Tạp chí Scientific American đã dành toàn bộ số tháng 7/2006 để đăng tải những bài viết quan trọng của các nhà khoa học Mỹ về bức tranh năng lượng hiện tại và triển vọng trong tương lai. Tạp chí Hoạt động khoa học đã trích đăng lại các ý kiến này, ThienNhien.Net xin giới thiệu cùng bạn đọc.
Hiện tượng nóng lên của trái đất là một thực tế đe dọa môi trường sống. Cứ theo đà phát triển kinh tế hiện nay thì đến năm 2056, sự phát thải CO2 sẽ tăng lên gấp 2 lần. Đứng trước nguy cơ này, các nhà khoa học Mỹ bao gồm: Gary Stix, Robert H. Socolow, Stephen W. Pacala, John B. Heywood, Eberhard K. Jochem, David G. Hawkins, Daniel A. Lashof, Robert H. WWilliams, John M.Deutch, Ernest J. Moniz, Daniel M. Kammen, Joan Ogden và W. Wayt Gibbs đã nêu lên ý kiến của mình trên Tạp chí Scientific American. Theo các nhà khoa học này, sự phát triển năng lượng trong tương lai phải dựa trên nguyên tắc quan trọng là giảm thiểu phát thải CO2.
Khái niệm về nêm (wedge) CO2
 |
Trên hình bên ta thấy, từ năm 2006 có hai đường biểu diễn 2 khả năng phát thải CO2, giữa hai đường đó là một tam giác biểu diễn lượng CO2 cần được giảm đi. Trong hình tam giác đó có 7 hình tam giác có dạng cái nêm (wedge), mỗi cái nêm mô tả lượng CO2 có thể làm giảm đi nhờ một biện pháp, một công nghệ nào đó (ví dụ tăng năng lượng mặt trời lên 700 lần, hoặc tăng năng lượng hạt nhân lên 2 lần để thay thế năng lượng than). Mỗi nêm tương ứng với 25 tỷ tấn CO2 trong vòng 50 năm (từ 2006 đến 2056).
Việc giữ lượng CO2 phát thải cố định không tăng lên trong vòng 50 năm tới nằm trong khả năng của chúng ta và điều này cũng không ảnh hưởng gì đến tăng trưởng kinh tế.
Tiết kiệm năng lượng
2/3 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 hóa thạch cung cấp có gây phát thải CO2). Nếu tiết kiệm năng lượng nhờ nâng cao hiệu suất sử dụng và đưa công nghệ mới vào cuộc sống thì lượng CO2 phát thải cũng sẽ giảm đi.
Một số biện pháp có thể áp dụng là: Sử dụng thông gió và ánh sáng tự nhiên; sử dụng điều hòa kỹ thuật số; xây tường nhà bằng vật liệu cellulose cách nhiệt; sử dụng đèn compact huỳnh quang; sử dụng màn hình LCD thay monitor thông thường; sử dụng bình nóng mặt trời…
Vấn đề than
Đây là nhiên liệu rẻ tiền song gây nhiều phát thải CO2. Hiện nay, người ta tiến đến công nghệ hiện đại trong lĩnh vực sử dụng than làm nhiên liệu: Đó là công nghệ IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle – Chu trình hỗn hợp hóa khí tích hợp). Trong công nghệ IGCC, khí CO2 không thoát ra môi truờng và bị chôn dưới đất. Các khâu trong quá trình IGCC bao gồm:
• Than, nước và oxy được đưa vào một bình có áp suất cao (gasifier), trong đó than một phần bị oxyhóa và biến thành một loại hơi gọi là syngas.
• Syngas đi qua hơi nước
Syngas + hơi nước gỡ CO2 + H2
• CO2 sẽ bị tách ra và đem chôn (CCS – carbon capture and storage, tách và chôn CO2).
• H2 bị đốt và dùng để chạy turbin khí (gas turbine – generator).
• 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 – generator).
Sử dụng IGCC cho phép các nhà máy chạy than giảm thiểu đến mức tối đa phát thải CO2.
Phương án điện hạt nhân
 |
| Nhà máy điện hạt nhân David-Besse tại Ohio (Ảnh: Science Clarified) |
Nhu cầu năng lượng sẽ tăng lên 160% đến năm 2050 và 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 phát thải CO2. Theo ước tính của các nhà năng lượng, cần tăng gấp 3 lần số NMĐHN mới có thể cắt giảm được từ 1 đến 2 tỷ tấn CO2 phát thải trong một năm.
Hiện nay, các NMĐHN bảo đảm khoảng 1/6 nhu cầu 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. 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 CO2 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 (LPƯ) đặc biệt gọi là LPƯ đốt cháy (Burner Reactor). Các loại lò này sẽ chuyển hóa 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.
Chất thải là vấn đề gây nhiều lo lắng trong phương án điện hạt nhân. Phần Lan là một nước không mạnh về hạt nhân cũng đã bắt đầu phương án xây dựng cơ sở chôn cất cho các loại chất thải dài ngày hoạt độ cao ở Olkiluoto. Năm 2004, tại đây một cơ sở nghiên cứu lưu giữ chất thải mang tên Onkalo nằm dưới mặt đất khoảng 1/2 km đã được xây dựng. 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 họa cho việc giải quyết vấn đề chôn cất chất thải phóng xạ dài ngày hoạt độ cao cho nhiều quốc gia.
Năng lượng tái tạo
Trong những thập kỷ vừa qua, nhất là sau năm 1970 – những năm khủng hoảng dầu lửa, công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo đã đạt nhiều tiến bộ đáng kể.
Năng lượng mặt trời có thể cung cấp 5.000 MW điện (chiếm 0,15% tổng công suất điện trên thế giới), với giá từ 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 (PhotoVoltaics), việc sử dụng những hệ thống gương gắn liền với thiết bị Stirling đã 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.
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 – 2005, nâng công suất điện gió từ 1.700 lên 40.000 MW (trong đó Đức chiếm 18.000 MW). Giá điện gió khoảng 4 đến 7 cent/kWh.
Một dạng nhiên liệu sinh học 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 USD cho sản xuất éthanol từ ngũ cốc với hy vọng dùng éthanol để góp phần giảm thiểu phát thải CO2. Một dạng nhiên liệu sinh học khác là diesel lục điều chế bằng cách khí hóa sinh khối để có hydrogen và CO chuyển hóa thành hydrocacbon nhờ quy trình Fischer – Tropsch (trong thế chiến II, Đức đã 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 thời gian nghiên cứu. Hydrogen là nhiên liệu của tương lai vì số phương tiện giao thông hiện nay trên thế giới là 750 triệu chiếc và đến năm 2050 sẽ tăng lên gấp ba do nhu cầu chính ở các nước như Ấn Độ, Trung Quốc và các nước đang phát triển. Ngành giao thông vận tải phải chuyển 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 nhiên liệu hydrogen cho các phương tiện có gắn tế bào nhiên liệu hydrogen (fuel-cell) – là một thiết bị chuyển hoá điện – hoá năng lượng giống như một bình ắc quy nhưng có thể liên tục tiếp nạp nhiên liệu. Trong các phương tiện giao thông sử dụng tế bào nhiên liệu hydrogen sẽ đốt cháy với oxygen của khí trời tạo nên động lực chuyển động. Phương hướng này nhận được sự đồng tình của những nhà chế tạo ôtô, 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 chôn CO2 phát sinh kèm xuống đất, và rất quan trọng là nhờ các LPƯ hạt nhân. Trong các LPƯ hạt nhân, người ta sử dụng hơi có nhiệt độ rất cao để tạo hydrogen theo phương pháp phân nhiệt hóa nước.
Các công ty như Honda, Toyata và General motors (GM) có kế hoạch bán ra thị trường những ôtô trang bị tế bào nhiên liệu vào khoảng năm 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 – SuperGrid” 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.
Những điều kiện siêu mạng cần đến chúng ta đều có: Năng lượng hạt nhân, công nghệ siêu dẫn cộng 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 B 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 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 CO2 (mỗi nêm ứng với 25 tỷ tấn CO2/50 năm). Lý do là lượng phát thải CO2 tăng mạnh hơn ước tính ban đầu.
Chương trình B về năng lượng sử dụng những công nghệ của tương lai:
• Phản ứng nhiệt hạch sử dụng quá trình tổng hợp các hạt nhân nhẹ, đây là phản ứng xảy ra trên mặt trời. Một mô hình của LPƯ nhiệt hạch là thiết bị có tên là Tokamak (là thiết bị tạo từ trường hình xuyến để giam giữ plasma). Trong LPƯ 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 gỡ helium + neutron + năng lượng
Hiện nay có dự án ITER (LPƯ 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 & tritium thành helium; các neutron nhanh tạo thành có thể tái tạo nhiên liệu tritium bằng cách bắn phá vào một bia lithium; tích hợp các công nghệ cần thiết cho một LPƯ nhiệt hạch thương mại.
 |
Nếu dự án ITER thành công thì nhân loại sẽ sở hữu được một nguồn năng lượng gần như vô tận vì các đồng vị của hydrogen có thể điều chế từ nước.
• Sử dụng năng lượng gió ở những độ cao cỡ 10.000 m. Các nhà khoa học cho biết, 2/3 năng lượng gió tập trung trên tầng đối lưu, 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 (hình minh hoạ).
• Sử dụng những tấm thu ánh sáng mặt trời (diện tích cỡ 3 km2) trên quỹ đạo địa tĩnh trong vũ trụ rồi chuyển hóa ánh sáng thành điện. Người ta sẽ sử dụng những thanh silicon nano để nâng cao hiệu suất các pin mặt trời lên 2 lần so với các PV (PhotoVoltaic) 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 (hình minh hoạ).
 |
• Sử dụng năng lượng sóng và thủy triều. Hiện nay, đã có hai nhà máy sử dụng thủy triều: Nhà máy 240 MW ở Pháp và Nhà máy 20 MW ở Nova Scotia (Canada). Trung Quốc sắp xây dựng Nhà máy 40 kW ở Daishan, Mỹ sẽ có Nhà máy 36 kW ở NewYork. 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. Năng lượng sóng khó chế ngự hơn; một nghiên cứu của nhóm Bernard cho thấy rằng, nếu 20% năng lượng sóng có khả năng thương mại của Mỹ được chế ngự với hiệu suất 50% thì điện năng sản xuất ra sẽ vượt điện năng cung cấp bởi tất cả các nhà máy thủy điện trong nước.
• Sử dụng vi sinh. Nhà sinh học J.Craig Venter nghiên cứu những dạng vi sinh có khả năng hấp thụ CO2 từ các nhà máy để chuyển hóa thành khí tự nhiên. Ông còn cho biết, 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 Ông Chu, Giám đốc phòng thí nghiệm quốc gia Lawrencs Berkeley (LBNL) đang nghiên cứu việc chuyển hóa cellulose thành nhiên liệu nhờ những vi sinh tạo mới. Ông cho rằng, các quá trình sinh học tạo nhiên liệu cũng có hiệu suất cao không kém các quá trình như hơi nổ hay thủy phân nhiệt trong sản xuất éthanol.
Hiện tượng trái đất nóng lên có thể dẫn đến những hệ quả mang tính tai biến cho môi trường và con người. Trong tương lai, việc sử dụng năng lượng là một vấn đề tổng hợp nhiều 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 CO2. Tất cả phương án giải quyết đều nằm trong tầm tay của các nhà khoa học. Năng lượng tương lai là một năng lượng không phát thải CO2.
