Tài liệu về các nguồn năng lượng và môi trường mình tổng hợp và biên dịch thời sinh viên (2000), đã post tại box Môi Trường, TTVN và trang blog Năng Lượng. Hôm nay nhân đang edit lại tài liệu về năng lượng cho Live & Learn, mình tìm lại và chia sẻ ở đây, hy vọng có thể hữu ích cho ai cần (2014).
Có một điều thú vị là phần lớn năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống trên trái đất này có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (NLMT)!!! Vâng, vòng tuần hoàn nước bắt đầu khi NLMT làm bốc hơi nước từ sông suối và biển cả. Bằng cách đó, năng lượng bức xạ được chuyển thành thế năng. Thế năng của nước lại được chuyển đổi thành động năng khi mưa rơi. Con người khai thác năng lượng từ dòng nước chảy và thác nước để làm thủy điện. Cây cỏ qua quá trình quang hợp, sử dụng NLMT tạo ra sinh khối cho mình và nguồn thực phẩm cho các sinh vật khác. NLMT được chuyển thành năng lượng hóa học (năng lượng gián tiếp). chứa trong các nhiên liệu hóa thạch....
Có một điều thú vị là phần lớn năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống trên trái đất này có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (NLMT)!!! Vâng, vòng tuần hoàn nước bắt đầu khi NLMT làm bốc hơi nước từ sông suối và biển cả. Bằng cách đó, năng lượng bức xạ được chuyển thành thế năng. Thế năng của nước lại được chuyển đổi thành động năng khi mưa rơi. Con người khai thác năng lượng từ dòng nước chảy và thác nước để làm thủy điện. Cây cỏ qua quá trình quang hợp, sử dụng NLMT tạo ra sinh khối cho mình và nguồn thực phẩm cho các sinh vật khác. NLMT được chuyển thành năng lượng hóa học (năng lượng gián tiếp). chứa trong các nhiên liệu hóa thạch....
Mà, NLMT lại được sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch trong nhân...
"Năng lượng không tự nhiên sinh ra, cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác".
MỤC LỤC
1. Nhiên liệu hóa thạch (Fossil fuel)
1.1Than đá (Coal)
-Than bùn (Peat)
-Than non (Lignite)
-Than than bitum (Bituminous coal)
-Than cứng hay than anthraxit (Anthracite)
1.2 Dầu và khí thiên nhiên (Oil and natural gas)
-Dầu thô
-Dầu hỏa (kerosene, paraffin oil)
-Xăng
-Khí dầu mỏ
-Khí thiên nhiên
1.3 Đá phiến dầu và cát chứa dầu
-Đá phiến dầu (Oil shale)
-Cát chứa dầu (Tar sand)
2. Năng lượng hạt nhân (Nuclear Energy)
2.1 Năng lượng phân hạch hạt nhân (fission)
2.2 Năng lượng tổng hợp hạt nhân (fusion)
3. Năng lượng mặt trời (Solar energy)
-Nhiệt mặt trời
-Pin mặt trời
-Solar Hydrogen
4. Năng lượng sinh khối (Biomass Energy)
-Năng lượng sinh khối từ các phế phẩm nông lâm nghiệp như rơm rạ, lá cây rụng, bã mía, phân gia súc (sản xuất biogas
-Gỗ, than gỗ (charcoal)
-Ngoài ra người ta còn sản xuất methanol, ethanol từ sinh khối...
5. Các nguồn năng lượng khác
5.1 Thủy điện (hydro power, water power, hydroelectricity)
5.2 Địa nhiệt (Geothermal energy)
5.3 Năng lượng gió (Wind energy)
5.4 Năng lượng thủy triều (Tidal energy)
5.5 Năng lượng từ gradient nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion)
5.6 Năng lượng từ sóng đại dương (Ocean Waves).
Thay lời kết và TLTK
*****
1. Nhiên liệu hóa thạch (Fossil fuel)
1.1 Than đá (Coal)
Than đá có nguồn gốc sinh hóa từ quá trình trầm tích thực vật trong những đầm lầy cổ cách đây hàng trăm triệu năm. Khi các lớp trầm tích bị chôn vùi, do sự gia tăng nhiệt độ, áp suất, cộng với điều kiện thiếu oxy nên thực vật (thực vật chứa một lượng lớn cellulose, hợp chất chứa C, O, H) chỉ bị phân hủy một phần nào. Dần dần, hydro và oxy tách ra dưới dạng khí, để lại khối chất giàu cacbon là than.
Sự hình thành than là một quá trình lâu dài và phải trải qua hàng chuỗi các bước. Ở từng giai đoạn và tùy thuộc từng điều kiện (nhiệt độ, áp suất, thời gian v.v..) mà chúng ta có được các dạng than khác nhau theo hàm lượng cacbon tích lũy trong nó.
-Bước đầu tiên là sự tạo nên than bùn (peat), một chất màu hơi nâu, ướt, mềm, xốp. Người ta có thể làm khô nó rồi đốt nhưng cho nhiệt lượng thấp. Than bùn chủ yếu chỉ dùng bón đất trong vườn.
-Sau một triệu năm hay hơn nữa, than bùn chuyển thành dạng than non (lignite), một dạng than mềm và có bề ngoài hơi giống gỗ, màu nâu hay đen nâu. Hàm lượng ẩm cao ( 45%).Than này đốt cho nhiệt lượng thấp nhưng nó dễ khai thác và chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp.
-Phải mất thêm hàng triệu năm nữa để hình thành nên than bitum (than "nhựa đường": bituminous coal). Đây là dạng than phổ biến nhất, còn được gọi là than mềm (soft coal), mặc dù nó còn cứng hơn lignite. Hàm lượng ẩm khoảng 5-15%. Than bitum chứa nhiều lưu huỳnh (2-3%), tạp chất (nhựa đường, hắc ín...) vì vậy khi đốt thường gây ô nhiễm không khí. Tuy vậy, than bitum vẫn được sử dụng rộng rãi, nhất là làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, vì nó sinh ra nhiệt lượng cao.
-Sau vài triệu năm hay hơn nữa, than bitum mới bắt đầu chuyển thành anthracite hay còn gọi là than cứng. Đây là dạng than được ưa chuộng nhất. Nó cứng, đặc, chứa hàm lượng cacbon cao nhất trong các loại than. Do đó, khi đốt, anthracite cho nhiệt lượng cao nhất. Ngoài ra, vì hàm lượng lưu huỳnh thấp nên than cứng còn là dạng than ít gây ô nhiễm và sạch nhất.
Nhiều loại than khác nhau được tìm thấy ở những khu vực khác nhau trên thế giới chứng tỏ các quá trình hình thành than vẫn đang tiêp tục diễn ra trong tự nhiên. Những đầm lầy có tuổi vài trăm năm chứa các vũng than bùn ngày nay có thể lại là bước khởi đầu cho quá trình hình thành than hàng triệu năm tới trong tương lai?! Thế nhưng, điều đó không có nghĩa rằng than là nguồn tài nguyên phục hồi được. Bởi vì, chỉ trong vài trăm năm, chúng ta đã tiêu thụ một lượng than mà phải mất hàng triệu năm tự nhiên mới tạo ra được!!! :-(
Phân bố than trên thế giới:
Than là dạng nhiên liệu hóa thạch có trữ lượng phong phú nhất, được tìm thấy chủ yếu ở Bắc Bán Cầu. Các mỏ than lớn nhất hiện nay nằm ở Mĩ, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ. Các mỏ tương đối lớn ở Canada, Đức, Balan, Nam Phi, Úc, Mông Cổ, Brazil...Trữ lượng than ở Mĩ chiếm khoảng 23,6% của cả thế giới.
Các vấn đề môi trường liên quan đến than
Ảnh hưởng của việc khai thác than:
Việc khai thác các vỉa than trên mặt (surface-mining) có những ưu điểm so với khai thác dưới các hầm mỏ (subsurface, underground mining) như ít tốn kém hơn, an toàn hơn cho người thợ mỏ và nói chung, nó cho phép khai thác than triệt để hơn. Tuy nhiên, khai thác trên bề mặt lại gây ra vấn đề môi trường như nó "xóa sổ" hoàn toàn thảm thực vật và lớp đất mặt, làm gia tăng xói mòn đất cũng như làm mất đi nơi trú ngụ của nhiều sinh vật. Hơn nữa, nước thoát ra từ những mỏ này chứa axit và các khoáng độc, gây ô nhiễm nước, ô nhiễm đất.
Việc khai thác than dưới các hầm mỏ sâu trong lòng đất lại khá nguy hiểm, xác suất rủi ro cao. Ở Mĩ, trong suốt thế kỷ 20 đã có hơn 90 000 người thợ mỏ chết vì các tai nạn hầm mỏ, và thường các công nhân hầm mỏ đều có nguy cơ cao về bệnh ung thư và nám phổi (phổi của họ phủ đầy bụi than).
Ảnh hưởng của việc đốt than :
Hạn chế lớn nhất của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nói chung và than nói riêng là nó gây ra ô nhiễm không khí do sự phát thải CO2, SO2, NOx... Tính trên một đơn vị nhiệt lượng phát ra thì đốt than thải ra nhiều chất ô nhiễm hơn các nhiên liệu hoá thạch khác (dầu, khí). Chính vì vậy, việc đốt than đã gián tiếp góp phần vào quá trình biến đổi khí hậu làm suy thoái môi trường toàn cầu mà nổi bật là hiện tượng hiệu ứng nhà kính và mưa axit.
Than đá có nguồn gốc sinh hóa từ quá trình trầm tích thực vật trong những đầm lầy cổ cách đây hàng trăm triệu năm. Khi các lớp trầm tích bị chôn vùi, do sự gia tăng nhiệt độ, áp suất, cộng với điều kiện thiếu oxy nên thực vật (thực vật chứa một lượng lớn cellulose, hợp chất chứa C, O, H) chỉ bị phân hủy một phần nào. Dần dần, hydro và oxy tách ra dưới dạng khí, để lại khối chất giàu cacbon là than.
Sự hình thành than là một quá trình lâu dài và phải trải qua hàng chuỗi các bước. Ở từng giai đoạn và tùy thuộc từng điều kiện (nhiệt độ, áp suất, thời gian v.v..) mà chúng ta có được các dạng than khác nhau theo hàm lượng cacbon tích lũy trong nó.
-Bước đầu tiên là sự tạo nên than bùn (peat), một chất màu hơi nâu, ướt, mềm, xốp. Người ta có thể làm khô nó rồi đốt nhưng cho nhiệt lượng thấp. Than bùn chủ yếu chỉ dùng bón đất trong vườn.
-Sau một triệu năm hay hơn nữa, than bùn chuyển thành dạng than non (lignite), một dạng than mềm và có bề ngoài hơi giống gỗ, màu nâu hay đen nâu. Hàm lượng ẩm cao ( 45%).Than này đốt cho nhiệt lượng thấp nhưng nó dễ khai thác và chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp.
-Phải mất thêm hàng triệu năm nữa để hình thành nên than bitum (than "nhựa đường": bituminous coal). Đây là dạng than phổ biến nhất, còn được gọi là than mềm (soft coal), mặc dù nó còn cứng hơn lignite. Hàm lượng ẩm khoảng 5-15%. Than bitum chứa nhiều lưu huỳnh (2-3%), tạp chất (nhựa đường, hắc ín...) vì vậy khi đốt thường gây ô nhiễm không khí. Tuy vậy, than bitum vẫn được sử dụng rộng rãi, nhất là làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, vì nó sinh ra nhiệt lượng cao.
-Sau vài triệu năm hay hơn nữa, than bitum mới bắt đầu chuyển thành anthracite hay còn gọi là than cứng. Đây là dạng than được ưa chuộng nhất. Nó cứng, đặc, chứa hàm lượng cacbon cao nhất trong các loại than. Do đó, khi đốt, anthracite cho nhiệt lượng cao nhất. Ngoài ra, vì hàm lượng lưu huỳnh thấp nên than cứng còn là dạng than ít gây ô nhiễm và sạch nhất.
Nhiều loại than khác nhau được tìm thấy ở những khu vực khác nhau trên thế giới chứng tỏ các quá trình hình thành than vẫn đang tiêp tục diễn ra trong tự nhiên. Những đầm lầy có tuổi vài trăm năm chứa các vũng than bùn ngày nay có thể lại là bước khởi đầu cho quá trình hình thành than hàng triệu năm tới trong tương lai?! Thế nhưng, điều đó không có nghĩa rằng than là nguồn tài nguyên phục hồi được. Bởi vì, chỉ trong vài trăm năm, chúng ta đã tiêu thụ một lượng than mà phải mất hàng triệu năm tự nhiên mới tạo ra được!!! :-(
Phân bố than trên thế giới:
Than là dạng nhiên liệu hóa thạch có trữ lượng phong phú nhất, được tìm thấy chủ yếu ở Bắc Bán Cầu. Các mỏ than lớn nhất hiện nay nằm ở Mĩ, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ. Các mỏ tương đối lớn ở Canada, Đức, Balan, Nam Phi, Úc, Mông Cổ, Brazil...Trữ lượng than ở Mĩ chiếm khoảng 23,6% của cả thế giới.
Các vấn đề môi trường liên quan đến than
Ảnh hưởng của việc khai thác than:
Việc khai thác các vỉa than trên mặt (surface-mining) có những ưu điểm so với khai thác dưới các hầm mỏ (subsurface, underground mining) như ít tốn kém hơn, an toàn hơn cho người thợ mỏ và nói chung, nó cho phép khai thác than triệt để hơn. Tuy nhiên, khai thác trên bề mặt lại gây ra vấn đề môi trường như nó "xóa sổ" hoàn toàn thảm thực vật và lớp đất mặt, làm gia tăng xói mòn đất cũng như làm mất đi nơi trú ngụ của nhiều sinh vật. Hơn nữa, nước thoát ra từ những mỏ này chứa axit và các khoáng độc, gây ô nhiễm nước, ô nhiễm đất.
Việc khai thác than dưới các hầm mỏ sâu trong lòng đất lại khá nguy hiểm, xác suất rủi ro cao. Ở Mĩ, trong suốt thế kỷ 20 đã có hơn 90 000 người thợ mỏ chết vì các tai nạn hầm mỏ, và thường các công nhân hầm mỏ đều có nguy cơ cao về bệnh ung thư và nám phổi (phổi của họ phủ đầy bụi than).
Ảnh hưởng của việc đốt than :
Hạn chế lớn nhất của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nói chung và than nói riêng là nó gây ra ô nhiễm không khí do sự phát thải CO2, SO2, NOx... Tính trên một đơn vị nhiệt lượng phát ra thì đốt than thải ra nhiều chất ô nhiễm hơn các nhiên liệu hoá thạch khác (dầu, khí). Chính vì vậy, việc đốt than đã gián tiếp góp phần vào quá trình biến đổi khí hậu làm suy thoái môi trường toàn cầu mà nổi bật là hiện tượng hiệu ứng nhà kính và mưa axit.
Than, nhất là than bitum, chứa S, N. Khi đốt, chúng thải vào khí quyển các lưu huỳnh oxit, nitơ oxit...Các oxit này tạo nên ãit tác dụng với hơi nước trong khí quyển làm cho mưa rơi xuống
Hạn chế ô nhiễm từ đốt than
(Tài liệu phần này được tổng hợp từ "Môi trường không khí" của tác giả Phạm Ngọc Đăng và "Environment")
-Làm sạch nhiên liệu đầu vào: Khoảng một nửa lượng lưu huỳnh trong than thường xuất hiện ở dạng pyrite (FeS2), và một nửa còn lại ở dạng S hữu cơ. S hữu cơ thì khó khử loại chứ dạng pyrite vô cơ phần lớn có thể tách khỏi than bằng các phương pháp lý, hóa. Pyrite có tỉ trọng gấp 3,6 lần than nên có thể rửa sạch than để tách FeS2 ra. Làm sạch than bằng phương pháp vật lý này không chỉ có thể tách được S khỏi than mà còn làm tăng chất lượng, tăng năng lượng trên đơn vị trọng lượng than, do đó tăng hiệu quả buồng đốt.
-Sử dụng thiết bị lọc rửa khí : Chúng ta có thể giảm sự phát thải SO2 bằng cách cài đặt thiết bị lọc khí vào ống khói. Trong thiết bị lọc khí dùng vôi, sữa vôi được phun vào luồng khí chứa SO2 và trung hòa nó. S bị hấp thụ tách ra, trở thành bùn sệt canxisulfit hay canxisulfat (thạch cao, có thể tái sử dụng trong xây dựng).
-Đốt than bằng giàn ghi hoá lỏng : (Fluidize-bed Combustion : FBC) Đây là một kỹ thuật với khá nhiều ưu điểm, cho hiệu quả làm sạch khí thải cũng như hiệu quả năng lượng cao. Trong lò hơi FBC này, than được nghiền trộn với bột đá vôi thành chất huyền phù (hoá lỏng) và phun mạnh cùng với không khí vào đáy giàn ghi. SO2 tác dụng với vôi tạo canxisulfat rắn, rơi xuống đáy lò nung và được đem đi. Tỉ lệ tách S có thể đạt cao hơn 90%. Do đốt nóng, các phân tử hoá lỏng sẽ tiếp xúc trực tiếp với ống nồi hơi nên có thể truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt (tốt hơn truyền nhiệt bằng đối lưu và bức xạ ở những lò thông thường). Vì thế, hiệu quả truyền nhiệt lò hơi tăng lên nên nhiệt độ lò có thể giảm chỉ bằng 1/2 nhiệt độ ở nồi hơi thông thường (1600 độ xuống còn 800 độ), nhờ vậy giảm sự hình thành khí NOx (nhiệt độ cao làm cho N2 và O2 trong khí quyển kết hợp, tạo ra nitơ oxit).
-Cải tiến lò đốt nhằm giảm thiểu NOx: Nitơ oxit được hình thành một phần từ sự oxy hoá nitơ có sẵn trong bản thân nhiên liệu và một phần từ sự oxit hóa nitơ trong không khí cháy. Một trong những kỹ thuật cải tiến quá trình đốt để giảm thiểu cả hai nguồn thải NOx trên là kỹ thuật không khí dư thừa thấp. Người ta tính toán khối lượng không khí cho quá trình đốt rất cẩn thận để lượng khí dư là tối thiểu (kỹ thuật này có thể giảm 15-50%lượng NOx thải).
Kỹ thuật thứ hai phân kỳ quá trình đốt. Ban đầu, nhiên liệu cho cháy trong môi trường thiếu không khí, nitơ trong bản thân nhiên liệu cháy, được phóng thích chủ yếu dưới dạng khí nitơ (N2 nhiều hơn NOx). Giai đoạn tiếp theo sẽ cho nhiều không khí hơn để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Phương pháp này giảm được lượng NOx sinh ra từ sự oxit hoá nitơ trong bản thân nhiên liệu nên lượng NOx thải giảm còn khoảng 45-60%.
Nhiên liệu tổng hợp từ than
Than có thể chế biến thành các dạng nhiên liệu khí (khí hoá than), lỏng (hóa lỏng than) hay dạng rắn (than cốc :coke) với hàm lượng S và tro cặn thấp, tạo nên nhiên liệu đốt sạch, ít ô nhiễm và nhiệt lượng cháy cao hơn than thô ban đầu. Ngoài ra, ở dạng khí và lỏng, nhiên liệu dễ vận chuyển bằng đường ống, lại có thể được sử dụng trong các hệ thống phân phối hay trong các thiết bị thiết kế dùng cho khí thiên nhiên và dầu hỏa.
Không chỉ dùng làm nhiên liệu, sản phẩm của các quá trình chuyển hoá này còn có thể ứng dụng làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Ví dụ như, sản phẩm của quá trình khí hoá than : CO và H2 là nguyên liệu tổng hợp rượu mêtylic, propylic, axit formic..., CO là chất khử oxit sắt trong quá trình luyện gang. Khí cốc và nhựa tách ra từ lò luyện cốc là bán thành phẩm để sản xuất benzen, toluen, dược phẩm, chất màu, thuốc trừ sâu, chất dẻo..
Khí than tổng hợp
Lưu ý, đây là dạng nhiên liệu chế biến từ than đá (hóa khí than tạo ra mêtan tổng hợp có nhiệt trị cao ), khác với khí than tự nhiên (lẫn trong mỏ than, thường có mêtan, N, axit cacbonic, H, H2S... Khí than tự nhiên lấp đầy các lỗ hổng hoặc khe nứt trong than, hoặc ở trạng thái hòa tan trong nước dưới đất) và khí thiên nhiên (khí dầu mỏ).
Khí than đã được sản xuất từ thế kỷ 19, lúc bấy giờ, nó xem như là nguồn nhiên liệu chủ yếu để thắp sáng và sưởi ấm trong gia đình. Công nghiệp khí than khá phát triển ở những nước công nghiệp phát triển, không có mỏ dầu và khí thiên nhiên như Nhật, Đức, Pháp, Balan...
Khí than đã được sản xuất từ thế kỷ 19, lúc bấy giờ, nó xem như là nguồn nhiên liệu chủ yếu để thắp sáng và sưởi ấm trong gia đình. Công nghiệp khí than khá phát triển ở những nước công nghiệp phát triển, không có mỏ dầu và khí thiên nhiên như Nhật, Đức, Pháp, Balan...
Mặc dù các nhiên liệu tổng hợp là những nguồn năng lượng nhiều triển vọng nhưng chúng vẫn tồn tại những hạn chế nhất định. Đó là : vấn đề môi trường liên quan đến việc khai thác than ( nguồn nguyên liệu để sản xuất chúng), sự thiếu nước ở những vùng khô hạn (quá trình khí hoá than cần rất nhiều nước). Hơn nữa, năng lượng chuyển hoá tổng cộng thấp hơn so với việc đốt than trực tiếp (phải tốn năng lượng cho quá trình tổng hợp) và dĩ nhiên là chi phí của nhiên liệu tổng hợp sẽ cao hơn than đá thô ban đầu.
1.2 Dầu và khí thiên nhiên (Oil and natural gas)
Dầu và khí thiên nhiên có nguồn gốc từ các trầm tích biển giàu xác bã động thực vật cách đây khoảng 200 triệu năm. Các trầm tích hữu cơ ở điều kiện chôn vùi thiếu oxy, dưới nhiệt độ 50-250 độ C, áp suất ở độ sâu 2-7 km, theo thời gian tạo nên hỗn hợp hydrocacbon là dầu và khí (ở dãy nhiệt độ cao hơn và độ sâu sâu hơn dầu).
Các mỏ dầu và khí thường thấy đi đôi với nhau. Do tỷ trọng nhỏ hơn đá, chúng có xu hướng di chuyển lên phía trên qua các lỗ rỗng của đá và tích tụ thành các vũng dưới những lớp đá không thấm. Tầng đá không thấm phía trên và tầng đá thấm bên dưới tạo nên bẫy dầu hoặc khí. Có nhiều dạng bẫy khác nhau trong tự nhiên. Một khi tầng đá phủ bị mũi khoan xuyên thủng thì dầu và khí đi theo lỗ khoan lên mặt đất để được chế biến và phân phối.
Dầu thô (crude oil) là một hỗn hợp lỏng gồm hàng trăm hợp chất hydrocacbon (Từ C5 đến C60). Từ dầu thô, trải qua quá trình lọc dầu , các hợp chất được phân thành các sản phẩm khác nhau, tùy theo điểm sôi của chúng :
-Khí dầu mỏ, xăng lấy ra ở đỉnh tháp chưng, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
-Dầu xăng làm nhiên liệu cho động cơ phản lực, máy bay.
-Dầu hỏa được lấy trong khoảng nhiệt độ từ 250-350 độ C. Chúng được dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel và dùng để cracking. (Do xăng thu được từ quá trình chưng cất ở áp suất thường chỉ là 20% của dầu thô, tiến hành cracking để tạo ra nhiều xăng hơn và chất lượng xăng cao hơn . Cracking là quá trình chuyển hoá hoá học dầu mỏ từ các chất có phân tử lượng cao, phức tạp thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp, cấu tạo đơn giản hơn nhờ nhiệt độ và xúc tác.
-Mazut được lấy ra ở đáy tháp chưng với nhiệt độ trên 275 độ C. Mazut chiếm tới 40-50% lượng dầu mỏ đem chưng. Mazut được chế biến tiếp trong tháp chưng chân không để lấy thêm một số sản phẩm.
Quá trình chưng chân không nhằm hạ nhiệt độ sôi của Mazut, tránh được sự phân hủy. Sản phẩm của quá trình là các loại dầu bôi trơn và nhựa đường. Dầu bôi trơn (lubricants) có nhiệt độ sôi 250-350 độ C, là sản phẩm quan trọng thứ hai sau xăng .
-Hắc ín, nhựa đường (asphal) là phần còn lại sau khi chưng, lấy ra ở đáy tháp ở nhiệt độ khoảng 380 độ C, có thể sử dụng trực tiếp hoặc qua chế biến làm nhựa đường, chất lợp.
Dầu còn chứa các hợp chất hoá dầu (petrochemicals) nên ngoài việc cung cấp nhiên liệu cho các động cơ, dầu mỏ còn là nguồn nguyên liệu tạo ra các sản phẩm phục vụ công nghiệp, nông nghiệp và tiêu dùng như sợi tổng hợp, chất dẻo, cao su nhân tạo, chất tẩy rửa, hương liệu, dung môi sơn, v.v...vv..
Khí thiên nhiên chỉ chứa vài hydrocacbon (C1 đến C4), mêtan và một lượng nhỏ hơn các êtan, propan, butan. Propan và butan được tách khỏi khí thiên nhiên và lưu trữ dưới áp suất (nén) trong các thùng dầu ở dạng lỏng gọi là khí dầu mỏ hoá lỏng (liquefied petroleum gas), chủ yếu được dùng làm nhiên liệu để sưởi ấm và nấu nước ở những vùng thôn quê.
Khí thiên nhiên ngày càng phổ biến do nó là một nguồn năng lượng hiệu quả và tương đối sạch. Khí thiên nhiên hầu như không chứa S. Hơn nữa, khi đốt nó thải ít CO2 hơn xăng dầu hay than. Khí thiên nhiên đang được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực năng lượng như đốt trong các hộ gia đình, các trạm phát điện thay thế than, khí nén làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông (xe tải, bus...). So với các xe chạy bằng xăng dầu, xe chạy bằng khí thiên nhiên giảm lượng phát thải đến 80-90% hydrocacbon, 90% CO, 90% các chất độc và hầu như không có muội khói. Nó còn kinh tế vì giá thành cũng chỉ tương đương xăng dầu.
Methanol tổng hợp từ khí thiên nhiên Metanol (CH3OH) có thể được sản xuất từ khí thiên nhiên hay tổng hợp từ than đá, khí sinh học (biogas). Hiện nay, người ta thường dùng khí thiên nhiên để sản xuất metanol.
Metanol đã được chọn làm nhiên liệu cho các xe đua. Nó cháy ở nhiệt độ ngọn lửa thấp hơn so với xăng và dầu diesel, như vậy nguồn thải hydrocacbon và CO cũng giảm, ít muội khói. Khí hydrocacbon ít sẽ làm giảm các phản ứng quang hoá.
Tuy nhiên, metanol có những hạn chế như: nguồn thải của nó nhiều formaldehyd (HCHO) hơn xăng (khí này làm cay mắt và gây ung thư). Metanol lỏng tương đối độc, có tính ăn mòn cao nên đòi hỏi thùng chứa phải làm bằng những vật liệu đặc biệt. Thêm vào đó, động cơ chạy bằng metanol sẽ khó khởi động trong đk khí hậu lạnh (do mức độ bay hơi của nó thấp hơn xăng). Nó cháy với ngọn lửa không nhìn thấy (nguy hiểm). Hàm lượng năng lượng của nó chỉ bằng 1/2 xăng, do đó nó chạy được quãng đường ngắn hơn khi so với cùng một thể tích nhiên liệu.
Phân bố dầu và khí thiên nhiên trên thế giới
Trữ lượng khổng lồ đến 63,2% lượng dầu của cả thế giới tập trung ở Vịnh Ba Tư, nhất là Ảrập Saudi (thành viên số 1 của OPEC :Organization of Petroleum Exporting Countries). Các mỏ dầu quan trọng còn lại khác nằm ở vịnh Venezuela, Mehico, Nga, Libi và Mỹ (Alaska và vịnh Mehico).
Gần 1/2 (49%) trữ lượng khí thiên nhiên của thế giới nằm ở 2 nước Nga và Iran. Các mỏ khí thiên nhiên quan trọng khác nằm ở Các Tiểu Vương Quốc Arab thống nhất, Arab Saudi, Mỹ và Venezuela.
Các vấn đề môi trường của dầu mỏ và khí thiên nhiên
Dầu và khí thiên nhiên đều là nhiên liệu hoá thạch, nên cũng giống như than, chúng phát thải CO2 vào không khí, góp phần vào hiệu ứng nhà kính cũng như mưa axit, mặc dù lượng ô nhiễm thấp hơn than. Dầu đốt không sinh ra lượng sulfur oxit đáng kể nhưng lại sinh ra nitơ oxit, chủ yếu từ xăng đốt trong các xe ôtô. Nitơ oxit góp phần gây mưa axit.
Đốt khí thiên nhiên ít gây ô nhiễm hơn dầu và than, đây là dạng nhiên liệu hoá thạch sạch nhất.
Các chất khí thải từ những động cơ xe ôtô còn gây ra các khói quang hóa (photochemical smog), hiện tượng thường xảy ra ở những thành phố lớn, mật độ xe lưu thông cao.
Một số vấn đề khác liên quan đến quá trình khai thác, vận chuyển dầu là các sự cố như tràn dầu do đắm tàu, rò rỉ giếng khoan.
Ô nhiễm dầu gây tác hại nghiêm trọng đến môi trường. Dầu hỏa bị oxy hóa rất chậm. Nơi có sự cố dầu và nước thải công nghiệp chứa dầu thì có benzen, toluen rất độc, làm sinh vật chết trực tiếp, polyclorua diphenyl trung chuyển vào cơ thể cá rồi qua người gây ung thư. Những hợp phần nặng của dầu lắng xuống đáy biển hoặc bị sóng đánh dạt vào cửa sông sẽ tác động lâu dài lên hệ sinh thái. Dầu dạt vào bãi biển làm ngưng các hoạt động đánh bắt hải sản, du lịch. Đất bị ô nhiễm dầu có thể trở thành đất chết. Dầu xâm nhập vào làm thay đổi kết cấu, đặc tính cơ lý học của đất. Các hạt keo đất thành "trơ", không còn khả năng hấp phụ trao đổi nữa (giảm khả năng tự làm sạch của đất). Sự tràn dầu thô ngoài biển khơi thì ít nguy hại hơn sự tràn dầu đã qua tinh chế ở gần bờ hoặc các vùng cửa sông (hậu quả lâu dài và thiệt hại nặng nề hơn).
Khắc phục ô nhiễm dầu
Để giảm thiểu ô nhiễm dầu, người ta tìm cách làm giảm các sulfit, mercaptan (dẫn xuất hữu cơ từ H2S, tương tự rượu, S thay thế cho nhóm -OH), dầu, axit, độ kiềm bằng hoá chất và các phương pháp vật lý. Đất ô nhiễm được cày xới để tiếp xúc với không khí cho bay hơi, tăng khả năng tự làm sạch.
Khi nồng độ dầu nhỏ hơn 100 mg/l, người ta có thể dùng biện pháp oxy hoá sinh học bằng vi sinh. Hiện đã biết khoảng 46 loài vi khuẩn (phần lớn ở biển) có khả năng oxy hoá.
1.3 Đá phiến dầu và cát chứa dầu (Oil shale and Tar sand)
Đá phiến dầu
Đa số các trầm tích hạt mịn đều có chứa một số hợp chất hữu cơ. Nếu các đá giàu chất hữu cơ không được chôn vùi đủ mức thì người ta vẫn có thể chiết xuất dầu từ các đá này bằng cách đun nóng chúng. Các mỏ đá phiến lớn trên thế giới nằm ở Mỹ, Nga, Trung Quốc và Canada, trữ lượng của chúng tương đương với một nửa trữ lượng dầu của thế giới.
Tuy nhiên, việc khai thác quy mô lớn nguồn tài nguyên này vẫn còn bỏ ngỏ, một phần vì dầu chế biến được từ đá phiến mắc hơn nhiều so với dầu ở các mỏ thông thường. Mặt khác, chế biến dầu từ đá phiến cần một lượng nước lớn và còn phải xử lý đá thải sau khi trích ly dầu.
Cát chứa dầu
Cát chứa dầu là các mỏ cát dưới đất thấm nhựa hắc ín (Tar ?) và dầu. Tar là loại hydrocacbon nặng, sẫm màu (nâu đen), sệt (độ nhớt cao) và ít bay hơi. Với các mỏ sâu dưới lòng đất, người ta phải bơm hơi nước nóng vào giếng để làm tar lỏng ra mới thu được nó. Nếu các mỏ gần mặt đất, ta có thể khai thác trên bề mặt. Dầu lấy từ các mỏ cát này phải trải qua quá trình tinh lọc như dầu thô vậy, phải tách bitum khỏi cát. Rất ít máy lọc dầu được trang bị để xử lý chế biến loại hydrocacbon nặng này.
Các mỏ cát chứa dầu lớn tren thế giới nằm ở Canada (lớn nhất), Venezuela và Liên Xô cũ. Người ta cũng ước đoán trữ lượng cát chứa dầu trên thế giới bằng một nửa trữ lượng dầu, giống như đá phiến dầu vậy.
2. Năng lượng hạt nhân (Nuclear Energy)
Năng lượng hạt nhân đã giữ vai trò cơ bản trong sự hình thành trái đất và trong cuộc sống của chúng ta vì nhờ nó mà mặt trời chói sáng. Việc nắm bí quyết các phản ứng hóa học đã là động lực cho cuộc cách mạng công nghiệp cách đây hơn 250 năm. Còn năng lượng hạt nhân, chỉ đến thế kỷ XX, con người mới điều khiển được nó trong phản ứng phân hạch. Tuy vậy nó cũng đã thậm chí có thể đảo lộn thế giới khi người ta lợi dụng nó chế tạo vũ khí chiến tranh hủy diệt cuộc sống
Về cơ bản, cách thức có được năng lượng hạt nhân (NLHN) khác nhiều so với sự cháy sinh ra năng lượng của nhiên liệu hóa thạch. Cháy là một phản ứng hoá học thông thường. Ở các phản ứng hóa học thông thường, nguyên tử của một nguyên tố này không bị chuyển thành nguyên tử của nguyên tố khác, cũng như khối lượng của chúng không chuyển thành năng lượng (Định luật BTKL). Năng lượng được giải phóng trong quá trình cháy và trong các phản ứng hóa học thông thường khác là từ sự thay đổi (phá vỡ hay nối kết) các liên kết hóa học nối những nguyên tử này với nhau. Các liên kết hóa học liên hệ giữa các electron, vì vậy, các phản ứng hoá học thông thường liên quan đến sự sắp xếp các electron.
Trái lại, NLHN liên quan đến những thay đổi trong hạt nhân nguyên tử, sự liên kết hay phá vỡ lực hạt nhân giữa các nuclon (proton, neutron). Lực hạt nhân này rất lớn, hình dung thử, muốn tách một nuclon ra khỏi hạt nhân phải tiêu tốn một năng lượng lớn gấp 1 triệu lần năng lượng cần thiết để bứt một electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử!
Các phản ứng hạt nhân dựa trên sự khai thác thế năng tiềm tàng trong khối lượng các hạt nhân. Có hai phản ứng khác nhau giải phóng ra NLHN : phân hạch và tổng hợp (nhiệt hạch) :
-Phản ứng phân hạch : Hạt nhân nặng bị phá vỡ thành các hạt nhân trung bình.
-Phản ứng nhiệt hạch : Các hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo nên hạt nhân nặng hơn.
Ở cả hai trường hợp trên, tổng khối lượng các sản phẩm sau phản ứng nhỏ hơn tổng khối lượng các chất ban đầu, độ hụt khối được chuyển thành năng lượng theo "phương trình thế kỷ" của Einstein.
Các phản ứng hạt nhân trong các bom hạt nhân sản sinh ra năng lượng gấp hàng trăm đến hàng triệu lần năng lượng các phản ứng hoá học thông thường. Năng lượng này lại được giải phóng cùng một lúc, tạo ra lượng nhiệt khổng lồ tiêu hủy tất cả mọi thứ quanh nó. Khi NLHN ứng dụng để phát điện, phản ứng hạt nhân được khống chế, kiểm soát để tạo ra năng lượng nhỏ hơn dưới dạng nhiệt năng.
2.1 Sự phân hạch hạt nhân (Fission)
Quặng Uranium, nhiên liệu dùng trong các nhà máy điện nguyên tử thông thường là tài nguyên không thể phục hồi, trữ lượng của chúng có hạn, tập trung trong các lớp đá trầm tích. Urani (Uranium) có mặt trong vỏ trái đất với tỷ lệ 4 phần triệu. Hình dung thử, số lượng Urani ấy cho một năng lượng mà vỏ trái đất sẽ tỏa ra nếu nó chứa toàn là than đá! Tuy nhiên, muốn khai thác một cách kinh tế thì cần những mỏ Urani hàm lượng vài phần nghìn. Nước biển chứa hầu hết các nguyên tố trong thiên nhiên, trong đó có Urani, nhưng chi phí khai thác hiện nay cao gấp 15 lần chi phí khai thác từ quặng mặc dù trữ lượng Urani trong các đại dương lớn gấp hàng nghìn lần trữ lượng của các quặng Urani trên mặt đất).
Các mỏ Uranium quan trọng hiện nay nằm ở Úc (25,7%), châu Phi (24%), và Bắc Mỹ (21,9%). Quặng Uranium chứa 3 đồng vị : U-238 (99,28%), U-235 (0,7%), và U-234 (<0 div="">
Nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên Uranium oxide hình trụ, đường kính khoảng 1 cm, mỗi viên chứa năng lượng tương đương với 1 tấn than! Chúng được xếp vào các thanh nhiên liệu (fuel rods) bằng zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ nơtron). Các thanh này tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí trong đó để đặt các thanh điều khiển (control rods).
Trong phản ứng phân hạch, U-235 được bắn phá với nơtron. Khi hạt nhân nguyên tử U-235 hấp thụ một nơtron, nó trở nên bất ổn định và phân rã thành hai nguyên tử nhỏ hơn. Quá trình phân hạch cũng sinh ra 2 đến 3 nơtron mới. Những nơtron này lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử U-235 khác, phát sinh phản ứng dây chuyền từ một hạt nhân đến một phản ứng liên quan đến hàng tỷ tỷ hạt nhân khác.
Phân hạch U-235 giải phóng một nhiệt lượng khổng lồ được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân để biến nước thành hơi chạy máy phát điện. Điện năng được sinh ra là do quá trình phân hạch được kiểm soát (chúng ta nhớ rằng, phản ứng phân hạch không kiểm soát gây nên vụ nổ hạt nhân (trong các bom). Tuy nhiên, thậm chí nếu cơ chế kiểm soát hỏng thì một vụ nổ như bom hạt nhân cũng không thể xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân, bởi vì, hàm lượng U-235 trong bom được làm giàu lên rất cao.
Phản ứng phân hạch có thể bắt đầu hay ngưng lại, tăng lên hay giảm đi tùy theo lượng nhiệt năng người ta muốn tạo ra.
Điện năng được tạo ra như thế nào từ năng lượng hạt nhân?
Một trạm điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính :
-(1) Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch.
-(2) Máy phát điện chạy bằng hơi nước steam gểnator), nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi.
-(3) Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.
-(4) Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng.
Phản ứng phân hạch xảy ra trong trung tâm lò phản ứng nơi chứa các bó nhiên liệu. Trên nhiên liệu là những thanh điều khiển làm bằng các hợp kim đặc biệt có khả năng hấp thụ nơtron (Bo, Cd là những chất liệu được ưa dùng). Thanh điều khiển có thể di chuyển lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện và các chất hấp thụ nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).
-Nếu thanh điều khiển nâng lên, nơtron tự do va chạm với thanh nhiên liệu và sự phân hạch xảy ra.
-Nếu thanh điều khiển xuống thấp hoàn toàn, nó hấp thụ nơtron tự do, và sự phân hạch không xảy ra nữa. Bằng cách kiểm soát chính xác vị trí của thanh điều khiển, người ta có thể tạo nên chính xác lượng phân hạch yêu cầu.
Hệ thống có 3 dòng nước chính :
-Dòng nước thứ nhất làm nóng nước nhờ năng lượng sinh ra từ sự phân hạch. Dòng nước này luân chuyển nước dưới áp suất cao qua tâm lò, nơi nhiệt độ khoảng 293 độ C, trong một hệ kín. Dưới áp suất cao nên nước quá nhiệt này vẫn ở dạng lỏng mà không bốc hơi.
-Từ tâm lò, dòng nước rất nóng này đi qua bộ phận trao đổi nhiệt để truyền nhiệt lượng ấy cho dòng nước thứ hai ở áp suất thấp hơn, làm nước này bốc hơi và quay tuabin để chạy máy phát điện. Sau khi quay tuabin, hơi nước ở dòng thứ hai này đi vào bộ phận ngưng tụ, chuyển lại thành nước lỏng.
-Dòng nước thứ ba cung cấp nước lạnh cho bộ phận ngưng tụ làm lạnh hơi nước ở dòng thứ hai. Khi dòng thứ ba này bị nóng lên, nó di chuyển từ bộ phận ngưng tụ đến tháp làm lạnh, tại đó nó được lạnh đi trước khi trở về bộ phận ngưng tụ.
Trung tâm lò nơi xảy ra phản ứng phân hạch được bao bọc bởi khối thép khổng lồ có dạng như cái bát úp, là một đặc trưng thiết kế an toàn để ngăn ngừa các bức xạ phóng thích ra môi trường. Các bức tường bêtông thép gia cố dày 0,9-1,5 m và được thiết kế để chịu được động đất, gió mạnh, bão hay thậm chí sự va chạm của máy bay.
Chất thải phóng xạ (Radioactive wastes)
Chất thải phóng xạ được phân thành hai dạng : mức độ thấp và mức độ cao.
-Chất thải phóng xạ mức thấp (low-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng nhỏ các bức xạ ion hóa. Sinh ra từ nhà máy điện hạt nhân, phòng thí nghiệm của các trường đại học, bệnh viện (dụng cụ chiếu xạ trong y khoa), công nghiệp, chất thải phóng xạ mức thấp bao gồm thủy tinh, giấy, quần áo và các vật khác bị nhiễm phóng xạ.
-Chất thải phóng xạ mức cao (high-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng lớn bức xạ ion hoá lúc ban đầu.Chất thải phóng xạ mức cao sinh ra từ phân hạch hạt nhân bao gồm các kim loại phản ứng (thanh nhiên liệu), chất lỏng làm lạnh, và khí trong lò phản ứng.
Chất thải phóng xạ mức cao từ các nhà máy điện nguyên tử và các thiết bị vũ khí hạt nhân là chất thải phóng xạ nguy hiểm nhất mà con người tạo ra.
Các thanh nhiên liệu (chúng hấp thụ nơtron vì vậy tạo nên các đồng vị phóng xạ) chỉ dùng được khoảng 3 năm, sau đó chúng trở thành chất thải phóng xạ mức cao nhất. Khi đồng vị phóng xạ phân hủy, chúng sinh ra lượng nhiệt đáng kể, khá độc hại cho sinh vật và sự phóng xạ còn duy trì đến hàng ngàn năm. Mức độ độc hại nguy hiểm đòi hỏi chúng phải được quản lý bằng những phương thức đặc biệt. Những nơi lưu trữ an toàn các chất này phải bảo đảm cho hàng ngàn năm, đến khi chúng có thể phân hủy đủ để trở nên an toàn.
Rõ ràng là, việc đổ bỏ an toàn các chất phóng xạ hạt nhân là một trong những vấn đề gay go nhất. các chất phóng xạ mức cao phải được cô lập ở những nơi mà khả năng nó nhiễm ra môi trường là thấp nhất . Vị trí bãi đổ cũng phải ổn định về địa chất và không có hoặc có ít dòng chảy có thể lan truyền chúng.
Những vị trí nào là tốt nhất cho việc chôn giữ lâu dài chất thải độc hại này? Nhiều nhà khoa học đề nghị chôn lấp chất thải trong những tầng đá ổn định sâu dưới lòng đất. Ý kiến khác là xây "lăng mộ" trên mặt đất ở những nơi xa xôi hẻo lánh cho chúng. tuy nhiên, nếu xây "nhà mồ chất phóng xạ", chúng ta không thể chỉ đơn giản cất giữ chất thải ở đó rồi bỏ quên chúng. Các nhà mồ này phải đủ đảm bảo an toàn cho hàng ngàn năm!
Một khả năng dài hạn khác được lưu ý là cất trữ trong băng Bắc Cực, chôn sâu dưới đáy đại dương. Tuy nhiên, do việc đổ vào đại dương gây nguy hại tiềm tàng cho môi trường biển nên các hiệp ước quốc tế hiện nay đã cấm.
Phần lớn các chuyên gia ngày nay ủng hộ giải pháp chôn chất thải phóng xạ trong lớp đá ngầm dưới lòng đất. Đây cũng là một vấn đề phức tạp vì gặp phải sự e ngại, phản đối của dân cư xung quanh.
Chất thải phóng xạ với chu kỳ bán rã tương đối ngắn: một số chất thải phóng xạ sinh ra trực tiếptừ các phản ứng phân hạch. U-235 có thể phân rã thành những nguyên tử nhỏ hơn, phần lớn chúng có tính phóng xạ. Strontium-90 (chu kỳ bán rã 28 ngày), Cesium- 137 (CKBR 30 năm)...đa số chúng là các chất phóng xạ tương đối ngắn hạn . Trong vòng 300-600 năm, chúng sẽ trở nên an toàn.
Cất giữ an toàn các sản phẩm phân hạch với chu kỳ bán rã tương đối ngắn này là cả một vấn đề, vì sự phân hạch tạo ra lượng lớn các chất này hơn là những chất có tuổi thọ cực dài. Thêm vào đó là vấn đề liên quan đến sức khỏe, do nhiều sản phẩm phân hạch có tuổi thọ tương đối ngắn này có tính chất giống như các chất dinh dưỡng quan trọng, và có khuynh hướng tích tụ trong cơ thể, ở đó chúng tiếp tục phân hủy, gây ra những hiệu ứng nguy hiểm . Ví dụ như, một sản phẩm phân hạch phổ biến Strontium-90, về mặt hoá học tương tự Canxi. Nếu Strontium-90 giải phóng vô ý vào môi trường từ chất thải phóng xạ không được cất giữ thích hợp, nó sẽ đi vào xương và răng của người và động vật, thế chỗ cho Canxi. Tương tự như vậy, Cesium -137 thay thế cho Kali trong cơ thể, Iod-131 tập trung ở tuyến giáp trạng...
Vấn đề dỡ bỏ các nhà máy điện nguyên tử (Decommissioning Nuclear Power Plant)
Các nhà máy điện nguyên tử chỉ có thể vận hành từ 25-40 năm trước khi các bộ phận quan trọng của nó trở nên giòn vỡ hay bị ăn mòn. Tuy nhiên vào giai đoạn cuối của cuộc đời nó, chúng ta không thể chỉ đơn giản từ bỏ hay phá hủy do nhiều phần của nó đã bị nhiễm phóng xạ.
Thêm một vấn đề phức tạp nữa phải giải quyết! Người ta đưa ra nhiều chọn lựa. Giải pháp được nhiều chuyên gia chọn là chôn toàn bộ nhà máy bọc trong khối bêtông, có thể lưu giữ hàng ngàn năm. Tuy nhiên, sự rò rỉ ngẫu nhiên có khả năng xảy ra suốt thời gian đó, và chúng ta cũng không thể bảo đảm rằng những thế hệ tương lai sẽ gìn giữ cái "mộ" này.
Một lựa chọn khác là hủy bỏ chúng, tháo dỡ nhà máy lập tức ngay sau khi chúng đóng cửa. Các công nhân tháo dỡ phải mặc quần áo và đeo mặt nạ bảo hộ. Người ta có thể dùng robot để tháo dỡ nhưng cũng nên lưu ý rằng một số phần của nhà máy rất nóng. Khi nhà máy đã tháo dỡ xong, các phần nhỏ của chúng được chở đến bãi lưu trữ vĩnh viễn. Giải pháp này tồn tại những nguy hiểm trong quá trình tháo dỡ, vận chuyển v.v...
Trên toàn thế giới cho đến năm 1995, có 84 nhà máy hạt nhân đã đóng cửa vĩnh viễn và nhiều nhà máy khác đang gần đến giai đoạn cuối của nó. Có lẽ, chúng ta bước vào thế kỷ 21 với số tiền phải trả cho việc giải quyết đóng cửa các nhà máy cũ còn lớn hơn chi phí để xây dựng nhà máy mới!
Ảnh hưởng của bức xạ hạt nhân
(Con người và các sinh vật khác thường xuyên phải tiếp xúc với bức xạ nền mức độ thấp từ một số nguồn tự nhiên như bức xạ của các tia vũ trụ và các nguyên tố phóng xạ trong lớp vỏ trái đất . Ở đây muốn nói đến ảnh hưởng do bức xạ mức độ cao).
Một trong những tác động nguy hiểm nhất của bức xạ ion hóa là sự thiệt hại mà nó gây ra cho ADN trong nhân tế bào. Thay đổi trong ADN nếu xảy ra trong các tế bào sinh sản thì sự đột biến đó có thể truyền qua thế hệ kế tiếp, gây ra khuyết tật hay các bệnh di truyền . Nếu đột biến xảy ra trong tế bào bình thường, chúng có thể làm thay đổi chức năng của những tế bào này , gây hại cho sức khỏe và tăng cao nguy cơ bệnh ung thư.
Tiếp xúc với dộ phóng xạ cao có thể gây những nguy hiểm nghiêm trọng cho cơ thể, liên qua đến nhiều bệnh lý như đau khớp xương, suy nhược thần kinh, giảm tuổi thọ, thậm chí tử vong.
Có lẽ, việc lựa chọn hay không nguồn năng lượng phân hạch nguồn hạt nhân cho tương lai là một vấn đề khá đau đầu . Năng lượng phân hạch hạt nhân, một mặt dường như khá ưu việt vì có thể tạo nên một nguồn năng lượng lớn, ít ô nhiễm, không phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính; nhưng mặt khác, nó tồn tại những vấn đề môi trường mà cho đến nay chúng ta vẫn chưa thể giải quyết triệt để được . Đó là chưa kể đến việc người ta đã lợi dụng nó để chế tạo vũ khí hạt nhân, mà tác động của chúng có thể hủy diệt cuộc sống tươi đẹp của hành tinh này.
2.2 Sự tổng hợp hạt nhân (Fusion)
Nếu chế ngự được phản ứng tổng họp hạt nhân thì những phản ứng này sẽ mang lại cho con người một nguồn năng lượng khổng lồ gần như vô tận, sạch, không ô nhiễm (nhiên liệu nhiệt hạch dự trữ là các đơtêri hiện hữu vô số trong đại dương. Mỗi lít nước biển chứa 0,03 g đơtêri, có năng lượng tương đương 300 lít xăng).
H(2-1) + H (2-1) ----> nơtron (1-0) + He (3-2)
Phản ứng xảy ra dưới điều kiện 400 triệu độ
(H(2-1) : đồng vị nặng của H)
Ngoài phản ứng xảy ra trong điều kiện 400 triệu độ như trên (giữa hai đồng vị H (2-1) ) còn có phản ứng sau (giữa đồng vị H(2-1) và H(3-1):
H(2-1) + H(3-1) ----> nơtron (1-0) + He (4-2)
Phản ứng xảy ra ở 45 triệu độ
Khó khăn ở chỗ, để có thể kết hợp hai hạt nhân nhẹ, phải cho chúng va vào nhau với một năng lượng rất lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa chúng. Cần phải có một gia tốc rất mạnh đưa chúng lại gần nhau đủ để các lực hạt nhân (lực hút có tầm rất ngắn) có thể bắt đầu tác dụng và thắng lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu . Điều này dễ thực hiện khi dùng các thiết bị gia tốc hạt nhân và tạo nên một số ít phản ứng. Nhưng sẽ khó khăn hơn nhiều nếu ta muốn đốt cháy cả một khối lượng lớn hạt nhân.
Một phương pháp có thể sử dụng là nung nóng khối lượng ấy lên tới một nhiệt độ sao cho các động năng trung bình của chuyển động các nguyên tử lớn như trong các máy gia tốc. Ngưỡng năng lượng của các phản ứng ấy phải đạt đến hàng trăm triệu độ như phản ứng tổng hợp hạt nhân trên mặt trời và các ngôi sao.
Thực tế, người ta đã thực hiện được phản ứng tổng hợp không kiểm soát- đó chính là việc chế tạo bom hydro (bom khinh khí) mà sức phá hủy của nó còn ghê gớm hơn nhiều so với bom nguyên tử (bom A : atom bomb). Bom A được dùng làm mồi, tạo ra nhiệt độ lớn để cho phản ứng tổng hợp xảy ra và nhân lên đáng kể trong bom H.
Hơn nửa thế kỷ nay, người ta đã đầu tư biết bao công sức, tiền bạc tìm cách chinh phục kiểm soát phản ứng nhiệt hạch để sản xuất điện năng. Các nghiên cứu về nó dù khá tốn kém vẫn đang được tiến hành ở một số nước, nhất là ở Đức, Nhật, Nga, Mỹ. cái đích vẫn còn ở phía trước, tuy nhiên con người cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực hạt nhân này. Ví dụ như máy bẫy từ TOKAMAK hoạt động trên nguyên tắc động cơ "plasma'' và gần đây, người ta đã nghiên cứu khả năng sử dụng tia laser có công suất lớn để nung nóng một thể tích rất nhỏ của plasma đến nhiệt độ nhiệt hạch.
4.Năng lượng sinh khối (Biomass Energy)
5.1 Thủy điện (Hydro power, water power, hydroelectricity)
Năng lượng dòng nước chảy đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm bằng các "bánh xe nước". Ở một số nơi, người ta cũng đã lợi dụng sức nước để vận chuyển gỗ xuống hạ lưu. Ngày nay, người ta nhờ sức nước để chạy máy phát điện (Thế năng của nước ở một độ cao nhất định được giữ lại nhờ đập và chuyển thành động năng khi nước chảy qua rãnh tràn (spill way), làm quay tuabin, phát ra điện. Nước là nguồn tài nguyên phục hồi được và thủy điện là nguồn năng lượng tương đối sạch và rẻ.
Hiện nay, thủy điện chiếm 6-7% sản lượng điện trên thế giới. Các nước phát triển đã xây dựng đập thủy điện ở hầu hết các vị trí có thể. Thụy Sĩ, Nhật, Canada, Pháp...tiềm lực thủy năng đã cạn. Châu Phi và nam Mỹ có tiềm năng thủy điện lớn nhất nhưng mới chỉ phát triển khoảng 1%.
Thủy điện và môi trường
Tuy thủy điện là nguồn năng lượng tương đối sạch và rẻ nhưng việc đắp đập ngăn sông xây dựng hồ chứa có thể tác động tiêu cực đến môi trường.
Đập làm thay đổi dòng chảy tự nhiên của con sông, có thể gây ngập trên diện rộng, phá hủy nơi cư trú của động thực vật, ảnh hưởng đến vẻ đẹp cảnh quan xung quanh. Môi trường nước và đất dưới đập biến đổi theo hướng xấu đi, mặn hóa, chua hóa tăng. Dòng sau đập chỉ còn chảy từ từ, sông không còn lưu thông dễ dàng như trước : độ phì, độ bẩn, kim loại nặng và các chất độc tích tụ, hàm lượng oxy hòa tan giảm, đa dạng sinh học giảm.
Nếu vỡ đập thì dân cư và tài sản dưới hạ lưu sẽ rất nguy hiểm. Thêm vào đó, các bệnh có nguồn gốc từ nước như schistomiasis có thể lan truyền trong dân cư địa phương. Schitomiasis là một bệnh nhiệt đới, gây bởi trùng ký sinh hủy hoại gan, hệ tiết niệu, hệ thần kinh và phổi.
Xây dựng đập tốn kém ban đầu nhưng vận hành thì rẻ. Đập nước tạo thành các hồ chứa nhân tạo nhưng tuổi thọ của hồ có giới hạn, thường 50-200 năm, do với thời gian, bể chứa phủ đầy phù sa tích tụ cho đến khi nó không thể giữ đủ nước để phát điện. Đập giữ phù sa, do đó ngăn trở sự bồi đắp màu mỡ cho các vùng đất nông nghiệp dưới hạ lưu. Dần dần, năng suất nông nghiệp ở vùng cửa sông giảm. Vd như đập Aswan ở Ai Cập, sản lượng cá, tôm giảm, nước mặn từ Địa Trung Hải tràn vào vùng châu thổ sông Nile làm mặn hóa. Vì thế mà Ai Cập ngày nay dựa chủ yếu trên phân hóa học để duy trì độ màu mỡ cho vùng châu thổ sông Nile.
5.2 Địa nhiệt (Geothermal Energy)
(Tài liệu phần này được tổng hợp từ "Địa chất cơ sở" và "Environment")
Địa nhiệt nói chung là nhiệt bên trong trái đất, có hai nguồn chính :
(1) Nguồn nhiệt khổng lồ từ nhân nóng chảy, đưa lên bề mặt qua sự phun trào núi lửa. Nguồn nhiệt này rất lớn nhưng con người không thể chế ngự được.
(2) Nhiệt sinh ra từ sự giải phóng năng lượng của quá trình phân hủy các nguyên tố phóng xạ nằm trong lớp vỏ trái đất. Chúng được đưa lên bề mặt thông qua các dòng nước ngầm, suối nước nóng, giếng tự phun...dưới dạng nước nóng hoặc hơi. Nguồn nhiệt từ các dòng nước phun đã được con người sử dụng cách đây hàng ngàn năm để nấu ăn, sưởi ấm nhà cửa, thậm chí chữa bệnh (do có chứa một số khoáng). Mãi đến khi khoa học kỹ thuật phát triển, nguồn địa nhiệt này mới được ứng dụng để sản xuất điện năng.
Đây là dạng tài nguyên hồi phục được nhưng chậm, do quá trình tự nhiên tái tạo chúng cần thời gian dài. Vì thế, nếu khai thác quá mức có thể dẫn đến không phục hồi được nữa.
Các dòng nhiệt phân bố không đều, những vùng dòng nhiệt cao thường trẻ về địa chất, đang có hoạt động kiến tạo và núi lửa. Người ta phải tìm những nơi có dòng nhiệt tập trung cao bất thường để khai thác có hiệu quả kinh tế. Bên trong những vùng như vậy, có hai khả năng sử dụng địa nhiệt.
*Khả năng thứ nhất: nguồn năng lượng là những hồ địa nhiệt (geothermal pool) tạo ra nước nóng và hơi nước dễ khai thác. Các hồ địa nhiệt giống như các bẫy dầu về một số tính chất, nhưng thay vì là hydrocacbon, ở đây là nước nóng. Các đá thấm chứa nước bị cô lập toàn bộ hay ít nhất một phần bởi các đá không thấm nằm gần bề mặt. nước trong tầng chứa được nung nóng bởi các đá macma bên dưới. Một phần nước nóng này có thể len lỏi lên bề mặt dưới dạng các suối nước nóng hoặc suối phun. Phần còn lại nằm trong các túi nước có thể được khoan và đưa lên mặt đất để tạo ra điện năng.
*Khả năng thứ hai (vẫn còn trong bước thử nghiệm): địa nhiệt từ các đá khô, nóng ở dưới sâu. Người ta có thể bố trí khoan tới độ sâu nơi có các đá đủ độ nóng rồi tạo ra một khả năng thấm nhân tạo cho đá bằng cách bắn nước vào lỗ khoan dưới áp lực rất cao làm vỡ nứt đá. Sau đó dẫn nước qua lỗ khoan để đưa vào đới nứt nẻ vừa mới tạo thành làm cho nước được nung nóng. Một lỗ khoan khác khai thác đưa nước nóng lên dẫn về các máy phát điện. Trong hệ thống, nước sau khi sử dụng được đun nóng và cứ thế lại được tái sử dụng tạo điện năng.
Địa nhiệt và môi trường
Thành phần trung bình của sự phát xạ địa nhiệt gồm 95% hơi nước, 5% cacbonic, Hydrosulfur, Mêtan, vài loại khí hiếm, Hg, As... Sự hòa tan các nguyên tố khoáng trong nước địa nhiệt có thể tạo nên kết tủa trong hệ thống thiết bị, làm giảm hiệu suất sử dụng nhanh chóng và tăng chi phí. Bên cạnh đó, tiếng ồn phát sinh và sự sụt lún vùng đất xung quanh do khai thác địa nhiệt là 2 vấn đề đáng chú ý.
***
Cũng giống như năng lượng thủy triều, năng lượng gió, địa nhiệt nói chung còn ít phổ biến do tính phân tán của nó. Aixơlen (Iceland) nằm giữa Đại Tây Dương, trên ranh giới hai mảng lục địa, là một hòn đảo có hoạt động núi lửa mạnh và vô số suối nước nóng. Vì thế, địa nhiệt là nguồn năng lượng quan trọng ở đảo quốc này, 2/3 dân số Aixơlen sưởi ấm bằng năng lượng địa nhiệt. Những nước đang gia tăng việc sử dụng nguồn năng lượng này là Philipines, Nhật, Ý, Nicaragoa, Mexico và Mỹ (khoảng 25% sản lượng điện ở Nicaragoa và Philippines là từ địa nhiệt).
5.3 Năng lượng gió
Khoảng 1% năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất được chuyển thành dạng năng lượng cơ học-sự chuyển đọng của các phàn tử khí. Gió không đều, mang tính phân tán, thay đổi chiều và cường độ ở những nơi khác nhau trên trái đất. Ở những nơi có gió thường xuyên như vùng quê nông thôn, hải đảo, bờ biển, hẻm núi và đồng cỏ...việc chế ngự dạng năng lượng này sẽ đem lại ích lợi đáng kể.
Gió là nguồn năng lượng sạch, không tạo ra chất thải, không sinh ra SO2, CO2 hay những NOx. Gió không cần "nguyên liệu", nó gần như vô tận, chỉ phải tốn kém cho việc đầu tư thiết bị ban đầu. Vì thế, các công nghệ tiến bộ mới cho thấy năng lượng gió sẽ có thể trở thành nguồn năng lượng quan trọng trong những thập kỷ tới, mặc dù hiện nay, gió chỉ có một vị trí nhỏ trong bức tranh năng lượng.
Chi phí sản xuất điện từ năng lượng gió ngày càng giảm nhờ các tuabin cải tiến. Sử dụng năng lượng gió không gây ra các vấn đề môi trường quan trọng. Đôi điều cần lưu ý đó là các cánh quạt gió thường có đường kính rất lớn (từ vài mét đến vài chục mét để tạo nên lượng điện năng đáp ứng yêu cầu) và chim có thể chết khi bay đập vào nó. Những tính toán sau đây sẽ giải thích tại sao đường kính quạt gió lại lớn như vậy :
Gió làm quay cánh quạt tuabin. Động năng của gió chuyển thành năng lượng quay rôto. Năng lượng truyền vào tuabin sẽ tăng khi tốc độ gió tăng. Đường kính quạt càng lớn thì càng nhận được nhiều năng lượng gió. Nghiên cứu chi tiết cho thấy, năng lượng lớn nhất (tính bằng watts) có thể thu được :
P=0,5.(d bình phương).(v mũ 3)
d : đường kính cánh quạt (m)
v : tốc độ gió (m/s)
Nếu tốc độ gió là 8m/s (khá lớn) và đk cánh quạt 40m (khá lớn) thì năng lượng tuabin sinh ra là gần 410.000 w (410 kw) và chỉ 1/4 phần năng lượng đó chuyển thành điện năng. Một hộ dân trung bình tiêu thụ công suất điện 3 kw. Vậy một thiết bị như trên chỉ có thể phục vụ khoảng 30 hộ. Ở những vùng xa xôi thưa dân thì hệ thống này còn khả thi chứ ở những vùng đo thị thì nó không mang tính thực tế chút nào. Đó là chưa tính đến không phải nơi nào và vào lúc nào cũng có được vận tốc gió như vậy.
Cụm tuabin gió lớn nhất thế giới đặt tại Tehachapi, vùng núi phía nam Sierra Nevada, California. Vào thập kỷ 80, Mỹ dẫn đầu trong việc sản xuất điện năng từ gió nhưng hiện nay, châu Âu (Đức, Hà Lan, Đan Mạch) và châu Á đang vượt lên. Năm 1994, gần một nửa số tuabin mới của thế giơi được lắp đặt tại Đức. Ấn Độ đứng đầu châu Á trong việc cài đặt các tuabin gió cho các nông trại.
5.4 Năng lượng thủy triều (Tidal Energy)
Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh hưởng của mặt trăng tới thủy triều lớn hơn.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó).
Nước triều cường và triều kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày.
Thủy triều cực đại (triều cường-khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất-lúc đó mặt trăng, mặt trời và trái đất giống như thẳng hàng) xảy ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non, có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và nước hạ.
Thủy triều kiệt (khi ảnh hưởng của sức hút thấp nhất-khi đường thẳng nối trái đất và mặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất và mặt trời).
Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý hàng thế kỷ nay. Vào thế kỷ 18, nhà máy năng lượng nước vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều được xây dựng ở New England.Bơm nước cống rãnh dùng năng lượng thủy triều ở Hamburg, Đức mãi đến năm 1880. Còn bơm nước sử dụng NLTT lắp đặt năm 1580 dưới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ (?!). Những hệ thống này đã dần được thay thế bằng các động cơ tiện lợi và hiệu quả hơn.
Bình thường, sự chênh lệch mực nước giữa triều dâng và triều hạ khoảng 0,5m. Tuy nhiên, một số vùng bờ biển với vịnh hẹp có sự chênh lệch rất lớn giữa hai mực nước triều. Vd như, vịnh Fundy ở Nova Scota (Đông nam Canada), có mức triều lớn nhất thế giới, độ chênh lệch có thể lên đến 16m.
Bằng cách xây đập bắc ngang qua vịnh, ta có thể điều khiển được nguồn năng lượng này để tạo ra điện năng.
Một "tidal basin" (lòng chảo thủy triều) là một hồ chứa đầy và cạn khi thủy triều lên và xuống. Khi nước qua các cửa mở của đập, nó chảy trực tiếp vào các cánh tuabin nước và phát ra điện. Tại đỉnh điểm thủy triều, cửa đóng và nước được giữ lại trong basin. Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nước lại chảy qua các tuabin trở về đại dương, quay tuabin và phát điện.
Hiện nay, các trạm điện thủy triều đang hoạt động ở Pháp, Nga, Trung Quốc và Canada. Tuy nhiên, NLTT không phải là một nguồn năng lượng quan trọng trên toàn thế giới, bởi vì chỉ có một số ít các vị trí có mực nước triều dâng cao đủ để việc phát điện mang tính khả thi.
Nhà máy điện thủy triều đầu tiên được xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra Đại Tây Dương trên vùng biển Brittany. Hoàn thành năm 1968, nó có công suất 240 MW.
"Lòng chảo" (basin) của nó rộng 8,5 dặm vuông và có mực triều dâng cao nhất là 27,6 feet (8,28m).
Trạm thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ đặt trên sông Annapolis, nơi đổ vào vịnh Fundy. Hoàn thành năm 1984, nó có công suất 20 MW.
Vấn đề đặt ra đối với NLTT bao gồm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện khá cao và tác động của nó đến môi trường. Năng lượng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển, nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dương. Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa nước ngọt và mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có năng suất cao. Cá và vô số động vật thân mềm đến đây sinh sản. Vì thế, việc xây dựng đập sẽ ảnh hưởng lớn đến sinh thái khu vực.
5.5 Năng lượng từ gradient nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion; Ocean Thermal Electric Converter : OTEC)
Khoảng 2/3 bề mặt trái đất được bao phủ bỏi lớp nước đại dưong sâu hàng kilomet. Điều này tạo nên một trữ lượng khổng lồ nguồn nhiệt năng. Do hấp thụ NLMT mà bề mặt đại dương ấm hơn dưới đáy sâu. Ở vịnh Mêxicô và ở Thái Bình Dương gần Hawaii, nhiệt độ giảm từ 25 độ C trên bề mặt xuống 5 độ C ở độ sâu 1000 feet (gần 300 m). Trong tương lai, người ta có thể tạo ra điện năng nhờ lợi dụng gradient nhiệt độ này. Một động cơ sẽ lấy nhiệt từ lớp trên đại dương, chuyển thành công có ích rồi bơm nó xuống lớp sâu dưới đáy.
Động cơ hoạt động giống như một tuabin hơi nước. Tuy nhiên do lấy ở 20 độ C và trả lại ở 10 độ C nên nước không thể được dùng vì nó không bốc hơi ở nhiệt độ này.
Yêu cầu về một chất lỏng bay hơi ở 20 độ C và tạo ra áp suất bay hơi đáng kể được đặt ra. Ammonia lỏng có khả năng này, tuy nhiên hiệu suất nhiệt cực đại của thiết bị cũng chỉ trong khoảng vài phần trăm bởi vì sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ. Thiết bị OTEC dài khoảng 1000 feet và được neo trong đại dương. Nước ấm (bề mặt) chảy vào phần trên của hệ thống, sau đó đi qua bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nồi hơi (boiler), làm bay hơi Ammonia. Hơi sau đó ngưng tụ lại thành chất lỏng và trở lại boiler.
Các ưu điểm hấp dẫn của OTEC là :
(1) Nó không sinh ra ô nhiễm, không sinh ra CO2
(2)Nó sử dụng nguồn năng lượng gần như vô tận của mặt trời đã chuyển thành nhiệt năng trên bề mặt đại dương.
Dự án thí điểm gần đây nhất ở Hawaii. Ngoài việc phát ra năng lượng điện, nước sau khi sử dụng được dùng điều hòa không khí, hoặc đưa vào khu nuôi trồng thủy sản gần đó, cung cấp nguồn nước biển sạch, giàu dinh dưỡng cho tảo, cá, động vật giáp xác...
Mặc dù OTEC khả thi về mặt kỹ thuật nhưng ảnh hưởng tiềm tàng của việc đưa một lượng lớn nước lạnh lên bề mặt ở vùng nhiệt đới cần được xem xét kỹ trước khi tiến hành đại trà. Các tính chất của nước như : nồng độ khí hòa tan, độ đục, nồng độ chất dinh dưỡng, sự chênh lệch độ mặn (salinity gradients) thay đổi theo nhiệt độ, và những thay đổi này có lẽ sẽ ảnh hưởng sâu sắc đến sinh vật biển.
5.6 Năng lượng từ sóng đại dương (Ocean Waves)
Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v..). Vì vậy, NLS được xem như dạng gián tiếp của NLMT. Giống như các dạng dòng nước chảy khác, NLS có khả năng làm quay tuabin phát điện. NaUy, Anh, Nhật và một số nước đang nghiên cứu sản xuất điện từ sóng đại dương. Trạm phát điện từ sóng dùng một kỹ thuật đơn giản. Thiết bị bằng bêtông rỗng được đặt chìm vào trong một máng rãnh ngoài khơi để "bắt" sóng. Mỗi khi một cơn sóng mới đi vào khoang (khoảng 10s/lần), nước dâng lên trong khoang đẩy không khí đi vào lỗ thoát có đạt một tuabin, làm quay tuabin chạy máy phát điện. Khi sóng hạ, nó kéo không khí trở lại khoang và sự chuyển động của không khí lại tiếp tục làm quay tuabin.
Chúng ta nên lưu ý thận trọng vì sự cố ngoài khơi có thể làm hư hỏng thiết bị. Năm 1995, trạm phát điện bằng sóng đầu tiên của thế giới ngoài biển Bắc Scotland đã bị nhán chìm trong một cơn bão sau khi nó hoạt động chưa đầy 1 tháng.
Mặc dù nguồn năng lượng từ sóng đại dương là rất lớn nhưng cho đến nay, hiệu suất năng lượng thu được còn rất thấp nên việc ứng dụng NLS chưa mang tính kinh tế và thực tiễn.
Lời kết
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Sinh thái môi trường đất - Lê Huy Bá, 1998.
2. Sinh thái và môi trường - Nguyễn Văn Tuyên, 1998.
3. Hóa công nghệ và môi trường - Giáo trình CĐSP.
4. Môi trường không khí - Phạm Ngọc Đăng, 1998.
5. Lửa ma trơi và nấm nguyên tử - NXB Khoa học kỹ thuật, 1999.
6. Energy - Joseph Priest - 1991.
7. Environment - Raven - Berg - Johnson - 1998.
8. Environmental Chemistry - Stanley E. Manahan - 1994.
9. Chemistry and Our Changing World - Alan Sherman-Sharon J.Sherman- 1989.
10. Hệ mặt trời và các hành tinh, Phan Thanh Minh, 1998
Về cơ bản, cách thức có được năng lượng hạt nhân (NLHN) khác nhiều so với sự cháy sinh ra năng lượng của nhiên liệu hóa thạch. Cháy là một phản ứng hoá học thông thường. Ở các phản ứng hóa học thông thường, nguyên tử của một nguyên tố này không bị chuyển thành nguyên tử của nguyên tố khác, cũng như khối lượng của chúng không chuyển thành năng lượng (Định luật BTKL). Năng lượng được giải phóng trong quá trình cháy và trong các phản ứng hóa học thông thường khác là từ sự thay đổi (phá vỡ hay nối kết) các liên kết hóa học nối những nguyên tử này với nhau. Các liên kết hóa học liên hệ giữa các electron, vì vậy, các phản ứng hoá học thông thường liên quan đến sự sắp xếp các electron.
Trái lại, NLHN liên quan đến những thay đổi trong hạt nhân nguyên tử, sự liên kết hay phá vỡ lực hạt nhân giữa các nuclon (proton, neutron). Lực hạt nhân này rất lớn, hình dung thử, muốn tách một nuclon ra khỏi hạt nhân phải tiêu tốn một năng lượng lớn gấp 1 triệu lần năng lượng cần thiết để bứt một electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử!
Các phản ứng hạt nhân dựa trên sự khai thác thế năng tiềm tàng trong khối lượng các hạt nhân. Có hai phản ứng khác nhau giải phóng ra NLHN : phân hạch và tổng hợp (nhiệt hạch) :
-Phản ứng phân hạch : Hạt nhân nặng bị phá vỡ thành các hạt nhân trung bình.
-Phản ứng nhiệt hạch : Các hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo nên hạt nhân nặng hơn.
Ở cả hai trường hợp trên, tổng khối lượng các sản phẩm sau phản ứng nhỏ hơn tổng khối lượng các chất ban đầu, độ hụt khối được chuyển thành năng lượng theo "phương trình thế kỷ" của Einstein.
Các phản ứng hạt nhân trong các bom hạt nhân sản sinh ra năng lượng gấp hàng trăm đến hàng triệu lần năng lượng các phản ứng hoá học thông thường. Năng lượng này lại được giải phóng cùng một lúc, tạo ra lượng nhiệt khổng lồ tiêu hủy tất cả mọi thứ quanh nó. Khi NLHN ứng dụng để phát điện, phản ứng hạt nhân được khống chế, kiểm soát để tạo ra năng lượng nhỏ hơn dưới dạng nhiệt năng.
2.1 Sự phân hạch hạt nhân (Fission)
Quặng Uranium, nhiên liệu dùng trong các nhà máy điện nguyên tử thông thường là tài nguyên không thể phục hồi, trữ lượng của chúng có hạn, tập trung trong các lớp đá trầm tích. Urani (Uranium) có mặt trong vỏ trái đất với tỷ lệ 4 phần triệu. Hình dung thử, số lượng Urani ấy cho một năng lượng mà vỏ trái đất sẽ tỏa ra nếu nó chứa toàn là than đá! Tuy nhiên, muốn khai thác một cách kinh tế thì cần những mỏ Urani hàm lượng vài phần nghìn. Nước biển chứa hầu hết các nguyên tố trong thiên nhiên, trong đó có Urani, nhưng chi phí khai thác hiện nay cao gấp 15 lần chi phí khai thác từ quặng mặc dù trữ lượng Urani trong các đại dương lớn gấp hàng nghìn lần trữ lượng của các quặng Urani trên mặt đất).
Các mỏ Uranium quan trọng hiện nay nằm ở Úc (25,7%), châu Phi (24%), và Bắc Mỹ (21,9%). Quặng Uranium chứa 3 đồng vị : U-238 (99,28%), U-235 (0,7%), và U-234 (<0 div="">
Nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên Uranium oxide hình trụ, đường kính khoảng 1 cm, mỗi viên chứa năng lượng tương đương với 1 tấn than! Chúng được xếp vào các thanh nhiên liệu (fuel rods) bằng zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ nơtron). Các thanh này tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí trong đó để đặt các thanh điều khiển (control rods).
Trong phản ứng phân hạch, U-235 được bắn phá với nơtron. Khi hạt nhân nguyên tử U-235 hấp thụ một nơtron, nó trở nên bất ổn định và phân rã thành hai nguyên tử nhỏ hơn. Quá trình phân hạch cũng sinh ra 2 đến 3 nơtron mới. Những nơtron này lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử U-235 khác, phát sinh phản ứng dây chuyền từ một hạt nhân đến một phản ứng liên quan đến hàng tỷ tỷ hạt nhân khác.
Phân hạch U-235 giải phóng một nhiệt lượng khổng lồ được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân để biến nước thành hơi chạy máy phát điện. Điện năng được sinh ra là do quá trình phân hạch được kiểm soát (chúng ta nhớ rằng, phản ứng phân hạch không kiểm soát gây nên vụ nổ hạt nhân (trong các bom). Tuy nhiên, thậm chí nếu cơ chế kiểm soát hỏng thì một vụ nổ như bom hạt nhân cũng không thể xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân, bởi vì, hàm lượng U-235 trong bom được làm giàu lên rất cao.
Phản ứng phân hạch có thể bắt đầu hay ngưng lại, tăng lên hay giảm đi tùy theo lượng nhiệt năng người ta muốn tạo ra.
Điện năng được tạo ra như thế nào từ năng lượng hạt nhân?
Một trạm điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính :
-(1) Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch.
-(2) Máy phát điện chạy bằng hơi nước steam gểnator), nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi.
-(3) Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.
-(4) Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng.
Phản ứng phân hạch xảy ra trong trung tâm lò phản ứng nơi chứa các bó nhiên liệu. Trên nhiên liệu là những thanh điều khiển làm bằng các hợp kim đặc biệt có khả năng hấp thụ nơtron (Bo, Cd là những chất liệu được ưa dùng). Thanh điều khiển có thể di chuyển lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện và các chất hấp thụ nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).
-Nếu thanh điều khiển nâng lên, nơtron tự do va chạm với thanh nhiên liệu và sự phân hạch xảy ra.
-Nếu thanh điều khiển xuống thấp hoàn toàn, nó hấp thụ nơtron tự do, và sự phân hạch không xảy ra nữa. Bằng cách kiểm soát chính xác vị trí của thanh điều khiển, người ta có thể tạo nên chính xác lượng phân hạch yêu cầu.
Hệ thống có 3 dòng nước chính :
-Dòng nước thứ nhất làm nóng nước nhờ năng lượng sinh ra từ sự phân hạch. Dòng nước này luân chuyển nước dưới áp suất cao qua tâm lò, nơi nhiệt độ khoảng 293 độ C, trong một hệ kín. Dưới áp suất cao nên nước quá nhiệt này vẫn ở dạng lỏng mà không bốc hơi.
-Từ tâm lò, dòng nước rất nóng này đi qua bộ phận trao đổi nhiệt để truyền nhiệt lượng ấy cho dòng nước thứ hai ở áp suất thấp hơn, làm nước này bốc hơi và quay tuabin để chạy máy phát điện. Sau khi quay tuabin, hơi nước ở dòng thứ hai này đi vào bộ phận ngưng tụ, chuyển lại thành nước lỏng.
-Dòng nước thứ ba cung cấp nước lạnh cho bộ phận ngưng tụ làm lạnh hơi nước ở dòng thứ hai. Khi dòng thứ ba này bị nóng lên, nó di chuyển từ bộ phận ngưng tụ đến tháp làm lạnh, tại đó nó được lạnh đi trước khi trở về bộ phận ngưng tụ.
Trung tâm lò nơi xảy ra phản ứng phân hạch được bao bọc bởi khối thép khổng lồ có dạng như cái bát úp, là một đặc trưng thiết kế an toàn để ngăn ngừa các bức xạ phóng thích ra môi trường. Các bức tường bêtông thép gia cố dày 0,9-1,5 m và được thiết kế để chịu được động đất, gió mạnh, bão hay thậm chí sự va chạm của máy bay.
Chất thải phóng xạ (Radioactive wastes)
Chất thải phóng xạ được phân thành hai dạng : mức độ thấp và mức độ cao.
-Chất thải phóng xạ mức thấp (low-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng nhỏ các bức xạ ion hóa. Sinh ra từ nhà máy điện hạt nhân, phòng thí nghiệm của các trường đại học, bệnh viện (dụng cụ chiếu xạ trong y khoa), công nghiệp, chất thải phóng xạ mức thấp bao gồm thủy tinh, giấy, quần áo và các vật khác bị nhiễm phóng xạ.
-Chất thải phóng xạ mức cao (high-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng lớn bức xạ ion hoá lúc ban đầu.Chất thải phóng xạ mức cao sinh ra từ phân hạch hạt nhân bao gồm các kim loại phản ứng (thanh nhiên liệu), chất lỏng làm lạnh, và khí trong lò phản ứng.
Chất thải phóng xạ mức cao từ các nhà máy điện nguyên tử và các thiết bị vũ khí hạt nhân là chất thải phóng xạ nguy hiểm nhất mà con người tạo ra.
Các thanh nhiên liệu (chúng hấp thụ nơtron vì vậy tạo nên các đồng vị phóng xạ) chỉ dùng được khoảng 3 năm, sau đó chúng trở thành chất thải phóng xạ mức cao nhất. Khi đồng vị phóng xạ phân hủy, chúng sinh ra lượng nhiệt đáng kể, khá độc hại cho sinh vật và sự phóng xạ còn duy trì đến hàng ngàn năm. Mức độ độc hại nguy hiểm đòi hỏi chúng phải được quản lý bằng những phương thức đặc biệt. Những nơi lưu trữ an toàn các chất này phải bảo đảm cho hàng ngàn năm, đến khi chúng có thể phân hủy đủ để trở nên an toàn.
Rõ ràng là, việc đổ bỏ an toàn các chất phóng xạ hạt nhân là một trong những vấn đề gay go nhất. các chất phóng xạ mức cao phải được cô lập ở những nơi mà khả năng nó nhiễm ra môi trường là thấp nhất . Vị trí bãi đổ cũng phải ổn định về địa chất và không có hoặc có ít dòng chảy có thể lan truyền chúng.
Những vị trí nào là tốt nhất cho việc chôn giữ lâu dài chất thải độc hại này? Nhiều nhà khoa học đề nghị chôn lấp chất thải trong những tầng đá ổn định sâu dưới lòng đất. Ý kiến khác là xây "lăng mộ" trên mặt đất ở những nơi xa xôi hẻo lánh cho chúng. tuy nhiên, nếu xây "nhà mồ chất phóng xạ", chúng ta không thể chỉ đơn giản cất giữ chất thải ở đó rồi bỏ quên chúng. Các nhà mồ này phải đủ đảm bảo an toàn cho hàng ngàn năm!
Một khả năng dài hạn khác được lưu ý là cất trữ trong băng Bắc Cực, chôn sâu dưới đáy đại dương. Tuy nhiên, do việc đổ vào đại dương gây nguy hại tiềm tàng cho môi trường biển nên các hiệp ước quốc tế hiện nay đã cấm.
Phần lớn các chuyên gia ngày nay ủng hộ giải pháp chôn chất thải phóng xạ trong lớp đá ngầm dưới lòng đất. Đây cũng là một vấn đề phức tạp vì gặp phải sự e ngại, phản đối của dân cư xung quanh.
Chất thải phóng xạ với chu kỳ bán rã tương đối ngắn: một số chất thải phóng xạ sinh ra trực tiếptừ các phản ứng phân hạch. U-235 có thể phân rã thành những nguyên tử nhỏ hơn, phần lớn chúng có tính phóng xạ. Strontium-90 (chu kỳ bán rã 28 ngày), Cesium- 137 (CKBR 30 năm)...đa số chúng là các chất phóng xạ tương đối ngắn hạn . Trong vòng 300-600 năm, chúng sẽ trở nên an toàn.
Cất giữ an toàn các sản phẩm phân hạch với chu kỳ bán rã tương đối ngắn này là cả một vấn đề, vì sự phân hạch tạo ra lượng lớn các chất này hơn là những chất có tuổi thọ cực dài. Thêm vào đó là vấn đề liên quan đến sức khỏe, do nhiều sản phẩm phân hạch có tuổi thọ tương đối ngắn này có tính chất giống như các chất dinh dưỡng quan trọng, và có khuynh hướng tích tụ trong cơ thể, ở đó chúng tiếp tục phân hủy, gây ra những hiệu ứng nguy hiểm . Ví dụ như, một sản phẩm phân hạch phổ biến Strontium-90, về mặt hoá học tương tự Canxi. Nếu Strontium-90 giải phóng vô ý vào môi trường từ chất thải phóng xạ không được cất giữ thích hợp, nó sẽ đi vào xương và răng của người và động vật, thế chỗ cho Canxi. Tương tự như vậy, Cesium -137 thay thế cho Kali trong cơ thể, Iod-131 tập trung ở tuyến giáp trạng...
Vấn đề dỡ bỏ các nhà máy điện nguyên tử (Decommissioning Nuclear Power Plant)
Các nhà máy điện nguyên tử chỉ có thể vận hành từ 25-40 năm trước khi các bộ phận quan trọng của nó trở nên giòn vỡ hay bị ăn mòn. Tuy nhiên vào giai đoạn cuối của cuộc đời nó, chúng ta không thể chỉ đơn giản từ bỏ hay phá hủy do nhiều phần của nó đã bị nhiễm phóng xạ.
Thêm một vấn đề phức tạp nữa phải giải quyết! Người ta đưa ra nhiều chọn lựa. Giải pháp được nhiều chuyên gia chọn là chôn toàn bộ nhà máy bọc trong khối bêtông, có thể lưu giữ hàng ngàn năm. Tuy nhiên, sự rò rỉ ngẫu nhiên có khả năng xảy ra suốt thời gian đó, và chúng ta cũng không thể bảo đảm rằng những thế hệ tương lai sẽ gìn giữ cái "mộ" này.
Một lựa chọn khác là hủy bỏ chúng, tháo dỡ nhà máy lập tức ngay sau khi chúng đóng cửa. Các công nhân tháo dỡ phải mặc quần áo và đeo mặt nạ bảo hộ. Người ta có thể dùng robot để tháo dỡ nhưng cũng nên lưu ý rằng một số phần của nhà máy rất nóng. Khi nhà máy đã tháo dỡ xong, các phần nhỏ của chúng được chở đến bãi lưu trữ vĩnh viễn. Giải pháp này tồn tại những nguy hiểm trong quá trình tháo dỡ, vận chuyển v.v...
Trên toàn thế giới cho đến năm 1995, có 84 nhà máy hạt nhân đã đóng cửa vĩnh viễn và nhiều nhà máy khác đang gần đến giai đoạn cuối của nó. Có lẽ, chúng ta bước vào thế kỷ 21 với số tiền phải trả cho việc giải quyết đóng cửa các nhà máy cũ còn lớn hơn chi phí để xây dựng nhà máy mới!
Ảnh hưởng của bức xạ hạt nhân
(Con người và các sinh vật khác thường xuyên phải tiếp xúc với bức xạ nền mức độ thấp từ một số nguồn tự nhiên như bức xạ của các tia vũ trụ và các nguyên tố phóng xạ trong lớp vỏ trái đất . Ở đây muốn nói đến ảnh hưởng do bức xạ mức độ cao).
Một trong những tác động nguy hiểm nhất của bức xạ ion hóa là sự thiệt hại mà nó gây ra cho ADN trong nhân tế bào. Thay đổi trong ADN nếu xảy ra trong các tế bào sinh sản thì sự đột biến đó có thể truyền qua thế hệ kế tiếp, gây ra khuyết tật hay các bệnh di truyền . Nếu đột biến xảy ra trong tế bào bình thường, chúng có thể làm thay đổi chức năng của những tế bào này , gây hại cho sức khỏe và tăng cao nguy cơ bệnh ung thư.
Tiếp xúc với dộ phóng xạ cao có thể gây những nguy hiểm nghiêm trọng cho cơ thể, liên qua đến nhiều bệnh lý như đau khớp xương, suy nhược thần kinh, giảm tuổi thọ, thậm chí tử vong.
Có lẽ, việc lựa chọn hay không nguồn năng lượng phân hạch nguồn hạt nhân cho tương lai là một vấn đề khá đau đầu . Năng lượng phân hạch hạt nhân, một mặt dường như khá ưu việt vì có thể tạo nên một nguồn năng lượng lớn, ít ô nhiễm, không phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính; nhưng mặt khác, nó tồn tại những vấn đề môi trường mà cho đến nay chúng ta vẫn chưa thể giải quyết triệt để được . Đó là chưa kể đến việc người ta đã lợi dụng nó để chế tạo vũ khí hạt nhân, mà tác động của chúng có thể hủy diệt cuộc sống tươi đẹp của hành tinh này.
2.2 Sự tổng hợp hạt nhân (Fusion)
Nếu chế ngự được phản ứng tổng họp hạt nhân thì những phản ứng này sẽ mang lại cho con người một nguồn năng lượng khổng lồ gần như vô tận, sạch, không ô nhiễm (nhiên liệu nhiệt hạch dự trữ là các đơtêri hiện hữu vô số trong đại dương. Mỗi lít nước biển chứa 0,03 g đơtêri, có năng lượng tương đương 300 lít xăng).
H(2-1) + H (2-1) ----> nơtron (1-0) + He (3-2)
Phản ứng xảy ra dưới điều kiện 400 triệu độ
(H(2-1) : đồng vị nặng của H)
Ngoài phản ứng xảy ra trong điều kiện 400 triệu độ như trên (giữa hai đồng vị H (2-1) ) còn có phản ứng sau (giữa đồng vị H(2-1) và H(3-1):
H(2-1) + H(3-1) ----> nơtron (1-0) + He (4-2)
Phản ứng xảy ra ở 45 triệu độ
Khó khăn ở chỗ, để có thể kết hợp hai hạt nhân nhẹ, phải cho chúng va vào nhau với một năng lượng rất lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa chúng. Cần phải có một gia tốc rất mạnh đưa chúng lại gần nhau đủ để các lực hạt nhân (lực hút có tầm rất ngắn) có thể bắt đầu tác dụng và thắng lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu . Điều này dễ thực hiện khi dùng các thiết bị gia tốc hạt nhân và tạo nên một số ít phản ứng. Nhưng sẽ khó khăn hơn nhiều nếu ta muốn đốt cháy cả một khối lượng lớn hạt nhân.
Một phương pháp có thể sử dụng là nung nóng khối lượng ấy lên tới một nhiệt độ sao cho các động năng trung bình của chuyển động các nguyên tử lớn như trong các máy gia tốc. Ngưỡng năng lượng của các phản ứng ấy phải đạt đến hàng trăm triệu độ như phản ứng tổng hợp hạt nhân trên mặt trời và các ngôi sao.
Thực tế, người ta đã thực hiện được phản ứng tổng hợp không kiểm soát- đó chính là việc chế tạo bom hydro (bom khinh khí) mà sức phá hủy của nó còn ghê gớm hơn nhiều so với bom nguyên tử (bom A : atom bomb). Bom A được dùng làm mồi, tạo ra nhiệt độ lớn để cho phản ứng tổng hợp xảy ra và nhân lên đáng kể trong bom H.
Hơn nửa thế kỷ nay, người ta đã đầu tư biết bao công sức, tiền bạc tìm cách chinh phục kiểm soát phản ứng nhiệt hạch để sản xuất điện năng. Các nghiên cứu về nó dù khá tốn kém vẫn đang được tiến hành ở một số nước, nhất là ở Đức, Nhật, Nga, Mỹ. cái đích vẫn còn ở phía trước, tuy nhiên con người cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực hạt nhân này. Ví dụ như máy bẫy từ TOKAMAK hoạt động trên nguyên tắc động cơ "plasma'' và gần đây, người ta đã nghiên cứu khả năng sử dụng tia laser có công suất lớn để nung nóng một thể tích rất nhỏ của plasma đến nhiệt độ nhiệt hạch.
3. Năng lượng mặt trời (Solar energy)
Năng lượng khổng lồ của mặt trời được sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch trong nhân, ở nhiệt độ lên đến 15 triệu độ :
4 H (1-1) ----> He (4-2) + 2 positron + 2 neutrino + 2 photon gamma
Mỗi giây, mặt trời thiêu hủy khoảng 700 triệu tấn Hydro thành "tro" Heli, biến thành năng lượng và mặt trời nhẹ đi chút ít. Đến nay, phản ứng nhiệt hạch đã tiêu thụ khoảng 50% lượng Hydro trong nhân. Mặt trời đã tồn tại cách đây 4-5 tỉ năm và vì thế, nó sẽ còn tỏa sáng thêm khoảng 5 tỷ năm nữa, trước khi nguyên tử Hydro cuối cùng biến thành năng lượng.
Phần lớn năng lượng mặt trời bị phân tán vào vũ trụ, chỉ một phần rất nhỏ của nó đến được trái đất, nhưng "lượng nhỏ" đó cũng đã lên đến 1,73.(10 lũy thừa mũ 14) Kw !
Cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) thay đổi theo vĩ độ, mùa, giờ trong ngày và độ mây che phủ.
-Vùng vĩ độ thấp, gần xích đạo, nhận được nhiều bức xạ mặt trời hơn vùng vĩ độ cao, gần hai cực.
-BXMT mùa hè nhiều hơn mùa đông.
-BXMT có cường độ cao vào buổi trưa và thấp hơn vào bình minh hay hoàng hôn.
-Mây hấp thu một ít NLMT, vì vậy làm giảm cường độ bức xạ.
Các công nghệ NLMT hiện nay vẫn chưa phổ biến rộng rãi, phần lớn vì chi phí ban đầu cho việc chuyển hóa năng lượng còn cao và hiệu suất thu thập còn thấp. Tuy nhiên, sử dụng NLMT về lâu dài sẽ kinh tế và sự tiên bộ của KHKT đang ngày càng nâng cao hiệu suất thu thập NLMT.
Một nguồn năng lượng lý tưởng, không ô nhiễm, sẵn có khắp mọi nơi và gần như vô tận. Năng lượng mặt trời sẽ ngày càng quan trọng trong tương lai.
NLMT được sử dụng theo 2 hướng chính: sưởi ấm nhà cửa bằng hiệu ứng nhà kính và phát điện.
(1) Sưởi ấm :
Không khí bên trong nhà kính giữ ấm hơn không khí bên ngoài suốt những tháng đông lạnh. Dạng làm ấm này một phần nhờ vật liệu (thủy tinh ) bao phủ bên ngoài. Lớp kính trong suốt đối với những ánh sáng thấy được nhưng không cho bức xạ nhiệt (hồng ngoại) truyền qua. Vì bức xạ hồng ngoại không thể xuyên qua kính, nhiệt không thoát ra được, không khí bên trong liên tục ấm dần.
a. Hệ thống sưởi ấm thụ động (Passive solar heating : PSH) :
Ở hệ thống này, NLMT sưỏi ấm nhà ở không cần bơm hay quạt để phân phối nhiệt thu được. Một số đặc trưng thiết kế được dùng trong hệ thống để sưởi ấm nhà ở vào mùa thu đông và giúp chúng giữ mát vào mùa hè.
Ví dụ như, ở Bắc Bán Cầu, các cửa sổ lớn hơn đối mặt về hướng Nam nhận được nhiều ánh sáng trong ngày hơn các hướng khác. Ánh sáng mặt trời đi xuyên qua cửa sổ, nhiệt được giữ lại trong sàn, tường, bể chứa nước... Nhiệt này có thể lưu chuyển suốt căn nhà một cách tự nhiên nhờ đối lưu (dòng tuần hoàn do không khí nóng bay lên và không khí lạnh chìm xuống). Các nhà ở với hệ thống PSH phải được cách nhiệt tốt để nhiệt tích tụ không bị mất mát.
b. Hệ thống sưởi ấm chủ động (Active Solar Heating : ASH) :
Ở hệ thống này, một loạt các thiết bị (thường đặt trên mái nhà) được dùng để thu thập NLMT. Thiết bị thu thập phổ biến nhất là một panel mặt trời phẳng hay một tấm kim loại đen trong một hộp cách nhiệt. Nhiệt hấp thụ truyền cho chất lỏng hoặc không khí bên trong panel. Sau đó các chất lỏng hay khí này được bơm vào bồn dự trữ thường đặt ở tầng hầm. Mặc dù hệ thống này có thể dùng để sưởi ấm không gian nhà ở hay dùng để làm nóng nước nhưng nó đặc biệt hiệu quả đối với công dụng thứ hai (đun nóng nước).
Điều hòa không khí bằng NLMT (solar air conditioning) mặc dù khả thi về mặt kỹ thuật nhưng còn đắt đỏ và vì vậy chưa phổ biến trên thị trường cho các hộ gia đình.
(2) Phát điện :
a. Phát điện từ nhiệt mặt trời: (Solar Thermal Electric Generation) có một số hệ thống khác nhau sử dụng nhiệt mặt trời để phát điện.
Nguyên tắc chung, chúng tập trung ánh sáng mặt trời để tạo nên nhiệt độ cao.
-Hệ thống dạng máng gương: điều khiển bằng máy vi tính, có thể quay theo mặt trời để đạt hiệu quả tối ưu. Chúng tập trung ánh sáng vào những ống chứa đầy dầu, đun nóng dầu lên đến 390 độ C. Dầu nóng được lưu chuyển đến hệ thống trữ nước và đun nóng nước thành hơi quá nhiệt làm quay máy phát điện (ngoài ra, hơi quá nhiệt còn có thể được ứng dụng trong các quy trình công nghệ kỹ thuật khác hay đẻ khử mặn v.v...). Dạng này cần một hệ thống dự bị (backup system) thường là khí thiên nhiên để phát điện vào buổi tối hay suốt những ngày nhiều mây. Một hệ thống nhiệt mặt trời lớn dạng máng gương này đang hoạt động ở sa mạc Mojave, Nam California.
-Hệ thống nhiệt mặt trời dạng đĩa: ở White Cliffs, bang New South Wales, Úc, sử dụng các đĩa có hình dạng giống như chảo parabol vô tuyến, phản xạ năng lượng vào một tâm điểm, làm cho nước đi qua tâm điểm biến thành hơi, quay tuabin chạy máy phát điện. Một computer điều khiển hướng các đĩa quay về phía mặt trời. Thiết kế tiến bộ này có vẻ hiệu quả hơn trong mùa đông và ở những vĩ độ cao. Nó tạo ra nhiệt độ cao đến 1500 độ C (so sánh với 390 độ C ở hệ thống máng gương).
-Tháp năng lượng mặt trời là một hệ thống khác gồm một tòa nhà cao hay một cái tháp được bao quanh bởi vô số gương. Các gương được điều khiển bằng Computer chuyển động theo hướng mặt trời, tập trung bức xạ vào một trung tâm thu nhận ở đỉnh tháp. Ở đó, chất lỏng tuần hoàn (muối nóng chảy) được đun nóng để tạo ra hơi nước phát điện. Do muối chảy giữ nhiệt nên một phần nhiẹt có thể giữ được để phát điện vào ban đêm. Các tháp mặt trời đang thử nghiệm ở Mỹ, một số nước Châu Âu và Nhật Bản.
b. Pin mặt trời : (Tế bào quang điện mặt trời)
Có thể chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tế bào quang điện (Photovoltaic Solar Cells : PVs) dạng tấm phim mỏng bằng tinh thể silicon, phát điện khi hấp thu năng lượng mặt trời (hiện tượng quang điện). Các PVs được xếp trên những panel lớn.
Công nghệ PVs hiện tại (cũng được dùng để cung cấp năng lượng cho vệ tinh, đồng hồ, máy tính bỏ túi...) có một số hạn chế, cản trở việc ứng dụng rộng rãi nó để phát điện. Bởi vì, PVs chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất không cao, mặc dù hiệu suất đã cải thiện nhiều so với các thập kỷ trước. Bất lợi khác là chi phí sản xuất PVs để phát điện khá đắt và lượng panel mặt trời dùng trên quy mô lớn đòi hỏi diện tích vùng đất lớn. Mặt tích cực, PVs phát điện không gây ô nhiễm và ít phải bảo quản, chu cấp.
Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể nhưng khả năng dùng các PVs để phát điện trên quy mô lớn xem ra vẫn còn khó thực hiện. Đơn giản vì chúng ta không đủ không gian. Với hiệu suất như hiện nay, cần phải có hàng ngàn mẫu (đơn vị diện tích) panel hấp thu NLMT để sản xuất ra lượng điện năng bằng vói lượng sản xuất từ một nhà máy điện thông thường.
Tuy nhiên, dùng PVs cho quy mô nhỏ lại khá khả quan., nhất là đối với các vùng thôn quê xa xôi ở những nước đang phát triển, sẽ kinh tế hơn là kéo dây điện về. Cho đến năm 1995, ước tính đã có 250.000 hộ gia đình ở các nước đang phát triển thuộc Châu Á, Mỹ Latinh và châu Phi đã cài đặt trên mái nhà của họ (dưới sự trợ giúp của các tổ chức quốc tế), cung cấp điện năng để thắp sáng, xay bột, bơm nước...
Solar Hydrogen :
Điện mặt trời tạo ra từ hiện tượng quang điện có thể dùng để tách nước thành khí oxy và hydro. Hydro cũng có thể sinh ra từ các nguồn năng lượng thông thường như nhiên liệu hóa thạch (hóa khí than) nhưng lại gặp các vấn đề môi trường liên quan. Vì lẽ đó, chúng ta giới hạn đề cập nhiên liệu Hydrogen sản xuất từ điện mặt trời.
Hydrogen là một nhiên liệu sạch, nó cháy tạo ra nước và nhiệt, không có SO2, CO hay CO2.. Nó có sinh ra một số Nitơ oxit nhưng với lượng rất nhỏ. Hydrogen có thể cung cấp năng lượng cho vận chuyển (dưới dạng các ôtô chạy điện dùng Hydrogen) cũng như sưởi ấm nhà ở và phát điện. Chú ý, Hydro là khí dễ cháy, đôi khi có thể gây nổ.
Có vẻ như thật lãng phí khi dùng NLMT để sản xuất Hydro rồi sau đó lại dùng Hydro để làm nhiên liệu phát điện phải không. Thế nhưng, thực ra thì chúng ta biết rằng, điện năng sinh ra từ PVs không thể lưu trữ lâu được, nó phải được sử dụng ngay lập tức. Do đó, giải pháp "Hydro" đã đưa ra một phương thức tiện lợi để lưu trữ NLMT ở dạng hóa năng. Dạng nhiên liệu Hydro này có thể vận chuyển bằng đường ống dẫn.
Hồ mặt trời (Solar Ponds)
Nước hấp thu NLMT nên có thể xây hồ nhân tạo để thu NLMT. Hồ MT thường được đào sâu từ 1 đến vài mét và lót mặt trong bằng plastic đen. Nhiệt độ dưới đáy hồ có thể lên đến 100 độ C trong khi nước trên bề mặt vẫn giữ ở nhiệt độ không khí.
Ở điều kiện bình thường, nước nóng dâng lên trên mặt do nó có tỷ trọng nhỏ hơn nước lạnh. Tuy nhiên, nước ở đáy hồ mặt trời tỷ trọng nặng hơn nước bề mặt do sự hiẹn diện của muối. Vì vậy ít có sự hòa trộn xuất hiện giữa các lơp nước.
Một vấn đề liên quan đến hồ mặt trời là lượng đất nó cần khá lớn và mối nhiễm mặn tiềm tàng, nếu như nước lợ trong hồ rò rỉ ra xung quanh.
Sử dụng hồ mặt trời vẫn còn đang ở giai đoạn thử nghiệm. Ở Israel, người ta thử nghiệm một nhà máy nhỏ phát điện từ một hồ mặt trời chứa nước mặn của Biển Chết.
4 H (1-1) ----> He (4-2) + 2 positron + 2 neutrino + 2 photon gamma
Mỗi giây, mặt trời thiêu hủy khoảng 700 triệu tấn Hydro thành "tro" Heli, biến thành năng lượng và mặt trời nhẹ đi chút ít. Đến nay, phản ứng nhiệt hạch đã tiêu thụ khoảng 50% lượng Hydro trong nhân. Mặt trời đã tồn tại cách đây 4-5 tỉ năm và vì thế, nó sẽ còn tỏa sáng thêm khoảng 5 tỷ năm nữa, trước khi nguyên tử Hydro cuối cùng biến thành năng lượng.
Phần lớn năng lượng mặt trời bị phân tán vào vũ trụ, chỉ một phần rất nhỏ của nó đến được trái đất, nhưng "lượng nhỏ" đó cũng đã lên đến 1,73.(10 lũy thừa mũ 14) Kw !
Cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) thay đổi theo vĩ độ, mùa, giờ trong ngày và độ mây che phủ.
-Vùng vĩ độ thấp, gần xích đạo, nhận được nhiều bức xạ mặt trời hơn vùng vĩ độ cao, gần hai cực.
-BXMT mùa hè nhiều hơn mùa đông.
-BXMT có cường độ cao vào buổi trưa và thấp hơn vào bình minh hay hoàng hôn.
-Mây hấp thu một ít NLMT, vì vậy làm giảm cường độ bức xạ.
Các công nghệ NLMT hiện nay vẫn chưa phổ biến rộng rãi, phần lớn vì chi phí ban đầu cho việc chuyển hóa năng lượng còn cao và hiệu suất thu thập còn thấp. Tuy nhiên, sử dụng NLMT về lâu dài sẽ kinh tế và sự tiên bộ của KHKT đang ngày càng nâng cao hiệu suất thu thập NLMT.
Một nguồn năng lượng lý tưởng, không ô nhiễm, sẵn có khắp mọi nơi và gần như vô tận. Năng lượng mặt trời sẽ ngày càng quan trọng trong tương lai.
NLMT được sử dụng theo 2 hướng chính: sưởi ấm nhà cửa bằng hiệu ứng nhà kính và phát điện.
(1) Sưởi ấm :
Không khí bên trong nhà kính giữ ấm hơn không khí bên ngoài suốt những tháng đông lạnh. Dạng làm ấm này một phần nhờ vật liệu (thủy tinh ) bao phủ bên ngoài. Lớp kính trong suốt đối với những ánh sáng thấy được nhưng không cho bức xạ nhiệt (hồng ngoại) truyền qua. Vì bức xạ hồng ngoại không thể xuyên qua kính, nhiệt không thoát ra được, không khí bên trong liên tục ấm dần.
a. Hệ thống sưởi ấm thụ động (Passive solar heating : PSH) :
Ở hệ thống này, NLMT sưỏi ấm nhà ở không cần bơm hay quạt để phân phối nhiệt thu được. Một số đặc trưng thiết kế được dùng trong hệ thống để sưởi ấm nhà ở vào mùa thu đông và giúp chúng giữ mát vào mùa hè.
Ví dụ như, ở Bắc Bán Cầu, các cửa sổ lớn hơn đối mặt về hướng Nam nhận được nhiều ánh sáng trong ngày hơn các hướng khác. Ánh sáng mặt trời đi xuyên qua cửa sổ, nhiệt được giữ lại trong sàn, tường, bể chứa nước... Nhiệt này có thể lưu chuyển suốt căn nhà một cách tự nhiên nhờ đối lưu (dòng tuần hoàn do không khí nóng bay lên và không khí lạnh chìm xuống). Các nhà ở với hệ thống PSH phải được cách nhiệt tốt để nhiệt tích tụ không bị mất mát.
b. Hệ thống sưởi ấm chủ động (Active Solar Heating : ASH) :
Ở hệ thống này, một loạt các thiết bị (thường đặt trên mái nhà) được dùng để thu thập NLMT. Thiết bị thu thập phổ biến nhất là một panel mặt trời phẳng hay một tấm kim loại đen trong một hộp cách nhiệt. Nhiệt hấp thụ truyền cho chất lỏng hoặc không khí bên trong panel. Sau đó các chất lỏng hay khí này được bơm vào bồn dự trữ thường đặt ở tầng hầm. Mặc dù hệ thống này có thể dùng để sưởi ấm không gian nhà ở hay dùng để làm nóng nước nhưng nó đặc biệt hiệu quả đối với công dụng thứ hai (đun nóng nước).
Điều hòa không khí bằng NLMT (solar air conditioning) mặc dù khả thi về mặt kỹ thuật nhưng còn đắt đỏ và vì vậy chưa phổ biến trên thị trường cho các hộ gia đình.
(2) Phát điện :
a. Phát điện từ nhiệt mặt trời: (Solar Thermal Electric Generation) có một số hệ thống khác nhau sử dụng nhiệt mặt trời để phát điện.
Nguyên tắc chung, chúng tập trung ánh sáng mặt trời để tạo nên nhiệt độ cao.
-Hệ thống dạng máng gương: điều khiển bằng máy vi tính, có thể quay theo mặt trời để đạt hiệu quả tối ưu. Chúng tập trung ánh sáng vào những ống chứa đầy dầu, đun nóng dầu lên đến 390 độ C. Dầu nóng được lưu chuyển đến hệ thống trữ nước và đun nóng nước thành hơi quá nhiệt làm quay máy phát điện (ngoài ra, hơi quá nhiệt còn có thể được ứng dụng trong các quy trình công nghệ kỹ thuật khác hay đẻ khử mặn v.v...). Dạng này cần một hệ thống dự bị (backup system) thường là khí thiên nhiên để phát điện vào buổi tối hay suốt những ngày nhiều mây. Một hệ thống nhiệt mặt trời lớn dạng máng gương này đang hoạt động ở sa mạc Mojave, Nam California.
-Hệ thống nhiệt mặt trời dạng đĩa: ở White Cliffs, bang New South Wales, Úc, sử dụng các đĩa có hình dạng giống như chảo parabol vô tuyến, phản xạ năng lượng vào một tâm điểm, làm cho nước đi qua tâm điểm biến thành hơi, quay tuabin chạy máy phát điện. Một computer điều khiển hướng các đĩa quay về phía mặt trời. Thiết kế tiến bộ này có vẻ hiệu quả hơn trong mùa đông và ở những vĩ độ cao. Nó tạo ra nhiệt độ cao đến 1500 độ C (so sánh với 390 độ C ở hệ thống máng gương).
-Tháp năng lượng mặt trời là một hệ thống khác gồm một tòa nhà cao hay một cái tháp được bao quanh bởi vô số gương. Các gương được điều khiển bằng Computer chuyển động theo hướng mặt trời, tập trung bức xạ vào một trung tâm thu nhận ở đỉnh tháp. Ở đó, chất lỏng tuần hoàn (muối nóng chảy) được đun nóng để tạo ra hơi nước phát điện. Do muối chảy giữ nhiệt nên một phần nhiẹt có thể giữ được để phát điện vào ban đêm. Các tháp mặt trời đang thử nghiệm ở Mỹ, một số nước Châu Âu và Nhật Bản.
b. Pin mặt trời : (Tế bào quang điện mặt trời)
Có thể chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tế bào quang điện (Photovoltaic Solar Cells : PVs) dạng tấm phim mỏng bằng tinh thể silicon, phát điện khi hấp thu năng lượng mặt trời (hiện tượng quang điện). Các PVs được xếp trên những panel lớn.
Công nghệ PVs hiện tại (cũng được dùng để cung cấp năng lượng cho vệ tinh, đồng hồ, máy tính bỏ túi...) có một số hạn chế, cản trở việc ứng dụng rộng rãi nó để phát điện. Bởi vì, PVs chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất không cao, mặc dù hiệu suất đã cải thiện nhiều so với các thập kỷ trước. Bất lợi khác là chi phí sản xuất PVs để phát điện khá đắt và lượng panel mặt trời dùng trên quy mô lớn đòi hỏi diện tích vùng đất lớn. Mặt tích cực, PVs phát điện không gây ô nhiễm và ít phải bảo quản, chu cấp.
Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể nhưng khả năng dùng các PVs để phát điện trên quy mô lớn xem ra vẫn còn khó thực hiện. Đơn giản vì chúng ta không đủ không gian. Với hiệu suất như hiện nay, cần phải có hàng ngàn mẫu (đơn vị diện tích) panel hấp thu NLMT để sản xuất ra lượng điện năng bằng vói lượng sản xuất từ một nhà máy điện thông thường.
Tuy nhiên, dùng PVs cho quy mô nhỏ lại khá khả quan., nhất là đối với các vùng thôn quê xa xôi ở những nước đang phát triển, sẽ kinh tế hơn là kéo dây điện về. Cho đến năm 1995, ước tính đã có 250.000 hộ gia đình ở các nước đang phát triển thuộc Châu Á, Mỹ Latinh và châu Phi đã cài đặt trên mái nhà của họ (dưới sự trợ giúp của các tổ chức quốc tế), cung cấp điện năng để thắp sáng, xay bột, bơm nước...
Solar Hydrogen :
Điện mặt trời tạo ra từ hiện tượng quang điện có thể dùng để tách nước thành khí oxy và hydro. Hydro cũng có thể sinh ra từ các nguồn năng lượng thông thường như nhiên liệu hóa thạch (hóa khí than) nhưng lại gặp các vấn đề môi trường liên quan. Vì lẽ đó, chúng ta giới hạn đề cập nhiên liệu Hydrogen sản xuất từ điện mặt trời.
Hydrogen là một nhiên liệu sạch, nó cháy tạo ra nước và nhiệt, không có SO2, CO hay CO2.. Nó có sinh ra một số Nitơ oxit nhưng với lượng rất nhỏ. Hydrogen có thể cung cấp năng lượng cho vận chuyển (dưới dạng các ôtô chạy điện dùng Hydrogen) cũng như sưởi ấm nhà ở và phát điện. Chú ý, Hydro là khí dễ cháy, đôi khi có thể gây nổ.
Có vẻ như thật lãng phí khi dùng NLMT để sản xuất Hydro rồi sau đó lại dùng Hydro để làm nhiên liệu phát điện phải không. Thế nhưng, thực ra thì chúng ta biết rằng, điện năng sinh ra từ PVs không thể lưu trữ lâu được, nó phải được sử dụng ngay lập tức. Do đó, giải pháp "Hydro" đã đưa ra một phương thức tiện lợi để lưu trữ NLMT ở dạng hóa năng. Dạng nhiên liệu Hydro này có thể vận chuyển bằng đường ống dẫn.
Hồ mặt trời (Solar Ponds)
Nước hấp thu NLMT nên có thể xây hồ nhân tạo để thu NLMT. Hồ MT thường được đào sâu từ 1 đến vài mét và lót mặt trong bằng plastic đen. Nhiệt độ dưới đáy hồ có thể lên đến 100 độ C trong khi nước trên bề mặt vẫn giữ ở nhiệt độ không khí.
Ở điều kiện bình thường, nước nóng dâng lên trên mặt do nó có tỷ trọng nhỏ hơn nước lạnh. Tuy nhiên, nước ở đáy hồ mặt trời tỷ trọng nặng hơn nước bề mặt do sự hiẹn diện của muối. Vì vậy ít có sự hòa trộn xuất hiện giữa các lơp nước.
Một vấn đề liên quan đến hồ mặt trời là lượng đất nó cần khá lớn và mối nhiễm mặn tiềm tàng, nếu như nước lợ trong hồ rò rỉ ra xung quanh.
Sử dụng hồ mặt trời vẫn còn đang ở giai đoạn thử nghiệm. Ở Israel, người ta thử nghiệm một nhà máy nhỏ phát điện từ một hồ mặt trời chứa nước mặn của Biển Chết.
4.Năng lượng sinh khối (Biomass Energy)
Sinh khối chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng từ mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp. Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp v..v..), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ v.v...), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ các trại chăn nuôi gia súc và gia cầm.
Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí... được đốt để phóng thích năng lượng. Sinh khối, đặc biệt là gỗ, than gỗ (charcoal) cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới. Ít nhất một nửa dân số thế giới dựa trên nguồn năng lượng chính từ sinh khối. Con người đã sử dụng chúng để sưởi ấm và nấu ăn cách đây hàng ngàn năm. Hiện nay, gỗ vẫn được sử dụng làm nhiên liệu phổ biến ở các nước đang phát triển.
Sinh khối cũng có thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như mêtanol, êtanol dùng trong các động cơ đốt trong; hay thành dạng khí sinh học (biogas) ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình.
Ich lợi của năng lượng sinh khối
(1) Lợi ích kinh tế
-Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển NLSK, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch...)
-Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng.v.v..
-Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu.
(2) Lợi ích môi trường :
Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn cho môi trường .
-NLSK có thể tái sinh được.
-NLSK tận dụng chất thải làm nhiên liệu. Do đó nó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích.
Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng mức S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than bitum. Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy, sinh khối lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển.
Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp v..v...
Tuy nhiên, ta cần lưu ý rằng, nếu tăng cường sử dụng gỗ như một nguồn nhiên liệu sinh khối thì sẽ gây những tác động tiêu cực đến môi trường. Khai thác gỗ dẫn đến phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa và những hậu quả nghiêm trọng khác. NLSK có nhiều dạng, và những ích lợi kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối mang tính tái sinh, tận dụng từ phế thải nông lâm nghiệp.
Ethanol từ sinh khối
Ethanol được sản xuất từ sự chuyển hóa tinh bột trong các nguyên liệu sinh khối (bắp, khoai tây, mía..) thành rượu. Quá trình lên men tương tự như quá trình sản xuất nước giải khát chứa cồn. Chú ý, bât lợi chính của các nhiên liệu alcohol (metanol, etanol...) là dù chúng được sản xuất từ sinh khối, khí than...thì 30-40% năng lượng trong nhiên liệu ban đầu đã bị mất đi cho quá trình chuyển hóa alcohol.Các tính toán cho thấy, việc sản xuất alcohol từ hoa màu tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình trồng trọt, thu hoạch...Vì vậy, nhiên liệu alcohol sản xuất từ hoa màu không kinh tế.
Hiện nay có một quá trình sản xuất etanol sử dụng phần cellulose trong các sinh khối như cây, cỏ và phế thải nông nghiệp. Cellulose là một dạng hydrocacbon khác cũng có thể phân hủy thành các đường đơn. Quá trình này còn tương đối mới và chưa phổ biến rộng rãi trên thị trường nhưng cho thấy tiềm năng khá lớn nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu rẻ tiền và dồi dào trên.
Sử dụng etanol, thậm chí với mức hòa trộn thấp (ví dụ E10 : 10% etanol, 90% xăng), cũng có thể đem lại những ích lợi cho môi trường (Etanol dễ phân hủy sinh học hơn xăng).E10sinh ra ít CO, SO2, CO2 hơn xăng. Tuy nhiên E10 sinh ra nhiều chất hữu cơ bay hơi và NOx hơn. Ở mức hòa trộn cao hơn (E85, 15% xăng), hay thậm chí E100 (100% etanol) nhiên liệu cháy với sự giảm gần như tất cả các chất ô nhiễm kể trên. Điều cần lưu ý duy nhất khi sử dụng mức etanol hòa trộn cao (ETBE :ethanol-based oxygenate) là nồng độ các acetaldehydes. Tuy nhiên, điều này có thể khống chế được nhờ bộ lọc khói thải trong xe hơi (catalytic converter).
Ethanol bay hơi kém hơn xăng nên, giống như metanol, nó khó khởi động khi trời lạnh, và vấn đề hiệu suất năng lượng thấp có thể khắc phục nhờ những thiết kế động cơ thích hợp và sự hòa trộn với xăng như trên.
Biogas
Được mệnh danh là "cuộc cách mạng nâu" trong lĩnh vực năng lượng mới (The Brown Revolution), Biogas hiện nay được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt ở các nước đang phát triển có khí hậu nhiệt đới (Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Nepal, Kenia, Thái Lan, Việt Nam...) thích hợp cho quá trình lên men kỵ khí các chất thải hữu cơ để tạo khí sinh học.
Biogas cháy với ngọn lửa xanh, không sinh khói, nhiệt độ và nhiệt lượng cao (1 mét khối khí cháy phát ra nhiệt 4700-5900 kcal tùy theo hàm lượng CH4 (mêtan); mà hàm lượng CH4 lại ohụ thuộc vào nguyên liệu ủ).
Biogas sử dụng nguyên liệu đa dạng, thường là tận dụng các chất thải, phế thải, phế phẩm trong nông lâm ngư nghiệp . Quy mô gia đình thường sử dụng phân gia súc, quy mô lớn hơn có thể phát triển sử dụng các loại rác đô thị và rác công nghiệp làm nguyên liệu. (VD : Nhà máy Biogas ở Tilburg (Ấn Độ) khai thác nguyên liệu từ rác thải của các thành phố lớn). Ở Việt Nam ta cũng có những đề tài nghiên cứu sản xuất Biogas từ việc ứng dụng mô hình bể lọc kỵ khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) để xử lý nước thải của những ngành công nghiệp giàu chất hữu cơ (nước thải nhà máy chế biến thực phẩm, đường, rượu...) trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Sản xuất mêtan sinh học từ chất thải lưu giữ cơ chất trong thời gian dài (ủ nhiều tuần lễ) ở điều kiện kỵ khí nên làm giảm đến 90% ký sinh trùng gây bệnh, khử được mùi khó chịu. Do đó, vấn đề vệ sinh môi trường được cải thiện.
Không chỉ xử lý chất thải hữu cơ, làm sạch môi trường, phát triển Biogas còn cung cấp bã thải là phân bón có giá trị cao cho nông nghiệp, tăng độ phì cho đất.
Trở lại với vai trò năng lượng, việc sản xuất khí mêtan sinh học có thể tự đáp ứng đủ nhu cầu chất đốt, kể cả điện khí hóa ở các vùng nông thôn. Bigas cũng góp phần làm giảm nạn phá rừng ở các nước đang phát triển, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Các hầm ủ Biogas có thể xây dựng với công suất bất kỳ, vốn đầu tư nhỏ, nguyên liệu sẵn có nên nó khá phù hợp với nền kinh tế các nước đang phát triển. Người ta sử dụng năng lượng Biogas để đun nấu, thắp sáng, chạy máy...Biogas thực sự đem lại cuộc sống văn minh, tiện nghi hơn cho nông thôn.
Với hàng loạt những lợi ích về kinh tế - xã hội và môi trường trên, Biogas hứa hẹn tiềm năng to lớn trong việc góp phần giải quyết vấn đề chất đốt sinh hoạt hiện nay.
Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí... được đốt để phóng thích năng lượng. Sinh khối, đặc biệt là gỗ, than gỗ (charcoal) cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới. Ít nhất một nửa dân số thế giới dựa trên nguồn năng lượng chính từ sinh khối. Con người đã sử dụng chúng để sưởi ấm và nấu ăn cách đây hàng ngàn năm. Hiện nay, gỗ vẫn được sử dụng làm nhiên liệu phổ biến ở các nước đang phát triển.
Sinh khối cũng có thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như mêtanol, êtanol dùng trong các động cơ đốt trong; hay thành dạng khí sinh học (biogas) ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình.
Ich lợi của năng lượng sinh khối
(1) Lợi ích kinh tế
-Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển NLSK, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch...)
-Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng.v.v..
-Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu.
(2) Lợi ích môi trường :
Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn cho môi trường .
-NLSK có thể tái sinh được.
-NLSK tận dụng chất thải làm nhiên liệu. Do đó nó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích.
Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng mức S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than bitum. Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy, sinh khối lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển.
Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp v..v...
Tuy nhiên, ta cần lưu ý rằng, nếu tăng cường sử dụng gỗ như một nguồn nhiên liệu sinh khối thì sẽ gây những tác động tiêu cực đến môi trường. Khai thác gỗ dẫn đến phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa và những hậu quả nghiêm trọng khác. NLSK có nhiều dạng, và những ích lợi kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối mang tính tái sinh, tận dụng từ phế thải nông lâm nghiệp.
Ethanol từ sinh khối
Ethanol được sản xuất từ sự chuyển hóa tinh bột trong các nguyên liệu sinh khối (bắp, khoai tây, mía..) thành rượu. Quá trình lên men tương tự như quá trình sản xuất nước giải khát chứa cồn. Chú ý, bât lợi chính của các nhiên liệu alcohol (metanol, etanol...) là dù chúng được sản xuất từ sinh khối, khí than...thì 30-40% năng lượng trong nhiên liệu ban đầu đã bị mất đi cho quá trình chuyển hóa alcohol.Các tính toán cho thấy, việc sản xuất alcohol từ hoa màu tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình trồng trọt, thu hoạch...Vì vậy, nhiên liệu alcohol sản xuất từ hoa màu không kinh tế.
Hiện nay có một quá trình sản xuất etanol sử dụng phần cellulose trong các sinh khối như cây, cỏ và phế thải nông nghiệp. Cellulose là một dạng hydrocacbon khác cũng có thể phân hủy thành các đường đơn. Quá trình này còn tương đối mới và chưa phổ biến rộng rãi trên thị trường nhưng cho thấy tiềm năng khá lớn nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu rẻ tiền và dồi dào trên.
Sử dụng etanol, thậm chí với mức hòa trộn thấp (ví dụ E10 : 10% etanol, 90% xăng), cũng có thể đem lại những ích lợi cho môi trường (Etanol dễ phân hủy sinh học hơn xăng).E10sinh ra ít CO, SO2, CO2 hơn xăng. Tuy nhiên E10 sinh ra nhiều chất hữu cơ bay hơi và NOx hơn. Ở mức hòa trộn cao hơn (E85, 15% xăng), hay thậm chí E100 (100% etanol) nhiên liệu cháy với sự giảm gần như tất cả các chất ô nhiễm kể trên. Điều cần lưu ý duy nhất khi sử dụng mức etanol hòa trộn cao (ETBE :ethanol-based oxygenate) là nồng độ các acetaldehydes. Tuy nhiên, điều này có thể khống chế được nhờ bộ lọc khói thải trong xe hơi (catalytic converter).
Ethanol bay hơi kém hơn xăng nên, giống như metanol, nó khó khởi động khi trời lạnh, và vấn đề hiệu suất năng lượng thấp có thể khắc phục nhờ những thiết kế động cơ thích hợp và sự hòa trộn với xăng như trên.
Biogas
Được mệnh danh là "cuộc cách mạng nâu" trong lĩnh vực năng lượng mới (The Brown Revolution), Biogas hiện nay được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt ở các nước đang phát triển có khí hậu nhiệt đới (Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Nepal, Kenia, Thái Lan, Việt Nam...) thích hợp cho quá trình lên men kỵ khí các chất thải hữu cơ để tạo khí sinh học.
Biogas cháy với ngọn lửa xanh, không sinh khói, nhiệt độ và nhiệt lượng cao (1 mét khối khí cháy phát ra nhiệt 4700-5900 kcal tùy theo hàm lượng CH4 (mêtan); mà hàm lượng CH4 lại ohụ thuộc vào nguyên liệu ủ).
Biogas sử dụng nguyên liệu đa dạng, thường là tận dụng các chất thải, phế thải, phế phẩm trong nông lâm ngư nghiệp . Quy mô gia đình thường sử dụng phân gia súc, quy mô lớn hơn có thể phát triển sử dụng các loại rác đô thị và rác công nghiệp làm nguyên liệu. (VD : Nhà máy Biogas ở Tilburg (Ấn Độ) khai thác nguyên liệu từ rác thải của các thành phố lớn). Ở Việt Nam ta cũng có những đề tài nghiên cứu sản xuất Biogas từ việc ứng dụng mô hình bể lọc kỵ khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) để xử lý nước thải của những ngành công nghiệp giàu chất hữu cơ (nước thải nhà máy chế biến thực phẩm, đường, rượu...) trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Sản xuất mêtan sinh học từ chất thải lưu giữ cơ chất trong thời gian dài (ủ nhiều tuần lễ) ở điều kiện kỵ khí nên làm giảm đến 90% ký sinh trùng gây bệnh, khử được mùi khó chịu. Do đó, vấn đề vệ sinh môi trường được cải thiện.
Không chỉ xử lý chất thải hữu cơ, làm sạch môi trường, phát triển Biogas còn cung cấp bã thải là phân bón có giá trị cao cho nông nghiệp, tăng độ phì cho đất.
Trở lại với vai trò năng lượng, việc sản xuất khí mêtan sinh học có thể tự đáp ứng đủ nhu cầu chất đốt, kể cả điện khí hóa ở các vùng nông thôn. Bigas cũng góp phần làm giảm nạn phá rừng ở các nước đang phát triển, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Các hầm ủ Biogas có thể xây dựng với công suất bất kỳ, vốn đầu tư nhỏ, nguyên liệu sẵn có nên nó khá phù hợp với nền kinh tế các nước đang phát triển. Người ta sử dụng năng lượng Biogas để đun nấu, thắp sáng, chạy máy...Biogas thực sự đem lại cuộc sống văn minh, tiện nghi hơn cho nông thôn.
Với hàng loạt những lợi ích về kinh tế - xã hội và môi trường trên, Biogas hứa hẹn tiềm năng to lớn trong việc góp phần giải quyết vấn đề chất đốt sinh hoạt hiện nay.
5. Các nguồn năng lượng khác
5.1 Thủy điện (Hydro power, water power, hydroelectricity)
Năng lượng dòng nước chảy đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm bằng các "bánh xe nước". Ở một số nơi, người ta cũng đã lợi dụng sức nước để vận chuyển gỗ xuống hạ lưu. Ngày nay, người ta nhờ sức nước để chạy máy phát điện (Thế năng của nước ở một độ cao nhất định được giữ lại nhờ đập và chuyển thành động năng khi nước chảy qua rãnh tràn (spill way), làm quay tuabin, phát ra điện. Nước là nguồn tài nguyên phục hồi được và thủy điện là nguồn năng lượng tương đối sạch và rẻ.
Hiện nay, thủy điện chiếm 6-7% sản lượng điện trên thế giới. Các nước phát triển đã xây dựng đập thủy điện ở hầu hết các vị trí có thể. Thụy Sĩ, Nhật, Canada, Pháp...tiềm lực thủy năng đã cạn. Châu Phi và nam Mỹ có tiềm năng thủy điện lớn nhất nhưng mới chỉ phát triển khoảng 1%.
Thủy điện và môi trường
Tuy thủy điện là nguồn năng lượng tương đối sạch và rẻ nhưng việc đắp đập ngăn sông xây dựng hồ chứa có thể tác động tiêu cực đến môi trường.
Đập làm thay đổi dòng chảy tự nhiên của con sông, có thể gây ngập trên diện rộng, phá hủy nơi cư trú của động thực vật, ảnh hưởng đến vẻ đẹp cảnh quan xung quanh. Môi trường nước và đất dưới đập biến đổi theo hướng xấu đi, mặn hóa, chua hóa tăng. Dòng sau đập chỉ còn chảy từ từ, sông không còn lưu thông dễ dàng như trước : độ phì, độ bẩn, kim loại nặng và các chất độc tích tụ, hàm lượng oxy hòa tan giảm, đa dạng sinh học giảm.
Nếu vỡ đập thì dân cư và tài sản dưới hạ lưu sẽ rất nguy hiểm. Thêm vào đó, các bệnh có nguồn gốc từ nước như schistomiasis có thể lan truyền trong dân cư địa phương. Schitomiasis là một bệnh nhiệt đới, gây bởi trùng ký sinh hủy hoại gan, hệ tiết niệu, hệ thần kinh và phổi.
Xây dựng đập tốn kém ban đầu nhưng vận hành thì rẻ. Đập nước tạo thành các hồ chứa nhân tạo nhưng tuổi thọ của hồ có giới hạn, thường 50-200 năm, do với thời gian, bể chứa phủ đầy phù sa tích tụ cho đến khi nó không thể giữ đủ nước để phát điện. Đập giữ phù sa, do đó ngăn trở sự bồi đắp màu mỡ cho các vùng đất nông nghiệp dưới hạ lưu. Dần dần, năng suất nông nghiệp ở vùng cửa sông giảm. Vd như đập Aswan ở Ai Cập, sản lượng cá, tôm giảm, nước mặn từ Địa Trung Hải tràn vào vùng châu thổ sông Nile làm mặn hóa. Vì thế mà Ai Cập ngày nay dựa chủ yếu trên phân hóa học để duy trì độ màu mỡ cho vùng châu thổ sông Nile.
5.2 Địa nhiệt (Geothermal Energy)
(Tài liệu phần này được tổng hợp từ "Địa chất cơ sở" và "Environment")
Địa nhiệt nói chung là nhiệt bên trong trái đất, có hai nguồn chính :
(1) Nguồn nhiệt khổng lồ từ nhân nóng chảy, đưa lên bề mặt qua sự phun trào núi lửa. Nguồn nhiệt này rất lớn nhưng con người không thể chế ngự được.
(2) Nhiệt sinh ra từ sự giải phóng năng lượng của quá trình phân hủy các nguyên tố phóng xạ nằm trong lớp vỏ trái đất. Chúng được đưa lên bề mặt thông qua các dòng nước ngầm, suối nước nóng, giếng tự phun...dưới dạng nước nóng hoặc hơi. Nguồn nhiệt từ các dòng nước phun đã được con người sử dụng cách đây hàng ngàn năm để nấu ăn, sưởi ấm nhà cửa, thậm chí chữa bệnh (do có chứa một số khoáng). Mãi đến khi khoa học kỹ thuật phát triển, nguồn địa nhiệt này mới được ứng dụng để sản xuất điện năng.
Đây là dạng tài nguyên hồi phục được nhưng chậm, do quá trình tự nhiên tái tạo chúng cần thời gian dài. Vì thế, nếu khai thác quá mức có thể dẫn đến không phục hồi được nữa.
Các dòng nhiệt phân bố không đều, những vùng dòng nhiệt cao thường trẻ về địa chất, đang có hoạt động kiến tạo và núi lửa. Người ta phải tìm những nơi có dòng nhiệt tập trung cao bất thường để khai thác có hiệu quả kinh tế. Bên trong những vùng như vậy, có hai khả năng sử dụng địa nhiệt.
*Khả năng thứ nhất: nguồn năng lượng là những hồ địa nhiệt (geothermal pool) tạo ra nước nóng và hơi nước dễ khai thác. Các hồ địa nhiệt giống như các bẫy dầu về một số tính chất, nhưng thay vì là hydrocacbon, ở đây là nước nóng. Các đá thấm chứa nước bị cô lập toàn bộ hay ít nhất một phần bởi các đá không thấm nằm gần bề mặt. nước trong tầng chứa được nung nóng bởi các đá macma bên dưới. Một phần nước nóng này có thể len lỏi lên bề mặt dưới dạng các suối nước nóng hoặc suối phun. Phần còn lại nằm trong các túi nước có thể được khoan và đưa lên mặt đất để tạo ra điện năng.
*Khả năng thứ hai (vẫn còn trong bước thử nghiệm): địa nhiệt từ các đá khô, nóng ở dưới sâu. Người ta có thể bố trí khoan tới độ sâu nơi có các đá đủ độ nóng rồi tạo ra một khả năng thấm nhân tạo cho đá bằng cách bắn nước vào lỗ khoan dưới áp lực rất cao làm vỡ nứt đá. Sau đó dẫn nước qua lỗ khoan để đưa vào đới nứt nẻ vừa mới tạo thành làm cho nước được nung nóng. Một lỗ khoan khác khai thác đưa nước nóng lên dẫn về các máy phát điện. Trong hệ thống, nước sau khi sử dụng được đun nóng và cứ thế lại được tái sử dụng tạo điện năng.
Địa nhiệt và môi trường
Thành phần trung bình của sự phát xạ địa nhiệt gồm 95% hơi nước, 5% cacbonic, Hydrosulfur, Mêtan, vài loại khí hiếm, Hg, As... Sự hòa tan các nguyên tố khoáng trong nước địa nhiệt có thể tạo nên kết tủa trong hệ thống thiết bị, làm giảm hiệu suất sử dụng nhanh chóng và tăng chi phí. Bên cạnh đó, tiếng ồn phát sinh và sự sụt lún vùng đất xung quanh do khai thác địa nhiệt là 2 vấn đề đáng chú ý.
***
Cũng giống như năng lượng thủy triều, năng lượng gió, địa nhiệt nói chung còn ít phổ biến do tính phân tán của nó. Aixơlen (Iceland) nằm giữa Đại Tây Dương, trên ranh giới hai mảng lục địa, là một hòn đảo có hoạt động núi lửa mạnh và vô số suối nước nóng. Vì thế, địa nhiệt là nguồn năng lượng quan trọng ở đảo quốc này, 2/3 dân số Aixơlen sưởi ấm bằng năng lượng địa nhiệt. Những nước đang gia tăng việc sử dụng nguồn năng lượng này là Philipines, Nhật, Ý, Nicaragoa, Mexico và Mỹ (khoảng 25% sản lượng điện ở Nicaragoa và Philippines là từ địa nhiệt).
5.3 Năng lượng gió
Khoảng 1% năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất được chuyển thành dạng năng lượng cơ học-sự chuyển đọng của các phàn tử khí. Gió không đều, mang tính phân tán, thay đổi chiều và cường độ ở những nơi khác nhau trên trái đất. Ở những nơi có gió thường xuyên như vùng quê nông thôn, hải đảo, bờ biển, hẻm núi và đồng cỏ...việc chế ngự dạng năng lượng này sẽ đem lại ích lợi đáng kể.
Gió là nguồn năng lượng sạch, không tạo ra chất thải, không sinh ra SO2, CO2 hay những NOx. Gió không cần "nguyên liệu", nó gần như vô tận, chỉ phải tốn kém cho việc đầu tư thiết bị ban đầu. Vì thế, các công nghệ tiến bộ mới cho thấy năng lượng gió sẽ có thể trở thành nguồn năng lượng quan trọng trong những thập kỷ tới, mặc dù hiện nay, gió chỉ có một vị trí nhỏ trong bức tranh năng lượng.
Chi phí sản xuất điện từ năng lượng gió ngày càng giảm nhờ các tuabin cải tiến. Sử dụng năng lượng gió không gây ra các vấn đề môi trường quan trọng. Đôi điều cần lưu ý đó là các cánh quạt gió thường có đường kính rất lớn (từ vài mét đến vài chục mét để tạo nên lượng điện năng đáp ứng yêu cầu) và chim có thể chết khi bay đập vào nó. Những tính toán sau đây sẽ giải thích tại sao đường kính quạt gió lại lớn như vậy :
Gió làm quay cánh quạt tuabin. Động năng của gió chuyển thành năng lượng quay rôto. Năng lượng truyền vào tuabin sẽ tăng khi tốc độ gió tăng. Đường kính quạt càng lớn thì càng nhận được nhiều năng lượng gió. Nghiên cứu chi tiết cho thấy, năng lượng lớn nhất (tính bằng watts) có thể thu được :
P=0,5.(d bình phương).(v mũ 3)
d : đường kính cánh quạt (m)
v : tốc độ gió (m/s)
Nếu tốc độ gió là 8m/s (khá lớn) và đk cánh quạt 40m (khá lớn) thì năng lượng tuabin sinh ra là gần 410.000 w (410 kw) và chỉ 1/4 phần năng lượng đó chuyển thành điện năng. Một hộ dân trung bình tiêu thụ công suất điện 3 kw. Vậy một thiết bị như trên chỉ có thể phục vụ khoảng 30 hộ. Ở những vùng xa xôi thưa dân thì hệ thống này còn khả thi chứ ở những vùng đo thị thì nó không mang tính thực tế chút nào. Đó là chưa tính đến không phải nơi nào và vào lúc nào cũng có được vận tốc gió như vậy.
Cụm tuabin gió lớn nhất thế giới đặt tại Tehachapi, vùng núi phía nam Sierra Nevada, California. Vào thập kỷ 80, Mỹ dẫn đầu trong việc sản xuất điện năng từ gió nhưng hiện nay, châu Âu (Đức, Hà Lan, Đan Mạch) và châu Á đang vượt lên. Năm 1994, gần một nửa số tuabin mới của thế giơi được lắp đặt tại Đức. Ấn Độ đứng đầu châu Á trong việc cài đặt các tuabin gió cho các nông trại.
5.4 Năng lượng thủy triều (Tidal Energy)
Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh hưởng của mặt trăng tới thủy triều lớn hơn.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó).
Nước triều cường và triều kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày.
Thủy triều cực đại (triều cường-khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất-lúc đó mặt trăng, mặt trời và trái đất giống như thẳng hàng) xảy ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non, có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và nước hạ.
Thủy triều kiệt (khi ảnh hưởng của sức hút thấp nhất-khi đường thẳng nối trái đất và mặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất và mặt trời).
Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý hàng thế kỷ nay. Vào thế kỷ 18, nhà máy năng lượng nước vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều được xây dựng ở New England.Bơm nước cống rãnh dùng năng lượng thủy triều ở Hamburg, Đức mãi đến năm 1880. Còn bơm nước sử dụng NLTT lắp đặt năm 1580 dưới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ (?!). Những hệ thống này đã dần được thay thế bằng các động cơ tiện lợi và hiệu quả hơn.
Bình thường, sự chênh lệch mực nước giữa triều dâng và triều hạ khoảng 0,5m. Tuy nhiên, một số vùng bờ biển với vịnh hẹp có sự chênh lệch rất lớn giữa hai mực nước triều. Vd như, vịnh Fundy ở Nova Scota (Đông nam Canada), có mức triều lớn nhất thế giới, độ chênh lệch có thể lên đến 16m.
Bằng cách xây đập bắc ngang qua vịnh, ta có thể điều khiển được nguồn năng lượng này để tạo ra điện năng.
Một "tidal basin" (lòng chảo thủy triều) là một hồ chứa đầy và cạn khi thủy triều lên và xuống. Khi nước qua các cửa mở của đập, nó chảy trực tiếp vào các cánh tuabin nước và phát ra điện. Tại đỉnh điểm thủy triều, cửa đóng và nước được giữ lại trong basin. Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nước lại chảy qua các tuabin trở về đại dương, quay tuabin và phát điện.
Hiện nay, các trạm điện thủy triều đang hoạt động ở Pháp, Nga, Trung Quốc và Canada. Tuy nhiên, NLTT không phải là một nguồn năng lượng quan trọng trên toàn thế giới, bởi vì chỉ có một số ít các vị trí có mực nước triều dâng cao đủ để việc phát điện mang tính khả thi.
Nhà máy điện thủy triều đầu tiên được xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra Đại Tây Dương trên vùng biển Brittany. Hoàn thành năm 1968, nó có công suất 240 MW.
"Lòng chảo" (basin) của nó rộng 8,5 dặm vuông và có mực triều dâng cao nhất là 27,6 feet (8,28m).
Trạm thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ đặt trên sông Annapolis, nơi đổ vào vịnh Fundy. Hoàn thành năm 1984, nó có công suất 20 MW.
Vấn đề đặt ra đối với NLTT bao gồm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện khá cao và tác động của nó đến môi trường. Năng lượng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển, nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dương. Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa nước ngọt và mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có năng suất cao. Cá và vô số động vật thân mềm đến đây sinh sản. Vì thế, việc xây dựng đập sẽ ảnh hưởng lớn đến sinh thái khu vực.
5.5 Năng lượng từ gradient nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion; Ocean Thermal Electric Converter : OTEC)
Khoảng 2/3 bề mặt trái đất được bao phủ bỏi lớp nước đại dưong sâu hàng kilomet. Điều này tạo nên một trữ lượng khổng lồ nguồn nhiệt năng. Do hấp thụ NLMT mà bề mặt đại dương ấm hơn dưới đáy sâu. Ở vịnh Mêxicô và ở Thái Bình Dương gần Hawaii, nhiệt độ giảm từ 25 độ C trên bề mặt xuống 5 độ C ở độ sâu 1000 feet (gần 300 m). Trong tương lai, người ta có thể tạo ra điện năng nhờ lợi dụng gradient nhiệt độ này. Một động cơ sẽ lấy nhiệt từ lớp trên đại dương, chuyển thành công có ích rồi bơm nó xuống lớp sâu dưới đáy.
Động cơ hoạt động giống như một tuabin hơi nước. Tuy nhiên do lấy ở 20 độ C và trả lại ở 10 độ C nên nước không thể được dùng vì nó không bốc hơi ở nhiệt độ này.
Yêu cầu về một chất lỏng bay hơi ở 20 độ C và tạo ra áp suất bay hơi đáng kể được đặt ra. Ammonia lỏng có khả năng này, tuy nhiên hiệu suất nhiệt cực đại của thiết bị cũng chỉ trong khoảng vài phần trăm bởi vì sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ. Thiết bị OTEC dài khoảng 1000 feet và được neo trong đại dương. Nước ấm (bề mặt) chảy vào phần trên của hệ thống, sau đó đi qua bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nồi hơi (boiler), làm bay hơi Ammonia. Hơi sau đó ngưng tụ lại thành chất lỏng và trở lại boiler.
Các ưu điểm hấp dẫn của OTEC là :
(1) Nó không sinh ra ô nhiễm, không sinh ra CO2
(2)Nó sử dụng nguồn năng lượng gần như vô tận của mặt trời đã chuyển thành nhiệt năng trên bề mặt đại dương.
Dự án thí điểm gần đây nhất ở Hawaii. Ngoài việc phát ra năng lượng điện, nước sau khi sử dụng được dùng điều hòa không khí, hoặc đưa vào khu nuôi trồng thủy sản gần đó, cung cấp nguồn nước biển sạch, giàu dinh dưỡng cho tảo, cá, động vật giáp xác...
Mặc dù OTEC khả thi về mặt kỹ thuật nhưng ảnh hưởng tiềm tàng của việc đưa một lượng lớn nước lạnh lên bề mặt ở vùng nhiệt đới cần được xem xét kỹ trước khi tiến hành đại trà. Các tính chất của nước như : nồng độ khí hòa tan, độ đục, nồng độ chất dinh dưỡng, sự chênh lệch độ mặn (salinity gradients) thay đổi theo nhiệt độ, và những thay đổi này có lẽ sẽ ảnh hưởng sâu sắc đến sinh vật biển.
5.6 Năng lượng từ sóng đại dương (Ocean Waves)
Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v..). Vì vậy, NLS được xem như dạng gián tiếp của NLMT. Giống như các dạng dòng nước chảy khác, NLS có khả năng làm quay tuabin phát điện. NaUy, Anh, Nhật và một số nước đang nghiên cứu sản xuất điện từ sóng đại dương. Trạm phát điện từ sóng dùng một kỹ thuật đơn giản. Thiết bị bằng bêtông rỗng được đặt chìm vào trong một máng rãnh ngoài khơi để "bắt" sóng. Mỗi khi một cơn sóng mới đi vào khoang (khoảng 10s/lần), nước dâng lên trong khoang đẩy không khí đi vào lỗ thoát có đạt một tuabin, làm quay tuabin chạy máy phát điện. Khi sóng hạ, nó kéo không khí trở lại khoang và sự chuyển động của không khí lại tiếp tục làm quay tuabin.
Chúng ta nên lưu ý thận trọng vì sự cố ngoài khơi có thể làm hư hỏng thiết bị. Năm 1995, trạm phát điện bằng sóng đầu tiên của thế giới ngoài biển Bắc Scotland đã bị nhán chìm trong một cơn bão sau khi nó hoạt động chưa đầy 1 tháng.
Mặc dù nguồn năng lượng từ sóng đại dương là rất lớn nhưng cho đến nay, hiệu suất năng lượng thu được còn rất thấp nên việc ứng dụng NLS chưa mang tính kinh tế và thực tiễn.
Lời kết
Sức ép dân số và phát triển kinh tế ngày càng gia tăng trong khi các nguồn tài nguyên, nhiên liệu có hạn đang cạn kiệt dần. Chúng ta đã sử dụng nhiên liệu hóa thạch gấp 50000 lần tốc độ chúng đang được tái tạo lại. Chắc chắn rằng, chúng sẽ không còn tồn tại nữa trong một tương lai không xa.
Ứng dụng phản ứng hạt nhân đã mang lại một nguồn năng lượng to lớn khác cho nhân loại, tuy nhiên, nó không thể là giải pháp tối ưu bởi những hậu quả môi trường có khi dài đến hàng thế kỷ mà nó gây ra. Những nguồn năng lượng mới, tái sinh và không ô nhiễm, dù hiện tại hiệu suất còn chưa cao nhưng hy vọng rằng, trong tương lai, với những tiến bộ khoa học, chúng sẽ được sử dụng rộng rãi hơn.
Giải quyết vấn đề năng lượng đòi hỏi chúng ta không chỉ ưu tiên cho việc phát triển các nguồn năng lượng thay thế mới mà còn cần chú ý đến khía cạnh bảo tồn và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.
Cả bảo tồn và nâng cao hiệu suất năng lượng đều nhằm một mục đích - tiết kiệm năng lượng. Tiết kiệm năng lượng sẽ đem lại cho chúng ta những ích lợi đáng kể về kinh tế, giảm thiểu suy thoái do việc khai thác và "để dành" được những tài nguyên quý giá cho mai sau. Đó cũng là một thái độ sống có trách nhiệm với cộng động và với thế hệ tương lai.
Tháng 5 năm 2000
Tháng 5 năm 2000
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Sinh thái môi trường đất - Lê Huy Bá, 1998.
2. Sinh thái và môi trường - Nguyễn Văn Tuyên, 1998.
3. Hóa công nghệ và môi trường - Giáo trình CĐSP.
4. Môi trường không khí - Phạm Ngọc Đăng, 1998.
5. Lửa ma trơi và nấm nguyên tử - NXB Khoa học kỹ thuật, 1999.
6. Energy - Joseph Priest - 1991.
7. Environment - Raven - Berg - Johnson - 1998.
8. Environmental Chemistry - Stanley E. Manahan - 1994.
9. Chemistry and Our Changing World - Alan Sherman-Sharon J.Sherman- 1989.
10. Hệ mặt trời và các hành tinh, Phan Thanh Minh, 1998
