I. Năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo
Năng lượng tái tạo là dạng năng lượng được tạo ra từ các nguồn thiên nhiên và có thể bổ sung trong một thời gian ngắn. Bao gồm:
– Năng lượng từ Mặt Trời là một dạng năng lượng tái tạo và có thể sử dụng trực tiếp như năng lượng nhiệt, năng lượng từ gió, sóng, dòng chảy sông, dòng hải lưu, thuỷ triều,.... Ngoài ra, thông qua quá trình quang hợp, năng lượng từ mặt trời được chuyển hoá và tích trữ trong sinh khối động, thực vật (năng lượng sinh khối).
– Năng lượng từ tâm Trái Đất tồn tại chủ yếu ở dạng năng lượng nhiệt của các nguồn địa nhiệt như núi lửa, nguồn nước nóng, hơi nóng.
Năng lượng không tái tạo là các loại năng lượng phải mất một thời gian dài để hình thành. Hầu hết các loại năng lượng không tái tạo là nhiên liệu hóa thạch được hình thành nhờ sự phân huỷ xác động thực vật qua hàng triệu năm. Năng lượng hạt nhân cũng là năng lượng không tái tạo vì trữ lượng Urani trên Trái Đất là hữu hạn.
II. Vai trò của năng lượng tái tạo
- Năng lượng tái tạo có trữ lượng vô hạn, do đó có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng không tái tạo, điều này góp phần tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. Ví dụ: nhiên liệu sinh học được chế tạo dễ dàng từ sinh khối, phát triển bền vững nhờ khả năng tái tạo và phân huỷ sinh học tốt.
– Việc phát triển năng lượng tái tạo được xem là bước đi tiên phong cho việc giảm khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính.
– Tại Việt Nam, việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo là cần thiết và quan trọng do ít rủi ro hơn, góp phần tăng cường nguồn cung trong nước, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu nước ngoài, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, đồng thời giảm tác động làm biến đổi khí hậu, bảo vệ môi trường.
III. Các loại năng lượng tái tạo
- Năng lượng mặt trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Con người sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, ước tính vào khoảng 5 tỉ năm nữa.
- Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất.
- Năng lượng nước: Thế năng của nước được dự trữ tại các đập nước dùng để chạy máy phát điện của các công trình thuỷ điện. Một cách tận dụng năng lượng dòng chảy của sông suối có trước khi thuỷ điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể khai thác đề sản xuất điện.
- Năng lượng từ gió: Dòng không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuabin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển.
- Năng lượng địa nhiệt: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa Đại dương với Trái Đất có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển.
- Năng lượng sinh khối: Nhiên liệu sinh học có thể tồn tại ở cả ba trạng thái rắn, lỏng, khí, được phân chia thành bốn thế hệ cũng là một trong những nguồn năng lượng tái tạo có nhiều tiềm năng khai thác.
IV. Một số công nghệ cơ bản thu được năng lượng tái tạo
1. Năng lượng mặt trời
Mặt Trời là nguồn năng lượng ánh sáng và năng lượng nhiệt tự nhiên cho hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người trong hàng nghìn năm nay như phơi nông sản, làm muối.
Công nghệ điện mặt trời
Thiết bị được sử dụng để thu năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng là pin mặt trời hay pin quang điện. Thiết bị trên sử dụng chất bán dẫn và hoạt động dựa trên nguyên lí của hiện tượng quang điện. Quy trình chuyển hóa được diễn ra như sau: ánh sáng mặt trời chiếu tới tấm bán dẫn làm xuất hiện các hạt mạng điện, dưới tác dụng của 1 hiệu điện thế thì các hạt mang điện chuyển động tạo thành dòng điện.
Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời - Nhiệt mặt trời
Các thiết bị hội tụ năng lượng mặt trời như gương cầu lõm, gương parabol, gương phản xạ Fresnel,... tập trung năng lượng từ các tia sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ, gọi là bộ thu trung tâm.
+ Bếp năng lượng mặt trời có cấu tạo như một tấm gương cầu lõm, có công suất vài trăm W và nhiệt độ khoảng 200 độ C
+ Máy nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng nguyên lí đối lưu để chuyển hóa quang năng thành nhiệt năng.
2. Năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của Trái đất
Công nghệ năng lượng gió trên đất liền
Năng lượng gió trên đất liền là một trong những công nghệ năng lượng tái tạo đang được phát triển ở quy mô toàn cầu.
Quá trình thu năng lượng gió nhờ tuabin gió. Tua bin tiêu chuẩn hiện nay có ba cánh quay trên một trục ngang, với một máy phát điện đồng bộ hoặc không đồng bộ được kết nối với lưới điện.
Ngoài ra còn có các tua bin hai cánh và dẫn động trực tiếp (không có hộp số).
Công suất tua bin gió lớn nhất hiện nay có thể đạt tới 5-6 MW, đường kính cánh 126 m.
Những tua bin gió thương mại phổ biến có công suất từ 1,5 MW - 3 MW.
Vì gió thổi không đều nên năng lượng điện từ sức gió phải kết hợp với các nguồn năng lượng khác.
Công nghệ năng lượng gió ngoài khơi
Năng lượng gió ngoài khơi được tạo ra bởi các tua bin gió được lắp đặt trên biển.
Việc lắp đặt các tua bin trên biển tận dụng được nguồn gió tốt hơn ở đất liền và ít gặp những vấn đề liên quan đến cạnh tranh về không gian xây dựng.
3. Năng lượng sinh khối (biomass)
Năng lượng được dự trữ trong sinh khối động thực vật thông qua phản ứng quang hợp để tạo thành carbonhydrates. Các nguồn năng lượng sinh khối được biểu diễn trong hình sau:
Công nghệ sản xuất xăng sinh học (Biogasoline)
Xăng sinh học là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng cồn ethanol có nguồn gốc sinh học như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì.
Ethanol sinh học được tạo ra khi lên men các sinh khối có carbonhydrates cao (đường, tinh bột, celluloses).
Loại xăng sinh học được sử dụng rộng rãi và phổ biến ở nước ta đó là E5 RON 92
Công nghệ sản xuất dầu sinh học (Biodiesel)
Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu thực vật từ lạc, đậu tương, vừng, hướng dương, dừa, bông.... và mỡ động vật.
Xăng, dầu sinh học có ưu điểm lớn là ít làm ô nhiễm môi trường, chứa tới 11% O2 , giảm hơn 70% khí thải CO2 và giảm hơn 30% khí độc hại do chứa rất ít lưu huỳnh.
Công nghệ sản xuất khi sinh học (Biogas)
Khí sinh học là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng đẳng khác, được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ như rác thải, phân động vật, phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ,...
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí đốt từ sản phẩm dầu mỏ hoặc dùng trong sản xuất điện sinh học.
Khai thác nguồn năng lượng này luôn gắn với tái chế, giảm sức ép lên việc xử lí rác thải.
4. Năng lượng nước
Công nghệ thủy điện trên sông
Nhà máy thuỷ điện trên sông khai thác năng lượng để sản xuất điện chủ yếu từ các dòng chảy trên sông.
Những nhà máy này cho phép hoạt động linh hoạt theo giờ hoặc theo ngày, tuy nhiên việc sản xuất chủ yếu được điều chỉnh bởi điều kiện dòng chảy tự nhiên trên sông hoặc tháo nước từ hồ chứa ở thượng nguồn.
Hình ảnh: Đập thủy điện trên sống Yenisei, Nga
Công nghệ thủy điện hồ chứa
Công nghệ thuỷ điện này dựa vào lượng nước được tích trong hồ, cho phép tạo ra điện theo nhu cầu, giảm phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng chảy.
Việc thiết kế nhà máy phụ thuộc nhiều vào đặc điểm tự nhiên và nhu cầu xã hội ở địa phương.
Hình ảnh: Nhà máy thủy điện Hòa Bình có hồ chứa với diện tích 208km2 và dung tích 9,45 tỉ mét khối nước
5. Năng lượng địa nhiệt
Năng lượng từ lòng đất (địa nhiệt) là loại năng lượng lấy từ nguồn nhiệt tự nhiên trong lòng Trái Đất bằng cách khoan sâu xuống lòng đất.
Công nghệ sử dụng địa nhiệt trực tiếp
Vào cuối thế kỉ XIX, hệ thống cung cấp nước nóng đầu tiên từ nguồn địa nhiệt đã hoạt động ở Hoa Kỳ, sau đó là Iceland vào những năm 1920.
Ở những nơi có mạch nước nóng tự nhiên, nước nóng có thể được dẫn trực tiếp tới lò sưởi. Nếu nguồn nhiệt gần mặt đất nóng nhưng khô thì các ống chuyển đổi nhiệt nông có thể được sử dụng mà không cần dùng bơm nhiệt.
Công nghệ điện địa nhiệt
Vào cuối thế kỉ XX, công nghệ điện địa nhiệt xuất hiện và thường được sử dụng để sản xuất điện phụ tải vì không bị ảnh hưởng bởi thời tiết.
Cho đến nay, hơn 30 nước trên thế giới đã khai thác tổng cộng 12000MW địa nhiệt cho các ứng dụng trực tiếp và sản suất hơn 8000MV điện địa nhiệt.
