Tài liệu Năng lượng xanh (2)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM ĐỀ TÀI: NĂNG LƢỢNG XANH Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. Lê Văn Nhạn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Nở Lớp : SP.Vật Lý- Công Nghệ MSSV : 1080335 Cần Thơ 05-2012 LỜI CẢM ƠN -------- Trong suốt thời gian bốn năm dƣới giảng đƣờng Đại học, em đã đƣợc quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý, Khoa Sƣ Phạm, Trƣờng Đại Học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy cũng nhƣ hƣớng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cho đến ngày hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Vì vậy, em xin kính gởi lời tri ân chân thành nhất đến quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý, Khoa Sƣ Phạm, Trƣờng Đại Học Cần Thơ. Em xin chân thành cảm ơn thầy: Lê Văn Nhạn đã nhiệt tình hƣớng dẫn cho em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, anh chị đang làm việc trong “Trung Tâm Học Liệu” đã tạo mọi điều kiện cho em tìm tài liệu thông qua sách, báo, Internet để em đƣợc hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong sự chỉ bảo và đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn để cho luận văn của em đƣợc tốt hơn. Cuối cùng xin ghi nhận nơi đây lòng biết ơn chân thành nhất,xin kính chúc sức khỏe của quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý, Khoa Sƣ Phạm, Trƣờng Đại Học Cần Thơ, chúc quý thầy cô luôn hoàn thành tốt công việc và luôn hạnh phúc bên gia đình. Em xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày … tháng .. năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Nở NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ---------....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ................................................. ………………………………………………………….. Cần Thơ, ngày.…. tháng.…. năm 2012 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GVPB 1 ---------.......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cần Thơ, ngày…. tháng…. năm 2012 Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GVPB 2 ---------.......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cần Thơ, ngày…. tháng…. năm 2012 Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU....................................................................................................... 1 1 Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1 2 Giới hạn đề tài ............................................................................................................ 1 3 Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 1 4 Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................................. 2 PHẦN II: NỘI DUNG ................................................................................................. 3 Chƣơng 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ NĂNG LƢỢNG .................................... 3 1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ................................................................................. 3 1.1.1 Năng lƣợng và chất mang năng lƣợng ................................................................... 3 1.1.2 Đơn vị đo năng lƣợng theo hệ quốc tế ................................................................... 3 1.1.2.1 Các bội số đơn vị năng lƣợng ............................................................................. 3 1.1.2.2 Các đơn vị năng lƣợng theo SI ........................................................................... 3 1.1.3 Năng lƣợng sơ cấp và năng lƣợng thứ cấp ............................................................. 4 1.1.4 Độ tăng năng lƣợng khi chuyển hóa (Net Energy Gian – NEG) ............................ 5 1.2 NĂNG LƢỢNG KHÔNG TÁI TẠO ....................................................................... 6 1.2.1 Khái niệm ............................................................................................................. 6 1.2.2 Tầm quan trọng ..................................................................................................... 7 1.2.3 Những thách thức .................................................................................................. 7 1.2.3.1 Khủng hoảng dầu khí và thách thức an ninh năng lƣợng .................................... 7 1.2.3.2 Phát thải CO2 và biến đổi khí hậu. .................................................................... 10 1.2.3.3 An toàn của nhà máy điện hạt nhân bị thách thức ............................................. 14 1.3 NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO .................................................................................... 15 1.3.1 Khái niệm ........................................................................................................... 15 1.3.2 Các nguồn năng lƣợng tái tạo .............................................................................. 16 1.3.3 Phân loại ............................................................................................................. 17 1.3.4 Đặc điểm chung của các nguồn năng lƣợng tái tạo .............................................. 18 1.3.4.1 Ổn định, bền vững và tạo điều kiện độc lập năng lượng ................................... 18 1.3.4.2 Sạch, không gây ô nhiểm và không phát thải CO2 ............................................ 19 1.3.4.3 Phụ thuộc vào thời tiết...................................................................................... 20 1.3.4.4 Mức tăng năng lƣợng khi chuyển hóa năng lƣợng tái tạo (NEG, EROI) .......... 20 1.3.4.5 Giá thành năng lƣợng tái tạo ............................................................................ 21 1.4 SẢN XUẤT VÀ TIÊU THỤ CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG KHÔNG TÁI TẠO VÀ TÁI TẠO HIỆN NAY ........................................................................................... 21 1.4.1 Trên thế giới ....................................................................................................... 22 1.4.2 Tại Việt Nam ...................................................................................................... 22 1.5 PHÁT TRIỂN NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO LÀ XU THẾ HIỆN NAY ..... 25 Chƣơng 2 NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .................................................................. 26 2.1 NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI-NGUỒN NĂNG LƢỢNG TRONG TƢƠNG LAI....26 2.2 BIẾN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG .................................. 27 2.2.1 Silicon và các chất bán dẫn vô cơ ........................................................................ 27 2.2.2 Nguyên lý làm việc của pin năng lƣơng mặt trời. ................................................ 32 2.2.3 Một số phát minh ................................................................................................ 37 2.2.4 Sử dụng nhiệt năng của ánh sáng mặt trời. .......................................................... 40 Chƣơng 3 NĂNG LƢỢNG GIÓ ............................................................................... 42 3.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH ...................................................................................... 42 3.2 NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA TUBIN GIÓ ........................................................ 42 3.2.1 Cấu tạo của tuabin gió ......................................................................................... 43 3.2.2 Các loại tuabin gió .............................................................................................. 45 3.2.3 Những tua bin gió kì lạ ........................................................................................ 47 Chƣơng 4 NĂNG LƢỢNG HYDRO ........................................................................ 49 4.1 ĐẶC TÍNH CỦA HYDRO .................................................................................... 49 4.2 SẢN XUẤT HYDRO ............................................................................................ 49 4.3 CẤT TRỮ HYDRO ............................................................................................... 52 4.4 SẢN XUẤT ĐIỆN TỪ HYDRO ............................................................................ 55 4.4.1 Nguyên lý ........................................................................................................... 55 4.4.2 Cấu tạo................................................................................................................ 55 4.4.3 Phân loại các loại pin nhiên liệu .......................................................................... 56 4.4.4 Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu ................................................... 56 Chƣơng 5 NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU .............................................................. 58 5.1 NGUỒN GỐC CỦA NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU ........................................... 58 5.2 CÁC LOẠI NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU ......................................................... 58 5.3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG.............................................................................. 59 5.4 MỘT SỐ DỰ ÁN KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU .......................... 60 PHẦN KẾT:Năng lƣợng xanh tại Việt Nam- thực trạng và tiềm năng phát triển...62 I.Năng lƣợng mặt trời .................................................................................................. 62 I.1 Vấn đề sử dụng năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam .................................................. 62 I.2 Tiềm năng phát triển ............................................................................................... 64 II. Năng lƣợng gió ....................................................................................................... 68 II.1 Tiềm năng điện gió của Việt Nam ......................................................................... 68 II.2 Các dự án phong điện ở Việt Nam ......................................................................... 69 III.Năng lƣợng Hydro .................................................................................................. 70 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 74 Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Năng lƣợng có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội loài ngƣời, đó là điều đã đƣợc lịch sử khẳng định. Quốc gia nào tự chủ đƣợc năng lƣợng, giàu có về năng lƣợng, quốc gia đó sẽ có điều kiện thuận lợi để phát triển mạnh mẽ và gìn giữ đƣợc độc lập dân tộc. Trong thế kỷ qua, nguồn năng lƣợng hóa thạch (hay còn gọi nguồn năng lƣợng truyền thống) là nguồn năng lƣợng quan trọng nhất, đáp ứng hơn 85% nhu cầu năng lƣợng cho sự vận hành nền kinh tế, chủ yếu là điện năng, nhiệt năng và nhu cầu nhiên liệu động cơ cho mọi hoạt động con ngƣời. Chính vì thế, nguồn năng lƣợng này đã giữ một địa vị thống trị cho đến ngày nay. Tuy nhiên, đây là nguồn năng lƣợng hữu hạn nên sự cạn kiệt của chúng đang đƣợc dự báo bởi nhiều tính toán khoa học. Hơn thế nữa, một vấn đề quan trọng khác mang tính thách thức toàn nhân loại, đó là nguồn năng lƣợng hóa thạch đã bọc lộ nhƣợc điểm của mình. Sự phát thải CO2 trong khi sử dụng, đã gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên, dẫn đến hiện tƣợng biến đổi khí hậu toàn cầu. Trƣớc tình hình trên, đòi hỏi phải có một nguồn năng lƣợng mới thay thế cho nguồn năng lƣợng này. Hiện nay, năng lƣợng tái tạo là giải pháp tốt nhất và trong đó, năng lƣợng xanh là một trong những ứng viên sáng giá nhất trong các nguồn năng lƣợng tái tạo. Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lƣợng gió sẽ mang ý nghĩa to lớn cho nhân loại, góp phần làm suy giảm hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Vì thế, để tìm hiểu sâu hơn về nguồn năng lƣợng quan trọng này, em đã chọn đề tài “ Năng lƣợng xanh”. 2. Giới hạn đề tài Đề tài này nghiên cứu năng lƣợng xanh và ứng dụng năng lƣợng này để tạo ra điện. 3. Mục đích nghiên cứu GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 1 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” Tìm hiểu về nguồn năng lƣợng xanh, biết đƣợc tầm quan trọng và ứng dụng hiện nay. Đồng thời, tìm hiểu về tiềm năng cũng nhƣ ứng dụng năng lƣợng này tại Việt nam. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu  Về lý thuyết: nghiên cứu sách, giáo trình, những trang web có liên quan đến đề tài.  Về thực hành: nghiên cứu các loại máy phát thực tế, những đoạn video có liên quan. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 2 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” PHẦN II: NỘI DUNG Chƣơng 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ NĂNG LƢỢNG 1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ 1.1.1 Năng lƣợng và chất mang năng lƣợng Chất mang năng lƣợng là chất có khả năng tạo ra năng lƣợng dƣới dạng công cơ học hoặc nhiệt, hoặc để thực hiện quá trình hóa học hoặc vật lý. Chẳng hạn: than, dầu, ánh nắng mặt trời, gió … là những chất hoặc vật mang năng lƣợng vì chúng chứa năng lƣợng dƣới những hình thức khác nhau và có thể chuyển thành những dạng mang năng lƣợng có ích khác để sử dụng khi cần. Chất mang năng lƣợng thƣờng là chất đốt hoặc nhiên liệu động cơ cũng có thể là điện hoặc nhiệt. 1.1.2 Đơn vị đo năng lƣợng theo Hệ quốc tế 1.1.2.1 Các bội số đơn vị năng lƣợng Trong các thống kê liên quan đến năng lƣợng theo hệ quốc tế SI thƣờng sử dụng đi kèm các tiền tố của hệ thập phân, biểu thị mức độ lớn hơn theo các bội số nhƣ Bảng 1.1: Bội số Tên gọi deca hecto kilo mega giga tera peta exta 1 10 10 2 10 3 10 6 10 9 1012 1015 1018 Viết tắt da h k M G T P E Bảng 1.1: Bội số các đơn vị năng lượng Nguồn : Năng lượng cho thế kỷ 21 Chú ý: từ mega ký hiệu viết tắt đƣợc viết bằng chữ hoa 1.1.2.2 Các đơn vị năng lƣợng theo SI  Đơn vị năng lƣợng theo hệ quốc tế SI là Joule (kí hiệu: J). Vì lí do lịch sử nên có nhiều đơn vị năng lƣợng khác cũng đƣợc sử dụng để biểu thị định lƣợng về năng lƣợng nhƣ: tấn than tƣơng đƣơng (tonne of coal equivalent – tce), GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 3 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” ngày nay đã đƣợc thay thế bằng đơn vị tấn dầu tƣơng đƣơng (tonne of oil equivalent – toe), đƣợc xác định bằng 41,868 gigajoule (GJ) và 1tce = 0,7toe. Nhiều số liệu thống kê về năng lƣợng vẫn còn dùng đơn vị này nhƣng hiện nay thƣờng sử dụng đơn vị terajoule (TJ) nhƣ khuyến cáo của tổ chức tiêu chuẩn thế giới (International Standards Organization – ISO).  Năng lƣợng nhiệt đƣợc tính bằng calorie (Cal) cũng đƣợc sử dụng làm đơn vị năng lƣợng, tƣơng đƣơng với 4,1868 joule.  Sản lƣợng điện đƣợc đánh giá bằng Gigawatt-h (GW-h), công suất máy phát điện đƣợc đánh giá bằng Megawatts (MW). Tuy nhiên, trong trƣờng hợp nhà máy điện mặt trời, công suất đƣợc đánh giá trên một đơn vị 1.000 m 2 tấm Panel mặt trời, còn đối với nhiên liệu sinh học, công suất nhà máy điện sinh học đƣợc đánh giá bằng tấn/năm (tonne/year) vì phụ thuộc vào vụ canh tác và thu hoạch trong năm. Các đơn vị năng lƣợng có thể chuyển đổi tƣơng đƣơng nhƣ sau (Bảng 1.2): Đổi thành Từ TJ Gcal Mtoe MBtu GWh Terajoule 1 238,8 2,388x 10 5 947,8 0,2778 Gigacalorie 4,1868 1 10 7 3,968 1,163x 10 3 Million toe 4,1868x 10 4 10 7 1 3,968x 10 7 11630 Million Btu 1,0551x 10 3 0,252 2,52x 10 8 1 1,931x 10 4 860 8,6x 10 5 3412 1 Giagawatt-h 3,6 Bảng 1.2: Chuyển đổi tương đương giữa các đơn vị năng lượng Nguồn : Năng lượng cho thế kỷ 21 1.1.3 Năng lƣợng sơ cấp và năng lƣợng thứ cấp Năng lƣợng đƣợc phân biệt thành hai loại:  Năng lượng sơ cấp: là năng lƣợng chứa trong tài nguyên thiên nhiên, từ năng lƣợng sơ cấp, bằng các quá trình chuyển hóa năng lƣợng ta có thể thu nhận đƣợc các chất mang năng lƣợng để sử dụng cho các mục đích khác nhau. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 4 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh”  Năng lượng thứ cấp: là năng lƣợng ta nhận đƣợc khi năng lƣợng sơ cấp đã qua các quá trình chuyển hóa năng lƣợng. Nhƣ vậy, chất mang năng lƣợng thu đƣợc sau khi chuyển hóa năng lƣợng là năng lƣợng thứ cấp. Chẳng hạn nhƣ: than, dầu mỏ là năng lƣợng sơ cấp. Từ than, dầu mỏ bằng cách đốt cháy sẽ sinh nhiệt làm bốc hơi nƣớc, hơi nƣớc làm quay tuabin để phát điện, điện là năng lƣợng thứ cấp. Tuy nhiên, không phải tất cả các chất mang năng lƣợng sau quá trình chuyển hóa đều là năng lƣợng thứ cấp. Bằng các quá trình chế biến, chuyển hóa than, dầu thành các sản phẩm khác nhƣ các sản phẩm nhiên liệu xăng, dầu, than cốc…để sử dụng làm nhiên liệu trong đời sống, trong sản xuất công nông nghiệp, trong giao thông vận tải các sản phẩm này là năng lƣợng thứ cấp. Các sản phẩm của quá trình chuyển hóa năng lƣợng không sử dụng với mục đích năng lƣợng thì không thuộc loại năng lƣợng thứ cấp nhƣ các sản phẩm hóa dầu cho công nghiệp tổng hợp hóa học, các dung môi dầu mỏ, các loại dầu mỡ bôi trơn, các loại bitum nhựa đƣờng. Khái niệm năng lƣợng sơ cấp đƣợc sử dụng khá phổ biến. Trong quá trình chuyển hóa do hiệu suất của quá trình, do mất mát cơ học khi vận chuyển, tồn trữ và phân phối nên năng lƣợng thứ cấp nhận đƣợc giảm khoảng 30% so với năng lƣợng sơ cấp. 1.1.4 Độ tăng năng lƣợng khi chuyển hóa (Net Energy Gian – NEG) Trong quá trình chuyển hóa năng lƣợng từ dạng ban đầu sang dạng các chất mang năng lƣợng, để biết đƣợc tính khả thi của quá trình ngƣời ta thƣờng căn cứ vào chỉ số mức độ tăng năng lƣợng trên tiêu chí năng lƣợng. Mức độ tăng năng lƣợng đƣợc xác định bằng sự khác nhau giữa năng lƣợng đƣợc sinh ra trên 1 đơn vị sản phẩm với năng lƣợng cần thiết để sản xuất chúng: NEG = năng lƣợng (có thể tiêu thụ) – năng lƣợng ( tổng thể đã tiêu tốn) Nguồn : Net energy gain-www.en.wikipedia.org  Nếu NEG > 0, sự chuyển hóa để tạo ra sản phẩm năng lƣợng mới đáng xem xét.  Nếu NEG < 0, không nên và cần phải xem lại. Độ tăng lƣợng còn đƣợc gọi là cân bằng năng lƣợng. Ngoài ra, ngƣời ta còn dùng tỷ số số EROI (Energy Return On Investment) để biết đƣợc tính khả thi của quá trình: GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 5 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” Năng lƣợng thu hoạch (có thể tiêu thụ) EROI = Năng lƣợng đầu tƣ (tổng thể đã tiêu tốn) Nguồn : Energy Balance-www.en.wikipedia.org EROI >1, sẽ có lợi về năng lƣợng khi chuyển hóa sang dạng năng lƣợng mới. EROI < 1, có nghĩa năng lƣợng không tăng thêm, ngƣợc lại thu hoạch còn ít hơn đầu tƣ chuyển hóa sang dạng năng lƣợng mới. Trị số NEG càng cao, tỷ số EROI càng lớn, càng thu đƣợc nhiều năng lƣợng hơn nếu đƣợc chuyển hóa thành chất mang năng lƣợng mới. Thí dụ: Bio-ethanol từ ngũ cốc có EROI = 1:1, điện từ nhà máy thủy điện ( hydro energy) có EROI = 300:1, điện từ phế thải gỗ có EROI = 30:1. Từ các số liệu trên ta thấy, sản xuất Bio-ethanol từ ngũ cốc là vấn đề cần phải cân nhắc lại vì không có lợi gì về năng lƣợng. 1.2 NĂNG LƢỢNG KHÔNG TÁI TẠO 1.2.1 Khái niệm Nguồn tài nguyên năng lƣợng trong thiên nhiên sau khi chuyển hóa thành các chất mang năng lƣợng khác nhau để sử dụng thì chúng đã mất đi và thiên nhiên không thể hồi phục kịp nguồn tài nguyên này để con ngƣời sử dụng tiếp. Nguồn tài nguyên nhƣ vậy đƣợc gọi là nguồn tài nguyên năng lƣợng không thể tái tạo. Năng lƣợng thu đƣợc từ nguồn năng lƣợng này đƣợc gọi là năng lƣợng không thể tái tạo hay nói ngắn gọn là năng lƣợng không tái tạo. Ví dụ: Than, dầu mỏ, khí thiên nhiên, đƣơc gọi chung là năng lƣợng hóa thạch, là những nguồn tài nguyên không thể tái tạo. Bởi vì, các nguồn năng lƣợng này do thiên nhiên sinh ra, đƣợc hình thành từ các vật liệu hữu cơ trong thiên nhiên (xác động, thực vật) qua nhiều quá trình biến đổi phức tạp trong lòng đất xảy ra hàng trăm triệu năm của các niên đại địa chất trƣớc đây. Chính vì tốc độ tạo thành của thiên nhiên quá chậm so với tốc độ sử dụng quá lớn của con ngƣời nên khi con ngƣời sử dụng chúng cạn kiệt, thiên nhiên không thể nào tái tạo kịp những mỏ than, mỏ dầu, mỏ khí mới để tiếp tục sử dụng. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 6 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” 1.2.2 Tầm quan trọng Nguồn tài nguyên năng lƣợng hóa thạch (than, dầu mỏ và khí thiên nhiên) là nguồn tài nguyên quan trọng nhất của thế kỷ qua và cho đến ngày nay, cung cấp hơn 85% nhu cầu năng lƣợng cho sự vận hành của nến kinh tế, chủ yếu là đảm bảo nhu cầu điện năng, nhu cầu nhiệt năng và nhu cầu nhiên liệu động cơ cho mọi hoạt động của con ngƣời. Nguồn năng lƣợng hóa thạch, đặc biệt là dầu mỏ, với những ƣu việt vƣợt trội trong các đặc tính vật lý và hóa học của chúng, không những đang đóng vai trò hết sức quan trọng trong lĩnh vực sản xuất và cung cấp năng lƣợng cho nền kinh tế mà còn giữ vai trò độc tôn không có nguồn nguyên liệu nào khác có thể cạnh tranh đƣợc trong cộng nghiệp hóa học với tƣ cách làm nguyên liệu để sản xuất vô số các sản phẩm hữu cơ cho mọi mặt của đời sống và sản xuất công, nông nghiệp. Vì sự phân bố không đồng đều nguồn tài nguyên năng lƣợng quý giá này, trên hành tinh đã từng xảy ra những cuộc chiến tranh, xung đột cục bộ hòng tranh giành nó, đồng thời dầu khí cũng thƣờng đƣợc một số quốc gia sử dụng vào mục đích chính trị, làm công cụ đe dọa độc lập và chủ quyền các quốc gia khác. Vì vậy, nó trở thành nhân tố có ảnh hƣởng rất lớn đến những biến động chính trị và quan hệ giữa các nƣớc trong phạm vi khu vực cũng nhƣ trên toàn cầu. 1.2.3 Những thách thức 1.2.3.1 Khủng hoảng dầu khí và thách thức an ninh năng lƣợng Theo đánh giá của liên hiệp quốc, tổng dự trữ năng lƣợng hóa thạch trên toàn thế giới hiện nay đã đƣợc xác định là 778Gtoe, trong đó dầu mỏ là 143 Gtoe, khí thiên nhiên là 138Gtoe, than là 566Gtoe. Nhƣ vậy, nếu nhƣ mức khai thác và sử dụng hàng năm nhƣ mức sử dụng năm 2001 là dầu mỏ 3,51Gtoe/năm, khí thiên nhiên là 2,16Gtoe/năm, than là 2,26Gtoe/năm thì lƣợng tài nguyên hóa thạch chỉ đủ dùng cho 41 năm đối với dầu mỏ , 64 năm đối với khí thiên nhiên và 251 năm đối với than. Chính vì vậy, nếu chúng ta không phát hiện thêm nguồn năng lƣợng mới thì ngay trong thế kỷ 21 này dầu mỏ và khí thiên nhiên sẽ không còn đóng vai trò cung ứng nhiên liệu chính cho thế giới. Đây là nổi ám ảnh kinh hoàng của nhân loại vì con ngƣời đã lệ thuộc quá nhiều vào dầu khí, không ai có thể hình dung đƣợc trong cuộc sống của mình sẽ có một ngày thiếu dầu khí, nhƣng điều này GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 7 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” sớm hay muộn cũng không thể tránh khỏi. Đó là một thách thức mang tính chất sống còn của nhân loại. Trong báo cáo mới đây của văn phòng tổ chức kiểm soát năng lƣợng Anh (EWG) cho thấy, sản lƣợng dầu mỏ thế giới đã lên đến đỉnh sản xuất vào năm 2006 với sản lƣợng 82 triệu thùng/ngày, sớm hơn so với dự kiến ( dự kiến sẽ vào 2010 – 2012). Sau thời điểm này, sản lƣợng dầu thế giới bắt đầu giảm dần, khoảng 7% mỗi năm và sẽ ngƣng hẳn trong vòng 20 – 30 năm sau đó (Hình 1.1). Có rất nhiều quan điểm cho rằng dầu mỏ đạt đến đỉnh ví dụ: Công ty Shell đƣa ra thời điểm 2025, cơ quan thông tin năng lƣợng Hoa kỳ (EIA) đƣa ra thời điểm 2030, còn Lord John Browne, nguyên tổng giám đốc BP thì cho rằng hiện nay chƣa đƣa ra đƣợc thời điểm nhƣ vậy. Hình 1.1 Biểu đồ sản xuất dầu mỏ trên thế giới từ năm 1965, đã chạm đỉnh vào năm 2006 Nguồn: The peak oil Crisis [www.peak-oil-crisis.com] Do sự bùng nổ về quy mô sản xuất trong thời đại toàn cầu hóa và hội nhập các nền kinh tế thế giới, cũng nhƣ sự bùng dân số quá nhanh (hiện nay gần 7 tỷ ngƣời, sẽ tăng lên 9.2 tỷ vào năm 2050) nên nhu cầu về năng lƣợng cũng đã tăng lên rất nhanh. Nếu nhƣ năm 1700, toàn thế giới chỉ sử dụng 3Mtoe/năm, năm 1800 là 11Gtoe/năm, năm 1900 là 534Gtoe/năm thì đến năm 2000 tăng vọt lên đến 9020,6Mtoe và năm 2003 là 10.523,8Mtoe. Theo đánh giá của cơ quan năng lƣợng thế giới (IEA), mức tiêu thụ năng lƣợng của toàn thế giới hàng năm có thể tăng thêm 1,7%. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 8 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” Năm 2007 nhu cầu tiêu thụ dầu của thế giới là 86,1 triệu thùng/ngày, năm 2008 là 88 triệu thùng/ngày, dự báo năm 2012 có thể tăng lên 95,8 triệu thùng/ngày và đến năm 2025 có thể sẽ lên đến 118 triệu thùng/ngày. Chính vì nhu cầu dầu khí tăng nhanh hàng năm nên có sự mất cân đối giữa lƣợng cung và lƣợng cầu, làm cho giá dầu khí biến động không thể kiểm soát nổi. Cụ thể, là đã xảy ra hai cuộc khủng hoảng năng lƣợng thế giới ở thế kỷ 20 khi có sự biến động giá dầu bất thƣờng và nhƣ vậy, thế giới đang cảnh giác với nguy cơ cuộc khủng hoảng dầu mới:  Cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ nhất vào năm 1973, khi giá dầu lên đột ngột từ 18USD/thùng lên 45-50USD/thùng.  Cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ hai xảy ra năm 1979 khi giá dầu tăng lên gấp đôi từ 50 USD/thùng lên trên dƣới 100 USD/thùng, rồi sau đó giảm trở lại ở mức tƣơng đối ổn định 20 – 30 USD/thùng. Hiện nay, giá dầu thế giới tiếp tục tăng cao nhất trong hơn hai năm trở lại đây do ảnh hƣởng những căng thẳng đang diễn ra ở Trung Đông và Bắc Phi. Giá một thùng dầu thô Brent đã tăng hơn 13% trong năm nay, chạm ngƣỡng 108,7 USD. Tại thị trƣờng New York, giá dầu thô ngọt nhẹ giao tháng 5-2011 đã lên tới 108,47 USD/thùng, tăng 53 cent so với giá đóng cửa của ngày hôm trƣớc. Tại London, giá dầu thô Brent biển Bắc giao cùng tháng đã tăng 2,36 USD lên 121,06 USD/thùng. Ngay cả tại các phiên giao dịch ở châu Á, giá dầu loại này cũng tăng lên 108,78 USD/thùng, mức cao nhất kể từ cuối năm 2008 (Hình 1.2). GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 9 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” Hình 1. 2 Biến động giá dầu thế giới từ 1/4/2010 đến 20/4/2011 Nguồn: Crude oil futures prices-NYMEX Vào những thời điểm giá dầu tăng lên, nhiều ngƣời lo lắng về nguy cơ một cuộc khủng hoảng dầu mỏ mới sẽ xãy ra, đe dọa đến sự phát triển ổn định nền kinh tế thế giới. Đây là mối quan ngại lớn nhất của tất cả các nƣớc trên toàn cầu. Con đƣờng giải thoát duy nhất là tìm cách giảm bớt, tiến đến giảm hẳn sự lệ thuộc vào dầu khí để phát triển ổn định và bền vững. Điển hình của sự tự chủ về năng lƣợng, dứt bỏ sự phụ thuộc vào dầu mỏ bằng cách nhanh chóng thay thế những nguồn năng lƣợng mới một cách thành công ngoạn mục là Đan Mạch. Đan Mạch hiện đang dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng điện năng làm từ sức gió. Ngành công nghiệp điện năng từ gió của Đan Mạch tạo công ăn việc làm cho 20.000 ngƣời, sản xuất đƣợc 3.200 MW trong năm 2003 trên tổng số 8.300MW sản lƣợng điện từ gió của toàn cầu. Với dân số 5,4 triệu ngƣời, Đan Mạch cũng là nƣớc dẫn đầu về tiêu thụ điện năng làm từ gió, với khoảng 21% tổng điện năng đƣợc làm từ gió, so với tỉ lệ bình quân trên toàn cầu là 0,5%, (AFP 15-8-2004). 1.2.3.2 Phát thải CO2 và biến đổi khí hậu Tài nguyên năng lƣợng hóa thạch là vật liệu chứa carbon trong thiên nhiên, khi đốt cháy nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra lƣợng khí thải cacbon dioxide ( CO 2 ) rất đáng kể. Trong các dạng năng lƣợng này, Than là vật liệu chứa hàm lƣợng carbon nhiều nhất, vì vậy khi sử dụng làm năng lƣợng, phát thải CO 2 là nhiều nhất. Theo thống kê của bộ năng lƣợng Mỹ, hàng năm trên thế giới đã thải ra bầu khí quyển 21,3 GT/năm khí CO 2 , là thủ phạm chính làm trái đất nóng lên do hiệu ứng nhà kính. Ngoài CO 2 , một số loại khí khác trong khí quyển cũng gây ra hiệu ứng nhà kính nhƣ khí Metan (CH4), hơi nƣớc (không bao gồm mây), Nitrogen Oxide (NOx),… . Trong các khí nhà kính, hiệu ứng nhà kính cao nhất là hơi nƣớc khoảng 36-37%, sau đó đến CO 2 khoảng 9-26% và CH4 khoảng 4-9%. Tuy vậy, do hàm lƣợng của hơi nƣớc và các khí nhà kính khác chỉ chiếm khoảng 10% trong khi hàm lƣợng CO 2 trong khí quyển chiếm 90% nên tác dụng gây ra hiệu GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 10 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” ứng nhà kính do CO 2 gây ra đƣợc xem là chủ yếu. Trên hình 1.3 cho thấy mối liên quan chặt chẽ giữa nồng độ CO 2 trong khí quyển và nhiệt độ bề mặt trái đất đã quan sát đƣợc ở thiên niên kỷ qua: Hình 1.3 Mối quan hệ giữa nồng độ CO 2 trong khí quyển (đường gấp nếp) và nhiệt độ bề mặt trái đất quan sát được trong vòng 1000 năm ( từ năm 1000 – 2000) Nguồn: Climate change-[http://fr.wikipedia.org] Những số liệu quan trắc trên cho thấy, trong suốt thiên niên kỷ trƣớc, nồng độ CO 2 trong khí quyển hầu nhƣ không thay đổi bao nhiêu, ở mức cân bằng khoảng 280ppmv ((part-per milionth volume)- phần triệu theo thể tích). Vì trong khoảng thời gian này chƣa xảy ra cuộc cách mạng công nghiệp nên việc sử dụng năng lƣợng hóa thạch không nhiều, sự phát thải CO 2 là không đáng kể. Nhƣng từ đầu thế kỷ 21 đến nay, khi cuộc cách mạng công nghiệp xảy ra sâu rộng, nồng độ CO 2 trong khí quyển mới tăng nhiều và tăng liên tục theo đà phát triển công nghiệp. Nhiệt độ bề mặt trái đất do vậy cũng tăng nhanh tƣơng ứng với nồng độ CO 2 , số liệu đo đạc từ 1850 đến 2005 đã cho thấy rõ, nhiệt độ bề mặt trái đất tăng nhanh, trung bình mỗi thập kỹ là 0,2oC từ năm 1960 đến nay (Hình 1.4). GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 11 SVTH: Nguyễn Thị Nở Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Năng lượng xanh” Trung bình hàng năm Trung bình 5 năm Nhiệt độ trái đất Hình 1.4 Sự thay đổi nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất thống kê từ 1850 – 2005 Nguồn : Global Warming [www.en.wikipedia.org] Trạm quan trắc Mauna Loa ở Hawaii đã ghi nhận nộng độ CO 2 trong khí quyển trong vòng 50 năm qua cho thấy từ 1960 đến nay đã tăng từ 315ppmv lên khoảng 385ppmv, nghĩa là trung bình mỗi thập kỷ qua , nồng độ CO 2 trong khí quyển đã tăng lên khoảng 4%, điều này khẳng định một lần nữa mối liên quan Lƣợng carbon dioxide trong khí quyển Đo tại trạm quan trắc Mauna Loa, Hawaii Chu kì hàng năm Nồng độ carbon dioxide ppm chặt chẽ giữa sự phát triển cacbon và độ tăng nhiệt độ bề mặt trái đất (Hình 1.5). Hình 1.5 Nồng độ CO 2 trong khí quyển tăng đều hàng năm từ 1960 đến 2010 Nguồn : Global warming [www.en.wikipedia.org] Nhiệt độ bề mặt trái đất ấm dần lên kéo theo nhiều hệ lụy quan trọng, đáng kể nhất là băng vĩnh cửu ở hai cực tan nhanh một cách đáng kinh ngạc. Chẳng hạn, Mùa hè năm 2002, ở Bắc cực, vùng Greenland khoảng 655.000Km2 băng đã tan chảy. Cũng vào mùa hè năm 2002, một khối băng khoảng 3,5 triệu tấn tan chảy ra gây ra lũ băng từ dãy núi Mali trên đỉnh Caucase (Nga). Từ 1991- 2004, số lƣợng băng tan ở Châu Âu tăng gấp đôi so với 30 năm trƣớc (1960-1990). GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn Trang 12 SVTH: Nguyễn Thị Nở