Công Nghệ & Ứng Dụng

Năng lượng cho tương lai (Kỳ 3)

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

Năng lượng cho tương lai (Kỳ 2)

Kỳ này Wikicabinet xin giới thiệu đến độc giả một chủ đề thú vị về Năng lượng cho tương lai (Kỳ 3). Mời quý độc giả đón theo dõi chủ đề này cùng Wikicabinet nhé.

Sự chuyển đổi năng lượng toàn cầu của các hệ thống năng lượng, bao gồm bốn yếu tố: hiệu quả năng lượng, khử cacbon, phân cấp và số hóa.

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. Trong cùng năm đó, lượng khí thải nhà kính thải vào khí quyển đạt đến mức tối đa lịch sử. Theo Viện Tài nguyên Thế giới, các quốc gia sử dụng năng lượng của hydrocarbon hóa thạch gây ô nhiễm không khí nhiều nhất là Trung Quốc (28% lượng khí thải toàn cầu), Hoa Kỳ (15%) và Ấn Độ (7,3%).

Một số nhà phân tích tin rằng cho đến giữa thế kỷ XXI, tình hình với các nguồn năng lượng về cơ bản sẽ không thay đổi. McKinsey Energy Insights mạnh dạn hơn trong ước tính của mình: dự đoán rằng sản lượng điện sẽ tăng gấp đôi vào năm 2050 – chính xác là do các nguồn tái tạo, khi đó sẽ cung cấp 73% khối lượng. Một số quốc gia đang thực hiện các kế hoạch rất tiềm năng: Đan Mạch dự định sẽ tạo ra 100% điện năng bằng các nguồn tái tạo vào năm 2030.

Sông, hồ

Dự báo

Tuabin thủy điện xoay nhờ dòng chảy của sông, tạo ra 16% điện năng của thế giới. Đây là nguồn năng lượng carbon thấp lớn nhất.

Đối với một số quốc gia, thủy điện chiếm ưu thế. Do đó, ở Na Uy, nó cung cấp 99% tổng sản lượng điện, ở Brazil – khoảng 63% (2017), ở Paraguay – 100%, ở Canada – 54%.

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. Gần 22 gigawatt công suất thủy lực mới đã được đưa vào hoạt động trong năm.

Đây là một sự tăng trưởng tốt cho một ngành năng lượng cũ như vậy, trong thập kỷ hiện tại, nó đã phát triển nhanh chóng và vượt bậc.

Hầu hết các nhà máy thủy điện mới xuất hiện ở châu Á và Nam Mỹ, một nửa số nhà máy thủy điện mới  ở châu Âu được đặt tại Thổ Nhĩ Kỳ. Theo dự báo, đến năm 2040, sản lượng thủy điện sẽ tăng gấp rưỡi, nhưng tỷ trọng của nó trong tổng sản lượng điện sẽ giảm nhẹ.

Các vấn đề

Một số lý do dẫn đến việc giảm tỷ lệ các nhà máy thủy điện:

Các vấn đề môi trường liên quan đến diện tích đất ngập nước, đất nông nghiệp, rừng. Có nguy cơ lũ lụt các địa điểm lân cận. Có nguy cơ xảy ra tai nạn lớn, như tại nhà máy thủy điện Sayano-Shushenskaya. Xây dựng nhà máy thủy điện đang trở nên đắt đỏ hơn, sự cạnh tranh từ các nguồn năng lượng khác đang gia tăng. Và quan trọng nhất, tiềm năng thủy điện đang bị giảm – khối lượng tài nguyên thủy điện phù hợp để phát triển ở mức trung bình. Đối với nhiều quốc gia, năng lượng thủy điện gần như cạn kiệt. Mức độ sử dụng năng lượng thủy điện tại Nhật Bản là 90%, ở Ý, Na Uy, Pháp, Thụy Sĩ – 95 Tắt99%, ở Hoa Kỳ – 65 Phản85%. Mặc dù trung bình thế giới, giá trị này là dưới 50%. Ở Nga, tiềm năng thủy điện được sử dụng trung bình 23%, nhưng ở khu vực Volga – 74% và ở các vùng xa xôi của Tây Siberia và Viễn Đông – 2-3%.

Các nghiên cứu đã đưa ra một vấn đề khác của các nhà máy thủy điện: các hồ chứa nhân tạo thải ra khoảng một tỷ tấn khí nhà kính mỗi năm, số lượng khí mêtan thoát ra từ chúng cao hơn là từ các hồ và đầm lầy tự nhiên.

Giải pháp

Thế hệ lai có khả năng làm cho thủy điện hiệu quả hơn. Chẳng hạn, RusHydro và Hevel đang xây dựng một nhà máy năng lượng mặt trời có công suất 1275 kilowatt trên lãnh thổ của Nizhne-Bureyskaya HPP ở Vùng Amur. Các mô-đun năng lượng mặt trời với tổng diện tích khoảng 6.700 mét vuông sẽ được đặt trực tiếp trên lãnh thổ của tổ hợp thủy điện.

Quốc gia tiên phong cho các giải pháp lai như vậy là Bồ Đào Nha với một nhà máy thủy điện ảnh và thủy điện kết hợp trên sông Alto Rabagao. Công ty Ciel et Terre của Pháp đang xây dựng các nhà máy năng lượng mặt trời nổi – và đây cũng là xu hướng năng lượng toàn cầu. Lãnh thổ nhỏ cũng khuyến khích Nhật Bản đặt pin mặt trời trên bề mặt các vùng nước.

Nếu các nhà máy năng lượng mặt trời chỉ chiếm 10% bề mặt của 50 hồ chứa thủy điện lớn nhất thế giới, thì điều này sẽ bổ sung thêm 400 gigawatt cho năng lượng mặt trời, vượt quá tất cả công suất lắp đặt toàn cầu hiện nay, ông Vladimir Sidorovich nói.

Đại dương

Dự báo

Đây là năng lượng kém phát triển nhất, nhưng đại dương hứa hẹn mang lại giải pháp chuyển đổi động năng thành năng lượng điện.

Năng lượng có thể được lấy từ thủy triều và dòng hải lưu, từ độ dốc nhiệt và sự khác biệt về độ mặn. Hai phương pháp đầu tiên hiện được coi là khả quan hơn. Đến năm 2050, Liên minh châu Âu đặt mục tiêu thiết lập 100 gigawatt tổng sức mạnh sóng và thủy triều.

Ngày nay, các nhà máy điện thủy triều (PES) được phát triển tốt hơn. Vào ban ngày, dao động mực nước biển gần bờ biển có thể đạt tới 18 mét. Mạnh nhất thế giới cho đến nay, Sikhvinsky TPP được xây dựng tại Hàn Quốc vào năm 2011.

Một số nhà máy điện thủy triều được lắp đặt trên các đập trong vịnh hoặc ở cửa sông. La Rance PES, lớn nhất thế giới về sản xuất, nằm ở cửa sông Rance ở Brittany, nơi có thủy triều cao nhất châu Âu (lên tới 13,5 mét). Nhà ga sử dụng 24 tuabin trên một con đập với chiều dài 800 mét. Chi phí điện tại La Rance rẻ hơn một lần rưỡi so với tại các nhà máy điện hạt nhân của Pháp.

Các megapixel được chuẩn bị ở Anh, nơi nó được lên kế hoạch xây dựng một nhà máy điện thủy triều ở cửa sông Severn tạo ra 5,5 TWh mỗi năm. Nó sẽ bao gồm một bức tường tán xạ sóng dài 20 km và hơn một trăm tuabin.

Các trạm khác được đặt ở các eo biển, chẳng hạn như đơn vị thủy điện SeaGen, nơi cung cấp điện cho 1.500 hộ gia đình ở Down County, Bắc Ireland. Tua bin của trạm bán chìm này từ từ quay tròn dưới nước mà không đe dọa đến thiên nhiên.

Tại Scotland, nơi tập trung một phần tư tiềm năng năng lượng thủy triều châu Âu, năm 2017, tuabin thủy triều nổi lớn nhất đã được phóng lên – đó là một con tàu neo dài 64 mét với cánh quạt dưới nước và lưỡi dao 16 mét. Công nghệ Tidal dự kiến ​​sẽ cung cấp cho Anh điện trị giá một tỷ rưỡi bảng vào năm 2030 và thậm chí cho phép nó được xuất khẩu.

Ở Nga, thủy triều cao nhất xảy ra ở vịnh Penzhinskaya của Biển Okshotsk, nơi chúng cao nhất trên toàn Thái Bình Dương – lên tới 12,9 mét – tuy nhiên, ở các nước của chúng ta, các trạm thủy triều ở nước ta vẫn chỉ tồn tại ở dạng dự án (trừ Kislogubskaya TPP ở Biển Barents tượng đài khoa học công nghệ).

Các vấn đề

Việc sử dụng năng lượng biển bị ngăn chặn bởi các vấn đề thuộc nhiều loại khác nhau – từ chính trị và tài chính đến kỹ thuật thuần túy. Một số công nghệ quan trọng đối với PES vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu và nhiều dự án đã bị đóng cửa do lỗi thiết kế: vì vậy, nếu dòng chảy tăng đột ngột, các cánh tuabin bị vỡ và các thiết bị khác bị hỏng.

Giải pháp

Một cách khác để chế ngự biển là sử dụng các nhà máy điện sóng dựa trên hệ thống phao và phao lắc lư lên xuống cách bờ biển vài km.

Nhà máy điện sóng đầu tiên trong năm 2008 là dự án Pelamis đầy tham vọng ở Bồ Đào Nha. Dự án bị đóng cửa do vấn đề với vòng bi của tuabin và tài chính. Nhưng ngày nay, các giải pháp sóng mới được phát minh ở Nga, Anh, Mỹ và Trung Quốc.

Nhưng biển cũng ẩn giấu một năng lượng hoàn toàn khác. Ở dưới đáy đại dương, các mỏ methane hydrate khổng lồ được giấu kín – băng dễ cháy, vỡ 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, phương pháp sản xuất công nghiệp loại nhiên liệu có giá trị nhất này vẫn chưa được tìm thấy và tất cả các rủi ro đối với khí hậu và hệ sinh thái biển chưa được nghiên cứu.

Người ta ước tính rằng trữ lượng hydrat mêtan cao hơn hai bậc so với trữ lượng dầu thế giới, vì vậy nguồn tài nguyên thần kỳ đã thu hút sự chú ý của các chính phủ, các nhà khoa học và các công ty năng lượng trên toàn thế giới. Thành công gần đây là ở châu Á: năm 2017, Trung Quốc và Nhật Bản độc lập tuyên bố khai thác thử nghiệm thành công nguồn năng lượng này. Nhưng hiện tại, người ta tin rằng nhiều năm tới thế giới sẽ có thêm nền công nghiệp công nghệ hydrat mêtan.

Hydro

Dự báo

Một chất mang năng lượng khác của tương lai là hydro, nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ. Là một loại nhiên liệu, nó hiệu quả gấp ba lần so với tài nguyên hóa thạch truyền thống (trong cùng một thể tích hydro, năng lượng gấp ba lần).

Năng lượng từ hydro thu được theo các nguyên tắc điện hóa. Các tế bào nhiên liệu hydro tạo ra dòng điện giống như một cục pin vô tận, trong đó hydro và không khí với oxy được cung cấp từ bên ngoài. Kết quả là, điện được tạo ra và nước trở thành sản phẩm phụ. 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, Vương quốc Anh đã phân bổ 20 triệu bảng trong một chương trình của nhà nước. Bộ trưởng kinh tế Đức cũng muốn dẫn dắt đất nước trở thành những nhà lãnh đạo trong lĩnh vực này. Trong năm năm qua, chi phí sản xuất pin nhiên liệu đã giảm mạnh, do đó giờ đây các công ty hydro cũng nhìn thấy tương lai.

BMW đã tiếp quản việc tạo ra một chiếc xe thương mại trên pin nhiên liệu hydro – tiếp theo là Mercedes, Toyota, Hyundai và Honda. Ưu điểm của pin nhiên liệu như vậy là không gây ồn, thân thiện với môi trường và hiệu quả cao, và tính mô đun giúp dễ dàng bổ sung năng lượng cho máy.

Các vấn đề

Ở dạng nguyên chất, có rất ít hydro, nó phải được sản xuất. Bạn có thể làm điều này bằng cách phá vỡ khí tự nhiên, nhưng một lần nữa rất nhiều CO 2 được thải vào khí quyển . Một lựa chọn khác là điện phân từ nước, nhưng phương pháp này đắt hơn 5-10 lần.

Việc lưu trữ và vận chuyển hydro rất phức tạp bởi hai yếu tố: nó rất dễ bay hơi và dễ cháy, do đó có nguy cơ nổ. Vào mùa hè, một sự cố như vậy đã xảy ra tại trạm khí hydro Uno-X ở Na Uy; may mắn thay, sau đó không ai bị thương. Nhưng nhu cầu đổi mới vẫn còn nhỏ: năm ngoái 51 chiếc xe hydro đã được bán ở đất nước này, 55 năm trước.

Ngoài ra, hydro đòi hỏi một khối lượng nhiên liệu lớn hơn so với xăng, mà đối với ô tô có nghĩa là không gian cốp xe ít hơn.

Giải pháp

Các nhà sản xuất không tin rằng xe hydro nguy hiểm hơn xe thông thường.

Espen Olsen, đại diện của Toyota Na Uy cho biết, xi lanh hydro mạnh đến mức bạn có thể bắn chúng bằng súng lục và chúng sẽ không bắt lửa.

Điều chính là để giảm chi phí sản xuất hydro. Các giải pháp ở đây rất khác nhau. Có những nỗ lực để chế ngự vi tảo sản xuất hydro bằng quang hợp. Các nhà khoa học Bỉ đã tạo ra một máy phát hydro quang hóa trong sự hiện diện của ánh sáng mặt trời. Một phương pháp rẻ tiền và thân thiện với môi trường là lò phản ứng màng tách khí giải phóng hydro từ metan. Công nghệ sản xuất hydro từ khí tự nhiên với sự thu nhận đầy đủ CO 2 đang được cải thiện . Mikhail Vlaskin từ JIHT RAS đang phát triển các nhà máy nơi nhôm, chất oxy hóa trong nước với nhiệt và hydro, được sử dụng làm nhiên liệu.

IKEA đã lắp đặt pin nhiên liệu 300 kilowatt ở California, nơi sản xuất hydro từ một loại khí có nguồn gốc sinh học. Là nguồn dự phòng cung cấp năng lượng, pin nhiên liệu hydro đã được sử dụng bởi các công ty tiên tiến nhất – Adobe, Apple, eBay.

Trái đất

Dự báo

Năng lượng được ẩn giấu trong tất cả các yếu tố – bao gồm cả trong lòng Trái đất, và không chỉ dưới dạng hydrocarbon hóa thạch. Năng lượng địa nhiệt sử dụng nhiệt của các lớp sâu nhất của hành tinh – cả để sưởi ấm và tạo ra điện.

Khi bạn đi sâu hơn, nhiệt độ sẽ tăng khoảng 3°C cứ sau 100 mét, tùy theo khu vực. Các ống có nước nóng và hơi nước được đưa ra khỏi tầng ngậm nước ngầm trên bề mặt, hơi nước nóng làm quay tuabin máy phát.

Năng lượng địa nhiệt dùng để chỉ các nguồn năng lượng tái tạo, nhưng không phụ thuộc vào thời tiết hoặc mùa; GeoPPs sản xuất ít carbon dioxide. Ngành công nghiệp này được dự kiến, mặc dù không tăng trưởng nhanh nhưng ổn định – trong tương lai gần, nguồn này sẽ cung cấp tới 1/6 nguồn cung năng lượng toàn cầu. Theo IRENA, năm 2018, tổng công suất của GeoPP trên toàn thế giới đã vượt quá 13 gigawatt.

Nhà lãnh đạo về năng lượng địa nhiệt của Hoa Kỳ, vận hành thành công các trạm tại Philippines, Indonesia và Nhật Bản. Trung Quốc tích cực sử dụng nhiệt sâu, và ở Iceland, nó làm nóng 90% các tòa nhà. Đến năm 2040, thành phố Munich có kế hoạch chuyển hoàn toàn các hệ thống sưởi ấm của mình sang các nguồn tài nguyên tái tạo, chủ yếu là các nguồn ngầm nóng.

Các vấn đề

GeoES có nhược điểm của nó. Có nguy cơ xảy ra tai nạn với hậu quả môi trường, bởi vì nước nóng dâng lên có thể chứa các chất có hại – chì, asen, amoniac, và nó phải được bơm trở lại. Ngoài ra, nước ngầm không phải lúc nào cũng có sẵn ở nhiệt độ phù hợp, và cần phải thăm dò đắt tiền, điều này ảnh hưởng đến chi phí năng lượng cuối cùng cho người tiêu dùng.

Giải pháp

Khi nhiệt độ nước ngầm không tăng lên trên 100 ° C và không còn đào sâu hơn nữa, các GeoPP nhị phân được tạo ra. Trong đó, nước nóng làm nóng một chất lỏng làm việc khác với nhiệt độ sôi thấp, ví dụ freon, hơi nước đã làm quay tuabin máy phát. Đây là chu trình Rankine.

Đây là lần đầu tiên được thực hiện bởi Viện Vật lý nhiệt của SB RAS tại Paratunskaya GeoPP ở Kamchatka vào năm 1970, nhận xét của ông Serge Mitchseenko. Kể từ đó, khoảng hai nghìn cài đặt trên các chu kỳ nhị phân đã được xây dựng trên thế giới, nhưng ngày nay chúng không có sẵn ở Nga.

Nhưng các học giả xem xét các trạm nhiệt điện hứa hẹn nhất. Chúng được xây dựng ở nơi nóng dưới lòng đất, nhưng không có tầng ngậm nước. Nhiệt độ dưới đây có thể đạt tới 350 ° C. Hai đường ống được đưa vào giếng: nước được cung cấp xuống và làm nóng ở đó, và hơi nước chảy lên ống kia để quay tua-bin. Năm 2018, 22 trạm như vậy hoạt động trên thế giới. Người ta tin rằng trữ lượng nhiệt điện sẽ tồn tại trong 50 nghìn năm.

Trong kỳ tiếp theo, Wikicabinet trân trọng mời độc giả đón đọc chủ đề Năng lượng cho tương lai (Kỳ 2).

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