Kế hoạch B cho bài toán năng lượng

Tại sao phải chuyển sang kế hoạch B? Khoảng 850 nhà máy phát điện đốt than đang được Mỹ, Trung Quốc và Ấn Độ dự kiến xây dựng - những nước này đều không ký Nghị định thư Kyoto. Đến năm 2012, lượng khí thải từ các nhà máy này sẽ gấp năm lần chỉ tiêu cắt giảm khí thải của Nghị định thư Kyoto.. Sớm hay muộn thì thế giới cũng phải cần đến kế hoạch B. Kế hoạch này đòi hỏi việc phát triển các công nghệ mới để khai thác và cung cấp từ 10 đến 30 terawatt (TW-nghìn tỷ watt) điện mà không thải ra tấn carbon dioxide nào.

Cụ thể là xây dựng cái gì? Thực ra chúng ta đang đứng trước sự lựa chọn đối với khá nhiều công nghệ mới triển vọng. Nhưng chưa có cái nào là chắc chắn cả. Tất cả vẫn còn là những nguyên mẫu và ý tưởng. Nhưng chúng ta vẫn có cơ sở để hy vọng rằng, từ những ý tưởng này sẽ có một hệ thống khai thác năng lượng mới ra đời.

Năng lượng nhiệt hạch

Năng lượng nhiệt hạch hay ở chỗ: nhiên liệu vô cùng dồi dào, không phát thải khí nhà kính, đồng thời sự cố và các chất thải của nó được hy vọng là không quá nguy hại như các nhà máy điện năng lượng phân hạch.

"Một thập kỷ về trước, một số nhà khoa học vẫn nghi ngờ về tính khả thi của việc tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển," David E. Baldwin, trưởng nhóm điều hành DIII-D (lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất nước Mỹ) nói. Nhưng ngay từ 20 năm trước, người ta đã đạt được sự tiến bộ vượt bậc với thiết bị Tokamak, sử dụng những nam châm điện khổng lồ để giam nhốt các khí nhiên liệu dạng plasma và đốt nóng chúng lên đến 100 triệu độ C. "Bây giờ, chúng ta biết rằng, tổng hợp nhiệt hạch sẽ có thể thành công", Baldwin nói. "Vấn đề là ở chỗ, công nghệ này liệu có sớm được thương mại hóa hay không. Ngay cả với một kế hoạch cấp tốc, tôi nghĩ rằng chúng ta phải cần từ 25 đến 30 năm để phát triển một thiết kế có thể thương mại hóa được".

Khí cầu phát điện

Các nhà lãnh đạo quốc gia cũng coi tổng hợp hạt nhân là một công nghệ còn xa. Gần 20 năm sau khi được đề xuất, Lò Phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế (ITER) bây giờ chỉ mới gần như được phê chuẩn. Nếu việc xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch trị giá 10 tỷ đô ở miền Nam nước Pháp được bắt đầu trong năm nay thì phải đến 2016 nó mới đi vào hoạt động. Một số chuyên gia dự đoán rằng, sau 20-30 năm thí nghiệm, ITER sẽ cần được sửa lại các thiết kế cho phù hợp với một nhà máy điện.

Tầm cao mới cho năng lượng gió

Khoảng 5% ánh sáng mặt trời đi vào khí quyển chuyển hóa thành năng lượng gió. Nhưng khoảng hai phần ba năng lượng gió trên hành tinh lại nằm ở phía trên tầng đối lưu, nơi có nhiều gió mạnh. Và đương nhiên là chúng ta rất thèm muốn loại năng lượng gió tầm cao này. Trên các bầu trời ở nhiều nước như Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc và Nhật Bản, người ta đã chuẩn bị để khai thác nó. Công suất gió ở tầm cao mới có thể đạt tới 5000, thậm chí 10.000 W trên mỗi mét vuông. Và mọi người sẽ còn quyền mơ rằng: "gió trời cứ thổi, điện ta cứ xài".

Trở về thực tại, để gió có thể đem lại hàng nghìn tỷ watt điện cho năng lượng toàn cầu, các nhà nghiên cứu nhất thiết phải phát triển những công nghệ mới nhằm chinh phục được độ cao mới. Hiện giờ thì chỉ mới có ba thiết kế đáng chú ý.

Thiết kế thứ nhất là của công ty Magenn Power ở Ottawa (Ontario), đang được dự định tung ra thị trường. Đó là một kiểu khí cầu heli to bằng cái xe bus, được giữ lơ lửng ở độ cao 122m so với mặt đất. Nó ứng dụng hiệu ứng Magnus để vận hành hệ thống phát điện và có thể cung cấp một công suất khoảng 4 KW. Công ty này còn có tham vọng đến năm 2010 sẽ chế tạo một chiếc khí cầu phát điện khổng lồ, to bằng cả sân vận động, có công suất 1,6 MW.

Thang gió phát điện

"Những cối xay gió trên không" sẽ làm đỡ tốn diện tích mặt đất hơn, nhưng những người vận hành chúng phải thuyết phục các cơ quan hàng không quốc gia hạn chế các đường bay ở vùng lân cận. Và cho đến khi những cỗ máy lơ lửng này được phổ biến, vẫn không ai có đảm bảo được liệu chúng có chịu nổi những biến động khí quyển phức tạp như gió bão và sét đánh hay không. Các chi phí để duy trì và bảo dưỡng chúng cũng có thể sẽ là một vấn đề nghiêm trọng.

Trạm điện mặt trời trong không gian

Thiết bị khai thác năng lượng sóng để sản xuất điện do công ty Ocean Power Delivery chế tạo, có thể chịu đựng được cả những cơn bão mạnh.

Pin mặt trời nếu đặt trong không gian vũ trụ thì sẽ lấy được nhiều năng lượng mặt trời hơn, vì năng lượng này sẽ không bị ăn bớt bởi bầu khí quyển Trái đất. Hơn nữa, nếu bố trí khéo léo thì chúng sẽ luôn được mặt trời chiếu sáng và không phải chịu chu kỳ đêm ngày như ở dưới mặt đất.

Peter Glaser đã từng đề xuất hồi năm 1968 rằng các vệ tinh có kích cỡ bằng cả thành phố có thể thu năng lượng mặt trời trong không gian và truyền nó về trái đất dưới dạng vi sóng. Khi ấy ý tưởng này đã bị coi là quá xa xôi. Tuy nhiên, sau khủng hoảng giá dầu thập kỷ 1970, các kỹ sư NASA đã xem xét ý tưởng đó kỹ hơn. Công nghệ này được coi là có vẻ ngon ăn cho đến năm 1979, khi người ta ước đoán rằng, chi phí cho một hệ thống đầu tiên như vậy là 305 tỷ đô! Hết hy vọng!

Thực ra NASA đã từng chi tiền cho một nghiên cứu nhỏ trong giai đoạn 1995-2003 nhằm đánh giá các thiết kế SSP. Một thiết kế SSP đã tỏ ra có hiệu quả cao khi sử dụng các pin mặt trời dạng màng mỏng, các dây dẫn bằng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao và thiết bị laser hồng ngoại (thay cho máy phát vi sóng) để truyền năng lượng về mặt đất. Điều quan trọng là thiết kế này cho phép làm giảm khối lượng của hệ thống và từ đó giảm chi phí để phóng nó lên quỹ đạo.

Trong những thập kỷ tới, với triển vọng sáng sủa của ngành hàng không vũ trụ, các chuyên gia dự đoán rằng, chi phí để phóng mỗi kg của hệ thống SSP sẽ giảm từ hơn 10.000 đô xuống còn vài trăm đô.

Pin mặt trời công nghệ NANO

Loại pin mặt trời silicon thế hệ thứ hai tinh xảo nhất (và cũng rất đắt) hiện nay mới chỉ đạt được hiệu suất 22%. Giá thành cao và hiệu suất thấp khiến pin mặt trời trở thành một giải pháp năng lượng xa xỉ. Điều này từ lâu vẫn làm các nhà công nghệ rất khó chịu. Họ quyết tâm phát triển các loại pin mới, dựa trên các cấu trúc chấm lượng tử, có hiệu suất gấp đôi pin mặt trời truyền thống. Họ cũng đi săn tìm những vật liệu thân thiện với môi trường hơn so với các tinh thể nano chì, selen và cadmi. Mặc dù mang tiếng là "công nghệ cao" nhưng giá thành của các vật liệu cấu trúc chấm lượng tử lại không phải là quá đắt.

Các hạt nano cũng đem lại triển vọng giúp pin mặt trời cạnh tranh hơn về giá. Công ty Nanosolar gần San Francisco đang xây dựng một nhà máy sản xuất 200 triệu pin mỗi năm, sử dụng công nghệ phun các hạt nano đa thành phần "Một vấn đề cơ bản là những nguồn năng lượng tái sinh phải đến được với mọi người ở khắp nơi trên thế giới. Một giải pháp là sử dụng mạng lưới các dây điện siêu dẫn trải ra khắp toàn cầu. Dây siêu dẫn sẽ không gây hao phí điện năng trên đường truyền".

Từ tháng 7/2006, nhóm BOC ở New Jersy đã thử nghiệm lắp đặt 350m dây siêu dẫn làm lạnh bằng nitơ lỏng vào mạng điện ở Albani. Đường dây này có thể mang được công suất lên tới 48 MW.

Một siêu mạng lưới cung cấp điện là khả thi, thử nghiệm của chúng tôi đã chứng minh điều đó". Ed Garcia, Phó Chủ tịch BOC nói.

Với một siêu mạng điện xuyên lục địa, các dàn pin mặt trời ở Úc và các cánh đông gió ở Siberia có thể đem đến năng lượng thắp sáng nước Mỹ và sưởi ấm cho châu Âu. Nhưng ai cũng phải thở dài khi đứng trước một thực tế là, việc xây dựng một mạng điện như thế ngốn tới hàng nghìn tỷ đô la.

Sóng biển, thuỷ triều

Qua những thập kỷ 80 và 90, loại năng lượng này chỉ mới có hai ví dụ thành công về thương mại: nhà máy điện thủy triều 240 MW ở Pháp và trạm thủy triều 20 MW ở Nova Scotia. Trung Quốc đang chuẩn bị xây một cơ sở 40 KW ở Daishan. Sáu tuabin 36 KW đang chuẩn bị quay ở khu vực Sông Đông thành phố New York.

Quy mô nhất là ở Anh, hồi tháng 7/2006, chính phủ Anh khởi động một nghiên cứu về tính khả thi của một con đập 16 km ở cửa sông Severn, nơi có thủy triều lớn hàng thứ hai trên thế giới. Công trình này sẽ tốn khoảng 25 tỷ đô và đem lại công suất 8,6 tỷ watt. Những người trong cuộc bảo rằng, nó sẽ đi vào vận hành sau một thế kỷ nữa. Các nhà phân tích cho rằng, năng lượng đại dương ở Anh có thể cung cấp 1/5 điện năng quốc gia và bù đắp được sự cắt giảm theo Nghị định thư Kyoto.

Các nhà môi trường thì vẫn lo ngại rằng, con đập có thể làm hỏng hệ sinh thái cửa sông."Hệ thống tuabin dưới biển của chúng tôi hay hơn một con đập," Peter Fraenkel ở công ty Marine Current Turbines phát biểu. Hệ thống đó ở bờ biển Anh có thể cung cấp điện tương đương đập Severn nhưng tốn ít tiền hơn.

Năng lượng sóng thất thường hơn thủy triều nhưng lại phổ biến hơn. Gần đây, bốn công ty đã vừa hoàn tất những thiết kế thử nghiệm khai thác năng lượng sóng của họ. Một trong số đó, Ocean Power Delivery ở bờ biển Bồ Đào Nha đã chuẩn bị đem lại 2,25 MW điện.

Vi sinh vật cũng là một giải pháp

Với công nghệ gene, các vi sinh vật mới có thể được tạo ra để tổng hợp nhiên liệu. "Chúng tôi nghĩ rằng, lĩnh vực này có nhiều khả năng sẽ thay thế công nghiệp hóa dầu trong một thập kỷ mới". Nhà sinh học nổi tiếng thế giới J. Craig Venter nói. Venter cũng hình dung rằng, những vi sinh vật mới có thể hấp thụ carbon dioxide thải ra từ ống khói của một nhà máy điện và tổng hợp thành khí tự nhiên dùng để đốt cho nồi hơi. "Đã có sẵn hàng ngàn, thậm chí hàng triệu loại cơ thể hữu cơ trên hành tinh này biết làm việc đó", Venter nói. Mặc dù không loài nào trong số đó có thể phù hợp với cuộc sống trong nhà máy điện nhưng các nhà nghiên cứu có thể mượn hệ gene của chúng cho những sáng tạo mới. "Chúng tôi đang thiết kế những hệ sinh học có khả năng sản xuất hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời, sử dụng hiện tượng quang hợp".

Công ty GreenFuel ở Cambridge đã thiết lập những cánh đồng tảo ở các nhà máy điện để chuyển 40% lượng khí thải CO2 thành dạng thô của nhiên liệu sinh học. Họ tuyên bố rằng, một cánh đồng tảo lớn gần một nhà máy điện 1 GW có thể sản xuất 50 triệu gallon cồn mỗi năm.

Theo Tạp chí Tia Sáng