Những khái niệm chung về các nguồn năng lượng thay thế hiện nay

1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG THAY THẾ HIỆN NAY Năng lượng thay thế ( Alternative energy ) là năng lượng thu được từ những nguồn ngoài 3 dạng Nhiên liệu hóa thạch ( Fossil Fuel ): Than đá ( coal ), Dầu mỏ ( oil ) và Khí tự nhiên ( Natural gas ). Những nguồn năng lượng thay thế này bao gồm: Năng lượng hạt nhân ( Nuclear power ), Năng lượng mặt trời ( Solar power ), Năng lượng gió ( Wind power ), Năng lượng địa nhiệt ( Geothermal energy ), Năng lượng sinh khối ( Biomass energy ), Năng lượng nước ( Hydropower ) và một số dạng năng lượng khác. 1. Những nguồn năng lượng đang được sử dụng hiện nay 2. Những nguồn năng lượng thay thế hiện nay 2.1 Năng lượng hạt nhân 2.2 Năng lượng nước ( Thuỷ năng ) 2.3 Năng lượng gió ( Phong năng ) 2.4 Năng lượng mặt trời ( Quang năng ) 2.5 Năng lượng địa nhiệt 2.6 Năng lượng thuỷ triều và Nhiệt năng biển 2 2.7 Năng lượng sinh khối 2.8 Những nguồn năng lượng thay thế khác 1. Những nguồn năng lượng đang được sử dụng hiện nay Đầu thế kỷ 21, Năng lượng hóa thạch ( Dạng năng lượng hình thành hàng triệu năm trước từ xác các loài động thực vật ) cung cấp hơn 85% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu. Ở Mỹ, hai phần ba lượng điện năng hiện nay là từ việc đốt cháy các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên. Theo số liệu thống kê của Bộ Năng Lượng và Cơ quan bảo vệ môi trường Liên bang, những hoạt động đó đã thải ra môi trường trên dưới 2,3 tỷ tấn carbon dioxide ( 2,5 tỷ tấn Mỹ ) vào năm 1999. Hơn 150 năm qua, ước chừng 245 tỷ tấn ( 270 tỷ tấn Mỹ ) carbon dưới dạng carbon dioxide đã được thải ra không khí bằng việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu hóa thạch cung cấp năng lượng cho những phương tiện giao thông, các nhà máy công nghiệp, sưởi ấm các toà nhà và sản sinh ra điện năng phục vụ đời sống con người. Tuy nhiên, sự tồn trữ các nguồn nhiên liệu này là vô cùng hạn chế mà thực tế là không thể thực hiện được. Do vậy, chúng vẫn thường được gọi là những nguồn tài nguyên không thể phục hồi. Đã có rất nhiều dự đoán được đưa ra rằng, với tốc độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện nay thì trữ lượng dầu và khí tự nhiên sẽ thường xuyên nằm trên đà sụt giảm mạnh trong suốt thế kỷ 21. Than đá, nguồn nhiên liệu hóa thạch có trữ lượng lớn hơn dầu và khí tự nhiên, thì lại là một trong những tác nhân gây ra sự nóng lên toàn cầu. Một thực tế không thể tránh khỏi đang diễn ra là nhu cầu năng lượng cho những nền công nghiệp đang phát triển cũng như các xã hội tân tiến đã phát triển liên tục tăng, do đó sự chuyển hướng sử dụng sang những nguồn năng lượng thay thế trong tương lai trở thành tất yếu. Giữ gìn những nguồn năng lượng hiện có và sử dụng chúng một cách hiệu quả là giải pháp kết hợp để giải quyết triệt để vấn đề năng lượng, một vấn đề mang tính cấp thiết của thời đại ngày nay. 3 2. Những nguồn năng lượng thay thế hiện nay 2.1 Năng lượng hạt nhân Năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng thay thế có được bằng một trong hai cách: Phân rã hạt nhân các nguyên tử ( Nuclear fission: Sự phân hạch ) hoặc kết hợp hạt nhân các nguyên tử ( Nuclear fusion: Sự tổng hợp hạt nhân ). Dù là cách nào trong hai phương pháp trên thì đều mang lại nguồn năng lượng khổng lồ. Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng hạt nhân, trong đó xảy ra sự phân tách các nguyên tử uranium hoặc plutonium, nhằm điều khiển phản ứng phân hạch. Nhiệt năng giải phóng từ phản ứng phân hạch được thu lại và được sử dụng để sản sinh ra điện năng. Cho đến năm 2000, đã có 110 nhà máy điện nguyên tử được xây dựng và vận hành tại Mỹ. Trong khi đó, trên 70% lượng điện năng tiêu thụ ở Pháp là từ năng lượng hạt nhân. Rất nhiều nhà khoa học trên thế giới cho rằng, phản ứng tổng hợp hạt nhân sẽ là giải pháp tối ưu cho vấn đề năng lượng toàn cầu trong tuơng lai. Phản ứng tổng hợp hạt nhân mang lại lượng năng lượng lớn gấp bội so với phản ứng phân hạch. Tuy nhiên, cho đến nay, khoa học hiện đại vẫn chưa tìm ra cách điều khiển sự xảy ra của phản ứng này. Mặc dù năng lượng hạt nhân là dạng năng lượng sạch, rẻ tiền và tương đối an toàn, nhưng công chúng khắp thế giới ngày nay vẫn đang dấy lên mối quan ngại sâu sắc với khía cạnh mất an toàn mà việc xây dựng và vận hành các nhà máy điện hạt nhân đem tới. Những sự cố tại các nhà máy điện hạt nhân như Three Miles Island, Pennsylvania năm 1979 hay điển hình là Chernobyl, Ukraine năm 1986 đã thải ra bầu không khí một lượng lớn chất phóng xạ và đồng thời gieo giắc nỗi kinh hoàng về sự xảy ra của các thảm họa tương tự. Thêm vào đó, vấn đề xử lý rác thải phóng xạ một cách an toàn cũng cần được quan tâm một cách đúng mực. 2.2 Năng lượng nước ( Thuỷ năng ) Năng lượng từ các dòng nước lưu động là một giải pháp sản sinh điện năng sạch và 4 hiệu quả. Nước tràn xuống từ đập nhà máy thuỷ điện làm quay tuốc bin nối với máy phát điện. Năng lượng sản sinh ra sau đó được phân bổ tới những mạng lưới điện lớn, phục vụ đời sống con người. Canada, Mỹ và Brazil hiện đang là 3 quốc gia dẫn đầu thế giới về sản lượng điện từ thuỷ năng. Mặc dầu đem lại những lợi ích to lớn, nhưng việc xây dựng các con đập cho những nhà máy thuỷ điện lại ảnh hưởng sâu sắc tới môi trường xung quanh. Lý do là các con đập này đã gây ngập úng cho các vùng đất phía trên cũng như phá vỡ dòng chảy tự nhiên của các nguồn nước bên dưới nền móng của chúng. Điều này đương nhiên sẽ tác động đến hệ sinh thái và gây nên những hậu quả khó có thể lường trước được. 2.3 Năng lượng gió ( Phong năng ) Phong năng là một trong những hình thức sử dụng năng lượng được hình thành sớm nhất của con người. Vào đầu thế kỷ 20, rất nhiều nông trang đã sử dụng cối xay gió để bơm nước và phát điện. Ngày nay, được coi như là một nguồn năng lượng thay thế, phong năng đã và đang được khai thác bởi các nhà máy điện hiện đại, với những bộ lá cánh tuốc bin nhẹ hơn và hoạt động hiệu quả hơn. Ở Mỹ, tại những tiểu bang như California, New Hampshire, Oregon hay Montana, vài trăm máy phát điện sức gió được hoạt động đồng thời trên những vùng đất trống trải và có gió mạnh không ngừng thổi qua. Một nhà máy điện từ sức gió lớn có thể cung cấp điện năng sử dụng cho vài nghìn hộ dân tại Mỹ mỗi năm. Một số công ty điện nước này hiện nay cũng đang lên kế hoạch xây dựng những tổ hợp máy phát điện sức gió ( Wind farm ) lớn tại Texas, New Jersey, Massachusetts, Minnesota và một số tổ hợp nhỏ hơn tại Pennsylvania, Connecti-cut, New York trước năm 2020. Tới thời điểm đó, Bộ năng lượng Mỹ hy vọng sản lượng điện từ năng lượng gió sẽ đạt 5% tổng sản lượng điện Liên Bang. Với những công nghệ mới được phát triển cho mục đích tăng hiệu năng khai thác, năng lượng gió là dạng năng lượng thay thế sạch, rẻ, hứa hẹn và vô cùng dồi dào cho tương lai. 2.4 Năng lượng mặt trời ( Quang năng ) Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên không gây ô nhiễm và vô cùng dồi dào. Nguồn quang năng này có thể được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà, đun nóng nước hoặc sản sinh ra điện năng. Tuy nhiên, hạn chế của nó là sự khó khăn 5 trong việc thu thập ánh sáng mặt trời vào những ngày thời tiết mây mù, và bên cạnh đó là chi phí sản xuất còn khá cao. Có hai loại hệ thống máy năng lượng mặt trời, đó là hệ thống chủ động và hệ thống thụ động. Hệ thống thụ động thu thập và lưu giữ năng lượng mặt trời vì chính vật liệu, cấu trúc thiết kế của nó. Một ví dụ điển hình cho hệ thống kiểu này là những tòa cao ốc với mặt ngoài hoàn toàn bằng kính, giúp cho ánh nắng được hấp thụ và bên trong là những bức tường dày, nhằm lưu lại nhiệt năng và giải phóng lượng năng lượng đó về đêm. Hệ thống máy năng lượng mặt trời chủ động sử dụng quạt hoặc máy bơm để luân chuyển nhiệt năng mà bộ phận thu quang năng lấy được. Bộ phận thu quang năng này có chức năng hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển nó thành nhiệt năng đi sưởi ấm các tòa nhà cũng như làm nóng nước. Bộ phận này thường có dạng tấm phẳng, gắn trên nóc công trình và được làm từ vật liệu hấp thụ nhiệt như đồng hoặc nhôm, được bao ngoài bởi chất dẻo hay kính. Nước hoặc không khí luân chuyển trong hệ thống hấp thụ nhiệt và được chuyển tới bộ phận lưu giữ nhiệt năng, sau đó, nhờ hệ thống quạt hoặc máy bơm để thổi khí hoặc bơm nước nóng tới các phòng cần được sưởi ấm. Với những nơi sử dụng hệ thống máy năng lượng mặt trời, sẽ phải có một hệ thống làm nóng thông thường khác chạy dự phòng vào những ngày khó thu thập ánh sáng. Hiện nay, ánh sáng mặt trời còn được hấp thụ và chuyển trực tiếp thành điện năng nhờ sự ra đời của pin mặt trời ( Hai hệ thống trước chuyển quang năng thành nhiệt năng, sau đó mới có thể thành điện năng ). Pin mặt trời là một pin nhạy sáng hay sự kết hợp của các pin được thiết kế để tạo ra một điện áp nhờ sự chuyển đổi trực tiếp từ ánh sáng thành điện khi tiếp xúc với nguồn sáng. Pin mặt trời được sử dụng trong vệ tinh vũ trụ để cung cấp điện, hay trong đồng hồ đeo tay hoặc máy tính bỏ túi. Những tấm bảng gồm nhiều pin mặt trời hiện cũng đã được lắp đặt tại những ngọn hải đăng, thuyền bè hay những ngôi nhà ở các vùng hẻo lánh mà lưới điện khó có thể vươn tới được. Nhà máy điện từ năng lượng mặt trời, sử dụng quang năng để sản sinh ra hơi quay tuốc bin, là một giải pháp tiềm năng thay thế cho nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch với nhiều ưu điểm nổi bật như thân thiện với môi trường. Tại California, công trình nhà máy điện từ năng lượng mặt trời, sử dụng bộ thu làm 6 bằng những tấm kính lớn có gắn động cơ, chuyển động theo hướng mặt trời đang cung cấp điện bổ sung cho nhu cầu điện năng của Los Angeles. 2.5 Năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt năng là dạng năng lượng tự nhiên sản sinh ra từ lòng đất và giải phóng ra ngoài nhờ hoạt động của các núi lửa, suối nước nóng hay giếng phun ở khắp nơi trên thế giới. Các nguồn nước nóng hoặc hơi ngầm dưới lòng đất có thể được tiếp cận nhờ việc khoan sâu qua tầng đá. Nước được hâm nóng tự nhiên có thể được sử dụng để làm nóng các tòa nhà, trong khi hơi làm quay tuốc bin trong nhà máy nhiệt điện. Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng thay thế quan trọng tại những nơi có hoạt động địa nhiệt mạnh mẽ, như một phần của Mỹ, Ai xơ len hoặc Ý. Giống như hầu hết các ngôi nhà tại Ai xơ len, những ngôi nhà ở Boise, thủ phủ bang Idaho, đã được sưởi ấm nhờ năng lượng địa nhiệt từ vài năm nay. Những giếng phun ở California, là nguồn hơi nóng tự nhiên lớn nhất trên thế giới cũng đã được sử dụng để chạy máy phát điện từ năm 1960. Không giống như năng lượng mặt trời hay năng lượng gió, việc sử dụng năng lượng địa nhiệt có thể mang lại những tác động không tốt đến môi trường. Những thành phần hóa học trong hơi nước nóng góp phần không nhỏ làm ô nhiễm không khí, bên cạnh đó hơi nước nóng từ các giếng phun kết hợp với nước có thể chứa các muối không hòa tan ăn mòn hệ thống ống hoặc gây hại cho hệ sinh thái dưới nước. 2.6 Năng lượng thuỷ triều và Nhiệt năng biển Sự lên xuống của thuỷ triều tiềm ẩn trong nó một lượng năng lượng khổng lồ có thể được sử dụng để sản sinh ra điện. Tuy nhiên, chiều cao tối thiểu giữa đợt thuỷ triều cao nhất và thấp nhất nhằm mục đích khai thác là 6 mét, và thực tế là có rất ít nơi trên thế giới đạt được tiêu chí này. Cũng như đập nước trong nhà máy thuỷ điện, nhà máy điện thuỷ triều có những tuốc bin 7 quay khi sóng tràn vào từ cửa vịnh hay cửa sông, làm chạy máy phát điện. Vào những năm cuối thể kỷ 20, nhà máy điện thuỷ triều đã đi vào hoạt động tại một số quốc gia như Pháp, Nga, Canada và Trung Quốc. Nhà máy điện từ nhiệt năng biển sử dụng sự thay đổi nhiệt độ giữa mặt biển, nơi có nhiệt độ cao hơn, với lòng biển, nơi có nhiệt độ thấp hơn để sản xuất điện. 2.7 Năng lượng sinh khối Một phần sinh khối ( Tổng lượng động thực vật và vi sinh vật trên một đơn vị diện tích ) có thể được sử dụng như nhiên liệu sản sinh ra nhiệt năng. Gỗ, cây trồng, phế phẩm nông nghiệp, khoáng vật hay vật phẩm từ động vật là những bộ phận của sinh khối. Sinh khối trong rác thải có thể được đốt cháy để tạo ra nhiệt năng hoặc phân huỷ thành mêtan, một loại khí tự nhiên. Ở Tây Âu, hơn 200 nhà máy được xây dựng để đốt rác thải nhằm sản sinh ra điện. Mêtan có thể được chuyển thành nhiên liệu lỏng là Methanol còn Ethanol được lên men từ những cây trồng như mía hay cây lúa miến ( Sorghum ). Những tiêu chuẩn kiểm soát độ ô nhiễm không khí thích hợp cần được đưa ra để hạn chế lượng carbon dioxide thải vào môi trường khi đốt các dạng sinh khối. 2.8 Những nguồn năng lượng thay thế khác Những nguồn năng lượng thay thế khác, bao gồm khí hydro và pin nhiên liệu ( Fuel cell ). Khí hydro là nguồn nhiên liệu tiềm năng cho ô tô cũng như trong lĩnh vực sưởi ấm các tòa nhà và sản sinh điện năng. Mặc dù hydro không có sẵn dưới dạng đơn chất trong tự nhiên, con người vẫn có thể tạo ra nó nhờ phản ứng điện phân nước. Điều bất cập trong sử dụng hydro làm nhiên liệu ô tô là khả năng dễ bắt lửa của nó. Pin nhiên liệu là bộ máy sản sinh ra điện nhờ phản ứng giữa khí oxi và hydro. Loại pin này được sử dụng trong tàu vũ trụ, và là nguồn năng lượng thay thế tiềm năng cho việc chạy ô tô cũng như sưởi ấm các tòa nhà.