Những tiến bộ công nghệ quan trọng thúc đẩy các giải pháp năng lượng tái tạo
|
Vấn đề năng lượng toàn cầu
Song song với việc tăng sử dụng năng lượng là áp lực của vấn đề này lên thiên nhiên và tất yếu phải được giảm đến mức tối thiểu. Về vấn đề này, các nhà khoa học và các chuyên gia cũng đã đề xuất nhiều mô hình năng lượng, điểm chung của tất cả các mô hình là giảm thiểu lượng khí thải cacbon khi sử dụng năng lượng.
Thường thì các mô hình năng lượng có thể phân loại như sau:
Mô hình truyền thống
Là mô hình có tính chất cập nhật toàn bộ các chuyên ngành năng lượng hydrocacbon với mục tiêu khử carbon tối đa. Để thực hiện mục tiêu này, cần bao gồm các công việc: thứ nhất là điều chỉnh công nghệ khai thác - vận chuyển và sử dụng năng lượng hóa thạch theo các tiêu chuẩn mới cho môi trường; thứ hai là sản xuất năng lượng từ nguyên liệu hóa thạch phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cơ bản trong quá trình tạo năng lượng và tạo ra sự điều tiết sản lượng năng lượng. Trong mô hình này có lưu ý rằng, công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon luôn được cập nhật liên tục và nó trở thành thành phần quan trọng của ngành năng lượng hydrocacbon.
Mô hình các nguồn năng lượng tái tạo
Là mô hình sử dụng năng lượng mặt trời, gió, thủy điện và năng lượng sinh học. Đây là loại mô hình duy nhất giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Mô hình này dựa trên niềm tin tuyệt đối rằng, những thay đổi khí hậu hiện nay trên thế giới chỉ do tác động bởi yếu tố nhân sinh gây ra đã làm gián đoạn quá trình tiến hóa tự nhiên của địa quyển. Quan điểm này phần lớn được các nhà khoa học chấp nhận, tuy nhiên cũng có sự phản đối. Biến đổi khí hậu có thể là hậu quả của sự kết hợp giữa các yếu tố tự nhiên với con người.
Nhưng trong các yếu tố này, yếu tố nào chiếm ưu thế lại là một chủ đề nghiên cứu khoa học không đơn giản. Do tồn tại một số nguyên nhân (như đề cập dưới đây trong bài viết), các nguồn năng lượng tái tạo không có khả năng thay thế hoàn toàn các nguồn năng lượng khác. Chúng chỉ đơn giản là chiếm giữ vị trí một cách tự nhiên (do tính chất cũng rất tự nhiên của chúng) mà không thể tuyên bố có thể giải quyết mọi vấn đề năng lượng của nhân loại. Sự dịch chuyển từ sử dụng năng lượng hóa thạch sang năng lượng tái tạo cũng theo nguyên tắc: “đường cong trưởng thành” như bất kỳ sự phát triển công nghệ nào, từ “đỉnh cao của sự phổ biến” đến giai đoạn “vỡ mộng” và sau đó là “tận cùng thất vọng”.
Mô hình đổi mới
Là mô hình hình thành từ ý tưởng về sự cần thiết phát triển công nghệ mới dựa trên các cách tiếp cận sáng tạo. Trong đó, ưu tiên những phát triển: trong lĩnh vực tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát; năng lượng hydro và các lò phản ứng hạt nhân mô-đun cỡ vừa và nhỏ. Việc phát triển những công nghệ mới này được xem là bước đột phá tiềm năng, hướng tới mục tiêu từ bỏ hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch.
Mô hình hiệu quả
Là mô hình dựa trên việc giảm chi phí năng lượng ở mọi công đoạn sản xuất; phân phối; và tiêu thụ năng lượng với điều kiện không giảm hiệu quả; không giảm chất lượng sản phẩm và không giảm chất lượng cuộc sống. Cách tiếp cận này mở ra khái niệm “Loại nhiên liệu thứ năm” là loại nhiên liệu có được từ kết quả của việc sử dụng năng lượng một cách hợp lý. Mục tiêu chính của mô hình này là giảm cường độ năng lượng riêng của sản phẩm và giảm khí thải carbon ra môi trường. Hướng đi chính - chuyển đổi từ các hệ thống năng lượng truyền thống đang mất dần tính hiệu quả sang các hệ thống năng lượng phi tập trung. Các hệ thống năng lượng phi tập trung là các hệ thống dựa trên việc kết hợp tối ưu giữa các nguồn năng lượng khác nhau với việc sử dụng tối đa các nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ. Cách tổng hợp mang tính hiệp lực này sẽ giúp tạo ra hệ thống năng lượng linh hoạt và bền vững.
Sự phát triển mang tính chiến lược của năng lượng tối ưu luôn đòi hỏi những giải pháp toàn diện có xét đến: năng lực công nghệ; yếu tố môi trường; kinh tế; chính trị; và xã hội. Bài viết này cung cấp bức tranh tổng quan về năng lượng hiện tại và viễn cảnh của nó trong tương lai (có khả năng xảy ra nhất theo quan điểm của các tác giả và có thể mọi dự báo đều không khả thi bởi tình trạng bất ổn trên thế giới ngày nay).
Mô hình truyền thống và triển vọng của năng lượng hidrocacbon
Mô hình truyền thống có rất nhiều vấn đề liên quan đến nguồn gốc của dầu mỏ, tức liên quan đến tất cả các loại hidrocacbon hóa thạch (ngoại trừ than đá). Thuyết sinh học hữu cơ cho rằng, dầu mỏ được hình thành từ tàn tích của thực vật và động vật cổ đại trải qua quá trình biến đổi lâu dài dưới ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ trong đá trầm tích. Thuyết phi sinh học (tức vô cơ) lại cho rằng, dầu mỏ có nguồn gốc từ vô cơ, được hình thành ở độ sâu lớn trong các lớp phủ rồi di chuyển lên các lớp trên của vỏ trái đất thông qua các đứt gãy kiến tạo.
Như vậy, với hai cách tiếp cận về nguồn gốc dầu mỏ nêu trên thì cần giải quyết không chỉ những khái niệm mà còn phải giải những khác biệt cơ bản về hậu quả thực tế của từng lý thuyết. Thuyết sinh học, ban đầu cho rằng trữ lượng hidrocacbon là có hạn và không thể tái tạo, trong khi thuyết vô cơ lại coi hidrocacbon hóa thạch là có thể tái tạo và có thể coi là vô tận trong thực tế.
Thuyết sinh học có nguồn gốc từ thế kỷ 18, dựa trên các công trình khoa học của Nhà bác học Lomonosov (1711-1765). Trong công trình “Về các tầng đất (1763), Lomonosov đã chỉ ra rằng, dầu mỏ được hình thành từ vật chất hữu cơ có trong các lớp đá trầm tích (như đá phiến hoặc đá vôi) dưới tác động của áp suất và nhiệt độ trong một thời gian dài. Vào thế kỷ 20, nhà địa chất và hóa học người Mỹ John M. Hunt tiếp tục phát triển ý tưởng về nguồn gốc sinh học của dầu mỏ, ông chỉ ra rằng, vật chất sống và dầu mỏ có thành phần nguyên tố và đồng vị tương tự nhau. Một trong những xác nhận gần đây nhất về thuyết sinh học này đến từ các nghiên cứu về các dấu hiệu sinh học của dầu mỏ, các nghiên cứu này dựa trên sự ra đời và phát triển của sắc ký và khối phổ vào những năm 1960 và 1970.
Những lý lẽ chính ủng hộ cho thuyết sinh học:
+ Dữ liệu địa chất: khoảng 98 - 99% tổng trữ lượng dầu khí tìm thấy đều nằm trong đá trầm tích, nơi mà theo lý thuyết sinh học đã cho rằng, diễn ra quá trình chuyển đổi vật chất hữu cơ cổ đại.
+ Chỉ số sinh học: các phân tử đặc trưng cho dấu vết của các sinh vật sống ở thời đại xa xưa (herme và hidrocacbon loại sterol) đã được tìm thấy trong dầu mỏ.
+ Thí nghiệm: các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đã xác nhận khả năng tổng hợp được hidrocacbon từ chất thải hữu cơ dưới tác động của áp suất và nhiệt độ cao.
Thuyết phi sinh học - về nguồn gốc khoáng sản của dầu mỏ, lần đầu tiên được nêu ra bởi Nhà khoa học người Đức A. Humboldt vào năm 1805. Phát triển ý tưởng này đến mức hoàn chỉnh về khái niệm là nhà khoa học Mendeleev, năm 1877, ông cho rằng, dầu mỏ được hình thành do phản ứng của hơi nước với cacbua kim loại trong lõi địa cầu. Thuyết này được tiếp tục phát triển trong các công trình khoa học của nhà khoa học Thomas Gold.
Theo Gold, hidrocacbon ban đầu nằm ở độ sâu lớn và quá trình di chuyển của nó lên phía trên bề mặt địa cầu là một quá trình địa chất tự nhiên liên quan đến hoạt động kiến tạo và trữ lượng hydrocacbon là vô tận vì nó được bổ sung thông qua các quá trình xảy ra trong lớp phủ.
Để chứng minh lập luận này, công trình khoa học đã trích dẫn dữ liệu về sự hiện diện của hydrocarbon trong các thiên thể trong hệ mặt trời và trong các tiểu hành tinh, tức chứng minh rằng, khả năng tồn tại của hidrocacbon là độc lập với sự sống hữu cơ.
Viện sĩ A. A. Marakushev có quan điểm gần với Gold. Ông cho rằng, hidrocacbon hóa thạch được hình thành là do quá trình thoát khí của trái đất, tức là có sự giải phóng các khí (chủ yếu là hidro) từ lớp phủ. Sự giải phóng khí diễn ra đột ngột, theo từng đợt và liên quan đến những thay đổi mạnh về áp suất và nhiệt độ ở dưới bề mặt Trái đất.
Những quá trình này có thể giải thích cho câu hỏi “Tại sao một số mỏ dầu được bổ sung theo thời gian?”. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng đã xác nhận khả năng tổng hợp hidrocacbon từ chất vô cơ trong điều kiện tương tự như điều kiện tồn tại trong lớp phủ của Trái đất. Thêm nữa, việc phân tích khí núi lửa cho thấy tồn tại khi metan và một số hidrocacbon khác, thêm phần lý lẽ cho nguồn gốc của dầu mỏ.
 |
| Năng lượng hydrocarbon vẫn sẽ là một phần quan trọng trong cán cân năng lượng trong nhiều thập kỷ tới đây. |
Hiện nay, nhiều nhà khoa học đang tích cực tiến hành nghiên cứu nhằm tìm hiểu mối quan hệ giữa quá trình thoát khí hidro của Trái đất với quá trình hình thành dầu mỏ. Trong quá trình này, cả hai thuyết nêu trên đều được xem xét.
Nguồn gốc của các mỏ dầu có trữ lượng khổng lồ ở độ sâu siêu sâu (hơn 8km) được phát hiện gần đây cho thấy rất khó giải thích theo khái niệm về nguồn gốc sinh học của hidrocacbon, nhưng lại có vẻ đúng khi dùng thuyết phi sinh học để giải thích nguồn gốc của các mỏ dầu trữ lượng khổng lồ này.
Nhìn chung, các nhà khoa học thời hiện đại đều tuân thủ thỏa hiệp: “một số hydrocarbon thực sự có nguồn gốc phi sinh học, nhưng phần lớn dầu khí lại được hình thành từ quá trình sinh học”. Năng lượng hydrocarbon vẫn sẽ là một phần quan trọng trong cán cân năng lượng trong nhiều thập kỷ tới đây.
Sự phát triển tiếp theo của ngành năng lượng này sẽ tập trung vào việc tăng hiệu suất của các nhà máy nhiệt điện và hoàn thiện công nghệ khử cacbon. Tuy nhiên, sự thống trị của hidrocacbon hóa thạch sẽ giảm dần bởi các yêu cầu khắt khe về môi trường, giá cả và đổi mới công nghệ.
Năng lượng tái tạo
Các nguồn năng lượng tái tạo hiện đã được coi trọng, trở thành hiện thực kinh tế và cung cấp cho thị trường một sản lượng lớn điện năng với giá thành tương đối rẻ. Chi phí sản xuất ra 1kWh từ nhà máy điện gió là 2,6 cent, từ nhà máy điện mặt trời là 2,9 cent vào năm 2020, thấp hơn nửa so với nhà máy nhiệt điện khác. Đây là lý do cho sự phát triển mạch điện gió, điện mặt trời trở thành ngành công nghiệp lớn trong lĩnh vực năng lượng.
Ngày nay, mức tăng công suất lắp đặt hàng năm của các nhà máy điện mặt trời và điện gió được đưa vào vận hành (ở một số Quốc gia) còn vượt quá công suất của cả hệ thống năng lượng hiện có. Thế giới đang trải qua một sự bùng nổ thực sự về “năng lượng xanh” với quy mô ước tính đạt 1000 tỷ USD. Ưu điểm tuyệt đối của năng lượng xanh: thân thiện với môi trường, nguồn tài nguyên vô tận miễn phí, khả năng định vị hầu như khắp nơi.
Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng xanh cũng phát sinh một loạt vấn đề, trong đó là tính không liên tục của nguồn tạo ra năng lượng xanh dẫn đến không thể sử dụng năng lượng xanh là nguồn năng lượng chính, là loại năng lượng có hệ số công suất thấp (ngoại trừ các nhà máy điện địa nhiệt và thủy điện) [15].
Từ phân tích dữ liệu hệ số công suất (%) và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số công suất cho 9 loại nhà máy điện có tính điển hình, gồm: địa nhiệt (70 - 90%), thủy điện (40 - 70%), điện gió (20 - 45%), điện thủy triều (20 - 35%), điện mặt trời (15 - 30%), điện nguyên tử (85 - 90%), điện than (50 - 70%), điện khí trong chế độ “regulatory generation” (30 - 50%), điện khí trong chế độ “basic generation” (~ 80%) thấy rằng, để thay thế một nhà máy nhiệt điện có công suất 500MW (loại nhà máy có hệ số công suất xấp xỉ 50%), cần phải xây dựng một nhà máy điện mặt trời có công suất lắp đặt khoảng 1250MW (loại nhà máy có hệ số công suất xấp xỉ 20%) và có thêm hệ thống tích lũy, lưu trữ năng lượng với công suất lớn phù hợp.
Một thí dụ khác, công suất năng lượng tái tạo được lắp đặt tại Trung Quốc vào năm 2019 chiếm 21% tổng công suất và đóng góp vào tổng sản lượng điện năng lại không vượt quá 9%. Trong khi đó, đóng góp của năng lượng hạt nhân với công suất lắp đặt là 2,2% lại đạt 5% vào tổng sản lượng điện năng.
Thêm nữa, cường độ vật chất cao của các nguồn năng lượng tái tạo lại cao hơn nhiều lần so với cường độ vật chất của năng lượng truyền thống, công nghệ “năng lượng xanh” lại sử dụng các nguyên tố như đất hiếm, bạch kim, titan, lithium, cadmium,… với khối lượng lớn, cũng nói lên mặt trái của “năng lượng xanh”.
Để khắc phục sự mất cân bằng giữa sản lượng thực tế của các nhà máy điện năng lượng tái tạo với mức tiêu thụ điện năng ở khoảng thời gian cao điểm, cần phải trang bị các hệ thống lưu trữ năng lượng với công suất tương ứng của sự mất cân bằng cũng như cần tích hợp thêm vào lưới điện các hệ thống tích lũy nhỏ hơn. Điều này giúp giảm thiểu hậu quả của sự biến động năng lượng trong cả dài hạn và ngắn hạn. Thí dụ, các nhà máy thủy điện tích năng sẽ bán điện giá rẻ trong khoảng thời gian mức tiêu thụ điện năng thấp và phần điện năng dư thừa được dùng để bơm nước lên hồ chứa trên cao. Còn trong khoảng thời gian có mức tiêu thụ điện năng cao (vào buổi sáng và buổi chiều tối), hồ tích nước trên cao sẽ xả nước xuống hồ chứa bên dưới để sản xuất điện đủ đáp ứng nhu cầu tiêu thụ.
Các nhà máy điện kiểu này vừa sản xuất điện năng vừa tiêu thụ điện năng, chúng thuộc loại nhà máy không phát điện thuần túy vì chúng tiêu thụ điện năng nhiều hơn mức điện năng do chúng sản xuất ra và có tính tuần hoàn nước, hiệu suất của chu trình tuần hoàn khoảng 70%, tức là cứ mỗi 1MWh năng lượng tiêu hao thì chỉ có 0,7MWh được phục hồi.
Tuy nhiên, các nhà máy như vậy lại giải quyết được một cách hiệu quả tình trạng quá tải của lưới điện vào khoảng thời gian cao điểm tiêu thụ điện năng. Các hệ thống tích lũy điện năng hiện cũng đang được phát triển đa dạng cách và nguyên tắc lưu trữ khác nhau, thí dụ, sử dụng pin lithium-ion, muối nóng chảy, khí nén, nam châm siêu dẫn, bánh đà, trọng lực.
Sự tăng trưởng nhanh chóng của năng lượng tái tạo chủ yếu nhờ sự hỗ trợ của chính phủ và các ưu đãi tài chính tạo ra điều kiện thuận lợi để đầu tư nghiêm túc. Về triển vọng, theo nguyên tắc “mọi sự bùng nổ đều không tránh khỏi kết thúc bằng giai đoạn suy thoái” nên năng lượng xanh cũng sẽ phải suy giảm trong tương lai gần, khi mà mọi lợi ích kinh tế và công nghệ chính đều đã lộ ra hết trong điều kiện bão hòa thị trường năng lượng tái tạo.
Điều đang chờ đợi thế giới ở tương lai là sự cạnh tranh ngày càng tăng giữa các mô hình phát điện khác nhau. Các mô hình sẽ thích ứng với nhu cầu của từng đối tượng tiếp nhận năng lượng cụ thể về cả số lượng và chất lượng.
 |
| Hình ảnh thể hiện ý tưởng của Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế (ITER) do 35 nước, bao gồm nhiều nước châu Âu, Trung Quốc, Nga và Mỹ, hợp tác xây dựng tại Saint-Paul-lez-Durance ở miền nam nước Pháp. |
Mô hình đổi mới
“Mô hình đổi mới” là thuật ngữ ám chỉ rằng năng lượng trong tương lai thuộc về công nghệ cao và sẽ thay đổi một cách cơ bản cán cân năng lượng toàn cầu. Thí dụ, phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát, năng lượng hydro và lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ.
Phản ứng nhiệt hạch sẽ cung cấp năng lượng sạch, rẻ, vô tận và an toàn cho môi trường. Sức mạnh đáng nể của việc kết hợp giữa phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát với máy tính lượng tử và AI sẽ biến nhiều ý tưởng thành hiện thực (ví dụ, ý tưởng hòa bình vĩnh cửu khi không còn tranh giành tài nguyên sinh tồn).
Năng lượng hydro và lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ có triển vọng có vẻ rõ ràng hơn. Sự phát triển công nghệ và thương mại thuộc về giai đoạn đầu đã và đang được tiến hành, thí dụ điển hành là Công ty Rosatom thuộc Liên bang Nga đang có nhiều dự án chế tạo và triển khai các lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ tại các nước ngoài Liên bang Nga.
Lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ là lò phản ứng hạt nhân hiện đại có công suất lên tới 300MW (bằng một phần ba công suất của lò phản ứng thông thường). Cấu hình hệ thống, chất làm mát, nhiên liệu và điều kiện vận hành của lò này khác hoàn toàn so với lò phản ứng truyền thống.
Lò kiểu này được lắp ráp hoàn chỉnh trong điều kiện của nhà máy chế tạo và với kích cỡ nhỏ thì nó được chuyển bằng giao thông vận tải đường sắt đến địa điểm đặt nhà máy điện. Các nhà máy điện dùng lò phản ứng kiểu này có thể hoạt động mà không cần kết nối toàn diện với cơ sở hạ tầng năng lượng, nó rất hiệu quả trong phát triển các vùng sâu-vùng xa, nơi mà ngoài việc cung cấp điện năng thì còn cần phát ra nhiệt, khử muối trong nước và sản xuất hydro.
Thêm nữa, các nhà máy điện kiểu này dễ tích hợp với các nhà máy điện gió, điện mặt trời. Điều này mang lại hiệu quả cao nhờ tận dụng hết các tính năng nổi trội của các loại nhà máy điện. Các nhà máy điện dùng lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ rất phù hợp thay thế các nhà máy điện than có công suất dưới 500MW (loại nhà máy điện than với công suất này thì hiện chiếm tới 90% tổng số các nhà máy điện than). Theo ước tính của Tổ chức IAEA, đến năm 2040, nhu cầu toàn cầu về lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ sẽ đạt từ 500 đến 1000 “blocks” [9].
Lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ có: cấu trúc đơn giản; mức độ an toàn cao; giảm thiểu khả năng phát thải phóng xạ khi có sự cố, tiếp nhiên liệu được thực hiện 1 lần/ (3 - 7 năm) (trong khi các nhà máy điện hạt nhân truyền thống phải tiếp nhiên liệu chỉ sau 1 - 2 năm hoạt động. Một số lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ còn được thiết kế để có thể hoạt động không tải với thời gian đến 30 năm. Các tính toán cho thấy, việc chế tạo hàng loạt các lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ sẽ cho ra: chi phí sản xuất 1kWh sẽ tương đương với nhà máy điện gió và điện mặt trời sản xuất ra [8; 10].
Nếu các lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ được coi là một giải pháp thay thế cho các nhà máy điện hạt nhân truyền thống thì triển vọng năng lượng hydro sẽ mang tính toàn cầu hơn nữa, là yếu tố tạo nên bước đột phá lâu dài trong lĩnh vực năng lượng. Chính các lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ mang lại: hiệu quả về năng lượng, kết nối các nguồn năng lượng khác nhau, tăng tính ổn định của hệ thống năng lượng gồm nhiều nguồn năng lượng khác nhau được tích hợp trong hệ thống.
Tại sao hidro lại đóng vai trò quyết định trong ngành năng lượng ở thì tương lai? Bởi hidro:
Ngày nay, 11% sản lượng hydro trên thế giới là từ than đá và dầu mỏ, 85% là từ khí đốt tự nhiên và 4% là từ điện phân nước. Trong đó, hydro được chiết xuất từ khí metan tự nhiên là tương đối dễ và rẻ, nhưng lại thải ra khí CO2 đáng kể. công nghệ điện phân và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác để sản xuất ra hydro khắc phục được nhược điểm trên, nhưng lại nảy sinh vấn đề: việc sản xuất hidro “xanh” đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng khác với mức lớn hơn năng lượng hydro được tạo ra (nói cách khác là có hiệu quả âm).
Vì thế, sẽ không ổn khi quyết định sản xuất hydro “xanh”, hợp lý hơn cả là sử dụng hydro “trắng”. Hidro “trắng” còn được gọi là vàng hoặc địa chất. Đây là hidro tự nhiên miễn phí, giống dầu mỏ và khí đốt tự nhiên, có thể khai thác từ các mỏ dưới lòng đất. Sự khác biệt duy nhất giữa chúng là các mỏ hydro có yêu cầu địa chất khác. Sản xuất năng lượng từ hydro tự nhiên sẽ có lợi nhuận khổng lồ.
Những dữ liệu có được gần đây ngày càng minh chứng cho giả thuyết về quá trình thoát khí hidro của Trái đất. Một số Quốc gia đã đầu tư mạnh vào tìm kiếm các mỏ hidro, chỉ cần xác định được có mỏ hidro “địa chất” thì các công ty dầu khí lớn sẽ tham gia ngay với hàng tỷ USD đầu tư. Nếu có thì thực sự xảy ra một cuộc cách mạng về năng lượng, đây là điều có thể bởi Jeff Ellis (nhà địa hóa học -Mỹ) đã phát biểu với Forbes rằng, “có ít nhất 10 triệu megaton, hay 10 nghìn tỷ tấn hidro được chôn dưới lòng đất trên toàn thế giới, nhiều hơn so với 100megaton hiện đang được sử dụng.
Với những công nghệ mới để sử dụng hidro làm nhiên liệu cho hàng không hoặc nguồn điện cố định thì nhu cầu trên thế giới về hidro sẽ tăng lên 500megaton trong 20 năm tới. Vì vậy, nếu nhân loại sử dụng khoảng 2% hoặc 3% trong số 10 triệu megaton đó thì nhu cầu 500megaton trên một năm của nhân loại sẽ được đáp ứng trong hàng trăm năm” [11].
Hidro đầu tiên thu được tại làng Bourakebougou ở Mali. Vào năm 2012, ở đây có khoan một giếng nước và xuất hiện dòng nước chảy ra có đến 98% là hidro nguyên chất với lưu lượng khoảng 400kg mỗi ngày, nguồn hidro này đã được dùng làm nhiên liệu cho sản xuất điện năng phục vụ nhu cầu trong vùng. Hiện nay, để tìm kiếm hidro vàng, các giếng khoan đã được khoan tại Nebraska và Kansas (Mỹ), Úc, Alsace-Lorraine, mở ra phong trào thương mại hóa hidro địa chất trên quy mô lớn.
Rõ ràng, năng lượng hidro có tiềm năng rất lớn và mang tính đột phá cho sự chuyển đổi năng lượng trên toàn cầu. Tuy nhiên, điều quan trọng là sự đột phá này chỉ diễn ra nhanh chóng và không có tác động có hại khi và chỉ khi được Chính phủ trực tiếp hành động.
Tóm lại, có thể cho rằng, triển vọng lớn nhất hiện nay của ngành năng lượng nằm ở năng lượng hidro và lò phản ứng mô-đun cỡ nhỏ. Sau khi thị trường năng lượng tái tạo bão hòa, rất có thể sẽ có sự bùng nổ tiếp theo trong ngành năng lượng.
Mô hình thay đổi hiệu quả năng lượng
Trước đây, hiệu quả năng lượng được hiểu là mục tiêu và kết quả của việc tối ưu hóa các chi phí năng lượng. Nay, khái niệm “hiệu quả năng lượng” - HQNL bắt đầu được hiểu theo nghĩa rộng hơn, bao gồm không chỉ các khía cạnh kinh tế và công nghệ mà còn cả các khía cạnh môi trường và xã hội. Vì thế, HQNL là một khái niệm phát triển được khi có sự hiểu biết sâu hơn về các quá trình đã-đang-sẽ diễn ra.
Từ tối ưu hóa cục bộ đến cách tiếp cận có hệ thống
Giai đoạn đầu của kỷ nguyên công nghiệp, hiểu biết về HQNL chỉ giới hạn ở vấn đề: tăng hiệu suất (hiệu quả cục bộ) của từng thiết bị (động cơ, nồi hơi, đèn sợi đốt). Với sự phát triển của công nghệ và sự phức tạp ngày càng tăng của các hệ thống năng lượng, việc tối ưu hóa cục bộ là không đủ cho thay đổi HQNL.
Vì thế, HQNL bắt đầu được xem là một đặc tính có hệ thống riêng của nó, có tính bao trùm toàn bộ chuỗi năng lượng - từ khâu sản xuất đến khâu sử dụng cuối cùng. Ngày nay, các công nghệ phân phối điện động lực; lưới điện thông minh; công nghệ tiết kiệm điện năng, thậm chí có cả các “mô hình hành vi” (thí dụ, văn hóa tiêu thụ năng lượng) đều phù hợp với khái niệm HQNL.
Hiệu quả năng lượng và phát triển bền vững
Mô hình hiện đại của HQNL gắn chặt với khái niệm “phát triển bền vững” đã trở thành một tập các biện pháp tiết kiệm tài nguyên nhằm giảm phát khí thải nhà kính và qua đó chống biến đổi khí hậu. Việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, phát triển các hệ thống tích lũy và lưu trữ năng lượng, chuyển đổi nền kinh tế sang hình thức kinh tế vòng kín, tất cả những điều này là sự hiểu biết mới về HQNL và trở thành một nhu cầu cả về kinh tế lẫn môi trường.
Công nghệ và số hóa
Số hóa đóng vai trò là chất xúc tác cho việc thay đổi mô hình HQNL. Công nghệ lưu trữ và quản lý Dữ liệu lớn (Big Data), trí tuệ nhân tạo (AI), và Internet of things (IoT) cho phép: tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng theo thời gian thực, dự đoán tải và ngăn ngừa thất thoát. Nhà thông minh, thành phố thông minh và công nghiệp 4.0 là những ví dụ về cách công nghệ đang mở rộng ranh giới của HQNL, mang lại cho khái niệm HQNL những ý nghĩa mới và làm cho khái niệm này linh hoạt và thích ứng hơn.
Các khía cạnh kinh tế và xã hội
Ngày nay, HQNL không chỉ là một phạm trù kỹ thuật, mà còn là một phạm trù kinh tế xã hội. Nó bao gồm việc tiếp cận năng lượng của mọi bộ phận dân số, tạo ra việc làm xanh và xóa bỏ tình trạng nghèo năng lượng. HQNL trở thành một công cụ thực hiện công lý xã hội, bảo đảm quyền tiếp cận bình đẳng với các nguồn tài nguyên và cải thiện chất lượng cuộc sống.
Tương lai của hiệu quả năng lượng
Rõ ràng, trong tương lai, HQNL sẽ có ý nghĩa ngày càng rộng hơn, bao gồm: công nghệ; sinh thái, kinh tế và xã hội. Cốt lõi của HQNL là ý tưởng phân bổ công bằng các nguồn tài nguyên giữa các Quốc gia và các thế hệ.
Như vậy, HQNL không còn là một thuật ngữ chuyên môn hẹp. Ngày nay, đây là một khái niệm đa diện phản ánh mong muốn của nhân loại về phát triển bền vững, tiến bộ công nghệ và tạo ra một xã hội bình đẳng về cơ hội. Sự tiến hóa của khái niệm này là một thí dụ về sự thay đổi trong quan niệm của con người về thế giới xung quanh và mối quan hệ của con người với thế giới đó.
Khi chuyển sang đánh giá triển vọng phát triển năng lượng, cần phải xác định các nguyên tắc cơ bản mà kiến trúc của các hệ thống năng lượng tương lai sẽ được xây dựng. Năng lượng tập trung dựa trên các nhà máy điện công suất lớn với mạng lưới truyền tải rộng từ lâu đã là xương sống của hệ thống năng lượng toàn cầu.
Nhưng với sự phát triển công nghệ và sự quan tâm ngày càng tăng đối với phát triển bền vững, thì việc phát triển sản xuất năng lượng kiểu phi tập trung (phân tán) trở nên quan trọng hơn. Sản xuất năng lượng phân tán cho phép tạo ra năng lượng gần hơn với tải tiêu thụ và dễ hơn trong điều chỉnh sử dụng năng lượng với sự trợ giúp của nhiều hệ thống tích lũy và lưu trữ năng lượng khác nhau.
Tuy nhiên, năng lượng trong tương lai sẽ không hình thành nếu có sự đối lập của sản xuất tập trung và phi tập trung, mà nó được hình thành trên cơ sở hiệp lực của hai hình thức sản xuất năng lượng này, chúng bổ sung và tăng cường cho nhau. Cơ sở vật chất bảo đảm sự hiệp lực này sẽ là IoE, IoE là mạng lưới thông minh có thể kết hợp toàn bộ các nguồn năng lượng và tải tiêu thụ thành một hệ thống duy nhất.
Thêm nữa, với sự trợ giúp của IoT, blockchain và AI có thể quản lý hiệu quả các luồng năng lượng theo thời gian thực, giảm tổn thất và tăng độ tin cậy của việc cung cấp năng lượng. Năng lượng tập trung vẫn giữ vai trò cung cấp nguồn nuôi các phụ tải cơ bản cho các khu vực có mật độ dân cư cao và các nhà máy công nghiệp lớn.
Năng lượng phân tán sẽ phủ sóng đến các vùng xa xôi và duy trì tính ổn định của toàn bộ hệ thống năng lượng, bảo đảm độ tin cậy về cung cấp năng lượng ổn định trong toàn bộ thời gian. Sự kết hợp nêu trên sẽ cho ra kết quả là có một hệ thống năng lượng linh hoạt hơn, bền vững hơn và thân thiện với môi trường hơn, đáp ứng được nhu cầu của nhân loại trong thế kỷ 21.
Kết luận
Dầu mỏ và khí đốt vẫn sẽ là nền tảng cho năng lượng toàn cầu trong tương lai. Vì quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng thay thế khác sẽ mất thời gian (hơn một thập kỷ).
Các nguồn năng lượng tái tạo sẽ được duy trì và củng cố vị thế hiện tại, nhưng không thể thay thế hoàn toàn các hình thức sản xuất năng lượng khác.
Tỷ trọng năng lượng hạt nhân sẽ tăng lên và trở thành thành phần quan trọng trong cán cân năng lượng. Những vụ tai nạn lớn đã xảy ra không thể ngăn cản phát triển năng lượng hạt nhân mà chỉ thúc đẩy phát triển các công nghệ bảo đảm an toàn vận hành năng lượng hạt nhân.
Hidro là công nghệ của thế hệ tiếp theo, khi các vấn đề hiện tại được giải thì năng lượng tái tạo sẽ dần chiếm vị thế thống trị trong ngành năng lượng toàn cầu nhờ tính linh hoạt của nó.
Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát. Việc triển khai trong thực tế phản ứng này là vô cùng phức tạp, không thể bảo đảm được trong tương lai gần. Tuy nhiên, nó là con đường duy nhất dẫn đến năng lượng bền vững.
Tương lai của năng lượng trên Trái đất: chắc chắn sẽ không chỉ nằm ở một hướng nào cả, thay vào đó là một sự tích hợp tất cả các công nghệ, trong đó:
- Dầu khí phải trở thành nguồn dự trữ toàn cầu;
- Năng lượng tái tạo và hidro phải trở thành đầu tàu của tiến bộ công nghệ;
- Năng lượng hạt nhân sẽ thành nền tảng ổn định với sự tự tin theo mọi hướng.
Tài liệu tham khảo
[1] Ломоносов М. В. О слоях земных и другие работы по геологии / М. Ломоносов; с предисл. и пояснениями проф. Г. Г. Леммлейна. - М.; Л.: Госгеолиздат. -1949. - 211 с.
[2] Хант Д. М. Геохимия и геология нефти и газа / Дж. Хант; Предисл. Х. Д. Хедберга; Пер. с англ. А. И. Конюхова и др.; Под ред. Н. Б. Вассоевича, А. Я. Архипова. - М.: Мир. - 1982. - 703.
[3] Менделеев Д. И. // Журнал Русского химического общества и физического общества. 1877. Вып. 2. Часть химическая, отдел 1. ‒ С. 36–37.
[4] Gold, Thomas. (1999). The deep hot biosphere / Thomas Gold; foreword by Freeman Dyson. New York: Copernicus.
[5] Кучеров В. Г. Абиогенное происхождение углеводородов и существование сверхглубоких нефтегазовых скоплений // Вести газовой науки. - 2021. № 4 (49).
[6] Зелёный поворот / Сост. И. И. Засурский [Электронный ресурс]. - М.: Climate Science.ru. - 2021. - 194 с.
[7] Трегубова Е. А., Трегубов А. И. Интенсивность использования мощности нетрадиционных возобновляемых источников энергии в электроэнергетике: анализ зарубежного и отечественного опыта//E-Management. - 2022. Т. 5, № 3. - С. 15–25.
[8] Дьяков А. Малые модульные ядерные реакторы: перспективы развития. Мировая экономика и международные отношения. –2023. т. 67, № 6. - С. 47–60.
[9] Liou, Joanne. (2023, September 13). What are small modular reactors (SMRs)? Nuclear Explained. IAEA Office of Public Information and Communication.
[10] Полякова М. Большие перспективы малых реакторов: почему они так популярны. // Страна РОСАТОМ. - 02.05.2019.
[11] Онсман Алан. «Бурят наудачу»: почему стартапы бросились искать запасы природного водорода // Forbes. - 2023. - 8 июля.
Nguyễn Tiến Dũng, Fayziev A. E.
BMSTU
