Công Nghệ & Ứng Dụng

Năng lượng cho tương lai (Kỳ 2)

Wikicabinet kính chào quý độc giả ở kỳ trước chúng tôi đã giới thiệu các chủ đề về:

Năng lượng cho tương lai (Kỳ 1)

Kỳ này Wikicabinet xin giới thiệu đến độc giả một chủ đề thú vị về Năng lượng cho tương lai (Kỳ 2). Mời quý độc giả đón theo dõi chủ đề này cùng Wikicabinet nhé.

Biến đổi khí hậu sẽ đến chậm hơn, vấn đề cấp thiết bây giờ chính là nguồn năng lượng sẽ lấy từ đâu? Vấn đề này rất khó giải quyết nếu chỉ bằng cách tuyên truyền, nâng cao ý thức đối với hệ sinh thái? Chìa khóa của giải pháp là tìm kiếm năng lượng chi phí thấp thay thế.

Năng lượng chi phí thấp này nó ở đâu?

Dự báo năng lượng này cho đến năm 2040.

Học viện nghiên cứu năng lượng của Viện hàn lâm khoa học Nga xem xét ba luồng tư duy: bảo thủ (duy trì tình hình hiện tại), đổi mới (thúc đẩy sự phát triển của công nghệ) và chuyển giao năng lượng tiến bộ nhất.

Mặt trời

Dự báo

Dạng năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất là năng lượng mặt trời. Dự trữ của nó gần như không giới hạn, và từ quan điểm môi trường, nó tạo ra ít vấn đề nhất, theo lời ông Serge, ông Mitchseenko.

Thị trường năng lượng chuyển đổi từ quang điện đang phát triển rất nhanh – với tỷ suất 28% mỗi năm.

Anton Usachev, giám đốc Hiệp hội các doanh nghiệp năng lượng mặt trời của Nga cho biết, đây là một lĩnh vực quan trọng của ngành công nghiệp năng lượng điện thế giới hiện nay. Trung Quốc đang dẫn đầu về tổng năng lượng mặt trời, Đức chiếm vị trí đầu tiên về năng lượng bình quân đầu người và Honduras có tỷ lệ sử dụng năng lượng mặt trời lớn nhất trong sản xuất điện trong năm 2017 là 10%.

Chi phí cho các tấm pin mặt trời đang giảm nhanh chóng.

Trong các nguồn năng lượng xanh tốt  nhất theo quan điểm khí hậu, năng lượng mặt trời sản xuất ra điện rẻ nhất thế giới, ông Vladimir Sidorovich, giám đốc trung tâm thông tin và phân tích Năng lượng mới cho biết.

Một mức giá thấp kỷ lục – khoảng 0.0234 USD mỗi kW giờ – tại trạm quang điện lớn nhất thế giới Noor Abu Dhabi, mở tại UAE năm nay, với công suất 1,2 gW, có khả năng cung cấp điện cho 90 nghìn người.

Trong nhiều khía cạnh, việc xây dựng các dự án năng lượng thay thế mới có lợi hơn là hỗ trợ các nhà máy điện thông thường hiện có. Nhưng đừng đánh giá quá cao tốc độ phát triển của năng lượng mặt trời. Theo các dự báo khác nhau, vào năm 2040, có khoảng 4 đến 25% tổng số điện sẽ được tạo ra từ năng lượng mặt trời.

Các vấn đề

Vấn đề chính của năng lượng mặt trời là hiệu quả thấp. Do những hạn chế về mặt lý thuyết của pin mặt trời về hiệu quả (khoảng 30%), cần một diện tích lớn cho các nhà máy điện mặt trời.

Một trường hợp quan trọng khác là sản lượng không ổn định trong ngày và trong năm. Năng suất của các trạm năng lượng mặt trời cũng bị giảm bởi sương khói và nhiệt. Sự phát triển của ngành phụ thuộc rất nhiều vào các công nghệ lưu trữ điện công nghiệp, đơn giản là nguồn cung cấp điện, nhưng đây là vấn đề chung cho tất cả các nguồn năng lượng tái tạo.

Giải pháp

Tất cả các vấn đề của quang điện đang dần được giải quyết.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã làm việc để tạo ra công nghệ cho sản xuất công nghiệp pin mặt trời nhiều giai đoạn và giảm chi phí của chúng và mang lại hiệu quả tốt hơn hẳn.

Việc sử dụng các vật liệu mới làm tăng hiệu quả quang điện. Theo ông Serge Alekseenko, silicon được sử dụng trong 90% các tấm pin mặt trời hiện nay, nhưng các tế bào quang điện dựa trên gallium arsenide hoặc nhôm, cũng như với perovskite, rất đáng quan tâm. Tạp chí khoa học đã đưa tài liệu này vào top 10 đột phá của năm 2013. Đặt nó trên các phần tử silicon, bạn có thể thu được phạm vi bước sóng lớn hơn, nghĩa là nhiều ánh sáng hơn.

Các nhà khoa học Nga cũng đang nghiên cứu hoạt động của pin mặt trời ở nhiệt độ cực thấp, ví dụ như ở Bắc Cực. Và để thu thập năng lượng của mặt trời từ các bề mặt gián tiếp, các nhà khoa học vật liệu Hàn Quốc đã phát minh ra sơn quang điện có thể tạo ra tới 4 mW / cm2 .

Trong khi một số đến với công nghệ, những người khác đang thử nghiệm. Ở Pháp và Hà Lan, những con đường phủ đầy mặt trời đã được thử nghiệm với mức độ thành công khác nhau. Và tại Trung Quốc, họ đã xây dựng một nhà máy năng lượng mặt trời 50 megawatt dưới dạng gấu trúc, phân biệt với chiều cao – để phổ biến năng lượng thay thế.

Gió

Dự báo

Gió đã phục vụ nhân loại từ lâu, thổi bay những cánh buồm và những cối xay gió. Nhưng ngày nay, các trang trại gió tạo ra điện, chuyển đổi năng lượng quay của cánh quạt vào nó. Theo Greenpeace, một trang trại gió ít gây hại cho khí hậu hơn 75 lần so với than.

Trong tương lai gần, ngành năng lượng gió sẽ biến từ một nguồn năng lượng thay thế thành một trong những nguồn chính. Trong những năm gần đây, chi phí điện gió đã giảm rất nhanh đến 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 gW, 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 số điện sử dụng 130.000 máy phát điện gió và những con số này sẽ tiếp tục tăng nhanh.

Năm nay, Rusnano và Fortum đã khai trương một trang trại gió 50 MW ở Vùng Ulyanovsk, và trước đó trang trại gió đầu tiên của Nga với 35 megaW. Ở vùng Murmansk, Nga đang xây dựng một trang trại gió Kola với công suất 201 megaW.

Tại Hoa Kỳ, năng lượng gió Texas có công suất lớn nhất (lên đến 25 gigawatt), lớn thứ hai về diện tích và dân số của tiểu bang.

Trong nửa đầu năm 2019, năng lượng gió Nga tạo ra chiếm 22% điện năng và than ít hơn chiếm 21%.

Các vấn đề

Việc sản xuất cối xay gió phụ thuộc vào cường độ của gió – một yếu tố không ổn định như ánh sáng mặt trời.

Khi thời tiết nhiều mây và tĩnh lặng là dấu hiệu tối tệ trong ngành năng lượng gió. Trong lĩnh vực năng lượng của Đức thậm chí còn có một thuật ngữ đặc biệt cho thời tiết như vậy “Dunkelflaute” “sự bình tĩnh đen tối”. Nếu thời tiết này được kết hợp với nhu cầu điện cao, thì dẫn đến tình trạng thiếu hụt điện trầm trọng, ông Vladimir Sidorovich nói. Bởi vậy, người ta phát triển hệ thống lưu trữ điện công nghiệp tối ưu.

Sức mạnh của máy phát điện gió phụ thuộc vào kích thước của cánh quạt và chiều cao và diện tích trên bề mặt. Một máy phát điện gió công suất lớn với kích thước của tòa nhà 35 tầng: tuabin Vestas có công suất 3 megawatt có chiều cao 115 mét và cánh quạt dài 90 mét. Những người khổng lồ này chịu được sức gió lên tới 300 km mỗi giờ, nhưng vào năm 2019, năm tuabin gió đã bị sập ở Hoa Kỳ.

Giải pháp

Các vùng ven biển phù hợp nhất để xây dựng các cối xay gió, nơi gió biển mạnh liên tục thổi và tránh ảnh hưởng bởi tiếng ồn từ tuabin. Tuy nhiên, xây dựng cối xay gió ở đây đắt hơn trên đất liền. Đan Mạch, Hà Lan và Đức thậm chí còn có kế hoạch xây dựng một hòn đảo nhân tạo ở Biển Bắc vào năm 2030. Một trang trại gió 70 – 100 gigawatt nằm ở đó sẽ cung cấp năng lượng cho 80 triệu người châu Âu.

Khối lượng năng lượng gió trên đất liền lớn hơn, nhưng ra ngoài khơi sẽ tăng nhanh hơn và rủi ro cũng cao hơn.

Có nhiều giải pháp khác nhau cho việc tích lũy điện: trạm lưu trữ, pin điện hóa và các giải pháp khác. Theo dự báo của Bloomberg New Energy Finance, tổng vốn đầu tư trong 20 năm tới tại thị trường này sẽ vượt quá một nghìn tỷ đô la. Ước tính từ năm 2030 pin lithium-ion sẽ là giải pháp rẻ nhất để lưu trữ năng lượng. Tesla gần đây đã giới thiệu pin mới thuộc loại này – Megapack 3 megawatt. Chúng có thể được kết hợp thành toàn bộ các nhà máy điện có công suất lên tới 1 GW • h, có khả năng cung cấp cho tất cả các ngôi nhà ở San Francisco trong sáu giờ.

Hệ thống lưu trữ điện có thể được lắp đặt và sử dụng không chỉ tại các nhà máy điện mà còn cho cả người tiêu dùng và trong cả công nghiệp, trong các mạng lưới và trạm biến áp, trong các mạng lưới phân phối về phía các công ty cung cấp năng lượng, theo ông Igor Chausov, nhà phân tích hàng đầu tại Trung tâm cơ sở hạ tầng năng lượng.  RUSNANO cũng coi đây là thị trường đầy hứa hẹn, các thiết bị lưu trữ lithium-ion của nó được sản xuất bởi nhà máy Liotech của Li-băng.

Nguyên tử

Dự báo

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 năng lượn nguyên tử sẽ là một thảm họa tại nhà máy điện hạt nhân có thể dẫn đến hậu quả tồi tệ hơn nhiều so với tại Chernobyl và tại Fukushima-1.

Theo IAEA, vào cuối năm ngoái, 450 lò phản ứng hạt nhân với tổng công suất 396 gigawatt đang hoạt động trên thế giới, 55 lò khác đang được xây dựng. Ngày nay, 70% điện nguyên tử của thế giới được tạo ra bởi năm quốc gia là Hoa Kỳ, Pháp, Trung Quốc, Nga và Hàn Quốc. Pháp dẫn đầu về tỷ lệ các nhà máy điện hạt nhân trong sản xuất điện – ở đây, nó vượt quá 70%; tiếp theo là Slovakia (55%) và Ukraine (53%).

Nhưng thời kì đỉnh cao của sự phát triển năng lượng hạt nhân đã qua bởi vì mức độ nguy hiểm của chúng. 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 nền công nghệ hiện tại, triển vọng về năng lượng hạt nhân rất quan ngại và chúng dần bị hạn ch.

Ở châu Âu, ngày càng có nhiều quốc gia đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân. Bỉ sẽ đóng cửa bảy lò phản ứng hạt nhân vào năm 2025, mặc dù ngành công nghiệp này sản xuất hơn một nửa sản lượng điện tại đất nước này. Công ty nhà nước PGE của Ba Lan đã từ chối xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của đất nước để phát triển các cối xay gió ngoài khơi. Công dân Thụy Sĩ đã bỏ phiếu trong một cuộc trưng cầu dân ý phổ biến để từ chối năng lượng hạt nhân. Đức sẽ đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân cuối cùng vào cuối năm 2022. Hàn Quốc cũng tham gia châu Âu, nơi năng lượng quay đầu hoạt động – một sự quay lưng với năng lượng than và hạt nhân.

Nhưng ở các khu vực khác, các dự án hạt nhân mới chỉ bắt đầu: Ả Rập Saudi dự định tạo ra 16 lò phản ứng hạt nhân trong hai mươi năm tới, Trung Quốc dự định tăng công suất hạt nhân lên 58 gigawatt vào năm 2030 và xây dựng các lò phản ứng ở Pakistan, Argentina và Romania. Các khu vực đang phát triển đang quan tâm đến năng lượng hạt nhân: hầu hết tất cả các nhà máy điện hạt nhân đang được xây dựng ở Trung Quốc.

Vẫn còn một số các chuyên gia có những quan điểm ” lạc quan về nguyên tử”. Do đó, dự báo IAEA giả định tăng gấp đôi công suất lắp đặt của tất cả các nhà máy điện hạt nhân vào năm 2050. Tổng vốn đầu tư vào lĩnh vực này kém xa các khoản đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo. So sánh: từ năm 2000 đến năm 2016, công suất mới đã được xây dựng trong năng lượng gió thế giới với 451 gigawatt, trong năng lượng mặt trời – cho 301 gigawatt và năng lượng hạt nhân – chỉ 36 gigawatt.

Các vấn đề

Xây dựng một nhà máy điện hạt nhân rất mất thời gian và gặp nhiều khó khăn. Trong 50 năm qua, thời gian xây dựng các nhà máy điện hạt nhân trung bình đã tăng gấp đôi, bao gồm cả do các yêu cầu an toàn mới sau thảm họa hạt nhân ở Chernobyl và Fukushima của Nhật Bản vào năm 2011. Việc ngừng hoạt động các nhà máy này cũng không hề rẻ: ước tính việc đóng cửa tất cả các cơ sở ở Thụy Sĩ sẽ tiêu tốn 21,8 tỷ đô la, phần lớn trong số đó sẽ được chi cho việc xử lý chất thải phóng xạ. Và ở Anh, ngay cả năng lượng gió ngoài khơi cũng rẻ hơn đáng kể so với năng lượng hạt nhân.

Đồng thời, các nhà máy điện hạt nhân cũng phụ thuộc vào thời tiết. Vì vậy, vài năm trước Pháp phải nhập khẩu năng lượng từ Tây Ban Nha và Đức, khi 10 đơn vị năng lượng hạt nhân ngừng hoạt động do sương giá.

Giải pháp

Một hướng mới trong công nghệ nguyên tử là lò phản ứng tan chảy muối. Thiết kế của chúng đơn giản và an toàn hơn các lò phản ứng hạt nhân nhiên liệu rắn và nước thông thường. Mặc dù khái niệm này được phát triển ở Hoa Kỳ vào giữa thế kỷ 20, lợi nhuận đã quay trở lại cùng với các khoản đầu tư vào những năm 2000.

Vào mùa hè năm 2017, lần đầu tiên sau 40 năm, các nhà nghiên cứu Hà Lan đã bắt đầu thử nghiệm sự an toàn của lò phản ứng muối lỏng và năm 2018, hợp đồng đầu tiên đã được ký kết để xây dựng một nhà máy điện hạt nhân như vậy tại địa điểm của Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho ở Hoa Kỳ. Bây giờ Trung Quốc cũng đang lên kế hoạch chi 3,3 tỷ đô la để xây dựng hai lò phản ứng muối lỏng thí điểm và thương mại hóa chúng vào những năm 2030.

Trong kỳ tiếp theo, Wikicabinet trân trọng mời độc giả đón đọc chủ đề Năng lượng cho tương lai (Kỳ 3).

Nếu có những thắc mắc hay muốn tìm hiểu về bất kỳ chủ đề nào, hãy liên hệ với Wikicabinet bằng cách bình luận ở phía dưới nhé.

Leave a Reply