phần mười các trang trại Mỹ có trạm điện trung tâm vào năm 1930.) Hệ thống đầu tiên của anh em Jacobs sử
dụng trục sau và hộp số của xe tải Ford để cung cấp năng lượng cho máy phát điện, với ba cánh quạt và một bộ điều tốc để bảo vệ nó khỏi bị hư hại trong điều kiện gió giật. Quá trình bán các thiết bị 1 kilowatt dẫn hai anh em đến con đường lập doanh nghiệp vào năm 1928. Năm 1931, họ chuyển đến Minnesota để mở một nhà máy gần hơn với các nhà phân phối của họ, với một máy phát điện truyền động trực tiếp mới được gắn trên đỉnh tháp. Trong 30 năm tiếp theo, Công ty Điện Gió Jacobs ở thành phố Minneapolis, bang Minnesota đã bán được khoảng 20.000 máy phát điện chạy bằng sức gió từ 1 đến 3 kilowatt. Hàng trăm nghìn hệ thống điện gió nhỏ khác cung cấp điện đến nông thôn nước Mỹ cho đến những năm 1950, khi lưới điện được phủ 100%.[2] Giống như gió, ánh sáng mặt trời có thể được khai thác để lấy năng lượng trực tiếp dưới dạng nhiệt và ánh sáng hoặc thông qua chuyển đổi thành điện. Trên toàn thế giới, năng lượng mặt trời phục vụ chủ yếu cho trồng cây xanh làm thực phẩm và nguyên liệu. Điện mặt trời, tuy nhiên, phải đợi sự phát triển của pin quang điện silicon (PV) tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell (Bell Labs) ở Murray Hill, New Jersey, vào những năm 1950. Các vật liệu nhạy cảm với ánh sáng trước đây như selenium hoạt động với hiệu suất cực thấp, không quá 1 %. Các tấm pin PV silicon đầu tiên của Bell Labs đạt được hiệu suất 6%, nhưng hiệu suất đã tăng nhờ kỹ thuật sản xuất và pha tạp boron, lên 11% vào năm 1955. Các nhà khoa học của Bell Labs ước tính rằng hiệu suất tối đa của pin PV là khoảng 22%. Phản xạ, bề mặt, điện trở tiếp xúc và các yếu tố khác giảm một nửa hiệu suất đó xuống còn tối đa 11%.[3]
Vấn đề thực sự với các pin PV đời đầu là chi phí: sau một thử nghiệm sáu tháng ứng dụng trong hệ thống điện thoại ở Georgia, Bell Labs đã không tiếp tục ứng dụng chúng. [4] Một trong những nhà khoa học người Đức đã đến Mỹ sau Thế Chiến II, làm việc cho quân đội tại phòng thí nghiệm của Quân đoàn Tín hiệu tại Fort Monmouth, New Jersey, đã rất ấn tượng với pin PV của Bell Labs. Hans K. Ziegler đi đầu trong việc cài đặt chúng lên vệ tinh liên lạc đầu tiên của Mỹ, Vanguard I, một dự án được Bộ Quốc phòng và Hải quân Mỹ tài trợ. Hai nhà tài trợ tranh cãi về nguồn năng lượng cho nó: Hải quân thì chuộng pin truyền thống. Trong một thỏa hiệp thực chất trở thành một thử nghiệm, cả hai nguồn năng lượng đã được lắp đặt trên vệ tinh Vanguard I dài 16 cm, nặng 1,6 kg, được phóng vào ngày 17 tháng 3 năm 1958 trên đỉnh tên lửa Vanguard ba tầng. Đến tháng 6, pin đã hết điện; pin PV tiếp tục cung cấp 1 watt điện cho vệ tinh trong sáu năm.[5] Các pin PV đời đầu rất đắt vì chúng được cưa ra từ những tấm tinh thể lớn được nuôi để làm transistor, mặc dù tấm PV không cần silicon có độ bán dẫn tinh khiết. Hai nhà khoa học tị nạn người Hungary tại trung tâm nghiên cứu vệ tinh COMSAT ở Clarksburg, Maryland là Joseph Lindmayer và Peter Varadi đã quyết định thành lập công ty riêng của họ, Solarex, để tạo ra pin PV cho các ứng dụng mặt đất. Đầu tiên họ đã thử làm pin từ phế thải silicon của vệ tinh.
Vanguard I, vệ tinh liên lạc đầu tiên của Mỹ, được phóng vào không gian năm 1958, chỉ có đường kính 16 cm, được cung cấp năng lượng từ cả pin thường và pin PV của Phòng thí nghiệm Bell. Vệ tinh này ngừng hoạt động vào năm 1964, bay tổng cộng 59 năm trên quỹ đạo tính đến năm 2017. Chúng chạy đủ tốt, nhưng nguồn cung không liên tục, và vẫn còn rất đắt. Solarex đã tìm được một thị trường cho nó, Varadi nhớ lại, trong “những khu vực rộng lớn không có ai sống nhưng vẫn cần liên lạc với nhau”: vùng đất liên bang được duy trì bởi Cục Lâm nghiệp Mỹ, Cục Quản lý Đất đai, Dịch vụ Thời tiết Quốc gia, “và ở nhiều bang như Arizona, rồi lực lượng cảnh sát. Pin PV đã được thử nghiệm và hoạt động rất tốt nên các tổ chức này đã sử dụng nó.”[6] Giai đoạn 1973-1974, khủng hoảng dầu mỏ ở Arab diễn ra, kích thích nhu cầu điện mặt trời, từ đó đưa Solarex vào
tầm ngắm, và vào đầu những năm 1980, công ty đã phát triển một tiền chất đa tinh thể bằng cách nung chảy silicon, đổ nó vào khuôn và sau đó cắt các phiến ra từ khối đúc. Sau đó là các tấm pin mái nhà lớn rồi đến các trang trại điện mặt trời. Công ty Southern California Edison đã kích hoạt cánh đồng điện mặt trời megawatt đầu tiên vào năm 1982 gần thị trấn Hesperia trong sa mạc Mojave phía đông bắc Los Angeles. Tua-bin điện gió hiện đại là một cỗ máy quy mô công nghiệp, cao gần 170 mét. Máy phát điện và thiết bị điều khiển đặt trong một vỏ bọc được sắp xếp hợp lý đằng sau các cánh quạt quay.
Điện mặt trời trên toàn thế giới vẫn ở ngưỡng tối thiểu vào năm 2000 và đã tăng lên 50 gigawatt(46) vào năm 2010. Đến năm 2017, điện mặt trời đã cung cấp một lượng nhỏ nhưng ngày càng tăng trong thị phần điện toàn cầu: 305 gigawatt trên tổng khả năng lắp đặt toàn cầu vào khoảng 25 triệu gigawatt, ít hơn 1%. “Điện mặt trời chỉ như con cá nhỏ chìm nghỉm trong biển năng lượng của hầu hết các quốc gia,” tờ The Guardian báo cáo năm đó. “Ngay cả khi công nghệ này được nhiệt liệt ủng hộ, chẳng hạn như ở châu Âu, trung bình điện mặt trời cung cấp 4% nhu cầu điện năng.” Các hệ thống quang điện cải tiến đang được phát triển bằng cách sử dụng màng mỏng polymer dẻo và có thể in được, và đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt là ở Trung Quốc và Mỹ.[7] Đối với nhiều khu vực của thế giới đang phát triển chưa có lưới điện, công nghệ điện mặt trời cải tiến với chi phí thấp hơn có thể mang lại khả năng nhảy vọt như điện thoại di động không cần mạng lưới dây dẫn trước đây. Năm 2016 tổng công suất điện gió lắp đặt đạt 487 gigawatt, chưa đầy 1% tổng công suất điện thế giới. Tuy nhiên, các con số cho các nguồn năng lượng gián đoạn này là sai lệch vì chúng đại diện cho khả năng lắp đặt chứ không phải năng lượng thực tế được tạo ra. “Yếu tố dung lượng” của nó - khoảng thời gian thực sự tạo ra điện - là một vấn đề đối với tất cả những nguồn năng lượng gián đoạn. Mặt trời không phải lúc nào cũng chiếu sáng, gió không phải lúc nào cũng thổi, cũng không có nước luôn đổ xuống các tua-bin của đập. Tại Mỹ vào năm 2016, các nhà máy điện hạt nhân, nơi tạo ra gần 20% điện năng của Mỹ, đã có hệ số công suất trung bình là 92,1%, nghĩa là chúng hoạt động hết công suất trong 336 ngày mỗi năm. (29 ngày còn lại chúng được ngắt khỏi lưới điện để bảo trì - tất nhiên không phải tất cả cùng lúc.) Ngược lại, các hệ thống thủy điện của Mỹ cung cấp năng lượng trong 38% thời gian (138 ngày mỗi năm); tua-bin điện gió: 34,7% thời gian (127 ngày mỗi năm); và trang trại điện mặt trời chỉ chiếm 27,2% thời gian (99 ngày mỗi năm). Ngay cả các nhà máy chạy bằng than hoặc khí đốt tự nhiên cũng chỉ tạo ra điện trong khoảng một nửa thời gian của năm.[8] Điện tích chạy gần như tức thời từ máy phát điện đến nơi tiêu thụ, có nghĩa là nó phải được tạo ra trong thời gian thực để đáp ứng nhu cầu. Điện có thể được lưu trữ tạm thời trong pin hoặc bằng cách sử dụng nó để di chuyển hàng loạt vật liệu, thường là nước đến vùng đất cao hơn để được
xả sau đó để tạo ra điện. Năm 2018 nó hầu như không được tích trữ ở bất cứ đâu ngoại trừ ở quy mô địa phương và cực kỳ hạn chế. Nước Mỹ chỉ có lưới pin dung lượng 225 megawatt vào năm 2016, hầu hết được lắp đặt trong một lưới kết nối của các bang Trung-Đại Tây Dương. Khi các nguồn gián đoạn không tạo ra điện, hoặc khi nguồn cung tăng mạnh và sụt giảm vì điều kiện mây thổi hoặc gió mạnh thì chúng phải được dự phòng với một nguồn điện phụ, thường là khí đốt tự nhiên. Không may thay, khí đốt tự nhiên có thành phần khoảng 75% khí mê-tan, một loại khí nhà kính giữ nhiệt trong khí quyển mạnh gấp 84 lần so với CO2 . [9] Sau khi cháy, khí đốt tự nhiên cũng tạo ra khoảng một nửa lượng khí carbon dioxid so với đốt than, ngoài ra là oxid nitơ, lưu huỳnh, thủy ngân và các hạt ở mức thấp hơn xăng và thấp hơn nhiều so với than. Thách thức lớn của thế kỷ 21 sẽ là hạn chế sự nóng lên toàn cầu trong khi vẫn cung cấp năng lượng cho dân số thế giới không chỉ tăng về số lượng mà còn tăng về chất lượng sống từ sinh tồn sang thịnh vượng. Thế giới sẽ đạt mốc mười tỉ người vào năm 2100, hơn 2,5 tỉ người nữa - tăng hơn 25% - so với dân số thế giới năm 2017. Một cách khác để nói về “hạn chế sự nóng lên toàn cầu” là tăng truyền thông, như các chuyên gia năng lượng làm, trong việc “khử carbon” của các nguồn năng lượng mà thế giới sử dụng. Chuyển từ than đá sang khí đốt tự nhiên là khử cacbon, vì khí đốt tự nhiên tạo ra khoảng một nửa carbon dioxid so với đốt than. Chuyển từ than đá sang điện hạt nhân là quá trình khử cacbon triệt để, vì điện hạt nhân chỉ tạo ra khí nhà kính trong lúc xây dựng, khai thác, xử lý nhiên liệu, bảo trì và ngừng hoạt động - điện mặt trời cũng vậy. [10] Cả điện hạt nhân và điện mặt trời chỉ tạo ra khoảng 2% đến 4% lượng CO2 so với một nhà máy nhiệt điện chạy than và khoảng 4% đến 5% so với nhà máy điện chạy bằng khí đốt tự nhiên.[11] Thế nhưng, việc phát triển điện hạt nhân đã bị chậm lại trong năm 2017 sau sự kiện tai nạn hạt nhân thứ ba trên toàn thế giới trong hơn 40 năm phát triển. Vụ tai nạn ở Pennsylvania tại đảo Three Mile, năm 1979, đã phá hủy lò phản ứng nhưng không phá hủy cấu trúc cách ly bằng thép và bê tông, chỉ phát tán lượng phóng xạ tối thiểu vào khí quyển. Vụ tai nạn tại Chernobyl, ở Ukraine thuộc Liên Xô năm 1986, đã phá hủy lò phản ứng (lò này bị thiếu cấu trúc cách ly, một thiết kế sẽ bị coi là bất hợp pháp tại Mỹ)
và phát tán lượng phóng xạ đáng kể vào không khí khi nó cháy mất kiểm soát trong 14 ngày. [12] Vụ tai nạn xảy ra vào tháng 3 năm 2011 tại Nhật Bản ở nhà máy điện Fukushima Daiichi sau một trận động đất và sóng thần lớn. Sóng thần làm ngập hệ thống cung cấp điện và hệ thống làm mát của ba lò phản ứng, khiến chúng tan chảy và nổ tung, phá vỡ cấu trúc cách ly. Mặc dù 154.000 công dân Nhật Bản đã được sơ tán khỏi khu vực tiệm cận 20 km xung quanh lò phản ứng, việc phơi nhiễm bức xạ ngoài khu vực nhà máy cũng rất hạn chế. Trích dẫn báo cáo đệ trình lên Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) vào tháng 6 năm 2011: Không tìm thấy ảnh hưởng có hại cho sức khỏe với 195.345 cư dân sống ở khu vực lân cận của nhà máy sau khi họ được kiểm tra sức khỏe vào cuối tháng 5 năm 2011. Tất cả 1.080 trẻ em xét nghiêm phơi nhiễm tuyến giáp cho thấy kết quả trong giới hạn an toàn. Đến tháng 12, chính quyền kiểm tra sức khỏe cho khoảng 1.700 cư dân đã được sơ tán từ ba thành phố cho thấy hai phần ba đã bị phơi nhiễm phóng xạ bên ngoài trong giới hạn quốc tế bình thường là 1 mSv/năm, 98% là dưới 5 mSv/năm và mười người bị phơi nhiễm với hơn 10 mSv. Trong khi không có sự phơi nhiễm lớn nào với cộng đồng, cũng như không có ca tử vong nào do phóng xạ, đã có 761 ca tử vong “liên quan đến thảm họa,” đặc biệt là những người già phải rời bỏ nhà ở và bệnh viện vì lệnh sơ tán bắt buộc và các biện pháp phòng tránh phóng xạ khác. Thương tổn tâm lý hậu sơ tán là một rủi ro sức khỏe lớn hơn bất kỳ sự phơi nhiễm khả dĩ nào khi trở về nhà sớm, theo chính quyền địa phương.[13] Những tai nạn này đáng lẽ không được phép xảy ra. Sự cố Đảo Three Mile là một thảm họa tài chính nghiêm trọng đối với các chủ sở hữu, nhưng mức độ rò rỉ phóng xạ nhỏ của nó nằm trong giới hạn an toàn của phơi nhiễm bức xạ và không gây hại cho ai.[14] Nguyên nhân của thảm họa Chernobyl nằm ở lỗi thiết kế nghiêm trọng của lò phản ứng tác dụng kép được duy trì như một bí mật quân sự và một thử nghiệm sai lầm trong việc ngắt kiểm soát máy do đội ngũ vận hành được đào tạo kém, một quy trình đòi hỏi vô hiệu hóa mọi hệ thống an toàn của lò phản ứng. Khi thanh điều khiển đầu bọc than chì được đưa trở lại quá chậm, lò phản ứng đã vượt hạn gấp 100 lần sức mạnh bình thường. Kết quả là vụ nổ hơi nước và hydro
làm nổ tung lõi lò phản ứng và thổi những mảnh chắn sinh học nặng nề của nó xuyên qua mái phòng chứa lò phản ứng lên thẳng không trung. Tiếp theo là cháy, giải phóng hầu hết phóng xạ của