Một số hạn chế về sinh thái trong sự phát triển năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo có ưu việt lớn về sinh thái so với năng lượng truyền thống sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Tuy vậy cần phải tìm kiếm những giải pháp kỹ thuật có thể chấp nhận được để khắc phục một số nhược điểm về sinh thái của mỗi nguồn năng lượng tái tạo.

I. Thiết bị năng lượng gió

Sử dụng năng lượng gió đang phát triển trên thế giới, nhiều trạm phát điện gió đang tồn tại.

Một trong những vấn đề hạn chế chính liên quan đến sử dụng năng lượng gió là những dao động của tốc độ và do đó là những dao động của sản xuất điện còn chưa nghiên cứu đầy đủ. Những hậu quả về sinh thái và những ảnh hưởng tiêu cực khác của việc tạo ra những thiết bị năng lượng gió còn chưa được nghiên cứu. Trong nhiều bài báo về việc sử dụng tiềm năng gió đều nhận xét về hiệu quả tích cực của loại thiết bị này. Chẳng hạn như những quan trắc ở Califonia (Mỹ) cho 16.000 thiết bị phát điện gió không có ảnh hưởng bất lợi cho khí hậu trong địa phương đó. Ngược lại, những thiết bị năng lượng gió lấy mất 50% thông lượng gió tự nhiên tuy nhiên thông lượng này nhanh chóng được phục hồi, đã giảm được sự xói mòn đất trồng do gió. Từ lâu đã nhận thấy các thiết bị năng lượng gió gây ô nhiễm âm học cho môi trường. Đặc biệt những tác động gây tiếng ồn của những nguồn công suất trên 250 kW, bởi vì mức tiếng ồn ở cuối các cánh bánh xe gió có thể so sánh được với tiếng ồn của động cơ máy bay siêu âm. Đồng thời phát sinh hạ âm, tác động tiêu cực đối với các sinh vật, kể cả đối với con người. Cũng đã nhận thấy ảnh hưởng của những thiết bị năng lượng gió hoạt động đến sự thu sóng vô tuyến, chúng gây ra những nhiễu loạn đối với giao thông trên không, làm thay đổi các chỉ số của các phương tiện dẫn đường. Những thiết bị năng lượng gió gây chấn thương và sợ hãi cho các loài chim, đặc biệt là các loài chim di chuyển theo mùa. Khi hình thành các tổ hợp thiết bị năng lượng gió những điều kiện sinh sống của các loài chim, côn trùng bị xấu đi, kể cả đối với các động vật biển trong vùng có thiết bị năng lượng gió.

Với tác động của nhiều thiết bị năng lượng gió các luồng không khí yếu đi, điều đó có thể dẫn đến sự rối loạn cân bằng nhiệt và ảnh hưởng đến khí hậu. Và cuối cùng có thể làm thay đổi dòng không khí và tính chất của lớp đất phủ.

Trong quá trình vận hành thiết bị năng lượng gió không loại trừ tình huống sự cố hư hỏng. Khi sự cố cánh tuabin gió công suất lớn có thể văng xa tới 400 – 800m. Ở Đan Mạch với trên 2000 thiết bị năng lượng gió có tới 630 lần ngừng trong 1 quý và 29 trường hợp có sự phá huỷ các chi tiết. Trong mỗi trường hợp cụ thể đòi hỏi có đánh giá tương ứng về độ tin cậy của những thiết bị năng lượng gió.

Mặt khác thiết bị năng lượng gió cần khối lượng lớn kim loại chuyên dùng để chế tạo hiện đang được thay thế bằng plastic thuỷ tinh, điều đó đòi hỏi khắc phục những hậu quả sinh thái do chế tạo plastic thuỷ tinh gây ra.

II. Trạm phát điện thủy triều

Trạm phát điện thuỷ triều thí nghiệm Kislogubskaia của L.B.Nga đã được tạo ra năm 1967 và trở thành cơ sở nghiên cứu các điều kiện và luận chứng cho việc xây dựng các công trình năng lượng phát triển biển và nghiên cứu tác động của trạm phát triển điện thuỷ triều tới môi trường xung quanh. Trạm này đã cho thấy tuổi thọ cao của công trình, triển vọng và khả năng vận hành trong những điều kiện khắc nghiệt nhất ở miền Bắc nước Nga.

Tuy vậy người ta cũng đã nhận thấy rằng các trạm phát điện thuỷ triều có ảnh hưởng tiêu cực đến sự sống của đàn cá trong khu vực. Những nghiên cứu tại trạm phát điện thuỷ triều Kislogubskaia đã chỉ ra rằng việc duy trì sự sống cho các đàn cá phụ thuộc vào biển và kích thước của các tổ máy tuabin thuỷ lực, cột nước và sự hoạt động của các thiết bị chống rêu hà bám. Trong trường hợp đưa các thiết bị này vào vận hành thì tổn thất đàn cá tăng từ 4,5% lên tới 12%.

Có những vấn đề phức tạp khi đàn cá đi vào hồ chứa và tiếp đó vào sông. Tuy nhiên, cũng đã được xác định rằng 99% đàn cá thuộc các giống kinh tế không bị thiệt hại khi đi qua đập.

Tình hình được cải thiện rõ rệt nếu sử dụng các tuabin thuỷ lực trực giao thay cho kiểu hướng trục để đảm bảo cho đàn cá sống bình thường.

Việc xây dựng trạm phát điện thuỷ triều đương nhiên sẽ dẫn đến làm giảm sự trao đổi nước tự nhiên của vùng mặt nước và chế độ thuỷ văn. Theo các dự báo việc xây trạm phát điện thuỷ có thể dẫn tới làm giảm biên độ dao động mức nước như giảm độ cao thuỷ triều đến 0,5m.

III. Nhà máy năng lượng địa nhiệt

Những công trình nghiên cứu tích cực về những nguồn địa nhiệt ở Nga đã bắt đầu từ những năm 50 trước đây đến nay đã có những nhà máy điện địa nhiệt.

Hiện nay ở Nga đã có 15 nhà máy điện địa nhiệt. Việc vận hành các nguồn năng lượng địa nhiệt có thể gây ra tình trạng trầm trọng do kích hoạt các quá trình địa động lực nguy hiểm, điều đó có thể dẫn tới sự phá huỷ cân bằng của hệ thống thuỷ nhiệt nói chung. Bởi vì nhiều mỏ địa nhiệt nằm trong các vùng thuộc núi lửa và nguy cơ địa chấn, những hậu quả tiêu cực của việc xây dựng những nhà máy điện địa nhiệt có thể kích hoạt địa chấn, có thể xảy ra những vụ nổ thủy nhiệt, lún sụt tầng đất, phát triển hang cartor, thay đổi mức nước ngầm, thải ra các khí độc, đặc biệt là dihydro sulfur v.v… Ngoài ra, nhiệt lượng thải vào bầu khí quyển từ các nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện nguyên tử. Tuy nhiên việc hoàn thiện những công nghệ đã cho phép tạo ra ở các nhà máy nhiệt điện mới chu trình sinh thái sạch khép kín, loại trừ việc tháo các khí độc hại và tiếp xúc trực tiếp của chất mang nhiệt với khí quyển.

Vấn đề lớn nhất trong vận hành các nhà máy nhiệt điện địa nhiệt là sự đóng cáu dioxit silic trên các bề mặt của thiết bị nhiệt.

Ưu việt quan trọng bậc nhất của năng lượng địa nhiệt là ít khí nhà kinh thải vào bầu khí quyển nhỏ hơn từ 700÷1000 lần so với các nhà máy nhiệt điện đốt than và mazut, và từ 200-500 lần so với đốt khí thiên nhiên. Điều chủ yếu là khi sản xuất năng lượng bằng nguồn địa nhiệt ở các nhà máy nhiệt điện địa nhiệt truyền thống thì sự phát thải khí CO­ _­2­ giảm đáng kể, khí này là nguyên nhân chính gây “hiệu ứng nhà kính”.

IV. Trạm phát điện bằng năng lượng mặt trời

Việc áp dụng rộng rãi năng lượng mặt trời trở nên phức tạp do mật độ bức xạ mặt trời ở mặt đất thấp, ở các vùng thuận lợi nhất mật độ bức xạ mặt trời là 1kW/m ², do lượng mây không điều tiết được và do hiệu suất biến đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng còn thấp, tất cả những điều đó đòi hỏi tạo ra những bề mặt phản xạ và hấp thụ lớn, những hệ thống định hướng đúng cho những bộ tích luỹ năng lượng mặt trời… Tính chu kỳ, sự phụ thuộc vào trạng thái bầu khí quyển, độ không đồng đều của lượng bức xạ mặt trời trong suốt ngày đêm và năm, đòi hỏi phải tạo ra các hệ thống tích luỹ năng lượng. Giá cao của toàn bộ hệ thống quang học làm cho việc sản xuất điện năng từ bức xạ mặt trời hiện đang đắt. Ngoài ra các trạm phát điện bằng năng lượng mặt trời chiếm những mặt bằng lớn. Việc đưa vào vận hành hàng loạt các trạm phát điện bằng năng lượng mặt trời dẫn tới sự giảm nhiệt độ bề mặt đất trồng và không khí, điều đó gây ra sự vi phạm cân bằng nhiệt, làm thay đổi hướng gió và cấu trúc lớp phủ thổ nhưỡng của cả khu vực. Ngoài ra, việc chế tạo các thiết bị của trạm phát điện bằng năng lượng mặt trời đòi hỏi các vật liệu đắt tiền và hiếm, tiêu thụ nhiều năng lượng gây bất lợi cho môi trường xung quanh.

Trong tương lai không xa việc nhiên liệu hữu cơ tăng giá và các thiết bị quang học giảm giá sẽ làm cho việc xây dựng các trạm năng lượng mặt trời trở nên hợp lý về mặt kinh tế. Ngoài ra có cả những công trình nghiên cứu triển khai về kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời và các dạng năng lượng khác. Đáng chú ý là triển vọng của sự hoạt động phối hợp của các trạm phát điện năng lượng mặt trời và nhà máy thuỷ điện hoặc nhiệt điện. Kết quả là có được một kiểu nhà máy năng lượng mặt trời tích năng giống như nhà máy thuỷ điện tích năng.

V. Hệ thống sản xuất năng lượng sinh khối

Sinh khối như các thảo mộc và cây gỗ, các phế liệu khai thác gỗ, chế biến gỗ và công nghiệp giấy, phế liệu nông nghiệp và chăn nuôi thuộc các nguồn năng lượng tái tạo phi truyền thống.

Tỷ lệ năng lượng sinh khối chiếm 3,3% trong cân bằng năng lượng hàng năm của các nước Liên minh châu Âu, trong tương lai sẽ đạt mục tiêu 9,3%. Những nước dẫn đầu về chế biến các phế liệu lâm nghiệp để sản xuất năng lượng là Phần Lan, Thuỵ Điển và Áo. Uỷ ban châu Âu đã vạch ra những biện pháp cụ thể để kích thích phát triển năng lượng sinh học.

Sinh khối cũng có thể hỗ trợ thành nguồn tài nguyên quan trọng cho nghành công nghiệp hoá chất, việc sử dụng khối là sự đóng góp thực tế vào cuộc đấu tranh với hiệu ứng nhà kính. Người ta đã tính toán rằng bổ sung 5% các thành phần sinh học vào nhiên liệu có khả năng giảm phát thải trên 1% khí CO­­ _{2 ­}vào bầu khí quyển. Việc tận dụng các phế liệu để sản xuất năng lượng là yếu tố đáng kể cải thiện tình trạng sinh thái của các vùng lãnh thổ.

VI. Nhiên liệu sản xuất bioethanol

Bioethanol (athanol sinh học) được sản xuất từ lên men đường (cây mía, bả mía). Ethanol sinh học là một trong những phương án lựa chọn bền vững đầy hứa hẹn để cung cấp năng lượng cho nhu cầu vận tải đồng thời vẫn sử dụng được cơ sở hạ tầng hiện hữu.

Ethanol sinh học có thể được trộn với xăng hoặc sử dụng ethanol nguyên chất với nhiệt trị cao hơn xăng. Những phương tiện vận tải với các động cơ chạy xăng với 10% ethanol. Những động cơ cải tiến chạy “nhiên liệu linh hoạt” có thể sử dụng nhiên liệu E85 (85% ethanol và 15% xăng), thậm chí có thể sử dụng nhiên liệu E100 (100% ethanol) với hệ số nén cao hơn chạy xăng.

Mục tiêu của các nước EU là đến năm 2020 phải thay thế 10% mức tiêu thụ nhiên liệu trong khu vực vận tải với nhiên liệu sinh học. Ethanol sinh học được xác định theo thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ hai. Ethanol sinh học thế hệ thứ nhất được sản xuất từ bột ngũ cốc hoặc các vật liệu có chứa đường hoặc củ cải đường. Ethanol thế hệ thứ hai được sản xuất từ các vật liệu như gỗ, rơm rạ, giấy phế liệu và rác trong gia đình, phần lớn ethanol được chế tạo ra hiện nay đều thuộc thế hệ thứ nhất. Tuy nhiên trong tương lai gần ethanol thế hệ thứ hai sẽ dồi dào hơn và giá rẻ hơn để có thể cạnh tranh với xăng do phát triển cây trồng để sản xuất ethanol.

VII. Những biện pháp cần thiết để phát triển năng lượng tái tạo

Việc sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo như bức xạ mặt trời, gió, năng lượng thuỷ triều, địa nhiệt của trái đất v.v… có thể làm giảm nhẹ đáng kể việc giải quyết những nhu cầu năng lượng cho các khu vực riêng biệt và các nhóm hộ tiêu thụ vùng sâu vùng xa, và các hộ tiêu thụ điện độc lập.

Trở ngại quan trọng hạn chế sự phát triển sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là thiếu một hành lang pháp lý và cũng còn thiếu những công trình nghiên cứu về những hậu quả sinh thái trong việc phát triển năng lượng tái tạo. Thí dụ việc hoạt động của các trạm phát điện mặt trời có thể làm thay đổi hệ số phản chiết của bề mặt trái đất đến mức độ nào sẽ dẫn đến những thay đổi không lường trước được của khí hậu trên những địa bàn rộng.

Có hàng loạt các yếu tố về kinh tế và pháp lý cản trở sự áp dụng mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo. Trong số các yếu tố đó quan trọng nhất phải kể đến diện tích chiếm đất và kích thước cồng kềnh của các thiết bị năng lượng, điều này có thể dẫn đến thay đổi cơ cấu sử dụng đất đai, tạo ra những vấn đề hoàn toàn mới mẻ về sinh thái và xã hội.

Những giá cả hiện hành đối với các dạng nhiên liệu nói chung làm cho các nguồn năng lượng tái tạo không có khả năng cạnh tranh về mặt kinh tế. Do đó nhiệm vụ quan trọng là phải tiếp tục hoàn thiện các thiết bị của nguồn năng lượng tái tạo, hoàn thiện các đặc tính kỹ thuật của chúng, kể cả các chỉ tiêu về sinh thái, giảm giá thành chế tạo và nâng cao khả năng cạnh tranh về kinh tế với năng lượng truyền thống. Điều đó có thể đảm bảo bằng những công trình nghiên cứu khoa học được cấp kinh phí đầy đủ, tạo ra cơ sở công nghiệp chế tạo các thiết bị tốt cho các nguồn năng lượng tái tạo.

Những thiết bị năng lượng phi truyền thống cực kỳ đắt tiền, vì phải đầu tư cho khoa học kỹ thuật, cho vật liệu quý và cần vốn đầu tư lớn. Những chi phí lớn cho công trình và công trình phải đầu tư dài làm cho chúng giảm tính hấp dẫn đối với việc bỏ vốn đầu tư. Tuy nhiên để bù lại các nhược điểm đó cần chế tạo chúng theo kiểu các môđun và khả năng áp dụng chúng theo giai đoạn, điều đó dẫn đến giảm các chi phí đầu tư và các rủi ro.

Điều quan trọng nhất là cần phải hoạch định các tiêu chuẩn về xã hội và sinh thái, về phương pháp luận đánh giá hiệu quả sử dụng các dạng năng lượng tái tạo khác nhau. Trong các tiêu chuẩn cần phải xem xét các mặt về mối đe doạ đối với sự sống của con người, về việc sung công đất đai, về ảnh hưởng đến các loài chim và động vật, về tác động âm thanh và độ rung, về bức xạ điện từ v.v… Khác với các tiêu chuẩn về kinh tế, các tác động kể trên chủ yếu chỉ có ý nghĩa đánh giá về chất lượng.

Rõ ràng là các nguồn năng lượng tái tạo có những ưu việt lớn về mặt sinh thái so với sản xuất năng lượng theo các thiết bị truyền thống đốt nhiên liệu hoá thạch. Tuy nhiên vẫn còn những yếu tố cản trở đòi hỏi các nhà khoa học kỹ thuật tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật có thể chấp nhận để không ngừng có những cơ chế chính sách khuyến khích và hỗ trợ cho sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai.