Tại sao phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng?

Trong quá trình tiến hóa của loài người, nguồn năng lượng sử dụng được thay đổi theo đà tiến triển của tri thức về khoa học - kỹ thuật. Từ thời xưa, con người sử dụng củi gỗ để đốt lấy nhiệt năng, rồi than đá, gần đây nhất là sản phẩm của dầu mỏ (xăng, dầu diesel), và một phần năng lượng nguyên tử. Ngày nay, khi nói đến năng lượng dùng trong công nghiệp, người ta thường nghĩ đến nguồn nguyên liệu từ sản phẩm dầu mỏ, rất quan trọng cho công nghiệp và cuộc sống văn minh hiện đại. Dầu mỏ đáp ứng cho đời sống hai nhu cầu cơ bản: năng lượng sinh ra từ sự đốt cháy sẽ tạo ra nhiệt và khí thải CO2, từ dạng nhiệt năng được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác; đồng thời còn là nguyên liệu quan trọng dùng trong công nghiệp hóa, công nghiệp nhựa dẻo cao phân tử vật liệu mà hiện chưa có nguồn nguyên liệu khác có thể thay thế được.

Sự đốt cháy nhiên liệu từ sản phẩm dầu mỏ lấy nhiệt năng, được chuyển hóa thành điện năng hoặc các dạng năng lượng khác đã sinh ra khí thải CO2 và nhiệt, thải ra bầu khí quyển ngày càng lớn, đang gây ra biến đổi khí hậu, bầu khí quyển của trái đất, làm ảnh hưởng xấu môi trường sống. Mặc dù vậy, ngay cả việc sử dụng năng lượng từ dầu mỏ cũng sẽ rất khó khăn, nguồn năng lượng này đang ngày càng cạn kiệt. Đứng trước thực trạng trên, sự hiểu biết về nguyên tử, lượng tử, vật chất ở kích cỡ nano đang giúp con người có khả năng đi truy tìm nhiều nguồn năng lượng mới.

Nguyên liệu sinh học là nguồn năng lượng thay thế mới?

Nguồn nhiên liệu sinh học (bio-fuel) hiện được một số quốc gia đưa vào sản xuất, sử dụng để giảm bớt nhu cầu về dầu mỏ. Nguyên liệu chính để làm ra nhiên liệu sinh học là nông sản, nguyên liệu làm thức ăn cho động vật trong các trại chăn nuôi. Quan trọng hơn, đó còn là nguồn thực phẩm của con người. Do đó, việc sử dụng nông sản (ngũ cốc, mía...) để sản xuất ethanol làm nhiên liệu sinh học trở thành một đề tài thảo luận “nóng” giữa hai nhóm ý kiến ủng hộ và chống đối tại các cuộc thảo luận về nhiên liệu sinh học gần đây.

Ở những quốc gia có diện tích đất đai lớn, mật độ dân số không cao, có điều kiện thuận tiện cho gieo trồng cây lương thực và sản xuất đại trà sản phẩm nông nghiệp (như ngô ở Mỹ hoặc mía tại Bra-xin) dùng để sản xuất ethanol. Nhiên liệu sinh học ethanol đã được pha (khoảng 10%) vào xăng. Tuy nhiên, hiện nay do thời tiết thay đổi, nông nghiệp mất mùa, nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học đang phải đối phó với nhiều khó khăn. Tại Mỹ, công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol) từ công nghệ lên men ngô đang đi vào ngõ cụt vì bị mất mùa, đồng thời làm tăng giá ngô - một thành phần chính trong thức ăn cho gia súc.

Đối với các quốc gia có diện tích đất nông nghiệp không nhiều, mật độ dân số cao, việc phải dành một phần lớn đất đai để canh tác sản xuất nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học sẽ gây thiếu hụt diện tích đất sản xuất lương thực, đất phát triển công nghiệp, xây dựng nhà ở, khu vui chơi giải trí.

Nhiên liệu sinh học, công nghệ lên men, công nghệ thu hoạch ethanol với quy mô lớn là một công nghiệp mới. Khi du nhập công nghệ mới, phí tổn và thời gian đào tạo, chuyển giao công nghệ mất gần như nhau. Tại sao ta không thể chọn lựa nhiều loại nhiên liệu thay thế khác?

Nguồn năng lượng thay thế sản phẩm dầu mỏ được sinh ra từ nhiên liệu

Nhiên liệu sinh học: Ngoài việc ứng dụng ethanol hiện đang tranh cãi còn có khí methane cũng rất hữu ích. Rong, tảo tự nhiên và rong, tảo thu hoạch từ những "nông trại" trồng tảo ngoài biển khơi, sau khi trích ly lấy những nguyên liệu dùng cho công nghệ thực phẩm, mỹ phẩm, bã được lên men vi sinh yếm khí để lấy methane. Công nghệ sản xuất khí methane từ than đá cũng đang được cố gắng đưa vào ứng dụng, nhằm sử dụng năng lượng từ than đá tiện lợi hơn.

Năng lượng Hydrogen: Hydrogen chỉ là một "khí đốt" dạng trung gian chuyển hóa năng lượng được sinh ra do sự điện giải nước. Phân tử H2 khi ô-xy hóa hoàn toàn sẽ sinh ra nước, nên được coi như một nhiên liệu sạch của tương lai .

Đốt cháy, ô-xy hóa: Nhiệt lượng từ đốt các chất thải hữu cơ rắn sinh ra được chuyển sang dạng hơi nước sôi. Tuy nhiên, sự đốt cháy này sẽ sinh ra khí thải và gây ô nhiễm bầu không khí, thậm chí khí thải còn có thể chứa cả dioxin (là một hóa chất độc hại). Do đó, phương thức xử lý rác thải ngày nay không phổ biến nữa.

Nguồn năng lượng thay thế sản phẩm dầu mỏ không dùng nhiên liệu

Năng lượng gió: Cũng như năng lượng mặt trời, năng lượng gió được coi như nguồn năng lượng không gây ra sản phẩm phụ hại cho môi trường. Với sức gió tự nhiên của trái đất khoảng 9 mét/giây, khi thiết bị cánh quạt phát điện quay trong gió có vận tốc 16 km/giờ sẽ sinh ra một nguồn năng lượng khoảng 50 W.

Năng lượng mặt trời: là nguồn năng lượng phong phú nhất cho tương lai. Tổng số năng lượng mà trái đất nhận được từ mặt trời bằng khoảng 35 nghìn lần tổng số năng lượng hiện nhân loại đang sử dụng, nhưng khoảng 1/3 năng lượng mặt trời bị hấp thu bởi bầu khí quyển và phản xạ ngược trở lại không gian. Hiện nay, năng lượng mặt trời được sử dụng ở quy mô nhỏ như lò sưởi trong nhà, làm nóng hồ bơi. Việc sử dụng năng lượng mặt trời vớiquy mô lớn hơn để dùngchạy xe ô tô, nhà máy điện,nguồn điện cho các tàu vũ trụ còn đang được nghiêncứu.

Thủy lưu: Việc thiết kế những cánh quạt nước tại dòng chảy của những khúc sông, biển để tạo ra điện năng bằng 2 phương pháp: dùng sức của thủy triều sử dụng sự xung động tự nhiên của dòng nước để chạy máy phát điện. Thực tế, Nhà máy Năng lượng thủy triều Lumkara (Nga) có công suất 300 MW; cùng với ứng dụng dòng chảy của nước, thủy điện dùng sai biệt thế năng của những đập nước để quay tua-bin máy phát điện. Hệ thống nhà máy thủy điện có nhược điểm là chi phí lớn cho đầu tư ban đầu, nhưng khi hoạt động thì chi phí thấp, giá thành sản xuất điện rẻ. Tại Hoa Kỳ có khoảng 180.000 MW được sản xuất bằng thủy điện, chiếm khoảng 1/3 sản lượng điện của Hoa Kỳ.

Địa nhiệt: Đó là một nguồn năng lượng mới. Địa nhiệt có ở mọi nơi trong lòng trái đất. Khi đào xuống độ sâu 5 km tại những điểm nóng, nhiệt độ đạt được 100oC đủ đun sôi những nồi hơi nước chạy tua-bin máy phát điện. Các điểm nóng có thể gần mặt đất hơn ở nơi có núi lửa. Việc sử dụng địa nhiệt sản xuất điện được coi là nguồn năng lượng sạch và rẻ.

Nguyên tử năng: Năng lượng tỏa ra do phản ứng dung hợp hai nguyên tử hydrogen tạo thành khí helium đang được nghiên cứu đưa vào sử dụng cho nhà máy điện. Công nghệ này cung cấp một nguồn năng lượng an toàn hơn nhà máy điện nguyên tử hiện tại, nhưng giá đầu tư còn quá đắt so với các nhà máy phát điện sử dụng năng lượng gió.

Năng lượng từ vũ trụ: Khai thác nguồn năng lượng trong khoáng mỏ nơi hành tinh khác, năng lượng gió vũ trụ, các tia vũ trụ là những nguồn năng lượng được một số quốc gia có công nghệ tiên tiến về vũ trụ nghiên cứu khai thác.

Trong ngắn hạn, nguồn năng lượng của con người vẫn phải dựa phần lớn vào dầu mỏ, trong thời gian đó những áp dụng nguồn năng lượng mới sẽ được sử dụng thay thế dần với mục đích: bảo vệ nguồn nguyên liệu cho công nghiệp hóa học, công nghiệp cao phân tử và các công nghiệp dùng nguyên liệu hóa dầu; tìm nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường sống của cộng đồng và an toàn; tìm ra nguồn năng lượng cung cấp giá thành rẻ và dễ sử dụng là hướng ưu tiên của tất cả các quốc gia trong điều kiện hiện nay và của cả tương lai./.

Nguyễn Trọng Bình

TS, Cố vấn cao cấp Công nghệ sinh học tại Hoa Kỳ

Nguồn Tạp chí Cộng sản số 2 (170) 2009.