tomron87/hebrew-wikipedia-sentences-corpus huggingface dataset:
החל משנת 2021, מערכות אלה מספקות 4% מהחשמל בעולם לעומת 1% בשנת 2015. הצפי הוא שעד שנת 2025 אנרגיית השמש תספק כ-20% מצריכת החשמל העולמית.
לתאים הפוטו-וולטאיים מספר חסרונות המונעים את יישומם בקנה מידה גדול: עלות ייצור גבוהה, יעילות המרה לחשמל נמוכה יחסית למקורות המתבססים על דלק, אגירת אנרגיה בעייתית.
המרת אנרגיית השמש לאנרגיית חום
המרת אנרגיית השמש לאנרגיית חום (אנ') לשימוש ביתי או תעשייתי מתבססת על מספר טכנולוגיות, החל מקולטי שמש לשימוש ביתי וכלה בקולטי שמש המרכזים את אנרגיית השמש באמצעות מראות או עדשות היכולים לספק טמפרטורות גבוהות ביותר לשימוש בתעשייה ובתחנות כוח.
טכנולוגיות ריכוז אנרגיית השמש ( באנגלית CSP, Concentrated solar power) משתמשות בעדשות או במראות, ולאחר מכן בחום הנוצר, לייצור קיטור להפעלת טורבינות.
הרכיבים האופטיים בטכנולוגיות אלה הם שוקת פרבוליות (אנ'), רפלקטור פרנל ליניארי (אנ') וצלחת סטירלינג (אנ').
המראות או העדשות מותקנות בשדה מראות או במגדלי שמש.
רכיבים מכניים משמשים למעקב אחר השמש ולמיקוד הקרינה.
בכל המערכות הללו נמצא נוזל מוליך חום כגון מים, גז, שמן סינתטי, או מלח מותך, המסוגל להגיע לטמפרטורות של עד 1000ºC.
המלח המותך משמש גם לאגירת החום העודף.
מגדל שמש הוא מתקן בראשו מוצב מערך מראות העוקב אחרי השמש (הליוסטט) ומרכז את קרני השמש אל מגדל נוסף שהוא המגדל הקולט.
החום נקלט במגדל הקולט משמש לחימום קיטור לטמפרטורה של 500ºC לצורך הפעלת טורבינות ליצירת חשמל.
עודף האנרגיה נאגר במלח מותך.
האנרגיה הקינטית של הרוח מומרת לאנרגיה חשמלית באמצעות טורבינות רוח.
התנועה הסיבובית של להבי הטורבינה מפעילה גנרטור שמייצר את החשמל.
הטורבינה הראשונה לייצור חשמל הוקמה בסוף המאה ה־19 בסקוטלנד.
משנות ה־80 של המאה ה־20 החל יישום נרחב ומסחרי של טורבינות רוח לייצור חשמל וכיום מותקנות ברחבי העולם מאות אלפי טורבינות רוח המייצרות חשמל נקי ולא מזהם.
מדינות כמו דנמרק, ספרד, פורטוגל וגרמניה מובילות בייצור חשמל במתקני רוח באירופה.
בסוף שנת 2016 סיפקה אנרגיית הרוח כ־15.6% מכלל צריכת החשמל באיחוד האירופי.
בסוף שנת 2017 טורבינות הרוח היו אחראיות לייצור 5.6% מצריכת החשמל העולמית.
בשנת 2022, טורבינות הרוח סיפקו 10.3% מכלל אספקת החשמל בארצות הברית.
95% מטורבינות הרוח מותקנות ביבשה והיתר בים.
אנרגיית מים היא אנרגיה שמקורה בתנועת מים, כגון זרימת מים בנהרות או במפלים, תנועת גלי הים, זרמים ימיים או גאות ושפל.
לאחר המצאת המנוע, השימוש היחידי באנרגיית המים הוא לייצור חשמל.
בתחנות כוח המוקמות ליד נהרות, מי הנהר נאספים למאגרים באמצעות סכרים, משם הם מוזרמים למקום נמוך יותר בו נמצאות הטורבינות המפעילות את הגנרטורים לייצור חשמל.
תחנות כוח אלה סיפקה בשנת 2020 כמעט מחצית מהאנרגיה החשמלית ממקורות דלי פחמן.
תרומתן הייתה ב-55% גבוהה יותר מזאת של תחנות הכוח הגרעיניות וגבוהה יותר מתרומותיהן של כל האנרגיות המתחדשות גם יחד, כולל רוח, תאים פוטו-וולטאיים, ביו-אנרגיה והאנרגיה הגיאותרמית.
בשנת 2020, אנרגיית המים הייתה המקור השלישי בחשיבותו אחרי פחם וגז טבעי כאשר סיפקה שישית מהחשמל שיוצר בעולם.
במהלך 20 השנים האחרונות, ייצור העולמי של החשמל בשיטה זאת עלה ב־70%.
אנרגיית הגאות והשפל מנוצלת בצורה דומה, כאשר מי הים העולים בזמן הגאות נאגרים מאחורי סכר, משוחררים באופן יזום ומופנים להפעלת טורבינה המייצרת חשמל, הנמצאת במקום נמוך יותר .
האנרגיה הקינטית של גלי הים או של זרמי הים מנוצלת על ידי שימוש ישיר להנעת טורבינות תת-מימיות
השיטות לניצול האנרגיה הימית פותחו בתחילת המאה ה-20. תחנת הכוח הראשונה (אנ') המנצלת אנרגיית גאות ושפל הוקמה בשנת 1966 על הנהר לה ראנס (la Rance) בצרפת והיא התחנה השנייה בגודלה בעולם אחרי תחנת הכוח על האגם סיווה (אנ') (Sihwa) בקוריאה, שנחנכה בשנת 2011.
החסמים העיקריים לקידום השימוש באנרגיה הימית הם העלות הגבוהה של התקנת התחנות והנזק שהתחנות גורמות לסביבה.
על פי נתוני סוכנות האנרגיה הבין-לאומית, ייצור החשמל באמצעות טכנולוגיות ימיות עלה ב-13% בשנת 2019, בקצב מהיר יותר באופן משמעותי מאשר בשנים קודמות.
הסוכנות מעודדת את המדינות לקדם את המחקרים בתחום זה על מנת להגיע לצמיחה של 23% עד שנת 2030.
המקור לאנרגיה גאותרמית הוא החום הטבעי האצור מתחת למעטה קרום כדור הארץ.
ישנם מקורות חום בעלי אנתלפיה גבוהה, כגון הרי געש וגייזרים ומקורות בעלי אנתלפיה נמוכה, כגון החום העצור בתוך סלעים בקרום כדור הארץ.
לאנרגיה הגיאותרמית שני יישומים: חימום\קירור, המשתמש במקורות בעלי האנתלפיה הנמוכה, וייצור חשמל.
משאבות חום גיאותרמיות (GSHP) הן השיטה המועדפת לשימוש ישיר באנרגיה הגיאותרמית.
הן משתמשות בחום האצור בעומק של 30 עד 100 מטר מתחת לפני הקרקע, הנע בין 10°C ל-25°C (תלוי בקו הרוחב), לצורך חימום בנייני מגורים, חממות ותהליכים שונים אחרים.
תחנות הכוח הגיאותרמיות משתמשות בקיטור המיוצר בדרכים שונות.
העלות הגבוהה של הקמת תחנת כוח גיאותרמית מתאזנת על ידי העלות הנמוכה של התפעול ויעילותה הגבוהה.
הקיבולת המותקנת העולמית של אנרגיה גיאותרמית עלתה באופן הדרגתי בין 2012 ל-2022 וצפויה להמשיך לעלות בשנים הבאות.
המדינות המובילות בתחום הן ארצות הברית,איסלנד, אינדונזיה והפיליפינים.
אֵנֶרְגִּיָּה פּוֹטֶנְצִיָּאלִית היא אנרגיה האצורה בגוף כלשהו כתוצאה מכוח הפועל עליו, או בתוכו.
אנרגיה פוטנציאלית ניתנת להמרה לצורות שונות של אנרגיה – אנרגיה קינטית, אנרגיית חום או אנרגיה פוטנציאלית מסוג אחר, ולבצע עבודה ("פוטנציאל" משמעו סך היכולות או האפשרויות הגלומים בדבר מה).
כאשר פועל על גוף כוח לאורך דרך, מתבצעת עליו עבודה.
אם הכוח הוא כוח משמר, עבודה זו תלויה רק בהעתק נקודות הקצה שביניהן פעל הכוח (ולא במסלול התנועה).
במקרה כזה ניתן להגדיר את האנרגיה הפוטנציאלית של הגוף שנע בהשפעת הכוח כתלות במיקומו במרחב כעבודה שמבצע הכוח על גוף כאשר הוא נע מנקודת ייחוס עד לנקודה זו במסלול כלשהו.
מאחר שהכוח משמר, העבודה תלויה רק בנקודות הקצה, והאנרגיה הפוטנציאלית של הגוף תלויה רק בהעתק שלו:
במערכת שבה פועלים רק כוחות משמרים, האנרגיה המכנית (סכום האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית) משתמרת:
כאשר מושקעת בגוף מסוים אנרגיה על מנת להביאו למיקום מסוים ואנרגיה זו לא נפלטת בחזרה לסביבה, האנרגיה שהושקעה נאצרת בגוף כתוספת לאנרגיה הפוטנציאלית.
את התוספת לאנרגיה הפוטנציאלית ניתן לחשב באמצעות אינטגרציה של הכוח לאורך המסלול מהמיקום ההתחלתי עד למיקום החדש:
כאשר הוא אלמנט דיפרנציאלי מתוך מסלול שכיוונו מהנקודה ההתחלתית לנקודה הסופית.
תוצאת האינטגרל אינה תלויה בבחירת המסלול, לכן לרוב נוח לבחור מסלול ש'רץ' על כל קואורדינטה בנפרד.
(כיוון הווקטורים הוא כיוון המסלול ולאו דווקא הכיוון החיובי של הצירים.)
הכוח הפועל על הגוף הנובע מהאנרגיה הפוטנציאלית יפעל בכיוון שבו האנרגיה הפוטנציאלית קטנה, וגודל הכוח הוא נגזרת האנרגיה הפוטנציאלית לפי קואורדינטה (בדרך כלל מיקום).
במרחב התלת־ממדי הכוח הוא הגראדיאנט של האנרגיה הפוטנציאלית:
כוח זה מקטין את האנרגיה הפוטנציאלית וממיר אותה לסוג אחר של אנרגיה, לרוב לאנרגיה קינטית או לחום.
לכן, האנרגיה הפוטנציאלית היא העבודה שיש ביכולתו של גוף לבצע כתוצאה משינוי ההעתק שלו.
לדוגמה, האנרגיה הפוטנציאלית של כוח רדיאלי שגודלו קטן באופן ריבועי, כלומר כוח מהצורה - היא .
כוח הכבידה והכוח החשמלי הם כוחות כאלה.
במקרה כזה, מערכת הייחוס לרוב נבחרת כך שהאנרגיה הפוטנציאלית מתאפסת כאשר העתק הגוף הוא אינסוף.
בנקודת קיצון של האנרגיה הפוטנציאלית כתלות במקום, הכוח מתאפס והמערכת נמצאת בשיווי משקל מכני.
סביב נקודות מינימום הכוח פועל בכיוון נקודת המינימום ולכן הוא נקרא כוח מחזיר, ונקודת המינימום מהווה שיווי משקל יציב.
גם בנקודות מקסימום הכוח מתאפס, אולם סביב נקודות מקסימום הכוח פועל בכיוון המנוגד אליהן ולכן נקודות מקסימום מהוות שיווי משקל רופף.
האנרגיה הפוטנציאלית של מתנד הרמוני במימד אחד – מערכת הפועלת בהשפעת כוח מחזיר מהצורה - היא , כאשר x הוא ההעתק מנקודת שיווי המשקל של המערכת.
אנרגיה כבידתית היא האנרגיה הפוטנציאלית שנובעת מכוח הכבידה:
כאשר G הוא קבוע הכבידה ו- המסות שביניהן פועל הכוח.
וR הוא המרחק בין מרכזי המסה של שני הגופים.
אנרגיה בשדה כבידה אחיד היא האנרגיה הפוטנציאלית של מסה m בשדה כבידה אחיד, כמו גוף הנע בהשפעת כוח הכובד בקירוב של גבהים קטנים ביחס לרדיוס כדור הארץ:
כאשר g תאוצת הכובד ו-h הגובה מעל נקודת ייחוס כלשהי (לדוגמה הגובה מעל פני האדמה).
את נקודת הייחוס ניתן לבחור באופן שרירותי, שכן תוספת קבוע כלשהו אינה משנה את הפרש האנרגיות, שהוא הגודל הרלוונטי במרבית הבעיות.
הכוח הנובע מהאנרגיה זו הוא F=mg והוא גורם להאצת הגוף כלפי מטה בתאוצת הנפילה החופשית תוך המרת האנרגיה הפוטנציאלית לאנרגיה קינטית.
אנרגיה כבידתית יכולה לשמש בתור אנרגיה הידרואלקטרית לייצור חשמל בתחנת כוח הידרואלקטרית.
אנרגיה פוטנציאלית אפקטיבית משמשת לתיאור מערכת בקואורדינטות קוטביות כמו בעיה דו-גופית.
גודל זה מכיל הן את האנרגיה הכבידתי ובנוסף לה רכיב של האנרגיה הקינטית התלוי בהעתק.
אנרגיה פוטנציאלית אפקטיבית שימושית במיוחד בחישובי מסלולים ובעיות פיזור במכניקה אנליטית.
אנרגיה אלסטית היא אנרגיה פוטנציאלית שמקורה בכוחות חשמליים פנימיים שבין חלקיקי מוצק.
האנרגיה האגורה בקפיץ אידיאלי, לפי חוק הוק, היא זו של הכוח F=-kx:
(אם מותחים את הקפיץ מרפיון פשוט מציבים ).
תנועה בהשפעת אנרגיה פוטנציאלית כזו נקראת תנועה הרמונית פשוטה.
אנרגיה חשמלית היא אנרגיה פוטנציאלית שנובעת מכוחות הנגרמים על ידי מטענים חשמליים .
אנרגיה פוטנציאלית אלקטרוסטטית היא האנרגיה הפוטנציאלית של מטענים במנוחה, הנובעת מחוק קולון.
האנרגיה הפוטנציאלית האלקטרוסטטית של זוג מטענים נקודתיים היא:
כאשר הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק ו-r המרחק בין המטענים.
פוטנציאל חשמלי הוא האנרגיה האלקטרוסטטית של יחידת מטען במערכת.
שדה חשמלי הוא כוח חשמלי ליחידת מטען, ולכן הקשר בין פוטנציאל חשמלי ושדה חשמלי דומה לקשר בין אנרגיה פוטנציאלית וכוח.
אנרגיה פוטנציאלית אלקטרודינמית (או אנרגיה אלקטרומגנטית) היא אנרגיה פוטנציאלית שנובעת מכוח לורנץ – הכוח שפועל על מטען חשמלי בהשפעת שדה חשמלי ושדה מגנטי.
ניתן לייחס את האנרגיה האלקטרומגנטית ישירות לשדה האלקטרומגנטי:
כאשר הוא המקדם הדיאלקטרי של התווך, השדה החשמלי, המקדם המגנטי של התווך, השדה המגנטי והאינטגרל הוא על כל המרחב.
שטף האנרגיה האלקטרומגנטית מתואר על ידי וקטור פוינטינג, והוא שימושי במיוחד לתיאור קרינה אלקטרומגנטית.
ניתן להמיר את אנרגיית האור לצורות אנרגיה אחרות: בבליעת אור היא מומרת לאנרגיית חום, בפוטוסינתזה לאנרגיה כימית, ובתא פוטו-וולטאי לאנרגיה פוטנציאלית אלקטרוסטטית.
אנרגיה כימית היא אנרגיה פוטנציאלית חשמלית שאגורה בקשרים כימיים שבין אטומים במולקולות או בקשרים בין מולקולריים.
אנרגיה כימית הופכת לצורות אחרות של אנרגיה בתגובה כימית, כמו בעירה, פוטוסינתזה ואלקטרוכימיה.
אנרגיה גרעינית היא אנרגיה פוטנציאלית שאגורה בחלקיקים שבגרעין האטום.
היא נובעת מהכוח הגרעיני ומהכוח הגרעיני החלש.
האנרגיה הגרעינית יכולה להשתחרר בביקוע גרעיני, בהיתוך גרעיני או בהתפרקות רדיואקטיבית.
אנרגיה פוטנציאלית חשמלית היא אנרגיה פוטנציאלית האצורה בשדה חשמלי, הנובעת מכוח לורנץ הפועל על מטען חשמלי בשדה אלקטרומגנטי.
ביחידות SI, אנרגיה פוטנציאלית חשמלית נמדדת בג'אול.
אנרגיה פוטנציאלית של חלקיק טעון
האנרגיה החשמלית נובעת מהימצאותו של מטען חשמלי בתוך שדה חשמלי.
האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של חלקיק q המצוי בפוטנציאל חשמלי שווה למכפלה .
העבודה הנדרשת להעברת מטען זה דרך הפרש פוטנציאלים נתונה על ידי המשוואה הבאה:
אנרגיה פוטנציאלית האצורה בקבוצת מטענים
האנרגיה הפוטנציאלית בין שני מטענים שווה לאנרגיה הפוטנציאלית של אחד המטענים בהשפעת השדה החשמלי שיוצר חשמל של המטען השני.
כלומר, אם מטען יוצר בנקודה בה מונח מטען
פוטנציאל חשמלי , אז האנרגיה הפוטנציאלית האצורה תהיה: .
ניתן היה לחשב את האנרגיה גם על פי הפוטנציאל בנקודה , ולכן ברור שמתקיים:
ביטוי זה ניתן להכללה עבור קבוצה של מטענים הממוקמים בנקודות , כאשר בכל אחת מנקודות אלו יש פוטנציאל של שנוצר בהשפעת כל המטענים פרט למטען הנמצא בנקודה .
הביטוי עבור המקרה הכללי הוא:
הערה: ההכפלה בחצי נועדה לפצות על ספירה כפולה של ההשפעה ההדדית בין כל שני מטענים.
אנרגיה פוטנציאלית האצורה בפילוג מטען מרחבי
ניתן להכליל שוב את הביטוי מהסעיף הקודם כדי לקבל ביטוי עבור האנרגיה הפוטנציאלית של פילוג מטען שאינו מורכב בהכרח מאוסף מטענים נקודתיים אלא מפוזר על פני מרחב:
הצפיפות במקום ללא מטען היא 0, כך שלרוב צריך לבצע אינטגרציה על התחום בו הגוף הטעון נמצא בלבד משום שהאינטגרל מתאפס בשאר המרחב.
אנרגיה פוטנציאלית האצורה בשדה חשמלי
ניתן להשתמש במשוואה של האנרגיה הפוטנציאלית האצורה בפילוג מטען מרחבי ולהביאה למונחים של השדה החשמלי.
על פי חוק גאוס (בצורתו הדיפרנציאלית):
הוא המקדם הדיאלקטרי היחסי של התווך.
הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק.
על פי חוקי אנליזה וקטורית:
תוך שימוש במשפט גאוס (משפט הדיברגנץ), קביעה שהפוטנציאל החשמלי באינסוף מתאפס ואינטגרל על כל המרחב ():
כלומר אנרגיית כלל המערכת האצורה בשדה החשמלי היא:
מנוסחה זאת ניתן להגדיר צפיפות אנרגיה נפחית לאנרגיית המערכת, כלומר:
אמנם ניתן להגדיר צפיפות אנרגיה גם באמצעות פילוג מטען מרחבי , אבל משיקולי נוחות ותאימות לתופעות מתחום האלקטרודינמיקה, מקובל להשתמש בנוסחה זו.
אֵנֶרְגִּיָּה שִׁמְשִׁית היא אנרגיה שמקורה בקרינת השמש.
מתקני אנרגיה סולארית ממירים את הקרינה האלקטרומגנטית שמגיעה מהשמש לאנרגיה תרמית או לחשמל.
מצד אחד, עקב ההספק הכולל הגבוה של קרינת השמש על פני כל כדור הארץ יכולה האנרגיה הסולארית להיות מרכיב משמעותי בשוק האנרגיה העולמי, היות שצריכת האנרגיה העולמית השנתית משתווה להספק קרינת השמש המגיעה לפני כדור הארץ במשך שעות ספורות.
מצד שני, צפיפות ההספק ליחידת שטח נמוכה יחסית, פחות מ־1000 וואט למ"ר, ולכן קצירת אנרגיית השמש יקרה, ורק בעשור השני של המאה ה-21 הגיעה בארצות שונות לכדאיות כלכלית.
השימושים של אנרגיה שמקורה בשמש הם מגוונים.
ניתן להשתמש באנרגיה זו באופן ישיר למטרות חימום, אידוי וייבוש מזון, כמו בישול בעזרת תנור שמש, בריכות אידוי להפקת תרכובות מלח וייבוש כביסה.
באופן דומה, דודי שמש משמשים לחימום מים לצריכה ביתית.
ריכוז קרינת השמש באמצעות מראות או עדשות וכן מערכות עקיבת שמש מאפשר ניצול טוב יותר של אנרגיית שמש והענות ליישומים שבהם נדרשת טמפרטורה גבוהה.
מתקני עקיבה, שעוקבים אחר תנועת השמש בשמים בשעות היום, עשויים לתרום להגדלת נצילות גם ללא ריכוז.
שימוש נרחב של אנרגיית השמש לצרכים תעשייתיים או לצורך יצירת חשמל ייתכן באחת משתי דרכים:
קצירת אנרגיה תרמו־שמשית – חימום נוזל לצורך הפעלת מנוע חום שמייצר חשמל או עבודה מכנית.
קצירת אנרגיה פוטו־וולטאית (אנרגיה פוטו־חשמלית) – שימוש בתאים פוטו־וולטאיים להמרת אור לזרם ישר.
את האנרגיה השמשית ניתן לנצל מיידית, או לאגור באמצעים שונים ולהפיק את האנרגיה מהאמצעים הללו מאוחר יותר בהתאם לצורך.
אמצעי האגירה כוללים אגירה חשמלית בסוללות, שאיבת מיים לגובה, ואגירה תרמית במסות נוזליות או מוצקות.
באופן עקיף, אנרגיית השמש אחראית למגוון תהליכים שמביאים ליצירת מקורות אנרגיה שונים שנמצאים כיום בשימוש, כמו אנרגיית רוח, אנרגיה הידרואלקטרית ועוד.
למעשה, אור השמש אפשר את חייהם של יצורים קדומים, שבמשך הזמן הפכו לנפט.
דלק מאובנים זה משמש כיום את האנושות כמקור אנרגיה עיקרי.
עם זאת, שימוש באנרגיה סולארית שכדור הארץ ספג בעבר הרחוק על ידי שריפת דלק מאובנים מעלה את ריכוז דו־תחמוצת הפחמן, מגבירה את אפקט החממה, ואינה רצויה.
נכון לאמצע 2024, פאנלים שמשיים תופסים בכדור הארץ שטח של כ-10,000 קמ"ר, ומספקים כ–6% מצריכת החשמל בעולם.
דוד שמש מבוסס על קולטי שמש ההופכים אנרגיית שמש לאנרגיית חום.
המים המחוממים בקולטים זורמים לדודי שמש עד לשימוש בהם.
בישראל, יפן וארצות נוספות, מותקנים דודי שמש בבתי קרקע רבים ובישראל שטופת השמש חוסכים כ־3%-4% מתצרוכת החשמל של ישראל.
על פי החוק הישראלי כל בית מגורים חדש שנבנה חייב להיות מצויד בקולטי שמש.
במגדלי מגורים קולטי השמש הם רק עבור הקומות העליונות.
הזרמת המים מקולטי השמש לדוד השמש מתרחשת, במצב שדוד השמש גבוה מהקולטים, על ידי השימוש באפקט התרמוסיפון שבו ההפרש במשקל הסגולי בין המים החמים והקרים גורם למים המתחממים בקולט, לזרום אל דוד השמש, ללא צורך במשאבה.
שמעון קליר היה אחד ממובילי פיתוח טכנולוגיות לניצול מקסימלי של אנרגיית השמש והוביל כבר משנות השמונים את חברת אראל אנרגיה ( חלק מתשלובת מפעלי ארגמן ביבנה ) שפיתחה טכנולוגיה לחימום מים וסביבה לשמוש גם באזורים קרים ובעלי קרינה נמוכה.
הקולט הייחודי שפיתח קליר משתמש בטכנולוגיית בידוד שקוף המאפשרת לקרינת השמש להיכנס מבעד לבידוד אך מונעת ממנו מלחזור לסביבה.
חברת תיגי סולאר הנסחרת בבורסה בתל אביב, אותה הקים קליר משתמשת עד היום בטכנולוגיה זו במוצריה השונים.
קליר זכה בפרסים בינלאומיים רבים על תרומתו לפיתוח טכנולוגיות לניצול אנרגיית השמש, ביניהם פרסי InterSolar ו Global CleanTech100
בשיטה הסולארית־תרמית הופכים בעזרת קולטי שמש את אנרגיית השמש לחום הנקלט בשמן המחמם מים ויוצר קיטור אשר מניע טורבינה המייצרת חשמל.
לחלופין, קרינת השמש מחממת את המים ויוצרת קיטור ישירות.
שקתות פרבוליות : נוזל תרמי, (שמן עם טמפרטורת רתיחה גבוהה או מים) זורם בצינור הנמצא במוקד של מראה פרבולית העוקבת אחרי השמש בציר אחד.
השמן נכנס למחליף חום שבו החום עובר למים ויוצר קיטור שנכנס לטורבינת קיטור המניעה גנרטור.
במגדל שמש הליוסטטים עוקבים אחרי השמש בשני צירים ומרכזים את האור לקולט מטרה הנמצא על מגדל.
תחנות ניסיוניות נבנו בשיטה זו בצרפת, ארצות הברית, ובמכון ויצמן בישראל.
עוד בשנות השמונים השתמשו בקולט שמש שחימם מים, מלח מומס או אוויר דחוס.
תחנה מסחרית שהוקמה בספרד PS10 ליד סביליה משתמשת בקולט המייצר קיטור רווי ב־275 מעלות צלזיוס ופועלת בהספק שיא של 10 מגה־וואט.
בצמוד פועלת מאז 2009 תחנה PS20 משופרת בהספק שיא כפול של 20 מגה־וואט.
שתיהן חלק ממפעל בהספק שיא כולל של 300 מגה־וואט שיספק חשמל לעיר הסמוכה סביליה.
צלחת פרבולית (Parabolic Dish Systems) – צלחת הכוללת משטח קטעים פרבולי ועוקבת אחרי השמש בשני צירים.
מהחום מופק חשמל על ידי מנוע סטרלינג (Stirling) או טורבינת גז קטנה.
ניתן לקבל נצילויות גבוהות בהקפי ייצור חשמל של עשרות ומאות קילוואט בלבד.
אפשר גם להפעיל תחנת כוח מסחרית עם עשרות או מאות צלחות פרבוליות.
המרה תרמו-חשמלית - המרת החום ישירות לאנרגיה חשמלית על ידי שימוש בצמד מתכות.
הפרשי חום בין המתכות גורמים להיווצרות זרם חשמלי היוצא מהן, ולהפך, העברת חשמל במתכות עשויה לגרום להתקררות המתכת האחת בעוד השנייה מתחממת.
יעילות מערכות אלו קטנה יחסית.
המרה ישירה של אנרגיית השמש לחשמל נעשית באמצעות תא פוטו־וולטאי (תא שמש), שעשוי לרוב מסיליקון בטכנולוגיה לייצור שבבים, בנוי מסרט מוליך למחצה הנתון בין שתי אלקטרודות.
בעת החשיפה לאור, ניתקים האלקטרונים ממקומם ויוצרים תנועה חשמלית.
הניצולת של תא כזה היא נמוכה יחסית (כ־18 אחוז) אך מחירו שהיה יקר בעבר, ירד בשנים האחרונות וכיום ייצור חשמל באמצעות תא פוטו־וולטאי מתחרה בייצור חשמל מדלקים פוסיליים, ההוזלה של פאנלים פוטו־וולטאיים, סיניים בעיקר, מתחרה קשות בטכנולוגיות המבוססות על ריכוז ועקיבת שמש.
שטף האנרגיה הנקלט מעל לאטמוספירה של כדור הארץ מן השמש (הקבוע הסולארי) הוא 1,366 ואט למ"ר.
בגלל בליעת האטמוספירה, ההספק המגיע לכדור הארץ הוא רק כ־1,000 וואט למ"ר וזאת בתנאים מיטביים, כלומר בקו המשווה, בצהרי היום, ללא עננות ובנקודת ההיפוך.
היעילות של תא פוטו־וולטאי היא כ־18%.
בבאר־שבע שטופת השמש, לדוגמה, מ"ר אחד של פאנל סולארי יכול להפיק בשנה 318 קילו־וואט שעה.
תחנת כוח פוטו־וולטאית גדולה קמה בפארק הסולארי ואלדפולנץ, גרמניה.
בשנת 2020 הופעלה תחנת כוח פוטו-וולטאית בהודו בהספק של 2245 מגוו"ט על שטח של 57 קמ"ר.
ב־2016 נחנכה באשלים שבנגב תחנת כוח פוטו־וולטאית של 30 מגה־וואט.
נתח נוסף של אנרגיה סולארית נאסף בגגות בתים ומבנים.
בעידוד הממשלה, באמצעות רשות החשמל, גדל נתח זה וניתן לראות בתים ומבנים רבים בישראל שעל גגותיהם יש מערכות סולאריות, המזינות את אספקת החשמל בבתים ובמבנים ומזרימות את הנותר לרשת החשמל הארצית.
בשנים 1950–1990 פעלו במפעלי ארגמן ביבנה ובסמוך לים המלח ובאתרים נוספים תחנות כוח סולארית נסיוניות מסוג בריכת שמש, המתבססת על ריבוד שכבות לפי משקל סגולי והצטברות חום בשכבות הנמוכות.
חברת סולמת (מקבוצת אורמת) הקימה בריכת שמש גדולה חצי־מסחרית ליד ים המלח, אך הפרויקט נכשל בגלל קלקול של ריבוד השכבות על ידי גלים שעוררה רוח מצויה.
במרכז הלאומי לאנרגיית השמש באוניברסיטת בן-גוריון, נערכים מאז שנות ה־70 של המאה ה־20 מחקרים בתחום הסולארי־תרמי והפוטו־וולטאי, העוסקים בין השאר בתא פוטו־וולטאי מבוסס פחמן, ובייצור חשמל פוטו־וולטאי באמצעות שימוש במראה פרבולית מרכזת גדולה, המופיעה בתמונה.
במעבדת "Excitonics" בפקולטה להנדסת מכונות טכניון, פותחה גישה חדשנית הנקראת (TEPL (Thermally Enhanced Photoluminescence.
חומר הבולע בהתקן הוא בעל תכונות פלואורסצנטיות.
בהתקן TEPL, אם ערך ה־QE גבוה והבולע נמצא בטמפרטורה גבוהה, יחד עם אופטימיזציה של פרמטרים נוספים (כגון ריכוז השמש ואיכות הבידוד התרמי להפחתת איבוד חום ואיבודים קרינתיים) ניתן להגיע ליעילות של 45% בולע שכזה יורכב ממערכת של חומרים שונים המוטמעים בתוך מטריצה שקופה.
דוגמה למערכת שהוצעה, אשר לה פוטנציאל לשמש כבולע יעיל, היא שילוב החומרים Nd, Cr, ו־Yb בתוך מטריצה של גביש מסוג YAG.
טכנולוגיה חדשנית הנמצאת בשלבי מחקר מנצלת שימוש בלוחות OLED המבוססים על חומרים אורגניים, לניצול אור שמש לשם הפקת אנרגיה חשמלית.
כיום משתמשים בתהליך ההפוך של פליטת אור באמצעות זרם חשמלי לייצור צגים דקים לטלפונים סלולריים וטלוויזיות המחליפים את מסכי ה־LCD.
יתרונה הפוטנציאלי של הטכנולוגיה היא עלות ייצור נמוכה, נצילות אנרגטית גבוהה ושימוש בחומרים אורגניים מתכלים.
בשנים האחרונות חלה עליה ביעילות פאנלים סולריים וירידה במחיריהם.
לדוגמה, במכרז שנערך ב־2019 בישראל לייצור אנרגיה סולארית משדות גדולים זכתה הצעה לחיוב חברת חשמל ב־15 אגורות לקוט"ש, מחיר הנמוך ב־90 אחוז לעומת מכרזים דומים מלפני עשור.
מחיר זה נמוך לעומת הפקת חשמל מזהמת מדלקים.
ללא עתודות נפט ועם יחסים רעועים עם שכנותיה העשירות בנפט, חיפוש אחר מקור יציב של אנרגיה היה בראש סדר העדיפויות הלאומי של ישראל בראשית שנותיה, ונערך מחקר בשימוש של אנרגיה סולארית.
בשנות החמישים פיתח ד"ר הארי צבי תבור במעבדה הישראלית לפיזיקה לוחות סולאריים סלקטיביים אשר קולטים את השמש ביעילות, אך פולטים את החום הנוצר באופן לא יעיל וכך הם מתחממים ויכולים להזין דוד שמש.
השכיחות השנתית הגבוהה של השמש בנגב דרבנה תעשיית מחקר ופיתוח סולארית בעל שם עולמי.
מהנדסים ישראלים היו בחוד החנית של טכנולוגיית האנרגיה הסולארית וחברות ישראליות כמו אורמת, לוז, וברייט סורס, עבדו על פרויקטים בארץ ומסביב לעולם.
הטכנולוגיה הסולארית בישראל התקדמה לנקודה בה היא תחרותית בדלק מאובנים.
היישום של אנרגיה סולארית בישראל הולך ומתרחב בעיקר בתחום הפוטו־וולטאי.
בבאר־שבע שטופת השמש, לדוגמה, מ"ר אחד של פאנל פוטו-וולטאי יכול להפיק בשנה 318 קילו־וואט שעה.
מכך נובע, שבהיבט של כמות האנרגיה שניתן לייצר בשנה, ניתן באופן תאורטי לייצר 100% מצריכת החשמל בישראל (73TWh נכון ל-2020) באמצעות אנרגיה סולארית על ידי לוחות פוטו-וולטאים בשטח כולל של כ-230 קמ"ר (כ-2.5% משטח הנגב).
המכשול הטכני העיקרי הוא אגירת אנרגיה בכמות גדולה לשימוש בשעות הלילה ובימים חורפיים במיוחד.
מדינת ישראל הצהירה שהיא מעוניינת להגיע בשנת 2020 לייצור חשמל ירוק בהיקף של כ־10% מהצריכה הלאומית.
את אנרגיה ממקורות מתחדשים בשנת ב־4%, 5% ו־7% כנתח האנרגיה המתחדשת (החשמל הירוק) מתוך כלל יצור החשמל בארץ ב־2020. ברית הפיקוח הקיבוצית העריכה שעד סוף 2019 הותקנו פרויקטים של אנרגיה סולארית בהספק של כ־2,000 מגה־וואט שיא, המאפשרים ייצור של כ־7% מצריכת החשמל השנתית במשק.
כדי לעמוד ביעד של 10% ייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות, יש להרחיב את ההספק הסולארי המותקן בישראל בכ־1,500 מגהוואט שיא נוספים עד סוף שנת 2020. ימים יגידו אם ישראל תעמוד באתגר של 25-30% אספקת אנרגיה ממקורות מתחדשים בשנת 2030.
צריכת החום העולמית גבוהה יותר מצריכת החשמל והתחבורה גם יחד.
שוק הפקת ואגירת החום עדיין בחיתוליו וישנן מספר חברות ישראליות ובינלאומיות הפועלות בשוק משמעותי זה.
מערכות הפקת חום ביעילות גבוהה כמעט פי שניים ועם הגעה לטמפרטורות גבוהות יותר פותחו על ידי שמעון קליר וצוותו בחברת תיגי.
למערכות אלו יש התאמה טובה לסביבה קרה הודות לבידוד משופר שפיתחה החברה והן הותקנו גם ביקבי רמת הגולן, מדגרת עוף טוב, בית קיי בנהריה, ובמבנים באוסלו, נורווגיה.
פרויקט לדוגמה בו נעשה שימוש באנרגיה סולארית לחימום מים בעזרת קולטים בשנת 2008 על ידי חברת 'כרומגן' הוא מלון PRIMA MUSIC בחוף אלמוג באילת, הכולל 140 חדרים ומטבח מרכזי.
הותקנו כ־105 מטר רבוע של קולטים החוסכים 95 מגה־וואט שעה לשנה שהיו נדרשים לחימום המים בגז.
בדומה לדוד שמש ביתי נצילות האנרגיה לחימום מים היא מעל 40%.
תקופת החזר ההשקעה היא כ־4.5 שנים.
חברת לוז מירושלים הקימה בשנות ה־80 של המאה ה־20 בקליפורניה תשעה מתקנים בטכנולוגיה התרמית של קשתות פרבוליות, בשלוש תחנות כוח ובהיקף כולל של 354 מגה־וואט שיא (כולל התחנה הסולארית הגדולה בעולם בזמנו בהספק נקוב של 160 מגה־וואט שיא והשנייה בגודלה בעולם בהספק 150 מגה־וואט שיא).
התחנות עדיין עובדות כיום ומופעלות על ידי חברת Florida Power & Light ואף מייצרות חשמל מעבר להספק הנקוב הודות לשיפורים טכנולוגיים הכוללים קולט חדש שפותח ויוצר על ידי חברת סולל מבית שמש.
סולל הוקמה על ידי אבי ברנמילר ויוצאי לוז נוספים, נמכרה לסימנס וחדלה לפעול.
ברייטסורס תעשיות ישראל עוסקת במחקר ופיתוח ובהקמה של מערכות תרמו־סולאריות מבוססות מגדל שמש.
היא הפעילה עד 2019 תחנת כוח ניסויית במישור רותם בהספק של 4 מגה־וואט שיא.
יחד עם שותפות, יזמה ברייטסורס והקימה בשמורת מדבר מוהבה בגבול קליפורניה־נבדה את תחנת הכוח איובנפה, תחנה בת שלושה מגדלי שמש בהספק כולל שדל 392 מגה־ואט שיא שהחלה לפעול ב־2014. בנוסף, הקימה את מגדל השמש בהספק של 121 מגה־וואט שיא באשלים בנגב.
יש גם יוזמות נוספות לשימוש באנרגיה סולרית בישראל.
עיריית אשדוד, לדוגמה, אחת מפורום ה־15 הערים העצמאיות בישראל אשר אינן מקבלות מענקים ממשלתיים ומתנהלות באופן עצמאי ממשאביהן המקומיים, החליטה בשנת 2020 לרכוש פאנלים סולריים ולפרוש אותם ברחבי העיר.
העירייה ניצלה את האילוץ לסגור את מוסדות החינוך בעיר בעקבות התפרצות נגיף הקורונה בישראל, ובשיתוף עם מפעל הפיס התקינה פאנלים סולריים על גג העירייה ועל גגות של ארבעה עשר בתי ספר בעיר.
מהלך זה צפוי להוזיל את מחירי החשמל בעיר אשדוד ולהכניס לקופת העירייה כשני מיליון ש"ח מדי שנה.
היתרונות העיקריים של האנרגיה הסולארית
עצמאות בהפקת חשמל, חוסר תלות במקורות דלק מתכלים ובמדינות המפיקות אותם, כמו התלות בעליית מחירי הדלקים.
הפקת אנרגיה נקיה שאיננה פוגעת בסביבה.
אפשרות להתקנה על גגות ובכך לחסוך משאבי קרקע.
אנרגיית השמש אינה מתכלה כמו מקורות אנרגיה המתבססים על דלק.
התאמה טובה לעקומת הביקוש לחשמל.
תחנת כוח תרמו-סולארית יכולה לכלול גיבוי בגז תוך שימוש באותו גנרטור, ולא נדרשת הקמת תחנת כוח נוספת לגיבוי כבטורבינות רוח למשל.
אי-תלות בחברת החשמל במידה ומתקינים את המערכת עם סוללות פריקה עמוקה.
החסרונות העיקריים של האנרגיה הסולארית
השקעה ראשונית גבוהה המתבטאת בעלות גבוהה לקילוואט בהשוואה לתחנות כוח קונבנציונליות.
חציבת המשאבים ליצירת הפאנלים הסולאריים גורמת לזיהום סביבתי.
הצורך להחליף פאנלים סולאריים אחרי 15–30 שנות פעילות.
אי-רציפות: הפקת אנרגיה נמוכה ותנודתית בימים מעוננים, ואי־הפקה בלילה, דבר המחייב מערכת אגירה או השקעה בהקמת תחנת גיבוי בגז.
חציבת המשאבים ליצירת מערכת האגירה (סוללות) גורמת לזיהום הסביבה.
הצורך להחליף סוללות אחרי 5–15 שנות פעילות.
אי אפשר כיום למחזר את הפאנלים הסולאריים ואת סוללות אגירת החשמל שלהם ולכן מטמינים אותם באדמה, אך חלק מהחומרים מהם הפאנלים הסולאריים והסוללות מיוצרים הם רעילים ומזהמים ויכולים לפגוע בסביבה, אם כי ישנם מספר פיתוחים חדשים למחזור פנלים.
תפיסת שטח רב בהשוואה להפקת חשמל מפחם, דלק נוזלי, גז או אנרגיה גרעינית.
אין אפשרות לייצר אנרגיה במקרה של מזג אוויר מעונן, כיוון שאז קרני השמש נחסמות על ידי העננים.
אנרגיה תרמית או אנרגיית חום, היא חלק האנרגיה של מערכת או גוף מסוימים, שמיוחס לטמפרטורה שלו.
אנרגיה זו, אשר היא חלק מהאנרגיה הפנימית, מתארת את כמות החום האגורה במערכת.
אופייה ה"תרמי" של האנרגיה הזו נובע מכך שהיא מתארת אנרגיות חלקיות של החלקיקים המיקרוסקופיים שמרכיבים את המערכת, ואשר נעים באופן אקראי, ובמהירות ממוצעת הקשורה בטמפרטורה.
ניתן למדל אנרגיה זו, כסכום האנרגיות הקינטיות של כלל החלקיקים במערכת.
עבור חלקיק יחיד, זוהי האנרגיה הקינטית הממוצעת עבור טמפרטורה מסוימת.
מושג זה של אנרגיה נמצא בשימוש בתחומי התרמודינמיקה והמכניקה הסטטיסטית.
עבור מערכת בעלת N חלקיקים האנרגיה התרמית שווה:
הוא מספר דרגות החופש לתנועה במערכת.
למשל, עבור מולקולה חד-אטומית f=3, בהתאם לתנועה בשלושה ממדים.
עבור מולקולות מורכבות יותר נוספות דרגות חופש של שלושה צירי סיבוב, או של ויברציות.
אנרגיית חום היא האנרגיה המושקעת בעת עלייה בטמפרטורה של גוף בכל חומר שהוא, התכתו ואידויו.
אנרגיית החום נגרעת ומשתחררת בעת שרפה (בעירה), הקפאה ועיבוי.
מוסכמת הנוסחה הבאה אשר מתארת את האנרגיה הנפלטת בעת בעירה:
q הוא קבוע אשר משתנה בכל חומר בעירה, הנמדד בדרך כלל ביחידות או .
m הוא המסה של החומר שמבעירים בעזרתו (לדוגמה: מסת הפחמים).
נמדד ביחידות גרם או ק"ג בהתאם ל־q.
ה(-) שבהתחלה מציין כי האנרגיה נפלטת ולא מושקעת.
Q הוא אנרגיית החום הכוללת של הבעירה והוא נמדד ביחידות ג'ול.
מוסכמת הנוסחה הבאה אשר מתארת את האנרגיה המושקעת בעת עליה בטמפרטורה של חומר:
m הוא המסה (הכמות הכוללת) של כל החומר שרוצים להעלות בטמפרטורה.
ככל שהמסה גדולה יותר, ככה נדרשת יותר אנרגיה.
המסה נמדדת ביחידות בהתאם ליחידת קיבול החום הסגולי (c).
c הוא קבוע (קיבול חום סגולי) אשר משתנה מחומר לחומר.
נמדד ביחידות J/g°C (ג'ול חלקי גרם לטמפ' צלזיוס).
מיוחס אל הפרש הטמפרטורה החדשה של הגוף (שהחומר הגיע אליה) עם הטמפרטורה הקודמת שלו.
נהוג לרשום גם כ כאשר הוא הטמפרטורה של הגוף אחרי כל תהליך העלייה בטמפרטורה ו- הוא הטמפרטורה המקורית.
נמדד בדרך כלל ביחידות צלזיוס (בהתאם לקיבול החום הסגולי).
Q הוא אנרגיית החום הכוללת של העלייה בטמפרטורה והוא נמדד ביחידות ג'ול.
בעת התכה עצמה, לא מושקעת אותה אנרגיית חום של העלייה בטמפרטורה אלא אנרגיה שונה המיוחדת להתכה.
m הוא המסה של הגוף - הכמות הכוללת של החומר העובר את תהליך ההתכה.
בדר"כ ביחידות גרם, אך תלוי בחום ההיתוך הסגולי.
הוא חום ההיתוך הסגולי, קבוע אשר שונה אצל כל חומר ומצב הצבירה שלו.
חום ההיתוך הסגולי נמדד ביחידות או , בהתאם למסה.
Q הוא אנרגיית החום המושקעת בהיתוך ונמדד ביחידות ג'ול.
גם בעת האידוי, לא מושקעת אותה אנרגיית חום של העלייה בטמפרטורה.
אנרגיית החום המושקעת באידוי לרוב תהיה גבוהה ביחס לשאר האנרגיות שפורטו, וזאת מאחר שבעת הרתיחה יש צורך לשבור הכי הרבה קשרים במולקולות.
לכן גם התהליך לוקח מעט יותר זמן ברוב המקרים.
m הוא המסה של הגוף - הכמות הכוללת של החומר העובר את תהליך הרתיחה.
בדר"כ נמדד ביחידות גרם אך תלוי בחום הרתיחה הסגולי.
L הוא קבוע אשר משתנה מחומר לחומר, והוא נקרא חום רתיחה סגולי.
חום הרתיחה הסגולי נמדד ביחידות או , בהתאם למסה.
Q הוא אנרגיית החום המושקעת ברתיחה ונמדד ביחידות ג'ול.
אנרגיה הידרואלקטרית (מיוונית: הידרו [ὑδρο-] = מים, אלקטרו [ἠλεκτρο-] = חשמל) היא אנרגיה חשמלית שמקורה בתנועת המים.
זוהי האנרגיה המתחדשת הנפוצה ביותר על כדור הארץ, המיוצרת באמצעות ניצול תנועת המים בנהרות, בנחלים, במפלים, בגלי ים ובתנועת גאות ושפל של האוקיינוסים.
את האנרגיה מתנועת המים ניתן להסב בקלות לחשמל על ידי ניצול זרימת המים לסיבוב גלגל (טורבינה), המייצר אנרגיה חשמלית.
האתר שבו מותמרת האנרגיה מאנרגיה מכנית לחשמלית נקרא "תחנת כוח הידרואלקטרית".
בתחנת כוח הידרואלקטרית מים הנופלים מפתח סכר או ממפל מים טבעי, מסובבים טורבינה.
מרגע שתחנת כוח כזו נבנית ומופעלת, כמעט שלא נוצרים גזי חממה או פסולת בעקבות פעולת התחנה.
המים ניתנים לאגירה באגמים טבעיים או מלאכותיים או במאגרים אחרים.
באופן זה ניתן לאגור את אנרגיית המים הפוטנציאלית (כאנרגיה שאובה) ולהשתמש בה לייצור חשמל כאשר יש צורך בכך.
תחנת הכוח ההידרואלקטרית הראשונה הוקמה באנגליה בשנת 1870.
בסך הכל, נכון לשנת 2020, סך הייצור העולמי של אנרגיה זו הגיע קרוב ל-4500 טרה (תחילית)-ואט-שעה (הספק ממוצע של כ-500 גיגה-ואט), שהוא כ- 17% מתצרוכת החשמל העולמית, וכ-60% מהחשמל שהופק בעזרת אנרגיה מתחדשת.
החל משנת 2007 תחנת הכוח הגדולה ביותר בעולם היא התחנה ההידרואלקטרית בסכר שלושת הערוצים שבסין, ומשנת 2012 כושר הייצור שלה עומד על 22.5 גיגה-ואט.
תחנת כוח הידרואלקטרית היא תחנת כוח המייצרת חשמל באמצעות זרימת מים.
אנרגיה המיוצרת בתחנת כוח כזו היא אנרגיה מתחדשת, ולאחר סיום בניית תחנת כוח זו, ייצור החשמל נעשה כמעט ללא תוצרי לוואי כגון גזי חממה או פסולת המשתחררים לאוויר.
סכירת מי נהרות היא השיטה הוותיקה והידועה ביותר להפקת חשמל הידרואלקטרי, ונפוצה עד היום בכל העולם.
בין הסכרים ההידרואלקטריים המפורסמים ניתן למנות את סכר הובר שעל נהר הקולורדו בארצות הברית, סכר אסואן שבמצרים וסכר שלושת הערוצים שבסין.
המדינה שבה יש שימוש מרבי באנרגיה הידרואלקטרית היא סין, שם הוקמו על נהרות עשרות סכרי ענק, שבהם מפיקים אנרגיה רבה, תוך פינוי המוני בני אדם מבתיהם.
על פי טענות ארגוני סביבה, יצירת סכרי הענק גרמה גם לפגיעה סביבתית גדולה ולשינויים במאזן האקולוגי.
מדינות נוספות שבהן משתמשים רבות בטכנולוגיה זו הן קנדה, ברזיל, רוסיה וארצות הברית.
שיטה נוספת היא אנרגיית גאות ושפל המתבססת על ההפרשים של גובה גלי האוקיינוסים בעולם בזמני הגאות והשפל.
בצפון צרפת נחנכה בשפך נהר הראנס, בשנת 1966 תחנת הכוח לה ראנס, שהיא בעצם סכר גאות ושפל, שבה קבועות 24 טורבינות דו כיווניות.
כל אחת בהספק של 10.3 מגה ואט בזמן שיא (240 מגה ואט לכל התחנה), כך שבאופן ממוצע מספקת התחנה 68 מגה ואט לשעה.
הפרובינציה נובה סקוטיה הקנדית במזרח קנדה הציבה במפרץ פאנדי, על קרקע המפרץ, טורבינות תת-ימיות שמנצלות את האפקט של תהודת גלי גאות המיוחדים למפרץ זה.
סוג חדש יחסית של אנרגיה הידרואלקטרית היא אנרגיית גלים, אשר בה מנצלים את גלי הים לסיבוב טורבינה וייצור חשמל.
ניתן לנצל באופן דומה זרמי ים קבועים שנגרמים על ידי רוחות.
ונעשו גם ניסיונות ביפן להפקת חשמל באמצעות רפסודות האוצרות את אנרגיית הגלים ונבנו מתקנים בחוף המערבי של ארצות הברית ובארצות הסקנדינביות לניצול הזרם הנובע מהפרשי החום והקור הניכרים בין שכבות המים השונות.
לא מזהם את האוויר אחרי השלמת ההקמה וחסר סכנת זיהום קרינה.
מופעלת על ידי אנרגיית התנועה של המים
אנרגיה נקייה המיוצרת ללא תהליך בערה
נצילות גבוהה- לאנרגיה זו נצילות גבוהה סביב 90% (לעומת אנרגיית רוח בעלת 25%).
גרימה למותם של יצורים החיים במים, כמו דגים ואצות
השקעה התחלתית- השקעה ראשונית גבוהה כדי ליצור תחנת כוח חדשה.
כמות המשקעים בהתאם- היצור תלוי בגשמים, בעיקר באזורים מסוימים.
כל אלה גורמים למריבות רבות בין החברות שמייצרות את הסכר לבין ארגוני טבע.
בישראל מספר תחנות הידרואלקטריות קטנות, המייצרות חלק זניח מתוך סך החשמל הכללי המיוצר במדינה.
בישראל אין מפלים המאפשרים ניצול אנרגיה הידרואלקטרית, אולם כבר בנימין זאב הרצל העלה בספרו אלטנוילנד את רעיון תעלת הימים.
מדובר על חפירת תעלה שתזרים מים לים המלח מהים התיכון או מים סוף לשם ייצור חשמל בעזרת זרימת מים זו, בזכות הבדלי הגבהים שבין ים המלח לימים האחרים.
בשנות החמישים החלו לעבד תוכניות לייצור חשמל מטורבינות מים בתעלת הימים, שהייתה אמורה לזרום מהים התיכון או מים סוף לים המלח, תוך ניצול הפרשי הגבהים הגדולים.
בדיקות הראו שאין לתוכנית כדאיות כלכלית, למרות ההשקעות העצומות שכבר גויסו לשם כך מיהודי התפוצות, והתוכנית ננטשה.
בתוכנית למוביל המים הארצי, שהוצגה על ידי שמחה בלאס בשנת 1943 בפני ראשי היישוב נכללה גם תוכנית לייצור חשמל במסגרת מפעל הידרואלקטרי (גרסה מוקדמת של תעלת הימים).
במסגרת התוכנית היו מי הים התיכון אמורים להגיע עד לכנרת (דרך תעלות ומנהרה) ומשם עד לים המלח דרך שורת אגמים מלאכותיים.
תחנת הכוח הראשונה שסיפקה חשמל לארץ ישראל ולעבר הירדן הייתה תחנה הידרואלקטרית – תחנת הכוח בנהריים שהוקמה על ידי פנחס רוטנברג ונחנכה בשנת 1932, וניצלה את מי הנהרות ירדן וירמוך להפקת 18 מגה-ואט חשמל.
התחנה פעלה משנת 1932 ועד כיבוש המקום על ידי חיילי הלגיון הערבי בשנת 1948.
בעת תכנון המוביל הארצי תוכנן שילוב יחידת ייצור חשמל שתנצל את הפרשי הגובה של זרימת מי הירדן (התכנון המקורי) ומי הכנרת (בתכנון הסופי) למאגר אשכול בבקעת בית נטופה.
ניצול זרימת המים מהמאגרים לצורך יצור חשמל נעשית במתקן בכפר יהושע המופעל על ידי מקורות, וישנן תוכניות להקמת מתקנים בהספק דומה במספר מקומות נוספים על ידי מקורות.
תחנת הכוח ההידרואלקטרית הראשונה בתחומי מדינת ישראל הוקמה על ידי קיבוץ הגושרים בשנת 1982 ביוזמתם, תכנונם וביצועם של שניים מחברי הקיבוץ, צביקה חבלין ומיקי שמחאי.
הפרויקט מתבסס על קו המים הקיים, המוליך מים מנחל הדן לשטחים חקלאיים, תוך ניצול הפרש גובה של כ-50 מטר בין נקודת תפיסת המים לבין שדות הקיבוץ, לצורך הפקת חשמל.
החשמל המופק מהתחנה משמש עד היום את הקיבוץ.
הטורבינה מייצרת כ-180–210 קילו-ואט לשעה, ששקולים לכמיליון קילו-ואט לשנה.
לאחר סיום הפרויקט זכה חבלין בפרס יו"ר הכנסת "על יוזמתו הברוכה לחיסכון באנרגיה בסללו דרכים חדשות בניצול מי נהרות לייצור חשמל ולהשקיה חקלאית תוך שמירה על מקורות המים ועל איכות הסביבה".
בשנת 1992 הקימה חברת מצד עתרת – המאגדת את קיבוץ כפר הנשיא עם מספר אנשי עסקים – תחנת כוח הידרואלקטרית קטנה בנהר הירדן סמוך למצד עתרת, כשני ק"מ ורבע מדרום לגשר בנות יעקב.
לתחנה הספק של כ-2.6 מגהוואט.
בישראל מספר תחנות כוח הידרואלקטריות בהספק קטן יותר: בעמק החולה (מפעל המים חצבאני-דן, הספק של 2.2 מגה-ואט), מתקן מקורות בכפר יהושע (0.95 מגה-ואט), ובעין הנצי"ב (4 מתקנים בהספק של 0.96 מגה-ואט).
החשמל המיוצר על ידי מפעלים אלו משמש לצריכה מקומית, וחלקו נמכר לחברת החשמל או מסופק לצרכנים גדולים דרך רשת ההולכה של חברת החשמל.
סך הייצור הכללי באמצעות תחנות אלו (כ־6.7 מגה-ואט) הוא זניח בהשוואה ליכולת הייצור הארצית (כ־13,000 מגה-ואט, נכון לשנת 2013).
אֵנֶרְגִּיָּה גַּרְעִינִית היא האנרגיה הטמונה בגרעין האטום.
בדרך כלל מתייחס המושג לניצול האנרגיה לצרכיו של האדם.
גרעין האטום מורכב מפרוטונים ונייטרונים הקשורים זה לזה על ידי הכוח הגרעיני.
כאשר אנרגיית הקשר הגרעינית קטנה מספיק, ניתן להתגבר עליה ולבקע את גרעין האטום ובכך לשחרר אנרגיית דחייה חשמלית בין מרכיביו.
לעומת זאת, כאשר אנרגיית הקשר הגרעינית גבוהה מספיק, ניתן להרוויח אנרגיה על ידי היתוך גרעיני.
זאת אומרת, עבור החומרים הנכונים, ניתן לספק אנרגיה של עשרות טונות דלק בקילוגרם בודד של חומר ממנו משחררים אנרגיה גרעינית.
הפקת אנרגיה חשמלית על ידי ביקוע גרעיני
אנרגיה גרעינית להפקת חשמל מיוצרת כיום בתהליך ביקוע גרעיני.
בתהליך זה משתחררת אנרגיה רבה שמקורה בחלק בדחייה החשמלית בין רכיבי הגרעין, ובאמצעותה מחממים זורם (למשל מים לקיטור) המסובב טורבינות ליצירת חשמל או דחף בכורים גרעיניים.
בתהליך הפקת האנרגיה הגרעינית מתרחשת תגובת שרשרת שמתחילה עם ביקוע הגרעין, שמייצרת כמויות עצומות של חום שבעזרתן מרתיחים מים שיוצרים קיטור אשר מפעיל את הטורבינות.
אנרגיה גרעינית מהווה כ-9% מכלל האנרגיה שמופקת בעולם.
הטכנולוגיה להפקת חשמל מביקוע גרעיני מיושמת בעיקר במדינות מתועשות, במדינות ברית המועצות לשעבר ובסין, כמו גם לצורכי הנעה ימית צבאית בעיקר בצוללות ובנושאות מטוסים.
הנעה באניות אזרחיות נוסתה בעבר במספר שוברות קרח רוסיות, וכן באניה האמריקנית סבאנה.
עלות ייצור החשמל בשיטה זו זולה במקרים רבים מעלות ייצורו מפחם, והיא נחשבת לזולה ביותר באנרגיה החלופית.
הפקת חשמל בשיטה זו מהווה כחמישית מהפקת חשמל בעולם, ומיושמת בכ-31 ארצות שמפעילות כ-435 כורים גרעיניים, המפיקים הספק כולל של 370 גיגה-ואט.
הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (סבא"א) צופה גידול שנתי של 2.5% בהפקת חשמל בתחנות כוח גרעיניות קימות ועתידות, עד להספק כולל של 679 גיגה-ואט בשנת 2030.
אנרגיה גרעינית היא מבין השיטות הבטיחותיות ביותר ליצור חשמל, ועומדת על כ-0.07 מתים לכל טרה-ואט-שעה (מספר דומה לזה של אנרגיה סולארית ואנרגיית רוח), פי 40 פחות מקרי מוות ליחידת אנרגיה מגז טבעי (2.82 מתים לטרה-ואט-שעה), פי 260 פחות מנפט (18.43 מתים) ופי 350 פחות מפחם (24.62 מתים).
חסרונותיה של שיטה זו הן: המורכבות של יישומה ותחזוקה השוטף והבטוח, הסיכון המתמיד לעובדים, החשש מזיהום הסביבה במקרה של תקלה בכור והפקת תוצר לוואי רעיל ורדיואקטיבי עמיד שלא ניתן להפטר ממנו, ויש לאחסנו באופן מאובטח, לבל יזהם את כדור הארץ או ישמש לפצצה מלוכלכת.
בכל שנה מיוצרים בעולם עשרות אלפי טונות של פסולת רדיואקטיבית שיש לקוברה.
כך בארצות הברית חוצבים מנהרות אחסון מאובטחות בליבם של הרים מבודדים כמו הר יוקה, ששוכן צפונית מערבית ללאס וגאס, או משנעים פסולת רדיואקטיבית לאחסונה במדינות העולם השלישי.
הכור מהווה אף הוא מוקד סכנה פוטנציאלי, במקרה של תאונה, התקפה מכוונת של האויב, או פעולת טרור.
בתאונת אי שלושת המילין שאירעה בארצות הברית בשנת 1979 שוחררו גזים רדיואקטיביים לאטמוספירה, אך לא נפגעו בני אדם.
תאונה חמורה בהרבה אירעה באוקראינה, דאז רפובליקה של ברית המועצות, באסון צ'רנוביל בשנת 1986, בעקבותיו פונו כ-300,000 תושבים מבתיהם עקב דליפה רדיואקטיבית מתחנת כוח גרעינית.
האסון נגרם כתוצאה מניסוי מסוכן שנערך ברשלנות, ולא כתוצאה מתקלה בפעולת הכור השגרתית.
בגלל הסיבות הללו, בעולם המערבי כמעט שלא מוקמות תחנות כוח גרעיניות בשנים האחרונות, וישנן מדינות כמו גרמניה שהתחייבו לסגור את הכורים הגרעיניים שלהן תוך פרק זמן קצוב, עקב לחצם של תנועות ומפלגות ירוקות.
לעומת זאת, בארצות כמו קוריאה הדרומית, סין, רומניה ורוסיה הולכות ונבנות תחנות גרעיניות רבות, כדי להתמודד עם הצריכה ההולכת וגוברת בחשמל.
כורים אלו נבנים לפי תקנים מחמירים המאפשרים דרגת בטיחות גבוהה.
בשנים האחרונות (2002–2008) החלה החברה לאנרגיה אטומית של קנדה (AECL) בשיתוף עם חברות חשמל קנדיות לשפץ כורים גרעיניים קנדים שהתישנו, לצורך הארכת השימוש בהם מעבר לתקופה המקורית שעבורה הם נבנו.
דוגמה לשינוי בגישת העולם המערבי כלפי תחנות כוח גרעיניות היא איטליה שבעקבות אסון צ'רנוביל החליטה במשאל עם בנובמבר 1987 להפסיק כל שימוש באנרגיה הגרעינית במדינה, כולל פירוק תחנות קיימות.
ההחלטה התקבלה על אף תלותה של המדינה במקורות אנרגיה זרים והעלות המשוערת למשק.
עם זאת, בשנת 2009, במסגרת רפורמות לשיפור המשק האיטלקי, התקבל ב-9 ביולי חוק המכשיר מחדש את הקמתן של תחנות כוח גרעיניות בשל העלייה במחירי מקורות האנרגיה בעולם.
בשנת 1993 הוצע סוג חדשני של תחנת כוח גרעינית, בה משולבים מאיץ חלקיקים וכור גרעיני תת-קריטי.
תחנת כוח מסוג זה, הנקראת מגבר אנרגיה, צפויה להיות נקייה, בטוחה וזולה לתפעול.
זאת בעיקר משום שלא מתחוללת בה תגובת שרשרת גרעינית ואין חשש לתגובות בלתי מבוקרות.
למעשה, נבחנת האפשרות להשתמש במגברי אנרגיה לביקוע חומרים רדיואקטיביים מסוכנים לתוצרים לא מסוכנים.
כך ניתן להיפטר מפסולת גרעינית במקום להטמינה.
יישום זה מעורר עניין במיוחד לאור החשש משימוש עוין בפסולת גרעינית להכנת "פצצה מלוכלכת".
עם זאת, עלות הפקת האנרגיה בצורה זו תהיה יקרה מאשר בכור רגיל, היעילות נמוכה בהרבה ועדיין ייווצרו חומרים רדיואקטיביים (בעיקר תוצרי ביקוע ואקטינידים כבדים) בכמות רבה.
בתחילת שנת 2022, הכיר האיחוד האירופי בייצור חשמל בעזרת אנרגיה גרעינית כ"השקעה ירוקה".
שימוש בביקוע גרעיני ליצירת פצצות
שימוש נוסף של אנרגיית ביקוע גרעיני היא בפצצות אטום או בנשק גרעיני אחר.
בפצצות אלו משתמשים בחומרים בקיעים בריכוז איזוטופי גבוה במיוחד (כגון אורניום 235 ופלוטוניום עם מספר אי זוגי).
כאשר מפציצים את הגרעין בנייטרונים, נוצר ביקוע בו נפלטים נייטרונים נוספים מהגרעינים אשר הופצצו והנייטרונים הללו פוגעים בגרעינים אחרים וכך נוצרת תגובת שרשרת.
בתגובת שרשרת, נוצרת כמות גדולה של חום, כ 11- 10*3.2 ג'אול לתגובה פירוק יחידה של אוראניום, פי 200 מיליון מאשר שרפת פחם ליצירת חשמל.
עוד דרך להפיק אנרגיה היא היתוך (או מיזוג) גרעיני, תהליך שבו ממזגים גרעינים של אטומים קטנים וגרעינים של אטומים גדולים יותר.
דוגמה לשיטה היא למשל חיבור של שני גרעיני איזוטופ מימן (D פרוטון אחד ונייטרון אחד) בטמפ' של מיליוני מעלות צלזיוס ונוצר מזה גרעין של הליום (שני פרוטונים ושני נייטרונים).
תהליך זה גורם גם הוא לפליטת כמות אדירה של אנרגיה, של כ-13- 10*5.1 ג'אול לאטום הליום, או 3.2 מגה אלקטרון וולט.
לצורך השוואה: אנרגיה שמופקת מחמצון (שרפה) של אטום אחד של פחמן קטנה פי 320,000.
היתוך גרעיני מתרחש בכוכבים ובפצצת מימן בה גרעינים של אטומי מימן מתמזגים לגרעין גדול יותר (הליום), ופולטים אנרגיה רבה.
התהליך אינו יכול להתחיל באופן ספונטני, אלא דורש אנרגיה תחילית רבה (קרוב ל-100 מיליוני מעלות).
בכוכבים, אנרגיה זו נוצרת מדחיסה גרביטציונית בכוכבים.
תהליך ההיתוך הגרעיני הוא ידידותי ונקי, תוצרי התהליך הם אנרגיה ויסודות שנוצרו מהיסודות שגרעיניהם השתתפו בתהליך.
ב-24 בינואר 1958, בוצע לראשונה בהיסטוריה היתוך גרעיני בידי בני אדם.
שני אטומים קטנים התחברו לאטום גדול יותר, אחרי שחוממו עד למאה מיליון מעלות.
בעשורים האחרונים נעשים ניסיונות לרתום אנרגיה זו בתהליך מבוקר של "היתוך גרעיני קר", כלומר היתוך גרעיני שנעשה בטמפרטורה שאינה גבוהה במידה חריגה, לשם ייצור אנרגיה.
עד סוף 2004 לא הצליחו להציע תהליך יעיל ושימושי לשם כך.
ב-1989 שני מדענים (Fleischmann ו-Pons) טענו שהם הצליחו לבצע היתוך גרעיני קר, אך הקהילייה המדעית התייחסה ברובה לטענתם בזלזול, מכיוון שניסיון לחזור על התהליך לא נחל הצלחה.
פרויקט איטר (ITER) של האיחוד האירופי, הוא כור היתוך גרעיני ניסיוני שיוקם כנראה בצרפת, בעלות של כ-5 מיליארדי דולרים.
בתהליך זה, קילוגרם אחד של מימן, יוכל לייצר כמות אנרגיה, השקולה לעשרה מיליון קילוגרם של דלק מאובנים.
באוגוסט 2023 הכריזו מעבדות לורנס ליוורמור האמריקאיות כי הצליחו פעמיים ליצור אנרגיה של 3.15 מגה ג'ול מהיתוך מימני בהשקעה של 2.05 מגה ג'ול.
אנרגיה שאובה (ידועה גם בשם אגירה שאובה, באנגלית: Pumped-storage hydroelectricity) הוא כינוי לאנרגיה הנשמרת בצורה של אנרגיה פוטנציאלית, בדרך כלל על ידי שאיבת מים ממאגר נמוך למאגר גבוה.
בעת שנדרש השימוש באנרגיה זו, מופלים המים השאובים והאנרגיה הפוטנציאלית הופכת לאנרגיה קינטית ("אנרגיית מים", המשמשת בדרך כלל לייצור חשמל).
דרך אחרת לנצל אנרגיה שאובה היא ארובת שרב.
עיתוי הייצור של האנרגיה החשמלית בשיטות השונות (כמו: מנועי בעירה חיצונית או פנימית, אנרגיה אטומית, אנרגיה סולארית, אנרגיית רוח) אינו מותאם לעיתוי בו נדרשת האנרגיה לשימוש (או שהתאמה כזו היא בלתי מעשית מבחינה כלכלית).
בעוד ייצור האנרגיה לטובת תהליך השאיבה עלול להיות מזהם, האנרגיה השאובה בעצמה אינה גורמת לזיהום הסביבה ומאפשרת ניצול עודפי אנרגיה חשמלית בעת שאינם נדרשים ושימוש בעודפים אלה במועדי התצרוכת המוגברת.
בעת התכנון הראשוני של המוביל הארצי, הציע שמחה בלאס לשלב במוביל מערכת של אנרגיה שאובה, על ידי שימוש בהפרש הגובה בין מאגר המים בכנרת ובין מאגר אשכול בעמק בית נטופה.
הצעה זו לא יושמה, בין השאר, בשל אי-שילוב מערכת ייצור החשמל עם מערכת הובלת המים בישראל.
בשנת 1985, הציע משרד האנרגיה להקים מתקנים לייצור חשמל בשיטת אגירה שאובה כדי להחליף את טורבינות הגז ששימשו אז לייצור חשמל בשעות שיא הביקוש.
שלושה אתרים נמצאו מתאימים: מבוא חמה, רמת פוריה והר ארבל, אך הפרויקט לא יצא לפועל.
על פי חוק משק החשמל משנת 1996 והתקנות שנקבעו על פיו בשנת 2005, הוקצו מכסות מסובסדות לייצור חשמל בשיטת אגירה שאובה בהיקף של 800 מגהווט.
משרד התשתיות הלאומיות נתן עד שנת 2009 ארבעה רישיונות להקמת תחנות כוח הפועלות בטכנולוגיית אגירה שאובה:
בצוק מנרה – שייכת לחברת "אגירה שאובה-אלקטרה", ומסוגלת לייצר חשמל בהיקף של עד 200 מגה-ואט.
הפרשי הגובה בין המאגרים הוא כ-760 מ'.
בשנת 2011 פקע הרישיון לאחר שיזמיה לא עמדו בתנאי הרישיון.
בשנת 2016 ניתן רישיון דומה, בהיקף של 340 מגה-ואט לפרויקט זה.
בתחנת הכוח בגלבוע – שייכת לחברת "פי.אס.פי השקעות", ומסוגלת לייצר חשמל בהיקף של עד 300 מגה-ואט.
הפרשי הגובה בין המאגרים הוא כ-500 מ'.
בשנת 2016 הוכנסה חברה מארצות הברית כשותפה בפרויקט.
במחצבת נשר (סמוך לחיפה) – שייכת לחברת "כלל תעשיות והשקעות", ומסוגלת לייצר חשמל בהיקף של עד 200 מגה-ואט.
הפרויקט בוטל בגלל התנגדות עיריית נשר.
בכוכב הירדן, בין מושב מולדת וקיבוץ גשר, על ידי "תהל אנרגיית מים" וחברת הבת שלה לפרויקט זה "כוכב אגירה שאובה בע"מ", בהיקף של 340 מגהווט.
בתחילת 2017 החליטה רשות החשמל שלא להגדיל את מכסת ייצור החשמל מאנרגיה שאובה, בין השאר מפני שהן יקרות מתחנות הפועלות בפסגת שיא הדרישה, המותאמות להפעלה לטווח קצר, ובגלל הצפי לכניסת מצברים אוגרי חשמל לשימוש המוני.
באופן תאורטי אילו ניתן היה לנצל את הפרשי הגובה בין קרקעית המכתש הקטן לים המלח הסמוך אליו (כ-400–500 מטר) היה אפשר לאגור במערכת אגירה שאובה כזו כמות אנרגיה שהייתה יכולה לספק את כל תצרוכת החשמל של ישראל במשך שבוע ממוצע.
בפיזיקה ובכלכלת אנרגיה, אנרגיה מוחזרת על אנרגיה מושקעת – EROEI (Energy Returned On Energy Invested) הוא היחס בין כמות האנרגיה המופקת ממשאב לבין כמות האנרגיה המושקעת בהשגתו.
כאשר ערך ה-EROEI של מקור אנרגיה יורד ל-1 או פחות, אותו מקור אנרגיה הופך ל'צרכן אנרגיה', ואינו יכול לשמש עוד בתור מקור אנרגיה ראשוני.
לדוגמה, בתחילת העידן התעשייתי, נדרשה בערך חבית נפט אחת על מנת למצוא, לשאוב ולזקק כ-50 חביות של נפט.
יחס זה של 50:1, ירד בעקביות במהלך המאה ה-20 לערך הנוכחי של 3:1 בארצות הברית (ובערך 10:1 בערב הסעודית).
אנרגיה חלופית הוא שם כולל לאנרגיה שמקורה אינו דלק מאובן.
להבדיל מהמונחים אנרגיה ירוקה או אנרגיה מתחדשת, אשר בעיקרם מתן מענה לצורך בהקטנת הזיהום, המונח אנרגיה חלופית מתייחס בעיקר לבעיית התלות בנפט המתכלה ובייצרניו.
רוב האנרגיה המופקת כיום בעולם נובעת ממקורות מחצביים כמו דלק מאובנים (נפט, פחם וגז טבעי) ואנרגיה גרעינית, שהשימוש בהם כרוך בהקטנה משמעותית של מאגר האנרגיה הזמינה האצורה בהם.
הסיבה העיקרית לחיפוש אנרגיה חלופית היא החשש מפני התמעטות עד כדי העלמות של מקורות האנרגיה הזמינים כיום לצד ההבנה כי מקורות האנרגיה היום נמצאים בשליטת מספר מצומצם של מדינות ומעשירים שכבה מצומצמת של בני-אדם.
הנושא עלה על סדר היום העולמי מיד עם פרוץ משבר הנפט של שנת 1973 כאשר מחיר חבית נפט עלה מ-2 דולרים אמריקניים עד כ-40 דולר אמריקני, ובפעם השנייה כעשור לאחר מכן בעקבות אסון צ'רנוביל.
המונח אנרגיה חלופית מתייחס בעיקר לסוגים שונים של אנרגיה מתחדשת, כמו אנרגיית מים (כמו אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיית גאות ושפל ואנרגיית גלי הים), אנרגיה סולארית, ביומסה (כולל דלק ביולוגי), אנרגיה גאותרמית ואנרגיית רוח.
עם זאת, המונח כולל גם מקורות אנרגיה סינתטיים שמקורם במשאבים מתכלים, שלא נוצלו באופן משמעותי עד פרוץ משבר הנפט בשנות ה-70 של המאה ה-20. מקורות אלו כוללים פצלי שמן, חולות ביטומניים (חול זפת) אבני פחם ואדמת כבול בעלי נצילות אנרגיה נמוכה וכן הפקת גז ודלק נוזלי מפחם טבעי.
אנרגיה פנימית הוא גודל בתרמודינמיקה שמתאר את האנרגיה של מערכת תרמודינמית.
מסומן בדרך כלל באות , ולעיתים באות .
האנרגיה הפנימית כוללת את האנרגיה הבלתי מסודרת של המערכת, כלומר את האנרגיה הקינטית של חלקיקים יחסית למרכז המסה של הגוף (אנרגיה תרמית), או את האינטראקציות בין החלקיקים השונים שמרכיבים את המערכת (כמו אינטראקציה חשמלית בין החלקיקים, או קשרים כימיים).
היא לא כוללת אנרגיה קינטית או פוטנציאלית של הגוף כולו.
נכון לרגע זה, לא ניתן לחשב את האנרגיה הפנימית בכל מצב כלשהו אך ניתן לחשב את שינוי האנרגיה הפנימית שעובר הגוף בין 2 מצבים (הפרש האנרגיה הפנימית שהייתה לגוף אחרי פעולה לאנרגיה הפנימית שהייתה לו לפני).
לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה הנוסחה היא כאשר הוא סך כל העבודות של הגוף (בג'ול) ו- הוא סך אנרגיית החום של הגוף (בג'ול).
היחידות של האנרגיה הפנימית הן יחידות של אנרגיה (ג'ול, ארג, או קלוריה – שהיא יחידת האנרגיה ההיסטורית בה השתמשו בתרמודנימיקה), והיא גודל אקסטנסיבי.
האנרגיה הפנימית היא הפוטנציאל התרמודינמי שהמשתנים הטבעיים שלו הם האנטרופיה הנפח , ומספר החלקיקים , כלומר הוא מתאים למקרה של מערכת מבודדת תרמית, עם נפח קבוע.
מבחינה מתמטית דבר זה מובע על ידי:
הביטוי עבור הדיפרנציאל של האנרגיה הפנימית הוא למעשה הצורה הדיפרנציאלית של החוק הראשון של התרמודינמיקה, שהוא חוק שימור האנרגיה עבור מערכות תרמודינמיות:
מביטוי זה ניתן לחשב את:
הטמפרטורה –,הלחץ – ,הפוטנציאל הכימי –.
הדיפרנציאל של האנרגיה הפנימית, שכאמור נובע מהחוק הראשון של התרמודינמיקה, הוא הבסיס שממנו בעזרת טרנספורמי לז'אנדר ניתן לקבל את הביטויים עבור הדיפרנציאלים של שאר הפוטנציאלים התרמודינמיים, ואת הפוטנציאלים עצמם.
למרות זאת, מאחר שהתנאים של מערכת מבודדת תרמית עם נפח קבוע אינם נפוצים במערכות תרמודינמיות, מושג האנרגיה הפנימית פחות שימושי מהפוטנציאלים התרמודינמיים האחרים.
במכניקה סטטיסטית האנרגיה הפנימית מהווה מרכיב חשוב במעבר מהצבר הקנוני לגדלים התרמודינמיים.
כאשר נתון צבר קנוני של מערכת תרמודינמית, האנרגיה הפנימית שלה מחושבת על ידי ממוצע על הצבר:
– האנרגיה של מצב מיקרוסקופי בו כל אחד מהחלקיקים המרכיבים את הצבר יכול להיות בו
הסיכוי של חלקיק להיות במצב המיקרוסקופי
כאשר מגדירים את פונקציית החלוקה –
ביטוי זה אומנם לא נותן את האנרגיה הפנימית כפונקציה של המשתנים הטבעיים שלה, אלא של הטמפרטורה במקום האנטרופיה.
אולם ניתן ממנו להגיע לביטוי עבור האנרגיה החופשית של הלמהולץ כפונקציה של המשתנים הטבעיים שלו.
כאשר רמות האנרגיה של כל חלקיק אינן תלויות ברמות האנרגיה של חלקיקים אחרים, אפשר לכתוב את פונקציית החלוקה כמכפלה של פונקציות חלוקה נפרדות עבור כל אחד מהחלקיקים (עד כדי חלוקה בעצרת של מספר החלקיקים הזהים – גורם שמשפיע על האנטרופיה, ועל האנרגיה החופשית, אבל לא על האנרגיה הפנימית).
דבר זה מאפשר לפרק את האנרגיה לסכום האנרגיות של החלקיקים השונים (כצפוי מגודל אקסטנסיבי), ואף לפרק לסכום האנרגיות בדרגות החופש השונות עבור כל חלקיק (דרגות החופש המרחביות השונות, וגם דרגות חופש של רוטציה וויברציה).
כיוון שמדובר בביטוי עבור ממוצע של התפלגות, יש לו גם סטיית תקן, שהמימוש הפיזיקאלי שלה המכונה פלקטואציה.
מכיוון שהאנרגיה הפנימית היא גודל אקסטנסיבי, והטמפרטורה היא גודל אינטנסיבי, האנרגיה הפנימית גדלה באופן ליניארי עם מספר החלקיקים, אבל הפלקטואציה גדלה רק יחסית לשורש מספר החלקיקים, כך שבגבול התרמודינמי הפלקטואציה זניחה ברוב המקרים.
האנרגיה החופשית של הלמהולץ (על שם הרמן פון הלמהולץ) היא פוטנציאל תרמודינמי המאפשרת לחשב תכונות של מערכת תרמודינמית הנמצאת בטמפרטורה קבועה.
לאנרגיה תפקיד במערכות אלו בדומה לתפקיד של האנרגיה הפנימית במערכות מכניות.
כאשר מערכת נמצאת בטמפרטורה קבועה ואין שינוי במספר החלקיקים במערכת, האנרגיה החופשית של הלמהולץ מינימלית בשיווי משקל.
בנוסף, הירידה באנרגיה החופשית של הלמהולץ מהווה חסם עליון לעבודה שמבצעת המערכת.
האנרגיה החופשית של הלמהולץ מוגדרת ע"י:
האנרגיה החופשית של הלמהולץ (לעיתים מסומנת באות )
האנרגיה החופשית של הלמהולץ מתקבלת על ידי ביצוע התמרת לז'נדר לאנרגיה הפנימית:
כאשר מספר החלקיקים מסוג במערכת ו- .
כלומר, האנרגיה החופשית של הלמהולץ היא פונקציית מצב בה מספר החלקיקים, הנפח והטמפרטורה (במקום האנטרופיה עבור האנרגיה הפנימית) הם המשתנים הבלתי תלויים.
באמצעות הביטוי הדיפרנציאלי לאנרגיה הפנימית נקבל:
ממשוואה זו ניתן לקבל ביטויים עבור המשתנים התרמודינמיים הבלתי נשלטים:
האנטרופיה –,הלחץ – והפוטנציאל הכימי –.
הביטוי שהתקבל עבור הלחץ ניתן לרשום ע"י
כאשר הביטוי השמאלי מסמל את "לחץ האנרגיה" והביטוי הימני את "לחץ האנטרופיה".
לחץ האנרגיה דומיננטי ברב החומרים המוצקים ואילו דומיננטי בגזים ובפולימרים אלסטיים (למשל גומי).
משמעות הביטוי היא שכאשר הטמפרטורה קבועה, הלחץ כבר לא תלוי רק בביטוי משום שהאנטרופיה יכולה להשתנות כתוצאה מהשינוי בנפח, אפילו אם האנרגיה הפנימית בלתי תלויה בנפח (למשל גז אידיאלי בטמפרטורה קבועה).
ניתן לקבל את קשרי מקסוול הבאים :
עיקרון מינימום האנרגיה החופשית ועקרון מקסימום העבודה