Năng lượng tái tạo và công nghệ nano

07/02/2007

Năng lượng đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của thế giới từ nhiều thập niên qua vì xăng dầu, than đá (sản phẩm của quá trình trầm tích hoá thạch thiên nhiên) đang rơi vào nguy cơ thiết hụt, không hứa hẹn một khả năng tái tạo có thể cung cấp đủ cho nhu cầu của cuộc sống. Ngoài ra, xăng dầu còn là nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng, do các khí độc phát sinh từ quy trình đốt cháy xăng dầu trong động cơ nổ như NO, Nox, CO, CO2, Sox, NMHC (non methane hydrocarbon)... Vì vậy tìm nguồn "năng lượng mới - năng lượng tái tạo" là một vấn đề được đặt ra. Hiện nay cả thế giới đang tập trung vào việc đi tìm những nguồn năng lượng mới dễ tái tạo hơn, ít gây ô nhiễm môi trường hơn như thủy điện, rác (năng lượng sinh khối, biomass energy), gió, nhiệt địa cầu (geothermal energy), năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu (fue cell)...

Theo một thống kê của Bộ Năng lượng Mỹ cho thấy trong năm 2004, nước Mỹ đã tiêu thụ dầu hoả là 40%, khí tự nhiên và than đá 23%, nguyên tử năng 8%, năng lượng tái tạo 6%. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời chiếm tỉ lệ 1%, năng lượng gió 2%, năng lượng địa nhiệt 5%, năng lượng sinh khối 47%, và thủy điện 45%. Kết quả thống kê này cho thấy các loại năng lượng tái tạo đưa vào sử dụng vẫn còn chiếm tỉ trọng rất nhỏ so với nguồn năng lượng truyền thống (dầu hoả, than đá...). Tuy còn sử dụng giới hạn, thế nhưng năng lượng mặt trời có thể nói vẫn là một nhân tố chính của năng lượng tái tạo, hứa hẹn nhiều nguồn cung cấp điện năng cho tương lai. Năng lượng mặt trời thể hiện qua nhiệt năng và quang năng trong các ứng dụng trực tiếp như sưởi ấm, hâm nóng, chiếu sáng... Năng lượng mặt trời còn được sử dụng để tạo các phản ứng quang hoá (photochemical process), các quy trình vật lý (photophysical process) cần thiết cho sự tạo thành điện năng hoặc lưu trữ năng lượng. Nhiệt năng từ mặt trời còn tạo ra sức gió và dòng chảy của mưa, sông... là động cơ chính của thủy điện. Năng lượng mặt trời tạo ra sự sống cho sinh vật, là nguồn tài nguyên chính của năng lượng sinh khối (biomass energy)...

Mới đây, các nhà khoa học nước ngoài chuyên về công nghệ quang điện (photoelectric) đã và đang có những nghiên cứu thành công về công nghệ pin mặt trời (photovolatic effect). Công nghệ pin mặt trời sử dụng quang năng (photon energy) để tạo điện năng bằng cách kích cầu các hạt tải điện tử (electron) và lỗ trống (hole), từ mức năng lượng ổn định lên mức năng lượng kích thích, tạo ra hạt tải tự do (free carriers) và giữ chúng lại ở các rào cản năng lượng (mạch hở), đây là quá trình tải điện của pin. Quá trình phóng điện thực hiện khi các hạt tải này được phóng thích ra ngoài và tạo thành điện năng (khi hàng rào năng lượng được hạ thấp bằng cách đóng kín mạch hở). Quy trình này có cùng nguyên tắc với photodiode sử dụng trong các CCD của flash card trong máy chụp hình kỹ thuật số.

Một dạng năng lượng tái tạo khác mang nhiều hứa hẹn là pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu là công nghệ sử dụng hiện tượng điện hoá của khí hydro cho ra điện năng. Hiện nay phin nhiêu liệu đang có sức thu hút trên thị trường thế giới do trong quá trình sử dụng không tạo ra chất độc hại cho môi trường (một vài pin nhiên liệu có phát sinh CO₂, nhưng hàm lượng này chỉ bằng 45 - 47% so với CO₂ phát sinh ra từ than đá, xăng dầu...). Tuy nhiên có một trở ngại là giá thành pin nhiêu liệu còn khá cao. Hệ thống động cơ nổ truyền thống dùng xăng dầu có thể cung cấp giá thành khoảng 400 USD/kW, trong khi đó pin nhiên liệu sẽ vào khoảng 2.000 USD/kW. Tại Mỹ giá điện khoảng 8 - 10 cents/kW - 3MW, trong tương lương nhiều hy vọng mức giá này sẽ giảm xuống khoảng 5 - 6 cents/kW...

Trong thời gian gần đây, công nghệ nano được xem là hướng đi mới của thế giới. Công nghệ nano có thể được ứng dụng để giải quyết những vướng mắc còn tồn đọng của việc khai phá những nguồn năng lượng tái tạo (pin mặt trời sử dụng những màng Si siêu mỏng sẽ gia tăng tối đa số lượng hạt tải tự do đóng góp vào năng lượng của pin). Vật liệu nano quang dẫn hữu cơ (organic photoconductor) có thể giữ một vai trò chủ yếu trong việc chế tạo các solar panel có diện tích lớn trên 1.000m² với giá thành rẻ hơn Si bán dẫn. Các solar panel này có khả năng giải quyết nhu cầu thắp sáng ở những vùng sâu, vùng xa với đèn thắp sáng thế hệ mới dựa trên khái niệm quantum dots - nhân tố chính của nano quang tử (nanophotonics). Công nghệ và vật liệu nano còn có thể ứng dụng trong việc gia tăng hiệu quả của pin nhiên liệu.

Các nhà khoa học trong nước ở Khu Công nghệ cao TP. HCM phối hợp với khoa học vật liệu của Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã chế tạo thành công than nano "lỏng". Bước đầu than nano "lỏng" đã được ứng dụng trong sản xuất vật liệu dùng cho công nghệ thông tin (mực nano sử dụng cho máy vi tính). Nhóm nghiên cứu về công nghệ nano của Khu Công nghệ cao TP. HCM đang tiếp tục nghiên cứu hướng ứng dụng của công nghệ nano vào các dự án về năng lượng tái tạo, tiết kiệm năng lượng. Cụ thể như nghiên cứu công nghệ nano quang tử (nanophotonics) ứng dụng cho sản xuất đèn bán dẫn phát sáng thế hệ mới; công nghệ nano quang dẫn, nano xúc tác, chất oxy hoá dạng nano dùng sản xuất pin mặt trời, pin nhiên liệu...

TS. Nguyễn Chánh Khê

Năng lượng tái tạo và công nghệ nano

Thông báo nhận hồ sơ các Giải thưởng hiệu quả năng lượng năm 2024

Công nghệ tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu

Bản quyền thuộc Vụ Tiết kiệm năng lượng và Phát triển bền vững, Bộ Công Thương