Nền văn minh cần ngày càng nhiều năng lượng rẻ, ngoài than, dầu và khí đốt. Nguồn năng lượng nào có thể thay thế để sưởi ấm nhà, nấu ăn, tiếp nhiên liệu cho xe hơi và thắp sáng?
Năm 2018, chỉ có 36% năng lượng được tạo ra bằng công nghệ carbon thấp; tất cả năng lượng khác được cung cấp bởi than, dầu và khí đốt. Cũng trong năm này, lượng khí thải nhà kính vào khí quyển đạt đỉnh cao nhất trong lịch sử.
Các nhà phân tích tin rằng, cho đến giữa thế kỷ, tình hình các nguồn năng lượng sẽ không thay đổi về cơ bản. Hiện nay, phân khúc năng lượng tái tạo đang trở nên cạnh tranh hơn: xây dựng các trạm năng lượng mặt trời và gió mới sẽ sớm có lợi hơn là vận hành các nhà máy nhiệt điện cũ. Theo báo cáo của Ngân hàng Đầu tư Lazard, điện rẻ nhất được tạo ra bởi năng lượng gió, tiếp theo là các tấm pin mặt trời và sau đó là sản xuất theo chu kỳ kết hợp. Do đó, các khoản đầu tư vào năng lượng xanh đạt mức kỷ lục đang diễn ra ở 5 quốc gia hàng đầu: Trung Quốc (70 tỷ euro/năm), Hoa Kỳ, Nhật Bản, Ấn Độ và Đức.
Dầu: Nguồn năng lượng chính cho nền văn minh hiện đại là dầu mỏ. Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế IAEA, năm 2018, hydrocarbon lỏng chiếm 40% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn cầu (điện chỉ chiếm 19%). Theo báo cáo Năng lượng Toàn cầu (Global Energy Outlook – GEO), ở phương Tây hậu công nghiệp, nhu cầu về hydrocarbon lỏng đã và sẽ giảm. Nhưng nhu cầu dầu toàn cầu sẽ không giảm trong 20 năm tới, ngay cả khi toàn bộ nhân loại sẽ chuyển từ xe chạy bằng xăng sang xe điện. Nhu cầu về dầu sẽ tăng trưởng ở Đông và Châu Phi đông dân, ở các nền kinh tế đang phát triển.
Dầu là một nguồn tài nguyên không tái tạo. Bị ràng buộc bởi Thỏa thuận Paris, Ngành công nghiệp dầu mỏ buộc phải giảm lượng khí thải carbon dioxide để không làm trầm trọng thêm cuộc khủng hoảng khí hậu. Dự trữ dầu chắc chắn sẽ cạn kiệt. Kể từ năm 1984, sản lượng dầu hàng năm trên thế giới đã vượt qua khối lượng thăm dò.
Theo Viện sĩ Sergei Alekseenko, Dầu mỏ sẽ cạn kiệt trong 40-60 năm nữa và ở Nga – trong 20 năm nữa. Giải pháp thay thế tạm thời có thể là sản xuất dầu đá phiến và khí đốt. Đến năm 2040, dự kiến dầu đá phiến chiếm 10-13% trong tổng sản lượng dầu. Tuy nhiên, các loại khí và dầu này rất khó để phục hồi đối với các vấn đề môi trường liên quan.
Ý tưởng tạo ra nhiên liệu sinh học lỏng từ vi tảo hoặc từ dầu thực vật thải đã thành công. Với nhiên liệu như vậy, Finnair đã thực hiện hai chuyến bay chở khách vào mùa hè này từ San Francisco đến Helsinki.
Gas, khi bị đốt cháy, thải ra ít carbon dioxide hơn than hoặc dầu. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA, lượng tiêu thụ khí đốt sẽ tăng ở các khu vực đang phát triển – Trung Quốc, Nam và Trung Mỹ, Ấn Độ. Đến năm 2040, khí đốt tự nhiên sẽ trở thành nguồn năng lượng lớn thứ hai sau dầu mỏ (nay than đá đang đứng thứ hai), chiếm 27%. Tuy nhiên, các mỏ khí đốt được khai thác sẽ chỉ tồn tại 40-60 năm.
Năng lượng khí có ba vấn đề chính: các nguồn tài nguyên này sẽ cạn kiệt; không an toàn vì dễ nổ; lượng carbon dioxide giải phóng trong quá trình đốt cháy.
Giải pháp đầu tiên là sử dụng khí đồng hành khi sản xuất dầu (APGs). Các loại khí dầu mỏ đồng hành này được đốt chỉ đơn giản vì lý do an toàn, gây ra các vụ cháy đặc trưng tại các giàn khoan dầu và nhà máy hóa chất. Theo IEA, năm 2017, khoảng 140 tỷ mét khối khí đồng hành đã bị đốt cháy trên thế giới, tương đương với mức tiêu thụ khí đốt hàng năm của toàn châu Phi, giải phóng khoảng 270 triệu tấn CO2. Tại nhiều quốc gia, việc đốt khí đồng hành sẽ bị loại bỏ vào năm 2030.
Theo báo cáo năm 2019 của EU, công nghệ thu hồi và thu giữ carbon từ các ống khói là một đột phá sáng tạo trong tương lai. Một lựa chọn khác – chuyển từ hóa thạch sang sản xuất khí tổng hợp với sự trợ giúp của điện xanh hoặc khí sinh học, ví dụ từ trấu.
Than: Trong một phần tư thế kỷ, nhu cầu toàn cầu về than đã tăng lên gấp ba lần ở phương Đông và giảm một phần ba ở phương Tây. Tuy nhiên, ngay cả ở các nước phát triển, than vẫn đóng một vai trò nổi bật – ví dụ, nó sản xuất 35% điện năng của Đức. Năng lượng này đang chiếm ưu thế trong sản xuất điện toàn cầu: năm 2015, các nhà máy nhiệt điện dùng than cung cấp 39% điện năng.
Trong những thập kỷ tới, than sẽ mất thị phần, dù các mỏ than trên thế giới có thể khai thác trong 150-200 năm nữa.
Than là nguồn năng lượng bẩn nhất về môi trường trong số các hydrocarbon hóa thạch. Việc sản xuất than được tự động hóa kém và đòi hỏi sự có mặt của người khai thác dưới lòng đất hít phải bụi than và nguy cơ bị nổ khí metan tích lũy. Do đó, các nước phát triển đang từ bỏ than để ủng hộ năng lượng tái tạo.
Than không còn là năng lượng xanh về giá đối với Indonesia, Việt Nam và Philippines. Nhà nghiên cứu Carbon Tracker nhận thấy rằng xây dựng một trang trại năng lượng mặt trời hoặc gió mới trong mười năm sẽ ít tốn kém, ít rủi ro hơn việc xây dựng các nhà máy nhiệt điện than mới trị giá 120 tỷ USD ở các quốc gia này.
Than vẫn sẽ có nhu cầu trong công nghiệp – rất khó để thay thế nó trong đúc thép và sản xuất vật liệu xây dựng. Cần tối đa hóa hiệu quả sử dụng than, như phương pháp khí hóa than (đốt cháy không hoàn toàn để tạo ra khí cháy) có thể tăng hiệu suất trong một nhà máy nhiệt điện điển hình.
Một chiến lược khác của các nhà máy nhiệt điện là sử dụng nhiên liệu thay thế than, như chất thải gỗ (dăm gỗ, mùn cưa và cành cây). Vào cuối năm 2019, nhà máy nhiệt điện than Asn lớn nhất ở Đan Mạch có công suất 782 megawatt, sẽ chuyển sang sử dụng chất thải gỗ, giúp giảm 800 nghìn tấn khí thải CO2/năm. Theo dự báo của IEA, vào năm 2035, tiềm năng năng lượng của rác sẽ nhiều hơn 20% so với tiềm năng than.
Mặt trời – Dạng năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất với dự trữ gần như không giới hạn. Từ quan điểm môi trường, điện sản xuất từ năng lượng mặt trời rẻ nhất thế giới, tạo ra ít vấn đề nhất.
Trạm năng lượng mặt trời nổi của công ty Pháp Ciel et Terre1
Ngày nay nó là một lĩnh vực quan trọng của ngành công nghiệp năng lượng điện thế giới. Theo các dự báo khác nhau, vào năm 2040, có khoảng 4 – 25% tổng số điện sẽ được tạo ra từ năng lượng mặt trời.
Nhưng vấn đề chính của năng lượng mặt trời là hiệu quả thấp, do những hạn chế của pin mặt trời, nhà máy điện mặt trời cần diện tích lớn. Một nguyên nhân quan trọng khác là sản lượng không ổn định trong ngày và trong năm do thời tiết. Sự phát triển của nó phụ thuộc nhiều vào công nghệ lưu trữ điện công nghiệp – vấn đề chung cho tất cả các nguồn năng lượng tái tạo.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tạo ra công nghệ tăng cường hiệu quả của pin mặt trời với chi phí thấp nhờ các vật liệu mới. Silicon được sử dụng trong 90% các tấm pin mặt trời ngày nay, nhưng các tế bào quang điện dựa trên gallium arsenide hoặc nhôm có hệ số hiệu suất cao hơn. Vật liệu này là một trong top 10 đột phá công nghệ của năm 2013, nó cho phép thu được phạm vi bước sóng lớn hơn, nghĩa là nhiều ánh sáng hơn.
Các nhà khoa học Nga đang nghiên cứu hoạt động của pin mặt trời ở nhiệt độ cực thấp (như ở Bắc Cực). Các nhà khoa học vật liệu Hàn Quốc đã phát minh ra sơn quang điện, có khả năng tạo ra tới 4mW/cm2. Pháp và Hà Lan đang thử nghiệm lắp pin mặt trời trên các tuyến đường giao thông…
Gió từ lâu đã phục vụ nhân loại bằng cách thổi những cánh buồm và cối xay gió. Theo Greenpeace, so với than, điện gió ít gây hại cho khí hậu hơn 75 lần. Trong tương lai gần, năng lượng gió sẽ thành một trong những nguồn chính, mức tăng trưởng hiện tại của nó đã vượt qua dự báo.
Vào đầu năm 2016, tổng công suất của tất cả các máy phát điện gió trên thế giới là 432 gigawatt, vượt qua năng lượng hạt nhân. Cối xay gió sản xuất 3% điện năng của thế giới mỗi năm. Và trong năm 2018, các quốc gia thuộc Liên minh châu Âu đã nhận được 14% tổng lượng điện năng sử dụng từ 130.000 máy phát điện gió và những con số này sẽ tiếp tục tăng nhanh.
Nguyên tử. Triển vọng cho năng lượng hạt nhân là không chắc chắn nhất. Những người ủng hộ trích dẫn số liệu thống kê cho thấy đó là cách an toàn nhất, nhưng những người phản đối lo ngại rằng thảm họa tại nhà máy điện hạt nhân có thể gây ra hậu quả tồi tệ hơn nhiều so với tại Chernobyl và Fukushima.
Theo IAEA, vào cuối năm ngoái, thế giới có 450 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động với tổng công suất 396 gigawatt, và 55 lò khác đang được xây dựng. Ngày nay, 70% lượng điện nguyên tử của thế giới được tạo ra bởi 5 quốc gia: Hoa Kỳ, Pháp, Trung Quốc, Nga và Hàn Quốc.
Nhiều chuyên gia tin rằng năng lượng hạt nhân đã qua thời phát triển đỉnh cao. Tỷ lệ tối đa của các nhà máy điện hạt nhân trong sản xuất điện (17,5%) đã đạt được vào năm 1996, ngày nay chỉ còn 10%. Sản lượng cao nhất là vào năm 2006 (2660 TW/h). Số lượng lò phản ứng hạt nhân đang được xây dựng đã giảm trong vài năm, trong khi những lò hiện tại đang dừng lại.
Ở châu Âu, ngày càng có nhiều quốc gia từ bỏ các nhà máy điện hạt nhân. Bỉ sẽ đóng cửa 7 lò phản ứng hạt nhân vào năm 2025, dù ngành công nghiệp này sản xuất hơn một nửa số điện của quốc gia. Công ty nhà nước PGE của Ba Lan đã từ chối xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của đất nước để ủng hộ điện gió ngoài khơi. Cư dân Thụy Sĩ đã bỏ phiếu từ chối năng lượng hạt nhân. Đức sẽ đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân cuối cùng vào cuối năm 2022. Hàn Quốc cùng châu Âu quay lưng với năng lượng than và hạt nhân.
Nhưng ở các khu vực đang phát triển, các dự án hạt nhân mới chỉ bắt đầu: Các lò phản ứng hạt nhân được xây dựng ở Pakistan, Argentina và Romania. Ả Rập Saudi dự định tạo ra 16 lò phản ứng hạt nhân trong hai mươi năm tới. Hầu hết tất cả các nhà máy điện hạt nhân đang được xây dựng ở Trung Quốc với dự định tăng công suất hạt nhân lên 58 gigawatt vào năm 2030.
IAEA dự báo công suất lắp đặt của tất cả các nhà máy điện hạt nhân tăng gấp đôi vào năm 2050, nhưng khoản đầu tư vào lĩnh vực này thua xa các khoản đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo.
Một hướng mới trong công nghệ nguyên tử là lò phản ứng tan chảy muối, có thiết kế đơn giản và an toàn hơn các lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng nước và nhiên liệu thông thường.
Sông. Thủy điện tạo ra 16% điện năng của thế giới. Đây là nguồn năng lượng carbon thấp lớn nhất.
Năm 2018, công suất toàn cầu của các nhà máy thủy điện lên tới gần 1292 gigawatt; trong đó hơn một phần tư được đặt tại Trung Quốc.
Dự báo, đến năm 2040, sản lượng thủy điện sẽ tăng gấp rưỡi, nhưng tỷ lệ của nó trong tổng sản lượng điện sẽ giảm nhẹ.
Một số lý do làm giảm tỷ lệ của các nhà máy thủy điện: Vấn đề môi trường liên quan đến diện tích đất ngập nước, đất nông nghiệp, rừng; nguy cơ lũ lụt; nguy cơ xảy ra tai nạn lớn; xây dựng nhà máy thủy điện đang trở nên đắt đỏ hơn; cạnh tranh từ các nguồn năng lượng khác đang gia tăng. Và quan trọng nhất, đối với nhiều quốc gia, tiềm năng thủy điện gần như đã cạn kiệt.
Một vấn đề khác của các nhà máy thủy điện là các hồ chứa nhân tạo thải ra khoảng một tỷ tấn khí nhà kính mỗi năm, khí mêtan thoát ra từ chúng nhiều hơn là từ các hồ và đầm lầy tự nhiên.
Đại dương. Lựa chọn kém phát triển nhất, nhưng đầy hứa hẹn. Năng lượng có thể được lấy từ thủy triều và dòng hải lưu, từ độ dốc nhiệt và sự khác biệt về độ mặn. Đến năm 2050, Liên minh châu Âu đặt mục tiêu thiết lập 100 gigawatt từ sức sóng và thủy triều.
Trạm năng lượng thủy triều Sihwin ở Hàn Quốc
Biển cũng ẩn giấu một năng lượng khổng lồ ở dưới đáy đại dương, các mỏ methane hydrate (băng cháy), giải phóng thành nước và metan khi được làm nóng và giảm áp suất. Một mét khối chất này phát ra khoảng 160 mét khối khí. Tuy nhiên, vẫn chưa tìm được phương pháp sản xuất công nghiệp loại nhiên liệu có giá trị này và chưa lường hết các rủi ro của nó đối với khí hậu và hệ sinh thái biển.
Hydro – nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, là năng lượng của tương lai, có hiệu quả gấp ba lần so với tài nguyên hóa thạch truyền thống (trong cùng một thể tích). Năng lượng từ hydro thu được theo các nguyên tắc điện hóa. Vì vậy, các nguyên tố hydro cạnh tranh với nhiên liệu carbon mà không gây ô nhiễm môi trường.
Để hỗ trợ công nghệ hydro, Anh đã chi 20 triệu bảng cho một chương trình nghiên cứu. Đức cũng quan tâm lĩnh vực này. BMW đã tạo ra xe thương mại trên pin nhiên liệu hydro – tiếp theo là Mercedes, Toyota, Hyundai và Honda. Ưu điểm của loại pin nhiên liệu là không gây ồn, thân thiện với môi trường và hiệu quả cao.
Việc lưu trữ và vận chuyển hydro rất phức tạp bởi nó rất dễ bay hơi và dễ cháy, có nguy cơ nổ. Ngoài ra, hydro đòi hỏi khoang chứa nhiên liệu lớn hơn so với xăng, đối với ô tô có nghĩa là không gian xe ít hơn.
Công nghệ sản xuất hydro từ khí tự nhiên với sự thu nhận đầy đủ CO2 đang được cải thiện. Là nguồn điện dự phòng, pin nhiên liệu hydro đã được các công ty Adobe, Apple, eBay sử dụng.
Hành tinh. Năng lượng địa nhiệt sử dụng nhiệt của các lớp sâu nhất của hành tinh – cả để sưởi ấm và tạo ra điện. Tùy theo khu vực, cứ ở độ sâu thêm 100 mét, nhiệt độ sẽ tăng khoảng 3°C. Các ống có nước nóng và hơi nước được đưa ra khỏi tầng ngậm nước ngầm trên bề mặt, làm quay tuabin máy phát.
Năng lượng địa nhiệt thuộc năng lượng tái tạo, sản sinh ít carbon dioxide. Ngành công nghiệp này được dự kiến không tăng trưởng nhanh nhưng ổn định – trong tương lai gần, nó sẽ cung cấp tới 1/6 nguồn cung năng lượng toàn cầu.
Dẫn đầu về năng lượng địa nhiệt là Hoa Kỳ với các trạm vận hành thành công ở Philippines, Indonesia và Nhật Bản. Trung Quốc tích cực sử dụng nhiệt sâu, và ở Iceland nó sưởi ấm 90% các tòa nhà. Đến năm 2040, thành phố Munich có kế hoạch chuyển toàn bộ các hệ thống sưởi ấm của mình sang sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo, chủ yếu là các nguồn nóng ngầm.
Năng lượng địa nhiệt có nguy cơ gây hậu quả môi trường ở chỗ nước nóng dâng lên có thể chứa các chất có hại – chì, asen, amoniac, và nó phải được bơm trở lại. Nước ngầm không phải lúc nào cũng có sẵn ở nhiệt độ phù hợp, cần phải thăm dò tốn kém.
Nguồn:
