Năng lượng cho thế kỷ 21: Năng lượng mặt trời – Năng lượng sinh khối

1.Năng lượng Mặt trời

Năng lượng Mặt trời là năng lượngcủa dòng bức xạ điện từxuất phát từ Mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt vật chất phóng ra từ ngôi saonày. Hàng ngày chúng ta nhận được năng lượng từ Mặt trời cao gấp 15.000 lần so với tất cả các năng lượng hoá thạch. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu và vô tận. Năng lượng Mặt trời được khai thác theo hai cách: Cách thứ nhất là chuyển quang năng thành điện năng (pin quang điện) và cách thứ hai là sử dụng trực tiếp tác dụng nhiệt của bức xạ Mặt trời tức là chuyển quang năng thành nhiệt năng (sử dụng cho bình đun nước Mặt trời, hoặc làm sôinước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hoà Mặt trời). Ngoài ưu điểm là năng lượng xanh thân thiện với môi trường như các dạng năng lượng tái tạo khác, năng lượng Mặt trời còn có những tiện lợi, đễ sử dụng và linh hoạt hơn các nguồn năng lượng tái tạo khác. Ở nông thôn và miền núi hải đảo việc sử dụng dây điện khó và đắt, thì sử dụng các tấm pin Mặt trời đặt trên các mái nhà để phát điện là một giải pháp rất phù hợp. Một loạt các sản phẩm sử dụng năng lượng Mặt trời ở quy mô nhỏ hơn cũng mang lại những lợi ích kinh tế và môi trường; đó là những sản phẩm sử dụng năng lượng Mặt trời đa dạng và tiện dụng như đèn, pin sạc cho điện thoại cầm tay, những thiết bị âm thanh kỹ thuật số và các thiết bị khác. Hầu hết những sản phẩm này được lắp ráp dễ dàng, không yêu cầu những tải điện hay dây nối cũng như không cần sự giúp đỡ chuyên nghiệp. Từ nhiều năm nay, giá của điện Mặt trời vẫn cao đến mức, nếu không có một sự trợ giúp tài chính nào đó, thì năng lượng này không thể cạnh tranh với năng lượng từ lưới điện. Một tin vui cho những ai quan tâm đến năng lượng Mặt trời là mới đây hãng Nanosolar ở Califoocnia – Mỹ tuyên bố (3) đã phát triển một “Công nghệ ở quy mô thương mại hoá”, giảm chi phí sản xuất năng lượng Mặt trời 75% và làm cho năng lượng này cạnh tranh được với điện lưới. Việc sử dụng công nghệ Nanô cho phép tạo ra pin Mặt trời rất mỏng. Các thiết bị này rất nhẹ và có khả năng in khắc lên chúng, cuộn lại như tờ báo và sau đó trải lên mái nhà. Công nghệ của Hãng có thể cung cấp điện năng với giá 0,05 USD/KWh (khoảng 800 VND). Với giá này, điện pin từ Mặt trời của Nanosolar sẽ rẻ gấp 4 lần so với giá điện của các loại pin Mặt trời đang có trên thị trường hiện nay 0,2 USD/KWh (khoảng 3.000 VND) nghĩa là sẽ rẻ hơn một nửa so với giá điện lưới trung bình hiện nay.

Với nhiều ưu thế của năng lượng Mặt trời như trên và để đón đầu tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng hoá thạch vào nửa đầu thế kỷ 21; Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia Tây Âu đã đi đầu trong việc sử dụng nguồn năng lượng Mặt trời từ những năm 50 ở thế kỷ trước. Tính đến năm 2002, Nhật Bản đã sản xuất được khoảng 520 MW điện bằng pin Mặt trời, với giá trung bình 800.000 Yên/KW, thấp hơn 10 lần so với cách đây trên một thập kỷ. Nhật Bản phấn đấu đến năm 2010 sẽ sản xuất được hơn 8200 MW công suất điện từ năng lượng Mặt trời.

Ở Nam California, điện được sản xuất ở nhà máy nhiệt Mặt trời ở sa mạc Mojave, công suất 354 MW. Nhà máy sử dụng những dãy gương hướng về phía Mặt trời được điều khiển bởi hệ thống máy tính. Các tấm gương tập trung ánh sáng Mặt trời vào những ống dẫn phủ thép chứa dầu tổng hợp. Dầu được đun đến nhiệt độ 400 độ C đun nóng nước tạo ra hơi nước để chạy các máy phát điện.

Ở nước ta với vị trí địa lý gần xích đạo, số giờ nắng trung bình 2000 – 2500 giờ /năm với tổng năng lượng bức xạ Mặt trời trung bình khoảng 150 Kcal/cm2, tiềm năng lý thuyết được đánh giá là lớn (2). Ngay từ năm 1989 điện Mặt trời đã được ứng dụng và phát triển một cách rộng rãi. Tuy nhiên, thực tế cho thấy sự phát triển chỉ mới giới hạn ở khu vực nông thôn, vùng xa xôi hẻo lánh, còn tại các trung tâm tỉnh, thành phố lớn thì đối tượng sử dụng điện Mặt trời còn rất hạn chế. Hiện tại chỉ mới khai thác sử dụng được 0,6MW. Theo thông tin từ Website:.com ngày 15/03/2007, đến nay đã có hơn 3.000 hộ dân vùng sâu, vùng xa được điện khí hoá bằng hệ điện Mặt trời gia đình, 8.500 hộ sử dụng điện Mặt trời qua các trạm sạc ắc quy và hàng trăm làng, nhà văn hoá, trạm thu vệ tinh, viễn thông điện Mặt trời ra đời... Có nhiều nơi, trạm điện Mặt trời cung cấp cho những địa điểm sinh hoạt đông người như nhà văn hoá, hội trường, lễ hội... Ngoài ra, còn nhiều dự án điện Mặt trời lớn cho khu vực vùng núi đang được chuẩn bị xây dựng trong 10 năm tới, như dự án “điện Mặt trời nối lưới” với tổng công suất 1100 KW do Việt Nam và Tây Ban Nha thực hiện để điện khí hoá nông thôn ; dự án “Nguồn điện Mặt trời cho vùng dân tộc miền núi” do Uỷ ban Dân tộc miền núi và Phần Lan thực hiện. Theo đó, lắp đặt 300 trung tâm sinh hoạt cộng đồng điện Mặt trời ở khu vực miền núi bao gồm nhà văn hoá, trạm y tế, trường học và các nhà rông... nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của đồng bào dân tộc thiểu số. Rõ ràng phát triển điện Mặt trời là hoàn toàn có cơ sở thực hiện, nhất là khi Việt Nam được đánh giá là nước có tiềm năng về nắng và gió lớn nhất Đông Nam Á.

Tuy vậy khi khai thác sử dụng năng lượng Mặt trời cũng cần chú ý đến hạn chế sau: năng lượng Mặt trời là khó kiểm soát ngay cả khi công nghệ có bước tiến mạnh mẽ; (nắng mưa là chuyện của trời, con người không thể can thiệp được); sự thay đổi thời tiết và môi trường như mây mù hay sương muối, toà nhà bị che khuất hay những ô kính quá hẹp khiến Mặt trời khó tác động được tới những thiết bị tạo nguồn điện.

2. Năng lượng sinh khối

Năng lượng sinh khối được khai thác từ nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hữu cơ, nguồn nhiên liệu này được gọi tắt là sinh khối. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa...), ngũ côc (lúa mì, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...)... Lợi ích môi trường, an ninh năng lượng thực sự của sinh khối xuất hiện khi con người sử dụng một lượng lớn sin h khối để sản xuất điện năng, nhiệt năng và các loại nhiên liệu sinh học khác, do đó giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Năng lượng sinh học lấy từ nguồn nhiên liệu tái sinh, từ những chất thải của hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp không chỉ góp phần giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh mà còn góp phần giải quyết vấn đề chất thải rắn. Lợi thế to lớn của sinh khối so với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió và Mặt trời là có thể dự trữ và sử dụng khi cần, đồng thời luôn ổn định.

Sinh khối gồm nhiên liệu rắn (Biomass), nhiên liệu lỏng (biofuel) và khí sinh học (biogas). Biomass như gỗ, phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, trấu, phân gia súc...), phụ phẩm công nghiệp có nguồn gốc sinh khối (bã mía, mùn cưa...). Biomass là vật liệu hữu cơ dự trữ năng lượng ánh sáng Mặt trời. Khi được đốt cháy, năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt năng. Nhiệt lượng toả ra do đốt cháy sinh khối có thể sử dụng thay thế việc đốt cháy các loại nhiên liệu hoá thạch trong các nhà máy nhiệt điện; điện năng được sản xuất từ biomass gọi là điện sinh khối. Phần lớn các nhà máy điện sinh khối trên thế giới sử dụng hệ thống đốt trực tiếp.Nguyên liệu sinh học được đốt trực tiếp để tạo hơi nước. Hơi nước đó làm quay tua-bin của máy phát điện. Trong một số ngành công nghiệp, hơi nước từ nhà máy điện còn được sử dụng cho sản xuất hoặc để sưởi ấm. Những nhà máy điện này được gọi là nhà máy nhiệt – điện kết hợp. Chẳng hạn như phụ phẩm của gỗ (mùn cưa) thường được sử dụng để sản xuất điện năng và tạo nhiệt năng ở nhà máy giấy.

Ngoài ra biomass bằng công nghệ tiêu hoá kỵ khí (lên men sinh học trong điều kiện thiếu ôxy) có thể biến thành một loại khí – khí biogas hay khí sinh học (hỗn hợp gồm hydrro, cacbonoxyt và methane). Loại khí này cung cấp nhiên liệu cho turbine khí để sản xuất điện năng. Ước tính tới năm 2020, công suất điện sinh học của thế giới đạt hơn 30.000 MW. Mỹ là nước sản xuất điện sinh khối lớn nhất thế giới, có hơn 350 nhà máy điện sinh khối đủ cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình. Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả. Bộ Năng lượng Mỹ dự báo các công nghệ tiên tiến hiện đang được phát triển hiện nay sẽ giúp ngành điện biomass sản xuất đạt công suất trên 13.000 MW vào năm 2010. ở Mỹ năng lượng sinh khối chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ và chiếm 45% năng lượng tái tạo. Uỷ ban Chống ô nhiễm môi trường hoàng gia Anh RCEP cho biết tới năm 2050, sinh khối có thể cung cấp 10-15% tổng năng lượng của Anh. Nhiên liệu sinh khối được sử dụng ở ấn Độ chiếm khoảng 30% tổng nhiên liệu được sử dụng tại quốc gia này, là nguồn nhiên liệu quan trọng nhất được sử dụng ở trên 90% hộ gia đình nông thôn và chừng 15% hộ gia đình đô thị, đặc biệt hữu ích đối với các gia đình có nuôi gia súc. Hiện nhiều nhà máy biogas đã được xây dựng ở ấn Độ.

Dạng thứ hai của sinh khối là nhiên liệu lỏng – nhiên liệu sinh học (biofuel) cho các phương tiện vận tải. Nhiên liệu sinh học lỏng phổ biến nhất là ethanol và diesel sinh học. Ethanol là một loại cồn, tương tự như cồn trong bia và rượu được sản xuất bằng cách lên men bất kỳ loại biomass nào có hàm lượng carbohydrate cao (tinh bột, đường hoặc celluloses) thông qua một quá trình tương tự như lên men bia. Hiện đã có các loại xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt gồm xăng và 85% ethanol. Diesel sinh học được sản xuất bằng cách kết hợp cồn (thường là methanol) với dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các loại mỡ nấu ăn được tái chế; Ethanol và diesel sinh học chủ yếu được sử dụng làm phụ gia nhiên liệu để giảm lượng carbon monoxide và các loại khí thải gây sương khói khác từ các phương tiện giao thông. Diesel sinh học còn được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ diesel.

Biogas là dạng thứ ba của sinh khối – nhiên liệu sinh học dạng khí. Tại các bãi chôn lấp (nơi ủ các vật liệu hữu cơ như phân, rau xanh, rơm...), các giếng được khoan để hút khí methane từ chất hữu cơ đang phân huỷ. Sau đó, các ống từ mỗi giếng sẽ vận chuyển khí tới một nơi trung tâm để lọc và làm sạch trước khi đốt. Biogas có thể được sử dụng làm nhiên liệu sản xuất điện hoặc sử dụng cho mục đích công nghiệp. Đơn giản nhất là dùng nhiên liệu này để đun nấu gia dụng. Như vậy sinh khối cung cấp nguồn năng lượng đa dạng. Ở quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư cung cấp 14 -15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới. Đối với các nước đang phát triển, sinh khối là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp 30 -35% trong tổng năng lượng. Sinh khối giữ vai trò quan trọng trong thế kỷ 21 và vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai. Ở nước ta, nguồn sinh khối chủ yếu là gỗ, trấu, bã mía, sắn, ngô, quả có dầu, gỗ, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp. Theo nghiên cứu của Trung tâm Tư vấn năng lượng VECC, tiềm năng sinh khối của nước ta là 250 – 400 MW. 75% sinh khối dạng rắn (biomass) được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình, 25% biomass sử dụng trong sản xuất. Hiện cả nước có khoảng 43 nhà máy mía đường trong đó 33 nhà máy sử dụng hệ thống đồng phát điện bằng bã mía. Khí sinh học chủ yếu phát triển ở qui mô gia đình; khoảng 7% chuồng trại chăn nuôi có xử lý chất thải. Ước tính nước ta có khoảng 35.000 hầm khí biogas phục vụ đun nấu gia đình với sản lượng 500-1.000m3 khí/năm cho mỗi hầm. Tiềm năng lý thuyết của biogas ở Việt Nam là khoảng 10 tỷ m3/năm (1m3 khí tương đương 0,5 kg dầu).

Việc khai thác sử dụng nhiên liệu sinh học (biofuel) chưa được áp dụng ở nước ta mà mới dừng lại ở phạm vi nghiên cứu. So với tiềm năng mức khai thác năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay mới đạt 20%. Phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta trong thế kỷ 21 là tất yếu và là cơ hội để khai thác tiềm năng, đáp ứng nhu cầu năng lượng trong điều kiện môi trường thế giới thuận lợi đang không ngừng đổi mới công nghệ sản xuất năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng sinh khối, nhà nước đang từng bước tạo điều kiện thuận lợi về chính sách cơ chế cho phát triển năng lượng tái tạo. Tuy vậy cũng cần quan tâm đến hạn chế của năng lượng sinh khối ở chỗ nó có một số tác động đến môi trường như thải vào không khí bụi, khí SO2 với độ phát thải cao thấp tuỳ thuộc vào nguyên liệu sinh khối, công nghệ và biện pháp kiểm soát. Ngoài ra phát triển nhiên liệu sinh khối có thể dẫn tới gia tăng sử dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hoá chất gây tác hại đến động vật hoang dã và môi trường sống./.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Khắc Nhẫn. Tại sao Việt Nam nên thận trọng với điện hạt nhân? Địa chỉ website: http://www.caođangienhoc.orq

2. Tô Quốc Trụ. Tổng quan về hệ thống năng lượng Việt Nam và định hướng phát triển ngành năng lượng đến 2025. Địa chỉ website:.vidss.org.vn

3. Nguyễn Quang Khải. Những vấn đề phát triển năng lượng sinh khối của Việt Nam. Địa chỉ website:

4. Website:

5. Website: hiendaihoa.com

Nguồn : Thông tin KH – CN Nghệ An, số 5/2007