Năng lượng tương lai giảm thiểu phát thải CO2

Sự phát triển năng lượng trong tương lai phải dựa trên nguyên tắc quan trọng là giảm thiểu phát thải cacbon.

Khái niệm về nêm (wedge) cacbon

Việc giữ lượng CO ₂phát thải cố định không tăng lên trong vòng 50 năm tới là nằm trong khả năng của chúng ta và điều này không ảnh hưởng gì đến tăng trưởng kinh tế.

Tiết kiệm năng lượng

Hai phần ba năng lượng đã bị mất đi trong quá trình sử dụng (nên nhớ rằng trong số năng lượng bị tiêu hao đó có những phần năng lượng do nhiên liệu hoá thạch cung cấp có gây phát thải cácbon). Nếu tiết kiệm năng lượng nhờ nâng cao hiệu suất sử dụng và nhờ đưa công nghệ mới vào cuộc sống thì lượng cácbon phát thải cũng sẽ giảm đi.

Một số biện pháp có thể nêu ra:

-         Sử dụng thông gió và ánh sáng tự nhiên

-         Sử dụng điều hoà kỹ thuật số

-         Xây tường nhà bằng vật liệu cellulose cách nhiệt

-         Sử dụng đèn compact huỳnh quang

-         Sử dụng màn hình LCD thay vì monitor thông thường

-         Sử dụng bình nóng mặt trời

…

Vấn đề than

Đây là nhiên liệu rẻ tiền song gây nhiều phát thải cácbon. Hiện nay người ta tiến đến công nghệ hiện đại trong lĩnh vực sử dụng than làm nhiên liệu: đó là công nghệ IGCC (Intergrates Gasification Combined Cycle - Chutrình Hỗn hợp Hoá khí Tích hợp).

Trong công nghệ IGCC khí CO­ ₂không thoát ra môi trường và bị chôn dưới đất. Sau đây là các khâu trong quá trình IGCC.

1)      Than, nước và oxygen được đưa vào một bình có áp suất cao (gasifier), trong đó than một phần bị ôxi hoá và biến thành một loại hơi gọi là syngas.

2)      Syngas đi qua hơi nước cho Syngas + hơi nước Þ CO ₂+ H ₂

3)      CO _2­sẽ bị tách ra và đem chôn (CCS - Carbon capture and storage, tách và chôn CO ₂)

4)      H ₂bị đốt và dùng để chạy turbin khí (gas turbine - generator)

5)      Khí nóng còn lại (dư nhiệt) thoát ra từ turbin khí được đun nóng trong thiết bị sinh hơi dùng để chạy turbin hơi (steam turbine - ganerator).

Nhu cầu năng lượng sẽ tăng lên 160 % đến năm 2050. Cần phải xây dựng hàng ngàn nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) mới có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai mà không gây nên phát thải cácbon. Theo ước tính của các nhà năng lượng cần tăng gấp 3 lần số NMĐHN mới có thể cắt giảm được từ 1 tỷ đến 2 tỷ tấn cacbon phát thải trong một năm.

Hiện nay các NMĐHN bảo đảm khoảng 1/6 điện năng trên thế giới. Đây là một nguồn năng lượng không - cacbon (carbon - free). Sự phát triển các NMĐHN đã trải qua hai sự cố để lại ấn tượng trong tâm trí của nhiều người. Three Mile Island và Chernobyl .

Trữ lượng Uranium trên thế giới có thể cung ứng cho các NMĐHN trong vòng nhiều thập kỷ. Một điều dễ hiểu: để giảm hiệu ứng nhà kính nhiều quốc gia trong đó có Mỹ đã bắt đầu có kế hoạch xây dựng nhiều NMĐHN. Đến năm 2050 khoảng 1 tỷ MW điện hạt nhân sẽ xuất hiện giúp giảm 0,8 đến 1,8 tỷ tấn cacbon phát thải mỗi năm.

Các nhà khoa học đã đưa ra một chu trình kín nhiên liệu cho tương lai, trong chu trình đó plutonium và các actinides khác và có thể cả uranium trong các thanh nhiên liệu đã cháy sẽ được tái xử lý và sẽ được sử dụng trong các lò phản ứng (LPU) đặc biệt là :

LPU đốt cháy (Burer Reactor). Các loại lò này sẽ chuyển hoá triệt để các chất thải phóng xạ dài ngày hoạt độ cao thành những chất không phóng xạ hoặc phóng xạ ngắn ngày hoạt độ thấp.

Trong thời gian đến loại LPU thế hệ III ⁺(tức là thế hệ III với những cải tiến kỹ thuật hiện đại) sẽ được sử dụng nhiều.

Vấn đề chất thải là một vấn đề gây nhiều lo lắng trong phương án hạt nhân. Phần Lan là một nước chưa phải là mạnh về hạt nhân đã bắt đầu phương án xây dựng cơ sở chôn cất cho các lại chất thải dài ngày hoạt độ cao ở OLKILUOTO. Năm 2004 tại địa điểm đó người ta đã xây dựng một cơ sở nghiên cứu lưu giữ chất thải mang tên ONKALO nằm dưới mặt đất khoảng ½ km. Đến năm 2020 các thùng chất thải sẽ được lưu trữ tại đó và đến năm 2130 cơ sở Olkiluoto sẽ hoàn thành. Phương án Okiluoto là một minh hoạ cho việc giải quyết vấn đề chôn cất chất thải dài ngày hoạt độ cao cho nhiều quốc gia.

Năng lượng tái tạo

Theo ước tính của những nhà năng lượng:

1) Năng lượng mặt trời có thể cung cấp 5.000 MW điện (chiếm 0,15 % tổng công suất điện trên thế giới), giá 20 đến 25 cent/ kWh, hiệu suất là 37 %. Một điều đáng chú ý là ngoài việc sử dụng những tế bào quang điện PV (Photo Voltaics) việc sử dụng những hệ thống gương gắn liền với thiết bị Stirlingđã góp phần không nhỏ vào việc tăng công suất sử dụng năng lượng mặt trời. Trong những hệ thống này hàng nghìn gương chiếu tập trung sức nóng mặt trời vào thiết bị thu Stirling, thiết bị này biến nhiệt năng thành điện năng.

2)Năng lượng gió có thể cung cấp 60.000 MW điện trên toàn cầu. Đặc biệt các nước EU đã đột biến xây dựng những máy phát điện bằng gió trong những năm 1994 đến 2005 nâng công suất điện gió từ 1.700 lên 40.000 MW (trong đó Đức chiếm 18.000). Giá điện gió vào khoảng 4 đến 7 cent/ kWh.

3) Một dạng nhiên liệu sinh học (biofuel) thông dụng là éthanol lấy từ ngũ cốc. Trong năm 2005 Mỹ đã sản xuất 16,2 tỷ lít éthanol. Chính phủ Mỹ trợ cấp mỗi năm 2 tỷ $ cho sản xuất éthanol từ ngũ cốc với hy vọng dùng éthanol để góp phần giảm thiểu phát thải cacbon.

Một dạng nhiên liệu sinh học khác là diesel lục (green diesel) điều chế bằng cách khí hoá sinh khối để có hydrogen và cacbon monoxide xong chuyển hoá thành hydrocacbon nhờ quy trình Fischer - Tropsch (trong thế chiến II, Đức dùng quy trình này để điều chế nhiên liệu tổng hợp từ than).

Những hy vọng vào Hydrogen

Sử dụng hydrogen để làm nhiên liệu cho xe cộ là một hướng phát triển đúng đắn trong tương lai song đòi hỏi một thời gian. Hydrogen là nhiên liệu của tương lai.

Số phương tiện giao thông hiện nay trên thế giới là 750 triệu, số này sẽ tăng lên gấp 3 lần đến năm 2050 do nhu cầu chính ở các nước như Ấn Độ , Trung Quốc và các nước đang phát triển. Ngành giao thông vận tải phải chuyện dần sang dùng những loại nhiên liệu nghèo cacbon, không dầu lửa. Cần phải có một mạng lưới điện để nạp điện năng cho xe cộ chạy điện và nạp nhhiên liệu hydrogencho các phương tiện có gắn tế bào nhiên liệu[2] hydrogen… Trong các phương tiện giao thông sử dụng tế bào nhiên liệu (fuel - cell) hydrogen sẽ đốt cháy với oxygen của khí trời tạo nên động lực chuyển động. Phương hướng này được sự đồng tình của những nhà chế tạo ô tô, những chuyên gia năng lượng và các nhà hoạch định chính sách.

Hydrogen có thể điều chế bằng cách chiết xuất từ khí thiên nhiên, điện phân nước, chiết xuất từ than và từ CO ₂phát sinh kèm xuống đất và rất quan trọng là nhờ các LPU hạt nhân; trong các LPU hạt nhân người ta sử dụng hơi có nhiệt độ rất cao để tạo hydrogen theo phương pháp phân nhiệt hoá nước (thermochemical splitting of water).

Các công ty như Honda, Toyota & General motors (GM) có kế hoạch bán ra thị trường những ô tô trang bị tế bào nhiên liệu vào khoảng 2010 đến 2020.

Một số nhà khoa học Mỹ đưa ra kế hoạch trong vòng 25 năm xây dựng một mạng năng lượng lấy tên “Siêu mạng - SuperrGrid” với những đường “Siêu cáp - SuperCable” là những đường dây siêu dẫn được làm lạnh bởi hydrogen có khả năng đồng thời chuyển tải điện năng và cung cấp nhiên liệu hydrogen[3].

Những điều Siêu mạng cần đến chúng ta đều có: năng lượng hạt nhân, công nghệ siêu dẫn với sự lựa chọn hợp lý các nguồn năng lượng tái tạo. Đó là tất cả yếu tố kỹ thuật công nghệ cần thiết cho Siêu mạng.

Chương trình A về năng lượng

Chương trình năng lượng A là chương trình sử dụng những kỹ thuật, công nghệ đã có, đã biết. Nhiều nhà năng lượng cho rằng để làm ổn định sự phát thải khí nhà kính chúng ta cần giải quyết không phải 7 nêm như trình bày ở trên mà đến 18 nêm cácbon (mỗi nêm ứng với 25 tỷ tấn CO ₂/ 50 năm ). Lý do là lượng phát thải CO ₂tăng nhanh nhiều hơn ước tính ban đầu.

Chương trình B về năng lượng sử dụng những công nghệ của tương lai:

Trong LPU này có những nam châm cực lớn để giam giữ plasma có nhiệt độ đạt đến 100 triệu độ Celsius. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lò:

Tritium + deuterium Þ helium + neutron + năng lượng

Hiện nay có dự án ITER (International Thermonuclear Experrimental Reactor - LPU nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế) nhằm 3 mục đích:

- Chứng minh rằng một tokamak lớn có thể điều khiển quá trình tổng hợp nhiệt hạch của hai đồng vị của hydrogen là deuterium và tritium thành helium.

- Các neutron nhanh tạo thành có thể tái tạo nghiên liệu tritium bằng cách bắn phá vào một bia tithium.

Nếu dự án ITER thành công thì nhân loại sẽ sở hữu được nguồn năng lượng gần như vô tận vì các đồng vị của hydrogen có thể điều chế từ nước.

2) Sử dụng năng lượng gió ở những độ cao cỡ ³ 10.000 m. Các nhà khoa học cho biết rằng 2/3 năng lượng gió tập trung trên tầng troposhere - tầng đối lưư (lớp khí quyển kéo dài khoảng bảy dặm từ mặt đất đi lên) vượt xa ngoài chiều cao của các thiết bị sử dụng năng lượng gió hiện nay. Vì vậy trong chương trình B cần thiết kế những máy phát chạy bằng sức gió trên những độ cao đó (xem hình 5).

3) Sử dụng những tấm thu ánh sáng mặt trời (diện tích cỡ 3 km ², xem hình 5) trên quỹ đạo địa tĩnh trong vũ trụ rồi chuyển hoá ánh sáng thành điện. Người ta sử dụng những than silicon nano để nâng cao hiệu suất các pin mặt trời lên 2 lần so với các PV (Photo Voltaic) của công nghệ hiện nay. Những thiết bị này hoạt động 24/24 bất kể thời tiết và cung cấp khoảng 1,1 GW điện.

4) Sử dụng năng lượng sóng và thuỷ triều. Hiện nay đã có hai nhà máy sử dụng thuỷ triều: nhà máy 240 MW ở Pháp và nhà máy 20 MW ở Nova Scotia . Trung Quốc sắp xây dựng nhà máy 40 kW ở Daishan, Mỹ sẽ có nhà máy 36 kW ở New York City .

Trong tương lai sẽ có nhiều nhà máy lớn hơn nhiều lần. Theo tính toán của các nhà năng lượng Anh, năng lượng đại dương có thể cung cấp đến 1/5 điện năng của họ.

6) Sử dụng vi sinh. Nhà sinh học J. Craig Venter nghiên cứu những dạng vi sinh có khả năng hấp thụ CO ₂từ các nhà máy để chuyển hoá thành khí tự nhiên. Ông còn cho biết rằng các nhà sinh học đã tạo được những hệ sinh học sản xuất được hydrogen trực tiếp từ ánh sáng mặt trời thông qua quá trình quang hợp. Steven Chu, Giám đốc phòng thí nghiệm quốc gia Lawrencs Berkeley (LBNL) đang nghiên cứu việc chuyển hoá cellulose thành nhiên liệu nhờ những vi sinh tạp mới. Chucho rằng các quá trình sinh học tạo nhiên liệu cũng có hiệu suất cao không kém các quá trình như hơi nổ hay thuỷ phân nhiệt trong sản xuất éthanol.

Kết luận

Hiện tượng quả đất nóng lên có thể dẫn đến những hệ quả mang tính tai biến cho môi trường và cho con người.

Trong tương lai việc sử dụng năng lượng là một vấn đề tổng hợpnhiều hướng giải quyết trên cơ sở công nghệ cao, song tất cả đều phải dựa trên nguyên tắc giảm thiểu đến mức tối đa hoặc loại trừ phát thải cácbon. Tất cả phương án giải quyết đều nằm trong tầm tay của các nhà khoa học. Năng lượng tương lai là một năng lượng ngoài vùng cacbon.

Tài liệu tham khảo

[1] Scientific American, tháng 7 năm 2006.

[2] Tế bào nhiên liệu (fuel cell) là một thiết bị chuyển hoá điện - hoá năng lượng giống như một bình ắc quy thông thường ở chỗ có thể liên tục tiếp nạp nhiên liệu, ví dụ hydrogen đối với tế bào nhiên liệu hydrogen.

[3] Hoạt động khoa học, số tháng 8 - 2006 (567).

[4] Tokamak là một thiết bị tạo từ trường hình xuyến để giam giữ plasma, từ tokamak là gồm các chữ đầu của các từ tiếng Nga - toroidak chamber in magnetic coils). Tokamak được thiết kế năm 1950 bởi Yevgenyevich Tamm và Andrei Sakharov dựa trên một ý tưởng của O. A. Lavrent’iev.