Our Energy Future: Resources, Alternatives and the Environment

OUR ENERGY FUTURE......Page 4
CONTENTS......Page 8
Preface......Page 16
Acknowledgments......Page 20
1.1.1. Primary and Secondary Energy......Page 22
1.1.2. Energy Units......Page 24
1.1.3. Power......Page 25
1.1.4. Energy and First Law of Thermodynamics......Page 26
1.1.5. Entropy and Second Law of Thermodynamics......Page 27
1.1.6. Exergy......Page 28
1.1.7. Going Back to the Past......Page 29
1.1.8. Humans and Energy......Page 30
1.2. Always More!......Page 31
1.2.1. Why Do We Need More Energy?......Page 32
1.2.2. Energy Sources We Use......Page 35
1.2.3. Security of Supply......Page 38
1.2.4. Environmental Concerns......Page 44
2. Oil and Natural Gas......Page 45
2.1. Genesis of Oil and Natural Gas......Page 46
2.2. Recovering Oil and Gas......Page 49
2.3. Peak Oil......Page 52
2.4.1. Crude Oil Reserves......Page 54
2.4.2. Natural Gas Reserves......Page 55
2.5. Properties of Hydrocarbons......Page 57
2.6. Oil Fields......Page 59
2.7. Prices......Page 60
2.8. Consumption......Page 62
2.9. Electricity Generation......Page 65
2.10. Impact on Environment......Page 68
2.11. Unconventional Oil and Gas Resources......Page 71
2.11.1. Oil Shale......Page 72
2.11.2. Tar Sands......Page 73
2.11.3. Coal Bed Methane......Page 74
2.11.4. Methane Hydrates......Page 75
2.12. Conclusion......Page 76
3. Coal: Fossil Fuel of the Future......Page 77
3.1. Genesis of Coal......Page 78
3.2. Rank of Coals......Page 79
3.3. Classification of Coals......Page 80
3.4. Peat......Page 82
3.6. Coal Reserves......Page 84
3.7. Production and Consumption......Page 89
3.8. Electricity Production......Page 92
3.9.1. Advanced Pulverized Coal Combustion......Page 94
3.10. Combined Heat and Power Generation......Page 95
3.11. Integrated Gasification Combined-Cycle Power Plants......Page 96
3.13. Direct Coal Liquefaction......Page 97
3.14. Indirect Coal Liquefaction......Page 98
3.15. Direct or Indirect CTL Technology?......Page 99
3.16. Carbon Capture and Sequestration......Page 100
3.16.1. Capture......Page 101
3.16.3. Sequestration......Page 105
3.16.4. Cost......Page 107
3.17. Coal Pit Accidents......Page 108
3.18. Environmental Impacts......Page 109
3.19. Conclusion......Page 110
4. Fossil Fuels and Greenhouse Effect......Page 111
4.1. Greenhouse Effect......Page 112
4.2. Greenhouse Gases......Page 115
4.3. Weather and Climate......Page 119
4.5. Anthropogenic Emissions......Page 120
4.7. Global Warming Potentials......Page 124
4.8. Increase of Average Temperature......Page 125
4.9. Model Predictions......Page 127
4.10. Energy and Greenhouse Gas Emissions......Page 128
4.11. Consequences......Page 133
4.12. Other Impacts on Ocean......Page 135
4.13. Factor 4......Page 136
4.14. Kyoto Protocol......Page 138
4.15. Conclusion......Page 140
5.1. Hydropower......Page 142
5.1.1. Hydropower: Important Source of Electricity......Page 143
5.1.2. Dams and Diversions......Page 147
5.1.3. Head and Flow......Page 148
5.1.4. Turbines......Page 149
5.1.5. Small-Scale Hydropower......Page 151
5.1.6. Environmental Concerns......Page 152
5.1.7. Costs......Page 154
5.2. Energy from the Ocean......Page 155
5.2.1. Offshore Wind Energy......Page 156
5.2.2. Wave Energy......Page 157
5.2.3. Tidal Energy......Page 159
5.2.4. Marine Current Energy......Page 161
5.2.5. Ocean Thermal Energy Conversion......Page 162
5.2.6. Osmotic Energy......Page 163
6. Biomass......Page 166
6.1. Producing Biomass......Page 167
6.2. An Old Energy Resource......Page 169
6.3. Electricity Production......Page 170
6.4.1. Direct-Combustion Technologies......Page 172
6.4.3. Biomass Gasification......Page 173
6.4.4. Anaerobic Digestion......Page 174
6.4.5. Pyrolysis......Page 175
6.5. Heat Production......Page 176
6.7. Environmental Impact......Page 177
6.8. Market Share......Page 179
6.9. Biofuels......Page 180
6.9.1.1. Biofuels for Gasoline Engines......Page 182
6.9.1.2. Biofuels for Diesel Engines......Page 188
6.9.2. Second-Generation Biofuels......Page 190
6.10. From Well to Wheels......Page 191
6.11. Conclusion......Page 192
7. Solar Energy......Page 194
7.1. Solar Energy: A Huge Potential......Page 195
7.2.1. Producing Hot Water for Domestic Purposes......Page 196
7.2.2. Heating, Cooling, and Ventilation Using Solar Energy......Page 198
7.2.3. The Solar Cooker......Page 200
7.3.1. Parabolic Troughs......Page 201
7.3.2. Power Towers......Page 203
7.4. Solar Chimneys or Towers......Page 204
7.5. Photovoltaic Systems......Page 206
7.5.1. Market Dominated by Silicon......Page 207
7.5.2. Other Photovoltaic Technologies......Page 208
7.5.3. Applications......Page 210
7.6. Electricity Storage......Page 215
7.8. Conclusion......Page 216
8. Geothermal Energy......Page 218
8.1. Available in Many Places......Page 220
8.2. Different Uses......Page 223
8.3. Technologies......Page 224
8.4. Geothermal Energy in the World......Page 228
8.5. Conclusion......Page 231
9.1. Already a Long History......Page 232
9.2. From Theory to Practice......Page 234
9.3. Development of Wind Power......Page 236
9.4. Off-Shore Wind Turbines......Page 244
9.5. Conclusion......Page 245
10.1. Basics of Nuclear Energy......Page 246
10.1.1. Atoms and Nuclei......Page 247
10.1.2. Radioactivity......Page 248
10.1.3. Energy and Mass......Page 251
10.1.4. Fission......Page 252
10.1.6. Chain Reaction......Page 254
10.1.7. Critical Mass......Page 257
10.1.8. Nuclear Reactors......Page 258
10.1.9. Natural Nuclear Reactors: Oklo......Page 259
10.1.10. Conclusion......Page 260
10.2.1. Different Technologies......Page 261
10.2.2. Selection Process......Page 263
10.2.4. Uranium Resources......Page 266
10.2.5. Fuel Cycles......Page 269
10.2.6. Safety......Page 273
10.2.7. Nuclear Waste......Page 277
10.2.8. Conclusion......Page 278
10.3. Thermonuclear Fusion......Page 279
10.3.1. Nuclei: Concentrated Sources of Energy......Page 280
10.3.3. Fusion of Light Nuclei......Page 281
10.3.4. Difficulties......Page 282
10.3.6. Thermonuclear Fusion in Tokamaks......Page 283
10.3.7. ITER: New Step Towards Mastering Fusion......Page 284
10.3.8. About Fuel Reserves......Page 285
10.3.10. Safety and Waste Issues......Page 286
Appendix......Page 287
11. Electricity: Smart Use of Energy......Page 289
11.1. Rapid Development......Page 290
11.2. Energy Sources for Electricity Production......Page 293
11.3. No Unique Solution......Page 297
11.4. From Mechanical Energy to Consumer......Page 300
11.5. Impact on Environment......Page 302
11.6. Cost......Page 303
11.7. Conclusion......Page 304
12. Energy Storage: Weak Point of Energy Supply Chain......Page 306
12.1. Electricity Storage......Page 308
12.1.1. Characteristics of Electricity Storage......Page 310
12.1.2. Large-Quantity Storage Technologies......Page 311
12.1.3. Electrochemical Batteries......Page 317
12.1.3.1. Primary Batteries......Page 318
12.1.3.2. Rechargeable Batteries......Page 321
12.1.3.3. Flow Batteries......Page 327
12.1.4. Supercapacitors......Page 330
12.1.5. Flywheels......Page 333
12.2. Thermal Energy Storage......Page 334
12.2.2. Sensible Heat Storage......Page 336
12.2.3. Phase Change Materials......Page 337
12.2.4. Thermochemical and Thermophysical Energy Storage......Page 338
12.2.5. Applications of Thermal Energy Storage......Page 339
12.2.6. Underground Energy Storage......Page 340
12.2.7. Conclusion......Page 342
13.1. Short History of Transportation......Page 343
13.2. Energy and Transportation......Page 345
13.3. Road Transportation......Page 346
13.4. Ship Transportation......Page 351
13.5. Air Transport......Page 353
13.6. Car Dynamics......Page 354
13.7. Fuels for Road Transportation......Page 356
13.8. CO(2) Emissions......Page 359
13.9. Hybrid Vehicles......Page 367
13.10. Electric Vehicles......Page 370
13.11. Conclusion......Page 372
14.1. Importance of Housing......Page 373
14.2. Towards More Efficient Housing......Page 377
14.3. Different Regions, Different Solutions......Page 382
14.4. Bioclimatic Architecture......Page 383
14.5. Insulation......Page 385
14.6. Glazing......Page 390
14.7. Lighting......Page 391
14.8. Ventilation......Page 395
14.9. Water......Page 396
14.10. Energy Use in a Household......Page 398
14.11. Heat Pumps......Page 400
14.12. Impact on Environment......Page 402
14.13. Conclusion......Page 404
15. Smart Energy Consumption......Page 407
15.1. Housing......Page 408
15.2. Improving the Way We Consume Energy......Page 409
15.3. Cogeneration......Page 410
15.4. Standby Consumption......Page 413
15.5. Lighting......Page 417
15.6. Transportation......Page 418
15.6.1. Technology......Page 421
15.6.2. Individuals......Page 422
15.7. Conclusion......Page 424
16.1.1. Properties......Page 426
16.1.2. Production......Page 428
16.1.3. Storage......Page 438
16.1.4. Hydrogen Transport and Distribution......Page 443
16.2.1. Fundamentals of Fuel Cells......Page 446
16.2.2. Different Types of Fuel Cells......Page 449
16.2.3. Transportation......Page 458
16.2.4. Direct Use of Hydrogen......Page 465
16.2.5. Direct Combined Heat and Power......Page 467
16.2.6. Hydrogen and Portable Devices......Page 468
16.2.8. Conclusion......Page 469
17. Conclusion......Page 472
Exercises......Page 475
Solutions......Page 484
Bibliography......Page 493
Index......Page 498