by Mỗi năm, năng lượng tái tạo cung ứng 16 900 TWh, nghĩa là gần 13 phần trăm nhu cầu về năng lượng cơ bản. Trong số đó,
- Năng lượng sinh học đóng góp 13 300 TWh ở dạng cơ bản và 11 800 TWh ở dạng khả dụng, nghĩa là 10 phần trăm năng lượng cơ bản và 13 phần trăm năng lượng khả dụng,
- Thủy năng đóng góp 2 900 TWh, nghĩa là 20 phần trăm nhu cầu điện và 3 phần trăm nhu cầu năng lượng khả dụng,
- Đóng góp của những năng lượng tái tạo khác không đáng kể.
Năng lượng sinh học
Năng lượng sinh học là năng lượng trích ra từ những vật liệu hữu cơ, chủ yếu từ thực vật.
Tiềm năng
Tiềm năng của năng lượng sinh vật chưa được xác định vì có nhiều nguồn và nhiều dạng. Những nguồn năng lượng sinh học là: những chất đốt rắn tái tạo, rác đô thị, phế liệu hữu cơ của nông nghiệp và công nghiệp, và những thực vật đã được cố ý trồng để làm nguồn năng lượng.
Những năng lượng đó rất đa dạng : sinh khối cellulo sợi (ligno cellulosic) hay sinh khối rắn, sinh khối có glucid và sinh khối chứa dầu. Mỗi dạng cần đến một nguồn cơ bản và một quy trình biến chế thành năng lượng khả dụng khác nhau.
Để gia tăng nguồn năng lượng sinh học thì có ba phương pháp :
- Trồng những cây có đường, mía và củ cải ngọt, hay là ngũ cốc, lúa và ngô,
- Trồng những cây tự nhiên có dầu như là rong, hoa hướng dương, cây có hai lá mầm (jatropha),
- Trồng rừng những cây mọc mau như là trúc, cây bạch đàn, cây dương, cây thông,...
Sinh khối cellulo sợi gồm gỗ, rơm, bã mía, rác đô thị, phụ phẩm và phế liệu chế biến gỗ, phế liệu chế biến thực phẩm, phần hữu cơ của rác đô thị,… Nhân loại đã biết dùng những nguồn năng lượng này từ thời thượng cổ rồi. Tiềm năng năng lượng từ gỗ là 5 600 đến 6 000 TWh mỗi năm, trong đó 5 000 TWh dưới dạng củi gỗ và 400 TWh dưới dạng than củi. Vì cung ứng những nguồn năng lượng này ít qua những kênh thương mại nên ước tính tiềm năng của chúng không được chính xác. Ngoài việc đốt củi hay than củi để thổi cơm và đun nước sinh khối cellulo sợi được đốt, đơn độc hay phụ trợ cho những năng lượng khác, để sản xuất điện và hơi nước. Nhiều đô thị các nước công nghiệp được cung ứng nước nóng gia dụng nhờ những lò đốt rác đô thị. IEA ước tính, năm 2005, 135 TWh điện đã được sản xuất từ sinh khối rắn, 23 TWh từ rác đô thị và 25 TWh từ những nguồn sinh khối rắn khác.
Sinh khối có glucid gồm những hạt ngũ cốc, củ cải đường, mía đường,… Chúng được tiêu hóa dị khí (anaerobic digestion), ươm men, chưng cất hay thủy phân acid (acid hydrolysis) để biến thành khí, chủ yếu khí methan, dùng làm năng lượng. Chúng tham gia vào việc cung ứng năng lượng cho gia đình, cho những cộng đồng nhỏ. Sau khi được lọc kỹ, khí methan có thể được trộn vào mạng phân phối khí đốt đô thị.
Sinh khối chứa dầu gồm cây cải dầu, dừa dầu, hoa hướng dương,… Dầu của những thực vật này được ép và lọc để biến thành nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng này có thể được dùng nguyên chất hay pha trộn với sản phẩm dầu trong ngành giao thông vận tải.
Ô nhiễm
Đốt phụ phẩm và phế liệu chế biến gỗ, rơm, bã mía, rác đô thị là một phương pháp hủy chúng để bảo vệ môi trường tự nhiên. Người ta còn sáng chế nhiều phương pháp loại trừ khác nữa như là nhiệt phân (pyrolysis) hay khí hóa hydrô (hydrogasification). Nhưng những phương pháp đó chưa chắc gì đã giản dị hơn và vi phạm môi trường tự nhiên ít hơn.
Dùng củi làm một nguồn năng lượng có thể là một giải pháp ngưng tăng sinh khí CO2 (di oxyd cacbon) trong khí quyển. Khi cây mọc thì hấp thụ khí CO2 trong khí quyển để biến cacbon thành gỗ. Khi đốt củi thì thải ra CO2, nhưng đó là cacbon đã chứa trong cây khi cây đang mọc. Tổng kết là dùng củi để đốt thì khí quyển không có thêm CO2 như là khi đốt năng lượng hóa thạch. Nhưng lý luận như vậy chỉ đúng khi trồng lại tất cả diện tích rừng bị đốn để lấy củi. Thực tế là ở những nước nghèo người ta đốn rừng mà không trồng lại cây. Vì thiếu kiến thức và thiếu phương tiện trồng cây, rừng những nước đó đang bị tàn phá nghiêm trọng.
Để có nhiên liệu từ sinh khối có glucid và sinh khối chứa dầu, người ta phải trồng cây sinh ra những sinh khối đó. Để có năng suất cao, người ta phải chọn những địa điểm thuận lợi cho nông nghiệp, dùng những phương tiện cơ giới, phân bón và thuốc trừ sâu. Những phương tiện cơ giới chạy bằng năng lượng dầu. Phân bón và thuốc trừ sâu là những hóa phẩm được chế biến từ sản phẩm dầu và than. Cân nhắc kỹ thì chưa chắc gì thay thế năng lượng hóa thạch bằng những năng lượng sinh học đó sẽ làm giảm nguồn khí có hiệu ứng nhà kính trong khí quyển.
Những vấn đề kỹ thuật, kinh tế và chính trị
Công nghệ đốt sinh khối cellulo sợi chưa ổn định nhưng có thể coi là khả thi kinh tế kỹ thuật chỉ có thể đạt được ở những điều kiện cá biệt. Khai thác những loại sinh khối khác để sản xuất nhiên liệu vẫn đang ở gia đoạn nghiên cứu triển khai.
Nếu đốn rừng đến đâu mà trồng lại đến đó thì chỉ có vấn đề đa dạng sinh thái chưa được làm rõ. Dùng những đất bỏ hoang để trồng cây năng lượng thì cũng đặt ra vấn đề đa dạng sinh thái. Dùng nhân lực và đất nông nghiệp để trồng cây năng lượng đặt ra vấn đề chọn lựa chính trị : cung ứng lương thực hay cung ứng năng lượng cho nhân loại. Cho tới nay những chuyên gia chưa nhất trí.
Thủy năng
Tiềm năng của năng lượng sinh vật chưa được xác định vì có nhiều nguồn và nhiều dạng. Những nguồn năng lượng sinh học là: những chất đốt rắn tái tạo, rác đô thị, phế liệu hữu cơ của nông nghiệp và công nghiệp, và những thực vật đã được cố ý trồng để làm nguồn năng lượng.
Những năng lượng đó rất đa dạng : sinh khối cellulo sợi (ligno cellulosic) hay sinh khối rắn, sinh khối có glucid và sinh khối chứa dầu. Mỗi dạng cần đến một nguồn cơ bản và một quy trình biến chế thành năng lượng khả dụng khác nhau.
Để gia tăng nguồn năng lượng sinh học thì có ba phương pháp :
- Trồng những cây có đường, mía và củ cải ngọt, hay là ngũ cốc, lúa và ngô,
- Trồng những cây tự nhiên có dầu như là rong, hoa hướng dương, cây có hai lá mầm (jatropha),
- Trồng rừng những cây mọc mau như là trúc, cây bạch đàn, cây dương, cây thông,...
Sinh khối cellulo sợi gồm gỗ, rơm, bã mía, rác đô thị, phụ phẩm và phế liệu chế biến gỗ, phế liệu chế biến thực phẩm, phần hữu cơ của rác đô thị,… Nhân loại đã biết dùng những nguồn năng lượng này từ thời thượng cổ rồi. Tiềm năng năng lượng từ gỗ là 5 600 đến 6 000 TWh mỗi năm, trong đó 5 000 TWh dưới dạng củi gỗ và 400 TWh dưới dạng than củi. Vì cung ứng những nguồn năng lượng này ít qua những kênh thương mại nên ước tính tiềm năng của chúng không được chính xác. Ngoài việc đốt củi hay than củi để thổi cơm và đun nước sinh khối cellulo sợi được đốt, đơn độc hay phụ trợ cho những năng lượng khác, để sản xuất điện và hơi nước. Nhiều đô thị các nước công nghiệp được cung ứng nước nóng gia dụng nhờ những lò đốt rác đô thị. IEA ước tính, năm 2005, 135 TWh điện đã được sản xuất từ sinh khối rắn, 23 TWh từ rác đô thị và 25 TWh từ những nguồn sinh khối rắn khác.
Sinh khối có glucid gồm những hạt ngũ cốc, củ cải đường, mía đường,… Chúng được tiêu hóa dị khí (anaerobic digestion), ươm men, chưng cất hay thủy phân acid (acid hydrolysis) để biến thành khí, chủ yếu khí methan, dùng làm năng lượng. Chúng tham gia vào việc cung ứng năng lượng cho gia đình, cho những cộng đồng nhỏ. Sau khi được lọc kỹ, khí methan có thể được trộn vào mạng phân phối khí đốt đô thị.
Sinh khối chứa dầu gồm cây cải dầu, dừa dầu, hoa hướng dương,… Dầu của những thực vật này được ép và lọc để biến thành nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng này có thể được dùng nguyên chất hay pha trộn với sản phẩm dầu trong ngành giao thông vận tải.
Ô nhiễm
Đốt phụ phẩm và phế liệu chế biến gỗ, rơm, bã mía, rác đô thị là một phương pháp hủy chúng để bảo vệ môi trường tự nhiên. Người ta còn sáng chế nhiều phương pháp loại trừ khác nữa như là nhiệt phân (pyrolysis) hay khí hóa hydrô (hydrogasification). Nhưng những phương pháp đó chưa chắc gì đã giản dị hơn và vi phạm môi trường tự nhiên ít hơn.
Dùng củi làm một nguồn năng lượng có thể là một giải pháp ngưng tăng sinh khí CO2 (di oxyd cacbon) trong khí quyển. Khi cây mọc thì hấp thụ khí CO2 trong khí quyển để biến cacbon thành gỗ. Khi đốt củi thì thải ra CO2, nhưng đó là cacbon đã chứa trong cây khi cây đang mọc. Tổng kết là dùng củi để đốt thì khí quyển không có thêm CO2 như là khi đốt năng lượng hóa thạch. Nhưng lý luận như vậy chỉ đúng khi trồng lại tất cả diện tích rừng bị đốn để lấy củi. Thực tế là ở những nước nghèo người ta đốn rừng mà không trồng lại cây. Vì thiếu kiến thức và thiếu phương tiện trồng cây, rừng những nước đó đang bị tàn phá nghiêm trọng.
Để có nhiên liệu từ sinh khối có glucid và sinh khối chứa dầu, người ta phải trồng cây sinh ra những sinh khối đó. Để có năng suất cao, người ta phải chọn những địa điểm thuận lợi cho nông nghiệp, dùng những phương tiện cơ giới, phân bón và thuốc trừ sâu. Những phương tiện cơ giới chạy bằng năng lượng dầu. Phân bón và thuốc trừ sâu là những hóa phẩm được chế biến từ sản phẩm dầu và than. Cân nhắc kỹ thì chưa chắc gì thay thế năng lượng hóa thạch bằng những năng lượng sinh học đó sẽ làm giảm nguồn khí có hiệu ứng nhà kính trong khí quyển.
Những vấn đề kỹ thuật, kinh tế và chính trị
Công nghệ đốt sinh khối cellulo sợi chưa ổn định nhưng có thể coi là khả thi kinh tế kỹ thuật chỉ có thể đạt được ở những điều kiện cá biệt. Khai thác những loại sinh khối khác để sản xuất nhiên liệu vẫn đang ở gia đoạn nghiên cứu triển khai.
Nếu đốn rừng đến đâu mà trồng lại đến đó thì chỉ có vấn đề đa dạng sinh thái chưa được làm rõ. Dùng những đất bỏ hoang để trồng cây năng lượng thì cũng đặt ra vấn đề đa dạng sinh thái. Dùng nhân lực và đất nông nghiệp để trồng cây năng lượng đặt ra vấn đề chọn lựa chính trị : cung ứng lương thực hay cung ứng năng lượng cho nhân loại. Cho tới nay những chuyên gia chưa nhất trí.
Thủy năng
Tiềm năng
Thủy điện vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Theo những số liệu trên bảng, nhân loại mới chỉ khai triển được một phần tư tiềm năng kinh tế và một phần sáu tiềm năng kỹ thuật của thủy năng. Tuy nhiên các nước có kinh tế phát triển đã huy động tất cả tiềm năng kinh tế thủy điện của họ rồi và đang khai triển những địa điểm có thể dùng để xây những công trình tích năng.
Một công trình thủy lợi điều tiết lưu lượng nước ở hạ nguồn để có thể cung ứng nước đúng mức đúng lúc cho nông nghiệp, du lịch, giải trí, giao thông vận tải và sản xuất điện. Mỗi chức năng có một giá trị kinh tế. Vì thế mà tiềm năng kinh tế sản xuất thủy điện chỉ có thể tính một cách cá biệt cho mỗi công trình chứ không thể ước tính chung cho một nước hay cho toàn thế giới.
Bây giờ một công trình thủy lợi cũng có thể được dùng làm hồ tích năng : trong những giờ rỗi công suất có thừa của những nhà máy nhiệt điện dùng để bơm nước từ hạ nguồn lên thượng nguồn làm gia tăng lượng nước tích trữ ở thượng nguồn. Như thế, điện của những giờ cao điểm, có giá trị kinh tế cao, sẽ được sản xuất bởi điện có giá trị kinh tế thấp hơn, đã được "lưu kho" trong những giờ rỗi. Gia tăng lượng nước tích trữ ở thượng nguồn sẽ gia tăng khả năng điều tiết lưu lượng nước về hạ nguồn và gia tăng tỷ số lợi nhuận của công trình thủy lợi.
Ô nhiễm
Thủy điện cần đến nhiều nước chảy từ một điểm rất cao. Tỷ dụ, 3,6 tấn nước chảy từ 100 mét chỉ sinh ra được có một kilô watt giờ thủy điện. Trong điều kiện đó, một tủ lạnh cỡ dùng cho một gia đình tiêu thụ 380 kWh mỗi năm sẽ cần đến 1.400 tấn nước. Vì ràng buộc vật lý đó mà những hồ chứa nước của các công trình thủy điện chiếm những diện tích lớn vi phạm môi trường tự nhiên.
Những người sinh sống ở địa điểm hồ chứa tương lai phải bỏ nhà cửa, mồ mả tổ tiên và đồng ruộng di cư đi nơi khác. Vì đập có thể bị vỡ, những người sinh sống ở một số nơi hạ nguồn đập cũng phải dọn đến những nơi an toàn hơn. Nếu một dòng sông được chỉnh trang thành thang thủy lợi thì vỡ đập có thể gây ra một phản ứng dây chuyền : đập thứ nhất ở thượng nguồn bị vỡ, vật liệu cộng với nước chứa trong hồ của đập đó chảy vào hồ chứa thứ hai ở hạ nguồn làm vỡ đập của hồ thứ hai này. Sau đó lần lượt từ đập này đến đập khác bị phá vỡ như thế cho tới khi tất cả thang thủy lợi bị phá.
Đập thủy lợi ngăn một dòng sông và cản không cho cá tự do lội xuôi dọc dòng sông. Để giải quyết vấn đề này, người ta xây một kênh nhỏ nối liền hai mặt của đập gọi là thang cá. Hồ nhân tạo ở thượng nguồn có thể là một sinh thái mới với những sinh vật khác sống trong đó. Những sinh vật mới này có thể không thân thiện lắm với sinh vật và thảo vật có mặt ở nơi đó trước khi hồ đầy nước. Đặc biệt, một hồ nước ở vùng nhiệt đới sẽ có bèo Nhật Bản (Eichhornia crassipes) mọc. Với khả năng sinh trưởng rất mau, bèo Nhật Bản có thể bao phủ tất cả diện tích hồ, giảm hàm lượng dưỡng khí hòa tan trong nước và ngăn cản ánh sáng mặt trời chiếu vào nước. Hậu quả là không còn sinh vật nào có thể sống trong hồ nữa. Bèo xen vào trục tuabin và cửa van của đập làm cho những thiết bị đó bị kẹt. Bèo cũng xen vào trục chân vịt và bánh lái các thuyền đi lại trên mặt hồ làm cho thuyền bè phải thường xuyên ngưng hoạt động để sửa chữa.
Gần đây, sau khi nghiên cứu đập Petit Saut ở Guyana thuộc Pháp, người ta nhận thấy, ở những xứ nhiệt đới, những cây cỏ hãy còn chìm tại chỗ khi nước tràn vào hồ hấp thụ một phần dưỡng khí hòa tan trong nước, úng mục và sinh ra khí sulfur hydrô, CO2 và methan, cả ba khí này đều là những khí có hiệu ứng nhà kính. Cá trong hồ thiếu dưỡng khí, ngạt thở và chết. Hiện tượng này chỉ bắt đầu giảm sau một vài năm khi những thảo vật úng mục đã tan hết.
Những vấn đề kỹ thuật, kinh tế và chính trị
Một công trình thủy lợi nhỏ (tiểu thủy điện, công suất dưới 10.000 kW) hay cực nhỏ (vi thủy điện, công suất dưới 1.000 kW) chủ yếu đáp ứng một nhu cầu địa phương và không đặt ra khó khăn gì cả. Nhà đầu tư xây đập với những vật liệu có sẵn tại chỗ và lắp những thiết bị điện cơ có tầm vóc nhỏ nên không đặt nhiều vấn đề kinh tế kỹ thuật.
Những công trình thủy lợi cũng có thể là những công trình lớn : khối lượng vật liệu xây dựng đập quan trọng, khối lượng và trọng tải thiết bị điện cơ lớn,… Những địa điểm thuận lợi để xây công trình nhiều khi là những nơi hoang vu đường xá khó khăn. Nhà máy thủy điện phải được liên kết với mạng phân phối điện quốc gia bằng những đường dây tải điện cao thế.
Để chở vật liệu xây dựng và thiết bị cho đập và nhà máy thì phải xây trước những hạ tầng giao thông dẫn tới công trường. Công trình phải mấy năm mới xây xong (có khi tới hơn mười năm) và cần đến cả nghìn nhân công và kỹ sư. Để cho những người đó và gia đình họ sinh sống bình thường thì phải lập cả một đô thị với tiện nghi nhà ở, siêu thị, trường học, nhà thương, khu giải trí và có khi cả những nơi hành đạo. Một khi xây xong những cơ sở hạ tầng đó sẽ được dỡ đi hay có thể để lại để làm khởi đầu cho một nền kinh tế địa phương mới.
So với một nhà máy nhiệt điện chạy bằng năng lượng hóa thạch cùng công suất, một công trình thủy điện cần đến nhiều vốn hơn, phải xây trong một thời gian lâu hơn và có đời sống kỹ thuật lâu hơn nhiều (nhiều đập có thể dùng được tới cả thế kỷ). Vốn bị giam cầm lâu là vốn không có thể dùng được cho những dự án phát triển khác. Vì thiếu tài chính ngắn hạn có nước đã phải hoãn lại nhiều dự án thủy lợi, mặc dù có tỷ số lợi nhuận cao, để thực hiện những dự án nhiệt điện có khả năng sinh lợi mau hơn.
Như viết ở trên, một công trình thủy lợi có thể cung ứng nước cho nông nghiệp, du lịch, giải trí, giao thông vận tải và sản xuất điện. Công trình đã được tối ưu hóa để thỏa mãn toàn bộ những nhu cầu đó dựa trên những dự báo dài hạn tới mấy chục năm của mỗi đối tác tham gia dự án. Một khi công trình đã được hoàn thiện, người điều hành công trình phải điều chỉnh lưu lượng nước để thỏa mãn nhu cầu trước mắt và trong tương lai ngắn hạn và trung hạn của tất cả những đối tác cần dùng nước của công trình. Những quyết định đó dựa trên những mô hình toán học rất phức tạp.
Nhiều khi một dòng sông chảy qua lãnh thổ của nhiều nước. Điều này đặt ra vấn đề sử dụng nước của dòng sông để không quốc gia nào ven sông bị thiệt. Những thương lượng đa phương sẽ dẫn tới một hiệp định quản lý nước của dòng sông và sự thành lập một ủy ban đa phương kiểm tra thi hành hiệp định đó. Có khi các nước ven sông không đạt được thỏa thuận và tranh chấp có thể dẫn tới chiến tranh.
Những nguồn năng lượng tái tạo khác
Năng lượng mặt trời (quang năng)
Năng lượng mặt trời có thể được khai thác dưới dạng nhiệt và dưới dạng điện. Vì chỉ có những áp dụng nhỏ hay cực nhỏ, năng lượng mặt trời không đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật hay kinh tế.
Lưu lượng quang năng từ mặt trời xuống mặt đất là 1.366 W mỗi mét vuông. Nhưng vì mặt trời chỉ chiếu sáng có ban ngày và một phần ánh sáng mặt trời bị mây che, trung bình mỗi mét vuông chỉ nhận được có 150/200 W. Theo kết quả khảo sát những dàn quang điện đang vận hành, công suất của điện mặt trời là 165 đến 500 kWh/m²/năm tùy nơi.
Khai thác quang năng dưới dạng nhiệt thì có tỷ số lợi nhuận cao mà lại không cần đến công nghệ cao. Ở những xứ lạnh, nhiệt năng dùng để sưởi nhà. Ở những xứ nóng, nhiệt năng dùng để giảm nhiệt độ không khí trong nhà bằng bơm nhiệt theo quy trình hấp thụ. Ở xứ lạnh hay xứ nóng thì quang năng đều có thể dùng để đun nước gia dụng. Trung bình một mét vuông bảng mặt trời đủ để cung ứng suốt năm nước nóng gia dụng cho một người. Về mặt kỹ thuật một người có thể tự chế tạo được một hệ thống quang năng mà không cần phải có kỹ năng gì cả.
Ngoài một số dàn quang điện dùng để nghiên cứu và chứng minh tính khả thi kỹ thuật, quang năng dưới dạng điện chỉ dùng cho những thiết bị cần đến rất ít điện. Những áp dụng này tiết kiệm những pin cho đồng hồ, máy tính xách tay, máy radio, máy truyền hình nhỏ, đèn điện chiếu sáng vườn cảnh, hay tiết kiệm chi phí kéo đường dây cung ứng điện cho những trạm tín hiệu, cọc tiêu, rờle viễn thông, máy tính tiền đỗ xe, máy phát tiền,… Lắp ráp những tế bào quang điện để sản xuất những sản phẩm trên chỉ là một công nghệ lắp ráp đơn giản. Lắp ráp chúng thành giàn cũng không khó khăn gì hơn. Ngược lại công nghệ sản xuất những tế bào quang điện cần đến những cơ sở sản xuất tương tự như những cơ sở sản xuất vi mạch.
Dưới dạng nhiệt, quang năng không ô nhiễm môi trường mấy. Dưới dạng điện, quang năng đặt vấn đề ô nhiễm khi sản xuất những tế bào quang điện. Nhưng nguồn ô nhiễm này tập trung ở nơi sản xuất nên có thể kiềm chế được. Ngoài ra cũng có vấn đề ô nhiễm nhỏ qua những bình ắcquy bằng chì hay bằng lithium. Ở các nước Tây Âu có quy định những cửa hàng bán ắcquy phải nhận tất cả những bình ắcquy cũ mà bất cứ ai mang đến. Những linh kiện này được gửi đi xử lý hay tuần hoàn chúng ở những cơ sở dưới sự kiểm tra của thanh tra môi trường Nhà Nước.
Thủy điện vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Theo những số liệu trên bảng, nhân loại mới chỉ khai triển được một phần tư tiềm năng kinh tế và một phần sáu tiềm năng kỹ thuật của thủy năng. Tuy nhiên các nước có kinh tế phát triển đã huy động tất cả tiềm năng kinh tế thủy điện của họ rồi và đang khai triển những địa điểm có thể dùng để xây những công trình tích năng.
Một công trình thủy lợi điều tiết lưu lượng nước ở hạ nguồn để có thể cung ứng nước đúng mức đúng lúc cho nông nghiệp, du lịch, giải trí, giao thông vận tải và sản xuất điện. Mỗi chức năng có một giá trị kinh tế. Vì thế mà tiềm năng kinh tế sản xuất thủy điện chỉ có thể tính một cách cá biệt cho mỗi công trình chứ không thể ước tính chung cho một nước hay cho toàn thế giới.
Bây giờ một công trình thủy lợi cũng có thể được dùng làm hồ tích năng : trong những giờ rỗi công suất có thừa của những nhà máy nhiệt điện dùng để bơm nước từ hạ nguồn lên thượng nguồn làm gia tăng lượng nước tích trữ ở thượng nguồn. Như thế, điện của những giờ cao điểm, có giá trị kinh tế cao, sẽ được sản xuất bởi điện có giá trị kinh tế thấp hơn, đã được "lưu kho" trong những giờ rỗi. Gia tăng lượng nước tích trữ ở thượng nguồn sẽ gia tăng khả năng điều tiết lưu lượng nước về hạ nguồn và gia tăng tỷ số lợi nhuận của công trình thủy lợi.
Ô nhiễm
Thủy điện cần đến nhiều nước chảy từ một điểm rất cao. Tỷ dụ, 3,6 tấn nước chảy từ 100 mét chỉ sinh ra được có một kilô watt giờ thủy điện. Trong điều kiện đó, một tủ lạnh cỡ dùng cho một gia đình tiêu thụ 380 kWh mỗi năm sẽ cần đến 1.400 tấn nước. Vì ràng buộc vật lý đó mà những hồ chứa nước của các công trình thủy điện chiếm những diện tích lớn vi phạm môi trường tự nhiên.
Những người sinh sống ở địa điểm hồ chứa tương lai phải bỏ nhà cửa, mồ mả tổ tiên và đồng ruộng di cư đi nơi khác. Vì đập có thể bị vỡ, những người sinh sống ở một số nơi hạ nguồn đập cũng phải dọn đến những nơi an toàn hơn. Nếu một dòng sông được chỉnh trang thành thang thủy lợi thì vỡ đập có thể gây ra một phản ứng dây chuyền : đập thứ nhất ở thượng nguồn bị vỡ, vật liệu cộng với nước chứa trong hồ của đập đó chảy vào hồ chứa thứ hai ở hạ nguồn làm vỡ đập của hồ thứ hai này. Sau đó lần lượt từ đập này đến đập khác bị phá vỡ như thế cho tới khi tất cả thang thủy lợi bị phá.
Đập thủy lợi ngăn một dòng sông và cản không cho cá tự do lội xuôi dọc dòng sông. Để giải quyết vấn đề này, người ta xây một kênh nhỏ nối liền hai mặt của đập gọi là thang cá. Hồ nhân tạo ở thượng nguồn có thể là một sinh thái mới với những sinh vật khác sống trong đó. Những sinh vật mới này có thể không thân thiện lắm với sinh vật và thảo vật có mặt ở nơi đó trước khi hồ đầy nước. Đặc biệt, một hồ nước ở vùng nhiệt đới sẽ có bèo Nhật Bản (Eichhornia crassipes) mọc. Với khả năng sinh trưởng rất mau, bèo Nhật Bản có thể bao phủ tất cả diện tích hồ, giảm hàm lượng dưỡng khí hòa tan trong nước và ngăn cản ánh sáng mặt trời chiếu vào nước. Hậu quả là không còn sinh vật nào có thể sống trong hồ nữa. Bèo xen vào trục tuabin và cửa van của đập làm cho những thiết bị đó bị kẹt. Bèo cũng xen vào trục chân vịt và bánh lái các thuyền đi lại trên mặt hồ làm cho thuyền bè phải thường xuyên ngưng hoạt động để sửa chữa.
Gần đây, sau khi nghiên cứu đập Petit Saut ở Guyana thuộc Pháp, người ta nhận thấy, ở những xứ nhiệt đới, những cây cỏ hãy còn chìm tại chỗ khi nước tràn vào hồ hấp thụ một phần dưỡng khí hòa tan trong nước, úng mục và sinh ra khí sulfur hydrô, CO2 và methan, cả ba khí này đều là những khí có hiệu ứng nhà kính. Cá trong hồ thiếu dưỡng khí, ngạt thở và chết. Hiện tượng này chỉ bắt đầu giảm sau một vài năm khi những thảo vật úng mục đã tan hết.
Những vấn đề kỹ thuật, kinh tế và chính trị
Một công trình thủy lợi nhỏ (tiểu thủy điện, công suất dưới 10.000 kW) hay cực nhỏ (vi thủy điện, công suất dưới 1.000 kW) chủ yếu đáp ứng một nhu cầu địa phương và không đặt ra khó khăn gì cả. Nhà đầu tư xây đập với những vật liệu có sẵn tại chỗ và lắp những thiết bị điện cơ có tầm vóc nhỏ nên không đặt nhiều vấn đề kinh tế kỹ thuật.
Những công trình thủy lợi cũng có thể là những công trình lớn : khối lượng vật liệu xây dựng đập quan trọng, khối lượng và trọng tải thiết bị điện cơ lớn,… Những địa điểm thuận lợi để xây công trình nhiều khi là những nơi hoang vu đường xá khó khăn. Nhà máy thủy điện phải được liên kết với mạng phân phối điện quốc gia bằng những đường dây tải điện cao thế.
Để chở vật liệu xây dựng và thiết bị cho đập và nhà máy thì phải xây trước những hạ tầng giao thông dẫn tới công trường. Công trình phải mấy năm mới xây xong (có khi tới hơn mười năm) và cần đến cả nghìn nhân công và kỹ sư. Để cho những người đó và gia đình họ sinh sống bình thường thì phải lập cả một đô thị với tiện nghi nhà ở, siêu thị, trường học, nhà thương, khu giải trí và có khi cả những nơi hành đạo. Một khi xây xong những cơ sở hạ tầng đó sẽ được dỡ đi hay có thể để lại để làm khởi đầu cho một nền kinh tế địa phương mới.
So với một nhà máy nhiệt điện chạy bằng năng lượng hóa thạch cùng công suất, một công trình thủy điện cần đến nhiều vốn hơn, phải xây trong một thời gian lâu hơn và có đời sống kỹ thuật lâu hơn nhiều (nhiều đập có thể dùng được tới cả thế kỷ). Vốn bị giam cầm lâu là vốn không có thể dùng được cho những dự án phát triển khác. Vì thiếu tài chính ngắn hạn có nước đã phải hoãn lại nhiều dự án thủy lợi, mặc dù có tỷ số lợi nhuận cao, để thực hiện những dự án nhiệt điện có khả năng sinh lợi mau hơn.
Như viết ở trên, một công trình thủy lợi có thể cung ứng nước cho nông nghiệp, du lịch, giải trí, giao thông vận tải và sản xuất điện. Công trình đã được tối ưu hóa để thỏa mãn toàn bộ những nhu cầu đó dựa trên những dự báo dài hạn tới mấy chục năm của mỗi đối tác tham gia dự án. Một khi công trình đã được hoàn thiện, người điều hành công trình phải điều chỉnh lưu lượng nước để thỏa mãn nhu cầu trước mắt và trong tương lai ngắn hạn và trung hạn của tất cả những đối tác cần dùng nước của công trình. Những quyết định đó dựa trên những mô hình toán học rất phức tạp.
Nhiều khi một dòng sông chảy qua lãnh thổ của nhiều nước. Điều này đặt ra vấn đề sử dụng nước của dòng sông để không quốc gia nào ven sông bị thiệt. Những thương lượng đa phương sẽ dẫn tới một hiệp định quản lý nước của dòng sông và sự thành lập một ủy ban đa phương kiểm tra thi hành hiệp định đó. Có khi các nước ven sông không đạt được thỏa thuận và tranh chấp có thể dẫn tới chiến tranh.
Những nguồn năng lượng tái tạo khác
Năng lượng mặt trời (quang năng)
Năng lượng mặt trời có thể được khai thác dưới dạng nhiệt và dưới dạng điện. Vì chỉ có những áp dụng nhỏ hay cực nhỏ, năng lượng mặt trời không đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật hay kinh tế.
Lưu lượng quang năng từ mặt trời xuống mặt đất là 1.366 W mỗi mét vuông. Nhưng vì mặt trời chỉ chiếu sáng có ban ngày và một phần ánh sáng mặt trời bị mây che, trung bình mỗi mét vuông chỉ nhận được có 150/200 W. Theo kết quả khảo sát những dàn quang điện đang vận hành, công suất của điện mặt trời là 165 đến 500 kWh/m²/năm tùy nơi.
Khai thác quang năng dưới dạng nhiệt thì có tỷ số lợi nhuận cao mà lại không cần đến công nghệ cao. Ở những xứ lạnh, nhiệt năng dùng để sưởi nhà. Ở những xứ nóng, nhiệt năng dùng để giảm nhiệt độ không khí trong nhà bằng bơm nhiệt theo quy trình hấp thụ. Ở xứ lạnh hay xứ nóng thì quang năng đều có thể dùng để đun nước gia dụng. Trung bình một mét vuông bảng mặt trời đủ để cung ứng suốt năm nước nóng gia dụng cho một người. Về mặt kỹ thuật một người có thể tự chế tạo được một hệ thống quang năng mà không cần phải có kỹ năng gì cả.
Ngoài một số dàn quang điện dùng để nghiên cứu và chứng minh tính khả thi kỹ thuật, quang năng dưới dạng điện chỉ dùng cho những thiết bị cần đến rất ít điện. Những áp dụng này tiết kiệm những pin cho đồng hồ, máy tính xách tay, máy radio, máy truyền hình nhỏ, đèn điện chiếu sáng vườn cảnh, hay tiết kiệm chi phí kéo đường dây cung ứng điện cho những trạm tín hiệu, cọc tiêu, rờle viễn thông, máy tính tiền đỗ xe, máy phát tiền,… Lắp ráp những tế bào quang điện để sản xuất những sản phẩm trên chỉ là một công nghệ lắp ráp đơn giản. Lắp ráp chúng thành giàn cũng không khó khăn gì hơn. Ngược lại công nghệ sản xuất những tế bào quang điện cần đến những cơ sở sản xuất tương tự như những cơ sở sản xuất vi mạch.
Dưới dạng nhiệt, quang năng không ô nhiễm môi trường mấy. Dưới dạng điện, quang năng đặt vấn đề ô nhiễm khi sản xuất những tế bào quang điện. Nhưng nguồn ô nhiễm này tập trung ở nơi sản xuất nên có thể kiềm chế được. Ngoài ra cũng có vấn đề ô nhiễm nhỏ qua những bình ắcquy bằng chì hay bằng lithium. Ở các nước Tây Âu có quy định những cửa hàng bán ắcquy phải nhận tất cả những bình ắcquy cũ mà bất cứ ai mang đến. Những linh kiện này được gửi đi xử lý hay tuần hoàn chúng ở những cơ sở dưới sự kiểm tra của thanh tra môi trường Nhà Nước.
Năng lượng gió (phong năng)
Phong năng có thể dùng hữu hiệu nhất để bơm nước : bơm nước uống gia dụng hay cho gia súc, tưới cây và đồng ruộng hay để tích năng trong một hồ thủy điện. Nhưng xu hướng hiện nay là dùng những quạt gió khổng lồ để sản xuất điện. Một quạt gió sản xuất điện lớn nhất có công suất tới 3 MW và phải dành một khoảng trống 2.000/3.000 mét vuông để có thể chạy một cách tối ưu. Ở những địa điểm thuận lợi nhất, một kilô mét vuông với những quạt gió xếp đặt một cách tối ưu thì có thể thu được 20 MWh mỗi năm, nghĩa là 55 kWh/m²/năm.
Nhiều người than phiền những quạt gió thiếu thẩm mỹ, gây tiếng ồn và cản trở chim bay. Thẩm mỹ là một vấn đề đánh giá chủ quan. Thực ra người ta không phân biệt được tiếng ồn của quạt gió với tiếng ồn tự nhiên của gió nếu cách quạt gió hơn 300 mét. Còn ảnh hưởng đến đời sống của chim thì những nghiên cứu đang tiến hành chưa đưa đến một kết luận tích cực hay tiêu cực nào.
Gần đây các nước phát triển xây dựng những trang trại quạt gió, nghĩa là một diện tích rộng với nhiều quạt gió sản xuất điện liên kết với nhau. Đất giữa những cột quạt gió vẫn có thể được dùng cho canh nông hay mọi công dụng khác. Có ý kiến dùng những cột tải điện cao thế làm cột cho quạt phong điện. Xu hướng đương thời là xây những quạt gió đó ở ngoài khơi rồi câu điện vào đất liền để không chiếm diện tích lục địa, giảm ô nhiễm thẩm mỹ và âm thanh và lợi dụng gió có nhiều và thổi đều đặn hơn ở đất liền.
Với những quạt gió ngoài khơi, vật liệu xây dựng và thiết bị của quạt gió phải có thể chịu đựng được sự hoen rỉ vì nước biển và những công tác bảo quản sẽ tốn kém hơn.
Những quạt gió phải có thể chịu đựng những cơn bão với gió trên 200 km/h nên kết cấu phải kiên cố làm cho giá một đơn vị công suất lắp đặt tương đương với một nhà máy điện hạt nhân. Vì gió không điều hòa, quạt gió chỉ dùng được trung bình 15 đến 20 phần trăm công suất lắp đặt và quạt gió chỉ chạy tối đa trong hai nghìn giờ trong năm. Để có thể cung ứng điện một cách liên tục, người ta phải bố trí một công suất lắp đặt tương đương chạy bằng một nguồn năng lượng khác đáng tin cậy hơn để hỗ trợ. Nói tóm lại, một công suất phong năng chỉ tham gia vào tiết kiệm năng lượng cơ bản chứ không thay thế được một công suất phương tiện sản xuất điện từ một nguồn năng lượng khả tín hơn.
Khi nhiều quạt gió được liên kết với mạng phân phối thì phong điện là một nguồn ô nhiễm cho mạng phân phối điện quốc gia : bất chợt nhiều quạt gió ngưng hoạt động vì có gió giật thì mạng phân phối điện bị mất cân bằng và hệ thống tải điện có thể sụp đổ vì các nhà máy điện khác không phản ứng kịp.
Phong năng thích ứng cho những áp dụng cá nhân hay những cộng đồng nhỏ sống ở những nơi hẻo lánh. Với công nghệ hiện nay, vì cần nhiều diện tích đất hay mặt biển để vận hành, những vật liệu và thiết bị chịu đựng những xâm phạm của khí quyển, kết cấu có thể chịu được những gió mạnh và những thiết bị sản xuất điện hỗ trợ, phong điện ở quy mô lớn chưa chứng minh được tính khả thi kinh tế.
Áp dụng đầu tiên của hải năng là khai thác sai biệt nhiệt độ nước ở trên mặt biển và nhiệt độ thấp hơn ở sâu dưới đáy biển. Sai biệt này có thể lên tới hơn 50°C ở những vùng nhiệt đới. Gần đây không thấy ai nói đến nữa.
Bây giờ người ta tìm cách khai thác năng lượng của thủy triều, sóng biển và luồng nước đại dương.
Khi thủy triều lên, nước đổ vào vịnh và khi thủy triều xuống thì nước trong vịnh chảy ra ngoài khơi. Trên nguyên tắc, hai lần mỗi ngày, ở cửa vịnh sẽ có một luồng nước chảy vào vịnh rồi chảy ngược ra khơi. Nếu xây một đập ở cửa vịnh và lắp đặt một bộ tuabin chạy hai chiều thì có thể sản xuất điện. Vịnh dùng làm hồ tích năng.
Gió làm cho mức nước lên xuống với một tần số và biên độ tùy ở địa điểm. Biến đổi mức nước đó đã được dùng để sản xuất điện cho những cọc tiêu phát tín hiệu đặt ở ngoài khơi. Có nơi đã thử sản xuất điện để tải về dùng ở đất liền.
Nước đại dương di chuyển từ nơi này nơi nọ. Những luồng nước lớn đó có thể được thu dẫn để chạy một chân vịt tương tự như một quạt gió và sản xuất điện.
Năng lượng từ lòng đất (địa năng)
Địa năng khai thác nhiệt độ cao ở dưới lòng đất.
Nhiệt độ đất tăng 1°C mỗi lần xuống sâu dưới mặt đất 20 đến 30 m. Nguồn gốc của gia tăng nhiệt độ này là do những hạt nhân uranium, thorium và potassium tự phân hạch và do những tấm địa chất đụng đậy và ma sát với nhau. Uranium, thorium và potassium có nhiều trên địa cầu và những nguyên tử đó có những hạt nhân đồng vị chưa ổn định nên vẫn tiếp tục tự phân hạch. Ma sát giữa những tấm địa chất do ảnh hưởng của mặt trăng sinh ra thủy triều. Ma sát đó làm tăng nhiệt độ của những tấm địa chất. Những vùng plasma của trung tâm địa cầu lên tới gần mặt đất hay phun ra khỏi lòng đất thành núi lửa cũng làm tăng nhiệt độ ở những nơi khác. Người ta có thể nhồi nước vào lòng đất để trích ra nước nóng dùng làm năng lượng.
Những áp dụng của địa năng tùy ở nhiệt độ của nước nóng trích ra :
- Dưới 100°C thì dùng để cung ứng nước nóng cho tiện nghi nhà ở, trung tâm thương mại và dịch vu công cộng,
- Trên 100°C và dưới 200°C thì dùng cho rất nhiều ngành công nghiệp,
- Còn trên 200°C thì có thể dùng để sản xuất điện.
Hiện nay trên thế giới có vài sáng kiến nhằm khai thác những nguồn năng lượng này. Một số nhỏ đã được đưa vào thử nghiệm. Vì địa thế và hoàn cảnh rất thuận lợi địa năng thỏa mãn tất cả nhu cầu năng lượng sưởi, nước nóng và điện của Iceland. Vì những thử nghiệm đó rất đơn lẻ, người ta chưa có thể kết luận rõ rệt về tiềm năng, ô nhiễm và những vấn đề kỹ thuật, kinh tế và chính trị của những dạng năng lượng này.
Tác giả: Đặng Đình Cung, nguồn bài viết: Trang Diễn đàn
0 comments: