Năng lượng và nhiên liệu

Nhiên liệu hóa thạch

Năng lượng được dùng để cung cấp cho sinh hoạt, cho các nhà máy và hệ thống giao thông vận tải hiện nay, phần lớn lấy từ các nhiên liệu hóa thạch. Việc sử dụng đó không chỉ làm cạn kiệt nguồn nhiên liệu này mà còn ảnh hưởng rất lớn đến môi trường tự nhiên.

Hàng ngày trên khắp thế giới, loài người tiêu thụ năng lượng tương đương với năng lượng sinh ra từ việc đốt cháy khoảng 200 triệu thùng dầu. Nguồn cung cấp nhu cầu về năng lượng khổng lồ đó chủ yếu được cung cấp từ than đá, dầu mỏ và các lò phản ứng hạt nhân.

Đầu tiên là than đá, rồi sau đó đến dầu mỏ và khí gas vào những năm đầu của thế kỷ 19, chúng ta đã lấy đi những nguồn năng lượng phong phú để thúc đẩy sự phát triển kinh tế. Tuy nhiên giờ đây, một cuộc khủng hoảng năng lượng đang ngày càng trở nên rõ nét. Các mỏ dầu mới đang ngày càng ít đi, và sự ngột ngạt do việc sử dụng xăng dầu gây ra hiệu ứng nhà kính đang đe doạ trái đất của chúng ta, trong khi đó nhu cầu sử dụng năng lượng vẫn sẽ tăng mạnh lên tới 50% đến 60% vào năm 2030. Loài người cần nhanh chóng tìm ra các giải pháp bền vững - từ nhà máy thuỷ điện cho tới các nhà máy phát điện chạy bằng sức gió - để cung cấp năng lượng cho tương lai.

Phần lớn năng lượng trên trái đất đều có nguồn gốc từ mặt trời. Thực tế là, trong một phút, năng lượng từ mặt trời chiếu lên bề mặt hành tinh đủ để chúng ta sử dụng trong cả năm. Vì vậy chúng ta chỉ cần tìm ra một phương pháp hiệu quả để khai thác năng lượng dồi dào sẵn có này. Cho tới nay, năng lượng từ dầu mỏ là rẻ hơn và dễ khai thác hơn. Tuy nhiên tình hình sẽ thay đổi do các nguồn cung cấp dầu ngày càng cạn kiệt, và chúng ta sẽ cần phải từ bỏ thói quen “nghiện” dầu mỏ.

Than đá

Việc đốt gỗ cũng đủ thỏa mãn phần lớn nhu cầu năng lượng của loài người cho tới khi cuộc cách mạng công nghiệp bằng hơi nước bắt đầu, khi đó than đá với năng lượng dồi dào đã được lựa chọn. Than đá hiện vẫn đang được sử dụng, phần lớn tại các nhà máy nhiệt điện, đáp ứng được một phần tư nhu cầu của chúng ta. Tuy nhiên việc sử dụng than đá đã giảm dần từ khi loài người bắt đầu khai thác được dầu mỏ dưới lòng đất. Than đá có hiệu quả thấp, hại sức khoẻ và là loại nhiên liệu có sức tàn phá môi trường lớn nhất, mặc dù vậy, nhìn nhận một cách thực tế, nguồn cung cấp than đá còn rất dồi dào: trữ lượng hiện tại của nó lớn gấp 5 lần trữ lượng dầu mỏ.

Dầu mỏ

Ngày nay xăng dầu (sản phẩm từ dầu mỏ) cung cấp khoảng 40% nhu cầu năng lượng của toàn thế giới, phần lớn được dùng trong phương tiện giao thông vận tải. Riêng nước Mỹ đã tiêu thụ tới ¼ tổng số lượng dầu mỏ khai thác và cũng chiếm một con số tương tự trong tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Khoảng 2400 năm trước đây, các mỏ dầu đầu tiên được khai thác, nhưng nền công nghiệp khai thác dầu hiện đại chỉ mới được khai sinh vào những năm 50 của thế kỷ 19.

Phần lớn dầu mỏ được cung cấp từ khu vực Trung Đông, nơi có trữ lượng chiếm ½ của thế giới. Ngoài ra còn có các nguồn năng lượng đáng kế khác bao gồm: Nga, Bắc Mỹ, NaUy, Venezuela và vùng Biển Bắc. Khu bảo tồn thiên nhiên hoang dã ở bắc cực thuộc vùng Alaska cũng có thể trở thành nguồn năng lượng mới của Hoa Kỳ nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhập khẩu từ nước ngoài, tuy nhiên hiện nay vẫn chưa được phép khai thác.

Mặc dù nhiều ý kiến khác nhau nhưng phần lớn các chuyên gia đều dự đoán nguồn năng lượng dự trữ dễ khai thác sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới. Loài ngưòi có thể sẽ nhanh chóng phải đối mặt với cuộc khủng hoảng năng lượng trong vòng vài thập kỷ tới khi mà nhu cầu đã vượt xa khả năng cung cấp. Khi các nguồn dự trữ truyền thống trở nên khó khai thác hơn, các nguồn năng lượng khác như đá chứa dầu và đất chứa bitum có thể phải sử dụng để thay thế. Xăng dầu cũng có thể được chiết suất từ than đá.

Khí đốt tự nhiên

Các nguồn khí đốt thiên nhiên có thể sẽ bù đắp một phần lượng thiếu hụt dầu mỏ, tuy nhiên các nguồn dự trữ này (nằm một phần ở Nga, một phần ở Trung Đông và ở biển Wadden) cũng sẽ chẳng còn vào thế kỷ 22. Chúng ta đang sử dụng khí đốt để sản sinh ra 1/3 năng lượng điện của toàn thế giới.

Khí đốt thiên nhiên, phần lớn là khí Mêtan, là nhiên liệu hóa thạch sạch nhất tính trên đơn vị khối lượng, khả năng gây hiệu ứng nhà kính chỉ chiếm 40% so với than đá và 25% so với dầu mỏ. Bởi mức độ gây ô nhiễm môi trường thấp hơn so với xăng dầu nên mức độ sử dụng khí thiên nhiên trong ô tô, xe máy đang tăng lên. Khi các nguồn cung cấp hiện nay cạn kiệt, có lẽ khi đó loài người đã có thể khai thác được các nguồn khí mêtan đóng băng khổng lồ nằm sâu dưới đáy biển.

Tác hại đến môi trường

Từ khi chúng ta bắt đầu sử dụng các nhiên liệu hóa thạch, chúng ta đã thải ra khoảng 400 tỉ tấn cacbon vào khí quyển, và việc đốt toàn bộ nguồn nhiên liệu còn lại sẽ làm nhiệt độ của trái đất tăng thêm khoảng 13 ^oC. Nhiệt độ trái đất tăng cao sẽ huỷ toàn bộ các khu rừng nhiệt đới và làm tan toàn bộ băng tuyết ở Bắc cực và còn gây ra nhiều thảm hoạ khủng khiếp khác. Luân Đôn sẽ nóng như Cairo, nhưng cũng có thể chìm sâu trong nước biển.

Các nguồn năng lượng thay thế

Tiếp cận, sử dụng các nguồn năng lượng rẻ tiền, an toàn cho môi trường và bền vững là mấu chốt của nền công nghiệp và nền văn minh hiện đại.

Năng lượng hạt nhân

Trong vài thập niên tới, một phương pháp mà nước Anh và một số nước khác có thể áp dụng để đáp ứng các cam kết giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính là sử dụng các nhà máy điện hạt nhân. Hiện tại có khoảng 440 lò phản ứng hạt nhân thuộc 32 quốc gia tạo ra 16% sản lượng điện trên toàn thế giới.

Mặc dù các quốc gia phương Tây đã giảm việc sử dụng năng lượng hạt nhân sau thảm hoạ Chernobyl vào năm 1986, thế nhưng vẫn có nhiều nước khác như Mỹ, Nhật và Ấn Độ đang lại tiếp tục theo đuổi công nghệ này. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng hạt nhân để giảm huỷ hoại môi trường là một con dao hai lưỡi, bởi vì bản thân việc xử lý rác thải hạt nhân cũng là một vấn đề nghiêm trọng. Không kể đến một thực tế là việc xây dựng mới các nhà máy điện hạt nhân kéo dài hàng thập kỷ thì chi phí, độ an toàn trong vận hành và chủ nghĩa khủng bố cũng là những mối quan ngại lớn.

Các nguồn năng lượng tái tạo được

Các nguồn năng lượng tái tạo ít gây ô nhiễm mang lại một giải pháp năng lượng dài hạn thiết thực hơn. Chúng cũng mang lại nhiều lợi ích hơn cho các nước nghèo. “Khả năng tái tạo được” ám chỉ một sự thật là những nguồn năng lượng này không được dùng quá tốc độ phục hồi của chúng.

Thủy năng

Người Trung Hoa và người La mã đã biết sử dụng các cối xay chạy bằng sức nước từ cách đây hơn 2000 năm. Thế nhưng phải đến năm 1870 con đập thủy điện đầu tiên mới được xây dựng ở nước Anh. Ngày nay, thuỷ điện là dạng năng lượng tái tạo phổ biến nhất, cung cấp khoảng 20% sản lượng điện trên toàn thế giới.

Đập Tam Hiệp trên sông Trường Giang tại tỉnh Hồ Bắc của Trung Quốc vừa mới hoàn thành đầu tháng 6 năm 2006 là đập thuỷ điện lớn nhất từ trước tới nay (có độ cao 185 mét, dài 2.309 mét). Với kích thước lớn gấp 5 lần đập thuỷ điện Hoover của Mỹ, cùng với 26 tuốcbin sẽ sản sinh lượng điện bằng 18 nhà máy nhiệt điện công suất lớn cộng lại. Với sản lượng điện như vậy thuỷ điện Tam Hiệp sẽ cung cấp được 3% nhu cầu điện năng của Trung Quốc.

Vào năm 2003, nhà máy phát điện mang tính thương mại đầu tiên khai thác dựa trên dòng thuỷ triều ở cửa biển được khánh thành ở NaUy. Nhà máy được thiết kế có cơ chế hoạt động giống như máy phát điện chạy bằng sức gió, nhưng ngoài các bộ phận có hình dáng tuốcbin còn có thêm các bộ phận tiếp nhận năng lượng từ dòng thuỷ triều là các tấm ván nổi trên mặt nước. Các mô tơ phát điện hoạt động dựa trên sự chuyển động uốn lượn linh hoạt của tấm ván do dòng chảy của nước, hoặc động cơ hoạt động dựa trên sự lên xuống của các phao theo thuỷ triều hoặc sóng trên mặt sông.

Năng lượng gió

Do giá thành thấp, máy phát điện chạy bằng sức gió đã có được tốc độ phát triển chóng mặt, tăng gấp 4 lần kể từ năm 1999 đến năm 2005. Các cánh đồng phát điện bao gồm các tuốcbin phát điện có gắn cánh quạt. Mặc dù giá điện sản xuất ra có thể cao, song gió thì có thừa để cung cấp nhu cầu năng lượng cho toàn thế giới.

Các cánh đồng phát điện thường đặt để lấy gió từ biển thổi vào hoặc từ đất liền thổi ra. Nhược điểm của chúng là có thể làm mất đi vẻ đẹp của các điểm danh lam thắng cảnh, và thường là không được người dân địa phương ưa chuộng. Các động cơ phát điện cũng không phải là không gây phiền toái – chúng có thể làm nhiễu rađa và ảnh hưởng đáng kể đến hệ sinh thái như làm thay đổi khí hậu và làm hại các động vật hoang dã như chim biển. Các loài chim di cư cũng sẽ rất may mắn nếu không gặp phải các cánh đồng tuốcbin phát điện.

Scotland đang xây dựng một cánh đồng phát điện chạy bằng sức gió lớn nhất châu Âu, cung cấp đủ điện năng cho 200.000 gia đình. Mục tiêu của nước Anh từ nay cho đến năm 2020 là sản xuất 1/5 điện năng bằng các nguồn năng lượng tái tạo được, chủ yếu dựa vào sức gió. Tuy nhiên, điều này có vẻ khó thực hiện được vì gió thường không ổn định.

Trong tương lai,các toà nhà cao tầng sẽ được gắn các tuốcbin phát điện, đáp ứng được 20% nhu cầu điện năng của toà nhà đó. Có thể có các viễn cảnh khác như: xây dựng các trạm phát điện chạy bằng sức gió đặt trên phao nổi trên mặt biển, hay các trạm phát điện khổng lồ cách mặt đất 28km sử dụng sức gió có tốc độ lớn ở trong tầng khí quyển phía trên. Ngoài ra còn có các kế hoạch xây dựng 1 tháp cao 1km để khai thác năng lượng gió từ luồng khí nóng ở các vùng xa xôi của Australia.

Năng lượng mặt trời

Sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện đã được xem xét từ thời Victoria và những thiết kế công trình sử dụng năng lượng mặt trời để điều chỉnh nhiệt độ đã có gần ngàn năm nay. Ngày nay, năng lượng mặt trời được sử dụng theo một số cách khác nhau. Theo hướng sử dụng nhiệt năng thì ánh sáng mặt trời làm nóng nước trực tiếp chứa trong các tấm mái để cung cấp cho hộ gia đình. Ngoài ra, ánh sáng mặt trời cũng có thể được chuyển hoá thành điện năng thông qua các tế bào quang điện (là các tấm bán dẫn thu các hạt photon ánh sáng để chuyển hoá thành điện năng)

Cả hai cách trên là nguồn năng lượng không ổn định vì chỉ khai thác được vào ngày có ánh sáng mạnh. Các tế bào quang điện có giá thành cao nên không được sử dụng rộng rãi, nhưng cũng rất phù hợp với những vùng xa xôi và vùng chưa được lưới điện phủ tới. Các tấm pin mặt trời cũng thường được sử dụng trong tàu vũ trụ, ô tô mặt trời và máy bay.

Theo dự đoán của các chuyên gia, đến năm 2020, các dòng tế bào quang điện rẻ hơn sẽ dẫn tới việc sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời sẽ lớn hơn so với từ năng lượng hạt nhân.

Trong tương lai, chúng ta có thể sản xuất ra điện năng từ mặt trời ngay trên quần áo và các vật liệu che phủ công trình cũng là pin mặt trời. Thậm chí hiện nay đã có kế hoạch xây dựng một trạm phát điện mặt trời trên quỹ đạo.

Nhiên liệu sinh học

Khi hết xăng, chúng ta sẽ đổ gì vào những chiếc ô tô của chúng ta? Câu hỏi này, cùng với lượng khí thải của xe là một trong những nhân tố chính làm gia tăng hiệu ứng nhà kính, đang là áp lực cho việc tìm ra một giải pháp mới giải quyết vấn đề đó.

Nhiên liệu sinh học đã được sử dụng cho động cơ đốt trong. Ở Mỹ, Ethanol (cồn) đã được pha thêm vào xăng, và ở Brazil có hàng triệu chiếc xe ôtô cũng sử dụng nhiên liệu sinh học này. Dầu thực vật cũng đang được sử dụng ở châu Âu dưới dạng sản phẩm diezel sinh học. Dầu đậu nành cũng được sử dụng trong cả ngành hàng không. Các nhiên liệu sinh học với tốc độ tái tạo rất nhanh có thể được sử dụng để cung cấp nhiệt sưởi ấm và điện năng. Thậm chí ngay đến chất bã ép cũng là nhiên liệu sinh học.

Các máy phát điện chạy bằng hidrô có một tiềm năng vô cùng to lớn nếu giải quyết được các tồn tại kỹ thuật. Về nguyên tắc chung, một ắcquy hidro sẽ liên tục được nạp nhiên liệu, phản ứng hoá học giữa hidrô và ôxy chỉ tạo ra điện và nước.

Đây là một quá trình có hiệu suất cao hơn rất nhiều so với đốt nhiên liệu. Hidrô không chỉ có ích cho ôtô, nó còn được sử dụng trong các nhà máy phát điện và các vật dụng di động chạy bằng điện. Vào một ngày nào đó, các máy phát điện hidro cỡ nhỏ có thể thay thế pin.

Vấn đề ở đây là các chất xúc tác và màng cực phản ứng hiện còn có giá thành rất cao. Các trở ngại khác bao gồm chế tạo bình chứa hidrô (là chất dễ cháy nổ) sao cho đủ an toàn cho xe hơi và xây dựng một hệ thống các trạm cung cấp nhiên liệu. Sự kết hợp các động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống với các động cơ điện có thể là bước tiến mới đúng hướng. Một giải thưởng 10 triệu USD đã được trao cho người có giải pháp cho các vấn đề trên.

Việc sử dụng hidro không hoàn toàn là sạch, bởi vì khi sản xuất hidrô cần phải cấp điện cho quá trình điện phân để bẻ gãy liên kết hoá học trong phân tử nước, giải phóng hidro, mà điện hiện nay chủ yếu được sản xuất từ các nhiên liệu hoá thạch. Một số thành phố như là Reykjavik đã dùng hidrô để chạy các xe buýt. Còn ở Iceland, người ta sản xuất điện năng và trên 80% nhiệt lượng và nước nóng từ các nguồn năng lượng địa nhiệt, và hidro được lấy từ các nguồn thiên nhiên sẵn có. Còn các nước không được thiên nhiên ưu đãi thì cần tìm các giải pháp sản xuất hidrô một cách bền vững và hiệu quả.

Tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu

Một số người cho rằng “nền kinh tế hiđrô” là một giải pháp xa vời chỉ đáp ứng các nhu cầu năng lượng của tương lai và sự thay đổi dần dần của khí hậu. Họ cho rằng, điều mà chúng ta cần là tập trung hơn vào các giải pháp trước mắt. Tạo ra sự thay đổi xã hội có thể khó hơn rất nhiều so với giải quyết các vấn đề kỹ thuật.

Các giải pháp mà có thể áp dụng ngay bao gồm lọc ra khí CO ₂từ khí thải và chôn lấp nó xuống các giếng dầu cạn hoặc dưới đáy biển.

Nâng cao hiệu suất trong sản xuất năng lượng cũng có thể gặt hái được rất nhiều lợi ích, như người ta đã từng làm trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970. Các giải pháp tiết kiệm nhiên liệu có thể chỉ đơn giản là giảm ma sát, lực cản cho các chuyến tàu hoả cho đến giảm giới hạn tốc độ xe hơi.

Việc sản xuất kết hợp nhiệt và điện với các máy phát điện công suất nhỏ ở các gia đình sẽ tận dụng được rất nhiều năng lượng bị lãng phí ở các trạm phát điện, và một ngày nào đó, các máy phát điện của các gia đình sẽ có thể cung cấp điện năng ngược lại vào điện lưới. Trong tương lai, các nhà máy phát điện dùng sức gió và mặt trời cũng có thể được gắn lên mái nhà - Và để khuyến khích người dân sử dụng năng lượng sạch, Nữ Hoàng Anh hiện cũng đang sử dụng nguồn điện năng khai thác từ chính dòng sông Thames thơ mộng.

Nguồn: Khoa học và phát triển, 20/06/2006