Hướng tới một tương lai triệt để sử dụng năng lượng tái tạo?

“Chúng tôi muốn chỉ cho các bạn biết rằng gió, nước và năng lượng mặt trời là đủ để có thể đáp ứng nhu cầu sống của chúng ta”, Mark Delucchi, Viện nghiên cứu Giao thông Vận tải tại Đại học California Davis nói. Ông và Mark Jacobson của Viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại Đại học Stanford đã cùng nhau nghiên cứu phác thảo một mô hình cần thiết để cung cấp nguồn năng lượng tái tạo cho tất cả các nhà máy, nhà ở, các cơ quan, cũng như tất cả các phương tiện vận tải ô tô, máy bay, và tàu thủy. Theo luận điểm của họ, cuộc cách mạng như vậy là sẽ khả thi và đủ rẻ để đầu tư vào năm 2030. Luận điểm này đã được công bố mang tính sơ bộ lần đầu tiên trên báo Scientific American trước cuộc đàm phán về khí hậu Corpenhagen năm 2009, và được công bố chi tiết hồi tháng 12 trên tạp chí Energy Policy.

Thép, bê tông và khoáng sản
Delucchi và Jacobson ước tính rằng một sự chuyển đổi sang sử dụng 100% năng lượng tái sinh sẽ cần đến một khối lượng xây lắp hạ tầng rất lớn. Chẳng hạn như Thế giới hiện nay sẽ cần gần 4 triệu tua-bin gió công suất 5MW, lớn gấp hai đến ba lần công suất so với các tua-bin hiện có trên thị trường. Những chiếc tua-bin 5MW đã được đưa vào sử dụng ở bờ biển lần đầu tiên tại Đức năm 2006, và năm ngoái Trung Quốc cũng vừa xây dựng chiếc tua-bin gió 5 MW đầu tiên.

Hai nhà khoa học cũng ước tính rằng thế giới cần đến 90.000 nhà máy năng lượng mặt trời quy mô lớn với công suất khoảng 300 MW, bao gồm những nhà máy hoạt động nhờ vào các tấm quang điện để tạo ra điện trực tiếp và cả những nhà máy hoạt động theo cơ chế tận thu nắng mặt trời để đun sôi nước chạy máy phát điện. Hiện nay trên thế giới có khoảng 36 nhà máy năng lượng mặt trời như vậy đang hoạt động, nhưng hầu hết là có quy mô công suất nhỏ hơn.

Và các hệ thống năng lượng lớn này sẽ không thay thế được các hệ thống thu năng lượng mặt trời cài đặt trên các mái nhà (hệ thống PV); các nhà nghiên cứu tính toán rằng con người phải cần tới 1.73 tỉ hệ thống PV, mỗi chiếc công suất 3 KW là không có hại. Như vậy, hãy hình dung rằng cứ bốn đầu người trên hành tinh này thì có một hệ thống PV.

Xây dựng các tua-bin mới, các tấm năng lượng mặt trời, và các cơ sở vật chất khác sẽ ngốn rất nhiều thép, bê tông, và các nguồn tài nguyên khác. Tuy nhiên, Jacobson và Delucchi kết luận rằng không có trở ngại đáng kể nào trên khía cạnh kinh tế nào trong việc sản xuất ra khối lượng lớn các nguyên vật liệu phổ biến như bê tông và thép, vì vậy họ tập trung nhiều hơn cho nghiên cứu về sử dụng những vật liệu ít phổ biến hơn. 

Theo hai nhà khoa học thì khó khăn chủ đạo là ở khâu sản xuất các kim loại hiếm như neodymi, thường được sử dụng để chế tạo ra nam châm.

Họ dự báo rằng, để lắp đặt các máy phát điện cho hàng triệu tua-bin gió thì khối lượng sản xuất chất neodymi của Thế giới phải tăng gấp năm lần hiện nay. Nhưng theo các nhà nghiên cứu thì nguồn dự trữ hiện tại trên Thế giới về nguyên tố này đủ đáp ứng gấp gấp 6 lần so với nhu cầu sử dụng của con người.

Cũng có cả những cách giải quyết khác cho vấn đề này, Delucchi và Jacobson lập luận. Có những loại nam châm khác có thể được sử dụng trong các tua-bin, và các kim loại hiếm cũng có thể được tái chế. Tuy nhiên hiện nay chưa tồn tại một chương trình tái chế nào như vậy.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng, không có trở ngại nào đủ lớn để ngăn cản con người chuyển sang hoàn toàn sử dụng năng lượng tái sinh vào năm 2030. Tuy nhiên, họ cũng thấy rằng sẽ khả thi hơn với phương án ngừng xây dựng các nhà máy điện và sản xuất xe đốt nhiên liệu hoá thạch mới vào năm 2030, và sau đó thay thế từng bước bằng các nhà máy hiện có để đạt được 100% năng lượng xanh vào năm 2050.

Mark Jacobson, Viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại Đại học Stanford

Bỏ qua nhiên liệu sinh học
Trong quá trình nghiên cứu một lộ trình tới một tương lai không còn phải dùng tới nhiên liệu hóa thạch, các nhà khoa học đã bỏ qua nhiên liệu sinh học, nguồn nhiên liệu tái tạo phổ biến nhất hiện nay. Do mức độ ô nhiễm không khí và tác động tiêu cực trong sử dụng đất bắt nguồn từ ethanol và nhiên liệu sinh học mà các nhà nghiên cứu đã tìm cách xây dựng kế hoạch cho một tương lai với 100% năng lượng tái tạo mà không bao gồm các loại nhiên liệu trên đây. Và do những lo ngại về xử lý chất thải và phổ biến vũ khí hạt nhân mà các nhà nghiên cứu cũng bỏ qua nguồn điện năng lượng hạt nhân, hiện đang cung cấp khoảng 6% nguồn năng lượng trên thế giới và hoàn toàn không gây ô nhiễm khí thải gốc carbon.

Tuy nhiên, Thế giới của chúng ta còn cách một chặng đường dài trước khi có thể gạt bỏ được nhiên liệu sinh học khỏi danh mục các nguồn năng lượng tái tạo. Ngày nay, tất cả các nguồn năng lượng tái tạo mới chỉ cung cấp tổng cộng 13% cho nguồn cung năng lượng thế giới, và nếu không tính đến nhiên liệu sinh học thì con số chỉ là 3% nếu (theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) 2010).

Delucchi và Jacobson cho rằng với sự cắt giảm chi phí sản xuất trong công nghệ tái tạo như dự kiến, chi phí để tạo ra một tương lai mà họ gọi là “100% WWS”, viết tắt của một hệ thống năng lượng chỉ bao gồm gió, nước và năng lượng mặt trời (wind, water, solar) sẽ tương đương với chi phí cho hệ thống phân phối năng lượng như hiện nay.

Gió đổi chiều
“Thách thức đặt ra là việc cung cấp phải phù hợp với nhu cầu sử dụng", Jacobson nói. Sự lệ thuộc quá mức vào gió và năng lượng mặt trời, theo kịch bản của của các nhà nghiên cứu thì năng lượng gió sẽ chiếm 50% tổng nguồn năng lượng Thế giới và năng lượng mặt trời đóng góp 40%, thì độ tin cậy và ổn định của hệ thống sẽ giảm do tính biến đổi thất thường của gió và ánh sáng trên bầu trời”. Nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng điều này có thể được giải quyết thông qua việc kết nối các loại năng lượng trong hệ thống, tận dụng khả năng bổ sung nhược điểm của năng lượng tái tạo này bằng năng lượng tái tạo khác.

Hệ thống địa nhiệt khai thác sức nóng ở dưới lòng đất, và các máy khai thác năng lượng từ sóng biển và thủy triều sẽ đóng góp ít hơn so với năng lượng từ gió và mặt trời trong kịch bản của Delucchi-Jacobson, chỉ khoảng 6% năng lượng thế giới. Nhưng vì các loại năng lượng này có tính ổn định cao nên chúng sẽ giúp hệ thống năng lượng hoạt động ổn định hơn.

Các đập thủy điện cũng tham gia cung cấp khoảng 4% nguồn năng lượng thế giới nhưng vì các tác giả đều cho rằng hầu hết các vị trí tốt nhất để xây các con đập đã được tận dụng nên họ không nghĩ sẽ có việc mở rộng phát triển quy mô loại năng lượng này tương đương với các nguồn năng lượng mặt trời và gió.

Theo các nhà nghiên cứu thì một lý do khác góp phần tăng tính ổn định cho hệ thống năng lượng dựa vào sức gió, nước và năng lượng mặt trời, là hệ thống này chỉ cần năng lượng ít hơn 3 lần so với hệ thống sử dụng năng lượng hóa thạch. “Nguyên nhân chủ yếu bởi vì việc chuyển đổi từ động cơ đốt trong, giống như đối với xe hơi, động cơ điện là lựa chọn hiệu quả hơn”,  Jacobson nói.

Thay thế các động cơ đốt trong một cách nhanh chóng như các tác giả hình dung đòi hỏi vô vàn thay đổi lớn, khi mà hiện nay những chiếc xe ôtô hoàn toàn chạy bằng điện mới được sử dụng ở mức độ manh nha trên thị trường, và các dự đoán cho thấy đến năm 2020 chúng cũng mới chiếm dưới mức 10% doanh số bán ôtô toàn cầu.

Daniel Kammen, chuyên gia kỹ thuật hàng đầu về năng lượng tái tạo và hiệu quả năng lượng của Ngân hàng Thế giới nói rằng kết quả nghiên cứu của Delucchi-Jacobson đã đưa ra là hữu ích, bổ sung vào dòng nghiên cứu ngày một lớn mạnh về các kịch bản phát triển thải ra ít carbon hay không carbon.”

“Đây là một trong những nghiên cứu làm nổi bật tiềm năng của năng lượng tái tạo, dù rằng chưa đề cập đến các chi tiết cụ thể của cách thức sản xuất năng lượng và hệ thống phân phối thực tế”, theo lời ông Kammen, người sáng lập và điều hành phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo tại Đại học California Berkeley. “Như trong nhiều vấn đề, cái khó lớn nhất là các chi tiết cụ thể. Hiện nay, chúng ta còn ở xa với việc có 100% năng lượng từ nguồn năng lượng tái tạo, hoặc thậm chí đa số năng lượng là tái tạo. Bài viết này cung cấp một căn cứ hữu ích cho vai trò của năng lượng tái tạo mà không đi vào chi tiết cách thức hoạt động của các hệ thống năng lượng trên thực tế.”

Thế giới đang cần một tài liệu nghiên cứu cho thấy quá trình chuyển đổi chi tiết cho thấy “làm thế nào để vận hành một thế giới không thải ra carbon, nhận xét từ Kammen, một cố vấn của tô chức Great Enery Challenge thuộc tạp chí National Geographic.