vain suurten sovellusten mahdollinen, vaan myös asuinrakennusten lämmitykseksi.

Vaikka geotermistä energiaa voidaan hyödyntää missä tahansa, jos kaivaa tarpeeksi syvälle, maailmalla on luonnollisia kuumapaikkoja, jotka helpottavat prosessia – erityisesti tulivuoret. Kuten El Salvador, on tunnistanut tämän ja tekee määrätietoisia ponnistuksia hyödyntääkseen tätä puhdasta energialähdettä, koska se on myös runsas ja luotettava.

Tällä hetkellä, lupaavasta huolimatta, geotermisen energian uskotaan kattavan noin 0,4 % maailman sähköntuotannosta – luku, joka on linjassa Yhdysvaltojen tuotannon kanssa. Tulivuorten lisäksi geoterminen energia on erityisen saavutettavissa tektonisten levyjen ja halkeamien lähellä. Tämän seurauksena Kalifornian rannikkoalue on erinomainen alue tämän puhtaan energian hyödyntämiseen.

Sijoittajille, jotka haluavat saada altistusta geotermisen energian alalle, yksi johtavista yrityksistä on Ormat Technologies (ORA ) (ORA). Yritys omistaa tällä hetkellä yli 150 geotermistä voimalaitosta ja työllistää yli 1 300 henkilöä. Viimeisten viiden vuoden aikana Ormat Technologies on johdonmukaisesti tuottanut vuotuista liikevaihtoa, joka ylittää 650 miljardia dollaria, ja sen odotetaan olevan hyvin asemoitu hyödyntämään geotermisen energian kasvavaa suosiota.

Tulevaisuuteen katsova

Vaikka yllä luetellut energialähteet tarjoavat valtavan potentiaalin vihreämmän tulevaisuuden mahdollistamiseksi, on olemassa toinen pari vaihtoehtoa, jotka saattavat joskus syrjäyttää ne kaikki.

Ydinfuusio

Aikaisemmin tieteiskirjallisuuden aiheena ollut ydinfuusio saattaa jonain päivänä muuttua todellisuudeksi, kun tiedemiehet jatkavat lupaavien läpimurtojen tekemistä energian ‘pyhä malja’ hyödyntämiseksi. Itse asiassa edistyminen on niin pitkälle, että hallitukset suunnittelevat nyt toimivien prototyyppien rakentamista ennen vuotta 2040.

Niille, jotka eivät ole perehtyneet, ydinfuusio – sama prosessi, joka antaa energian auringollemme ‘Sol’ – ei saa sekoittaa ydinhalkeumaan (nykyinen prosessi nykyaikaisissa ydinvoimaloissa). Kumpikin prosessi vapauttaa valtavia energiamääriä, mutta fuusio tekee sen luomalla olosuhteet ytimien yhdistämiseen, kun taas halkeuma jakaa raskaita alkuaineita, kuten uraania.

Fuusio ei ainoastaan vapauta enemmän energiaa kuin halkeuma, vaan se on merkittävästi puhtaampi prosessi. Käsillä oleva ongelma, jonka tutkijat pyrkivät ratkaisemaan, on oikeiden olosuhteiden kehittäminen sekä prosessin mahdollistamiseksi että turvalliseksi hyödyntämiseksi.

Piezoelectriciteetti

Tarkastelimme äskettäin piezoelectriciteettia ja sitä, miten se on yksi yleisimmin käytetyistä, mutta tuntemattomista energialähteistä. Piezoelectriciteetti on materiaalin, olipa se ihmisen valmistama tai luonnollinen, kyky tuottaa sähköpurkaus, kun siihen kohdistetaan ulkoinen paine.

Se on jo vuosikymmeniä käytössä tavallisissa esineissä, kuten mikrofoneissa, sytyttimissä ja muissa, ja moderni materiaalitiede kehittyy kohti päivää, jolloin voimme hyödyntää riittävästi sähköä tämän vaikutuksen avulla suurten sovellusten tarpeisiin.

Kuten ydinfuusio, piezoelektristen materiaalien laajamittainen käyttö vaikutti aikoinaan tieteiskirjallisuudelta. Vaikka se on vielä monen vuoden päässä, se saattaa jonain päivänä johtaa maailmaan, jossa suuret akut ovat pitkälti vanhentuneita, koska piezoelektriset materiaalit mahdollistavat itsensävirtaavat laitteet.

Lopullinen sana

Vaikka maailma saattaa edelleen olla riippuvainen energialähteistä, kuten öljytuotteista, hiilestä ja maakaasusta, on selvää, että ne eivät ole tulevaisuutta. Onneksi energia on kaikkialla ympärillämme, ja moderni tiede tarjoaa yhä enemmän mahdollisuuksia hyödyntää kasvavaa puhtaiden lähteiden listaa.

Vaikka tulevaisuudessa Maa saattaa olla riippuvainen ydinfuusiosta ja itsensävirtaavista laitteista, on jatkuva vesivoiman, tuulen, aurinko- ja geotermisen energian käyttöönotto se, mikä mahdollistaa sen saavuttamisen.