TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÁC CHIẾN LƯỢC ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU

TỔNG LUẬN SỐ 11/2011 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÁC CHIẾN LƯỢC ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỒN CẦU MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU I HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỒN CẦU VÀ GIẢI PHÁP ỨNG PHĨ BẰNG CÔNG NGHỆ NANO 1.1 Khái qt tình hình biến đổi khí hậu tồn cầu, nguyên nhân, hậu chiến lược ứng phó 1.2 Tiềm to lớn công nghệ nano việc giảm nhẹ biến đổi khí hậu tồn cầu II CHIẾN LƯỢC 1: GIẢM TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG NHỜ ÁP DỤNG NHỮNG CÔNG NGHỆ HIỆU QUẢ HƠN 2.1 Khái quát lĩnh vực ứng dụng công nghệ nano 2.2 Ứng dụng công nghệ nano số lĩnh vực cụ thể III CHIẾN LƯỢC 2: TĂNG CƯỜNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO, ĐẶC BIỆT LÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.1 Khái quát tiềm công nghệ nano việc phát triển lượng tái tạo 3.2 Những thành tựu ứng dụng công nghệ nano pin mặt trời IV CHIẾN LƯỢC 3: QUẢN LÝ CACBON, BAO GỒM VIỆC TÁCH, THU GIỮ, TÀNG TRỮ VÀ BIẾN THÀNH NHỮNG SẢN PHẨM HỮU ÍCH 4.1 Thu hồi cacbon diôxyt màng mỏng cấp nano 4.2 Công nghệ vật liệu xốp để hấp thụ CO2 4.3 Biến carbon diôxyt thành vật liệu hữu ích KẾT LUẬN LỜI NÓI ĐẦU Biến đổi khí hậu thách thức lớn đặt cho nhân loại kỷ 21 Biến đổi khí hậu tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống môi trường phạm vi toàn cầu Nhiệt độ tăng, mực nước biển dâng gây ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nước, ảnh hưởng đến nông nghiệp, gây rủi ro lớn ngành công nghiệp hệ thống kinh tế - xã hội Vấn đề biến đổi khí hậu đã, làm thay đổi toàn diện sâu sắc trình phát triển an ninh tồn cầu lượng, nước sạch, lương thực v.v Công nghệ nano công nghệ tảng, thân khơng thể tác động mạnh mẽ tới việc làm giảm bớt tình trạng biến đổi khí hậu, nhiên, kết hợp vào hệ thống lớn hơn, chẳng hạn kinh tế hyđro, công nghệ điện mặt trời thiết bị lưu trữ lượng hệ mới, cơng nghệ nano có tác động rộng lớn tới tình hình tiêu thụ lượng giúp giảm nhẹ tượng biến đổi khí hậu Để cung cấp cho bạn đọc cách nhìn tổng qt biến đổi khí hậu tiềm công nghệ nano biện pháp ứng phó với biến đổi khí hậu, Cục Thơng tin Khoa học Công nghệ Quốc gia tổng hợp biên soạn Tổng luận “TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÁC CHIẾN LƯỢC ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỒN CẦU” với hy vọng tài liệu bổ ích giúp độc giả nhận thức tiềm đóng góp cơng nghệ nano chiến lược giảm thiểu biến đổi khí hậu Xin trân trọng giới thiệu độc giả CỤC THÔNG TIN KH&CN QUỐC GIA I HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỒN CẦU VÀ GIẢI PHÁP ỨNG PHĨ BẰNG CƠNG NGHỆ NANO 1.1 Khái quát tượng biến đổi khí hậu tồn cầu, ngun nhân, hậu các chiến lược ứng phó 1.1.1 Hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu Theo báo cáo nhà khoa học, nóng lên tồn cầu hệ thống khí hậu chưa có rõ ràng, xuất phát từ số liệu quan trắc nhiệt độ trung bình đại dương tồn cầu Sự tan chảy băng, tuyết phạm vi rộng lớn dẫn đến dâng cao mực nước biển Sự biến đổi cuả nhiệt độ Hiện tượng nóng lên tồn cầu hệ thống khí hậu Trái đất với mức nhiệt độ tăng 0,74 oC 100 năm qua (1906 - 2005) chưa có: - Xu tăng nhiệt độ 50 năm gần 0,13 oC/thập kỷ, gấp lần xu tăng 100 năm qua Từ năm 1970 đến 2005, mức tăng nhiệt độ nhanh với xu 0,17 oC/thập kỷ - Nhiệt độ trung bình Bắc cực tăng nhanh gấp lần mức tăng trung bình toàn cầu, Nam cực, biến đổi thập kỷ cao xuất thời kỳ nóng từ năm 1925 đến 1945 - Nhiệt độ tầng lớp băng vĩnh cửu Bắc cực tăng 3oC kể từ năm 1980 - 11 số 12 năm gần (1995 - 2006) nằm số 12 năm nóng chuỗi quan trắc kể từ năm 1850 - tháng đầu năm 2010 chuỗi tháng có nhiệt độ trung bình tồn cầu cao chưa có, tháng tháng nóng kỷ lục kể từ năm 1880 Năm 2010 vượt qua năm 1998 số tháng có nhiệt độ cao, phá kỷ lục nhiệt độ cao theo lịch năm - Số ngày lạnh, đêm lạnh băng giá hơn, số ngày nóng, đêm nóng, đợt nóng nhiều Sự biến đổi yếu tố khác Nóng lên tồn cầu kéo theo hàng loạt biến đổi khác hệ thống khí hậu Trái đất: - Băng tan hai cực Trái đất núi cao: từ năm 1978, diện tích trung bình hàng năm băng biển Bắc cực bị thu hẹp 2,7%/thập kỷ Riêng mùa hè giảm 7,4%/thập kỷ Băng Nam cực tan, sông băng lớn Tây Nam cực (Pine Island, Smith) trơi phía đại dương - Xu giảm diện tích băng biển Bắc cực thời kỳ 1979-2009 vào tháng 0,44 triệu km2/thập kỷ (2,9%), vào tháng 0,79 triệu km2/thập kỷ (11,9%) - Mực nước biển trung bình tồn cầu tăng với tỷ lệ trung bình 1,8 mm/năm giai đoạn 1961 - 2003 tăng nhanh với tỷ lệ 3,1 mm/năm giai đoạn 1993 - 2003 Tổng cộng, mực nước biển trung bình tồn cầu tăng lên 0,17 m 100 năm gần Dự tính đến cuối kỷ 21, mực nước biển trung bình tăng 0,18 0,59 m so với cuối kỷ 20 Tuy nhiên, biến đổi quan sát mực nước biển nhiệt độ toàn cầu nghiên cứu động lực học tan chảy băng cho thấy mực nước biển dâng kỷ 21 0,8 - 1,8 m - Thiên tai tượng thời tiết khắc nghiệt gia tăng nhiều nơi, đáng ý là: + Các nhiệt độ cực trị tăng lên nhiều vùng rộng lớn + Lượng mưa dao động mạnh theo thời gian không gian nhiều khu vực giới, kiện mưa lớn tăng lên phần lớn diện tích lục địa + Từ năm 1970, đợt hạn hán nặng, kéo dài xảy nhiều vùng rộng lớn, đặc biệt vùng nhiệt đới cận nhiệt đới + Hoạt động xoáy thuận nhiệt đới mạnh tăng lên Đại Tây Dương vùng khác + Hiện tượng El Nino, La Nina xảy mạnh mẽ thập kỷ gần Xu biến đổi khí hậu tồn cầu kỷ XXI Ủy ban liên Chính phủ Biến đổi Khí hậu (IPCC) đưa kịch biến đổi khí hậu tồn cầu kỷ XXI sau: - Nhiệt độ trung bình bề mặt toàn cầu tăng 2,0 - 4,5oC vào năm 2100 so với thời kỳ tiền công nghiệp (1750) - Mực nước biển trung bình tồn cầu tăng 0,18 - 0,59 m vào giai đoạn 2090 2099 so với trung bình giai đoạn 1980 - 1999 - Thiên tai tượng thời tiết cực đoan gia tăng: + Nóng hơn, số ngày nóng, đêm nóng, số đợt nóng nhiều hơn; + Số ngày lạnh, đêm lạnh hầu khắp vùng lục địa; + Các kiện mưa lớn tỷ lệ mưa lớn tổng lượng mưa tăng lên hầu hết vùng; + Các vùng chịu ảnh hưởng hạn hán tăng lên thường gắn liền với hoạt động El Nino; + Cường độ bão, áp thấp nhiệt đới tăng lên; + Các kiện cực trị cao mực nước biển (khơng kể sóng thần) tăng lên 1.1.2 Nguyên nhân hậu tượng biến đổi khí hậu Nguyên nhân Như biết, Trái đất hình thành Thái dương hệ khoảng 4,65 tỷ năm trước đây, bao bọc khí quyển, bao gồm khí CO2 (dioxit cacbon), CH4 (Metan), NOx (Oxit Nitơ) gây hiệu ứng, gọi hiệu ứng nhà kính Do vậy, khí gọi tắt khí nhà kính Khí nhà kính có tính giữ lại xạ nhiệt phát từ mặt đất lên, khơng cho vào Vũ trụ Dựa vào số liệu đo đạc nhà khí tượng học hàng năm Mặt trời rọi xạ ánh sáng vào Trái đất khối lượng lớn lượng Trái đất hấp thụ khoảng 60%, 40% phản xạ trở lại vào Vũ trụ Số lượng hấp thu qua nhiều trình phức tạp, biến thành xạ nhiệt phát trở lại qua khí vào Vũ trụ Hàm lượng khí nhà kính khí phải mức đủ thấp để khối lượng nhiệt hấp thu phát hết, khơng cho nhiệt độ tích lại tăng lên Những năm qua, tranh cãi biến đổi khí hậu tồn cầu chưa ngã ngũ Cho tới năm đầu kỷ 21, với chứng xác thực, nhà khoa học chứng minh can thiệp mạnh mẽ người vào mơi trường Trái đất, việc sử dụng chất hóa thạch than đá, dầu lửa, khí đốt; việc tàn phá cánh rừng; việc phát triển cơng nghiệp hóa thải bầu khí nhiều loại khí nhà kính, làm cho Trái đất nóng lên ngày Trong vòng 200 năm trở lại đây, đặc biệt chục năm vừa qua, với gia tăng hoạt động công nghiệp, người thải vào bầu khí lượng lớn khí CO2, NOx, CH4 , làm xạ nhiệt khơng ngồi Thực chất, biến đổi hệ thống tương tác đa chiều khí quyển, thủy quyển, thạch quyển, sinh người, 90% nguyên nhân người gây Hàm lượng khí CO2 người phát thải tăng lên mức cho phép, làm bề mặt Trái đất không ngừng nóng lên, gây xáo động mơi trường sinh thái, dẫn đến tượng biến đổi khí hậu tồn cầu Hậu Biến đổi khí hậu thách thức lớn nhân loại kỷ 21 Biến đổi khí hậu tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống môi trường phạm vi toàn giới Nhiệt độ tăng, mực nước biển dâng gây ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nước, ảnh hưởng đến nông nghiệp, gây rủi ro lớn ngành công nghiệp hệ thống kinh tế - xã hội tương lai Vấn đề biến đổi khí hậu đã, làm thay đổi tồn diện sâu sắc trình phát triển an ninh toàn cầu lượng, nước, lương thực, xã hội, việc làm, trị, ngoại giao, văn hóa, kinh tế, thương mại Theo báo cáo Ủy ban Liên phủ Biến đổi khí hậu (IPCC), nhiệt độ trung bình tồn cầu mực nước biển tăng nhanh vòng 100 năm qua, đặc biệt khoảng 25 năm gần Ở Việt Nam, vòng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,5oC, mực nước biển dâng khoảng 20cm Hiện tượng El Nino, La Nina ngày tác động mạnh mẽ Biến đổi khí hậu thực làm cho thiên tai, đặc biệt bão, lũ hạn hán ngày khốc liệt Việt Nam đánh giá quốc gia bị ảnh hưởng nặng nề BĐKH, đồng sơng Cửu Long đồng giới dễ bị tổn thương nước biển dâng, với đồng lại đồng sơng Nile (Ai cập) đồng sông Ganges (Bangladesh) Theo kịch biến đổi khí hậu, vào cuối kỷ 21, nhiệt độ trung bình năm nước ta tăng khoảng 2,3oC, tổng lượng mưa năm lượng mưa mùa mưa tăng lượng mưa mùa khơ lại giảm, mực nước biển dâng khoảng từ 75cm đến 1m so với trung bình thời kỳ 1980-1999 Nếu mực nước biển dâng cao 1m, có khoảng 40% diện tích đồng sơng Cửu Long, 11% diện tích đồng sơng Hồng 3% diện tích tỉnh khác thuộc vùng ven biển bị ngập, đó, Tp Hồ Chí Minh bị ngập 20% diện tích; khoảng 10-12% dân số nước ta bị ảnh hưởng trực tiếp tổn thất khoảng 10% GDP Tác động BĐKH nước ta nghiêm trọng, nguy hữu cho mục tiêu xố đói giảm nghèo, cho việc thực mục tiêu thiên niên kỷ phát triển bền vững đất nước Biến đổi khí hậu trở thành chủ đề nóng nhiều hội nghị cấp cao giới Tổng Thư ký Liên Hợp Quốc Ban Ki Moon cho rằng: “Biến đổi khí hậu khiến nhân loại phải đối mặt với đe dọa to lớn chiến tranh”; “biến đổi khí hậu khơng vấn đề mơi trường, mà mối đe dọa tồn diện, ảnh hưởng đến sức khỏe người, đến tình hình cung cấp lương thực tồn cầu, vấn đề di dân đe dọa hòa bình, an ninh giới” Vì vậy, nhiều nước giới thành lập tổ chức để đạo điều phối hoạt động ứng phó với tình hình biến đổi khí hậu, xây dựng chương trình, chiến lược kế hoạch hành động quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu 1.1.3 Xu hướng phát thải khí nhà kính tồn cầu Tình hình phát thải khí nhà kính tồn cầu Từ khoảng năm 1800, hàm lượng khí CO2 khí bắt đầu tăng lên, vượt số 300 phần triệu (ppm) đạt 379ppm vào năm 2005, nghĩa tăng khoảng 31% so với thời kỳ tiền cơng nghiệp, vượt xa mức khí CO2 tự nhiên khoảng 650 nghìn năm qua Năm 2009, hàm lượng khí CO2 khí đo Mauna 388ppm, đạt 390ppm vào năm 2010 - Xu tăng phát thải khí nhà kính (CO2, CH4, N2O, HCFCs, PFCs, SF6) đánh giá tiềm nóng lên toàn cầu thời gian 1970 - 2004 70%, từ 1990 - 2004 24% (tương ứng từ 24,7 lên 49 tỷ CO2) - Trong 35 năm (1970 - 2004), phát thải khí CO2 tăng 80% chiếm 77% tổng lượng khí nhà kính nhân tạo năm 2004 Mức tăng lớn phát thải khí nhà kính thời gian nói từ lĩnh vực lượng (145%), tiếp đến từ lĩnh vực vận tải (120%), công nghiệp (65%), sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất rừng (40%) Trong giai đoạn 1970-2000, phát thải khí nhà kính trực tiếp từ lĩnh vực sản xuất nông nghiệp tăng 27%, từ ngành xây dựng tăng 26%, (nếu tính phát thải gián tiếp sử dụng điện xây dựng, mức gia tăng 75%) - Hàm lượng khí nhà kính khác CH4, N2O tăng tương ứng từ 715 ppb (phần tỷ) 270 ppb thời kỳ tiền công nghiệp lên 1774 ppb (151%) 319 ppb (17%) vào năm 2005 Riêng khí chlorofluoro cacbon (CFCs) vừa khí nhà kính với tiềm làm nóng lên tồn cầu lớn gấp nhiều lần khí CO2, vừa chất phá hủy tầng ơzơn bình lưu, có khí người sản xuất từ cơng nghiệp làm lạnh, hóa mỹ phẩm phát triển - Từ năm 1840 đến năm 2004, tổng lượng phát thải khí CO2 nước giàu chiếm 70% tổng lượng phát thải khí CO2 tồn cầu Riêng năm 2004, nước giàu với 15% dân số giới tổng lượng phát thải khí CO2 chiếm 45% tổng lượng phát thải toàn cầu, nước phát triển với 1/3 dân số giới phát thải 7% tổng lượng phát thải toàn cầu (bảng 1) Theo IPCC (2010), khơng có cắt giảm mạnh mẽ phát thải khí nhà kính, nhiệt độ trung bình tồn cầu tăng 6oC kỷ 21 so với thời kỳ tiền công nghiệp Bảng Lượng phát thải khí CO2 số nước năm 2004 Quốc gia Ôxtrâylia Canađa Pháp Đức Italia Nhật Bản Hà Lan Tây Ban Nha Anh Mỹ Trung Quốc Liên bang Nga Ấn Độ Hàn Quốc Toàn cầu Lượng phát thải CO2 (triệu tấn) 326,6 639,0 373,5 808,5 449,7 1.257,2 142,0 330,3 586,9 6.045,8 5.007,1 1.524,1 1.342,1 465,4 28.982,7 Tỷ lệ so với toàn cầu (%) 1,1 2,2 1,3 2,8 1,6 4,3 0,5 1,1 2,0 20,9 10,6 5,3 4,6 1,6 100 Tính theo đầu người (tấn) 16,2 20,0 6,0 9,8 7,8 9,9 8,7 7,6 9,8 20,6 3,8 10,6 1,2 9,7 4,5 Mức tăng (%) (1990 - 2004) 17 54 -18 93 17 56 25 109 -23 97 93 93 Nguyên nhân gia tăng hàm lượng khí nhà kính khí - Sản xuất tiêu thụ lượng, chủ yếu nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ, khí thiên nhiên) tăng 30 lần kể từ năm 1750 đến năm 2000 thải vào khí khí CO2 (trung bình từ 6,4 tỷ /năm năm 1990 lên 7,2 tỷ tấn/năm thời kỳ 2000 - 2005) - Suy giảm rừng, rừng nhiệt đới làm giảm khả hấp thụ khí CO khí (lượng phát thải khí CO2 liên quan đến thay đổi sử dụng đất tăng trung bình từ 1,6 tỷ CO2/năm năm 1990 lên 1,8 tỷ CO2/năm thời kỳ 2000 - 2005) - Sản xuất nông nghiệp làm tăng phát thải khí CH4 N2O (tổng số đất khai thác cho sản xuất nông nghiệp 100 năm qua lớn tổng số đất khai thác lịch sử lồi người trước đó) - Sản xuất sử dụng hóa chất, từ phát triển cơng nghiệp làm lạnh, điện tử, hóa mỹ phẩm…đã thải vào khí chất CFCs, HCFCs chất khí nhà kính có tiềm nóng lên tồn cầu cao gấp nhiều lần khí CO2, đồng thời chất phá hủy lớp ơzơn tầng bình lưu - Các hoạt động khác, có đốt chơn lấp rác thải Tổng hợp đóng góp lĩnh vực vào tình trạng nóng lên tồn cầu thời gian qua là: + Năng lượng: 46% + Suy giảm rừng:18% + Sản xuất nơng nghiệp: 9% + Sản xuất hóa chất: 24% + Các lĩnh vực khác 3% Xu phát thải khí nhà kính tồn cầu thời gian tới Dự tính đến cuối kỷ 21, hàm lượng khí CO2 khí đạt 540 970ppm theo kịch khác phát thải khí nhà kính, nghĩa tăng gấp đơi so với thời kỳ tiền công nghiệp, ứng với mức thấp 18,5 tỷ CO theo kịch thấp mức cao 110 tỷ CO theo kịch cao Theo kịch bản, khơng tính đến biện pháp giảm nhẹ, lượng phát thải khí nhà kính tồn cầu dự tính tăng từ 9,7 đến 36 tỷ CO2 tương đương 25-95% giai đoạn 2000 2030 Trong kịch này, nhiên liệu hóa thạch giữ vị trí chủ yếu hỗn hợp lượng toàn cầu 2030 năm sau Vì thế, phát thải khí CO giai đoạn 2000 - 2030 từ lĩnh vực lượng dự tính tăng 40 - 110% 2/3 -3/4 số phát thải từ nước không tham gia Cơng ước khí hậu Tuy nhiên phát thải khí CO2 từ lượng bình qn đầu người nước phát triển thấp nhiều so với nước phát triển vào năm 2030 (2,8 – 15,1 CO2/người so với 9,6 - 15,1 CO2/người) 1.1.4 Sự ứng phó giới trước thực trạng biến đổi khí hậu 10 Sử dụng chấm giếng lượng tử pin mặt trời lĩnh vực nghiên cứu tương đối Những cơng nghệ nâng hiệu suất biến đổi lượng hạ chi phí chế tạo xuống nhiều Quatasol – cơng ty Anh sử dụng giếng lượng tử cực nhỏ phân bố xen kẽ lớp gallium arsenide (GaAs) giúp tăng gấp đôi hiệu pin so với pin silic Phương pháp cải tiến khác nâng hiệu pin mặt trời lên 30% 3.2.3 Pin mặt trời hữu Các công ty Konarka Air Products and Chemicals liên kết đẩy nhanh tốc độ tiến pin mặt trời hữu Họ tài trợ từ Chính phủ Mỹ để phát triển polyme tiên tiến dùng cho pin mặt trời hữu Tháng 3/2008, Konarka thông báo thành công sử dụng kỹ thuật in phun để chế tạo pin mặt trời Alan Heeger, nhà khoa học trưởng đồng sáng lập hãng Konarka cho biết hãng nghiên cứu phát triển polyme tự lắp ráp để chế tạo pin mặt trời mềm dẻo kỹ thuật in, có hiệu suất 10-15% 3.2.4 Pin mặt trời sử dụng vật liệu nano khác Những vật liệu nano gồm mực tinh thể nano, dây nano anten nano Công ty Innovalight sử dụng tinh thể nano silic dạng mực silic, dùng để in GE Global Research trình diễn pin mặt trời làm từ dây nano có hiệu đạt 18% chế tạo với chi phí thấp nhiều lần so với pin mặt trời Các nhà nghiên cứu Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho Micro Continium phát triển phương pháp in mạng anten nano lên chất dẻo Nhờ kích thước nhỏ, anten nano hấp thụ lượng hồng ngoại, nghĩa chúng hấp thụ lượng ánh sáng lẫn nhiệt Trái đất, không pin mặt trời khác hoạt động với ánh sáng 3.2.5 Chấm lượng tử: cách mạng cho pin mặt trời Những kim loại, chẳng hạn đồng, chất dẫn điện tuyệt hảo, chúng chứa nhiều điện tử chuyển động tự Trái lại, chất điện môi, chẳng hạn thủy tinh, không chứa điện tử tự mạng nên chúng dẫn điện Nằm nhóm vật liệu vật liệu bán dẫn, chẳng hạn silic Vật liệu bán dẫn giữ vị trí đặc biệt, trạng thái túy chúng chứa điện tử tự do, điện tử tự sản sinh chịu tác động ánh sáng, nhiệt tạp chất thích hợp Đặc điểm then chốt vật liệu bán dẫn chỗ bên chúng 35 tồn khoảng trống lượng, nghĩa phạm vi lượng mà điện tử không phép xâm phạm Một ứng dụng ngày đóng vai trò quan trọng vật liệu bán dẫn tạo pin mặt trời TS Lan Fu lãnh đạo nhóm nhà khoa học trường Đại học quốc gia Ôxtraylia nghiên cứu để tạo pin hiệu suất cao từ hợp chất bán dẫn phức hợp nuôi cấy vật liệu xếp chồng từ lớp tế vi Một kỹ thuật mà họ áp dụng sử dụng chấm lượng tử - hạt vật liệu bán dẫn cực nhỏ nuôi cấy bề mặt vật liệu bán dẫn khác Chúng nhỏ, nên điện tử lỗ bị bẫy vào chịu hiệu ứng lượng tử Nếu tạo dựng cách xác, gồm chấm lượng tử hành xử giống với vật liệu bán dẫn thông thường, nhiên khoảng trống lượng định khơng tính hóa học, mà cấu trúc vật liệu Nghĩa ta tạo khoảng trống theo ý muốn - điều hồn tồn khơng thể vật liệu bán dẫn thông thường Kế hoạch đặt chế tạo pin từ hợp chất vật liệu bán dẫn đa lớp thơng thường, sau bổ sung lớp chấm lượng tử bên Tấm có tiềm làm tăng nhiều hiệu suất cao đa lớp nhờ hấp thu photon hồng ngoại mà bỏ qua Cơng trình đầu trọng vào nghiên cứu loại pin chấm lượng tử lớp ghép kết khích lệ, phản ứng pin mở rộng nhiều sang bước sóng ánh sáng hồng ngoại mà pin thông thường không tận dụng Dòng điện pin định số lượng photon mà hấp thụ hiệu mà điện tử-lỗ đến tiếp điểm Đối với tất điểm pin đáp ứng tốt Tuy nhiên, thách thức lớn mà pin chấm lượng tử phải đối mặt kiểm soát tác động cấu trúc chấm lượng tử lên điện áp pin Hiệu ứng lượng tử chấm lượng tử gây số ảnh hưởng lên điện áp làm điện tử lỗ dễ tái hợp với chúng chuyển động qua thiết bị, làm giảm phần hiệu suất tăng thêm pin Với pin có hiệu suất chí 50%, với giá thấp hơn, hộ trung bình đủ điện để dùng nhờ pin đặt mái nhà có diện tích lớn khăn trải bàn chút Và xe ôtô chạy điện tự cấp không tốn tiền nhiên liệu không gây ô nhiễm môi trường trở thành khả hoàn toàn thực 36 3.2.6 Pin mặt trời chất dẻo Các pin mặt trời chất dẻo chưa thể cạnh tranh với pin mặt trời silic hiệu quy mô lớn Nhưng chúng đủ phẩm chất để có Công ty Konarka Lowell nỗ lực biến chúng thành sản phẩm thương mại Quân đội, Không lực Mỹ Textronics, Công ty Wihmington, kết hợp pin mặt trời Konarka vào lều bạt để cung cấp điện cho máy tính vào vải may túi xách để nạp điện cho điện thoại di động máy tính xách tay Pin mặt trời Konarka in phủ lên màng chất dẻo (giống cuộn phim chụp ảnh) Các hạt nhỏ màng hấp thụ ánh sáng sản sinh điện tử, chuyển động đến điện cực để tạo thành dòng điện Konarka cho thấy vật liệu pin hiệu chỉnh để hấp thụ phản xạ bước sóng ánh sáng khác nhau, khác với vật liệu pin mặt trời thông thường, màng chất dẻo tạo hình dạng khác Theo Textronics, đối tác Konarka, thành phẩm Cơng ty có hình thức giống vải thông thường Mục tiêu mà Konarka muốn vươn tới làm cho điện mặt trời, có giá cao gấp 4-5 lần so với điện lưới, cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch Một phương pháp chế tạo vật liệu quang điện từ polyme dẫn điện cấu trúc nano gọi fullerene Thoạt đầu, ứng dụng vật liệu để làm pin mặt trời, hiệu chúng thấp, đạt 1-2% Tuy nhiên, thời gian gần đây, cách bố trí lại polyme fullerene, số nhóm nghiên cứu cải thiện độ lưu thông dòng điện vật liệu, nâng gấp đơi hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện Nếu nhà nghiên cứu tăng thêm gấp đơi pin cạnh tranh với lượng từ Mặt trời có Bước làm cho pin cạnh tranh với pin nhiên liệu hóa thạch Để thực được, cần phải vượt qua trở ngại lớn Ví dụ, biện pháp để tăng hiệu suất tăng lượng ánh sáng thực tế pin hấp thụ Theo Sean Shaheer, chun gia điện Mặt trời thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Golden, điều đạt cách tạo loại vật liệu có khả hấp thụ nhiều màu phổ ánh sáng - ý tưởng mà ông thúc đẩy phát triển Các công trình nghiên cứu công nghệ điện mặt trời đạt nhiều tiến phòng thí nghiệm công ty lẫn khu vực nghiên cứu hàn lâm 37 Các nhà khoa học tin tạo pin mặt trời đạt hiệu suất có giá rẻ để giúp nhân loại khỏi bị lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch 3.2.7 Cơng nghệ dây nano Để có pin mặt trời rẻ hiệu suất cao hơn, nhà nghiên cứu trường đại học California, Berkeley chế tạo pin mặt trời từ hàng tỷ sợi dây nano, sợi có đường kính 60 nano chiều dài 20 micron Dây nano làm từ oxyt kẽm phủ chất hấp thụ ánh sáng, dẫn điện hiệu gấp 100 lần so với pin mặt trời chế tạo từ hạt nano mà nơi phát triển Tuy nhiên, hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện pin thấp, đạt khoảng 1,5% Pin mặt trời chế tạo từ silic có giá thành đắt Việc thay silic vật liệu nano hứa hẹn làm giảm giá thành Nhưng hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện pin mặt trời nano thường thấp, chủ yếu điện tử phải lách qua khe hở hạt nano nhồi pin Bằng cách thay hạt nano sợi dây nano đơn tinh thể, hiệu suất pin nâng lên Tiến quan trọng đem lại hiệu suất cao Các nhà nghiên cứu tạo mạng dây nano cách lèn bề mặt thủy tinh dẫn điện chấm oxyt kẽm, có đường kính nanomet Các "chấm" có cơng dụng “hạt giống” để phát triển thành dây nano Mặc dù chuyển động điện tử pin làm từ dây nano cải thiện, hiệu suất nói chung thấp Oxyt kẽm thu lượm điện tử từ chất nhuộm hiệu so với dioxyt titan chất hay sử dụng nhiều pin mặt trời nano Các nhà nghiên cứu tìm cách chế tạo dây từ dioxyt titan - quy trình chế tạo khó khăn Các dây nano có diện tích bề mặt nhỏ so với mạng hạt nano, chúng mang lượng chất nhuộm hấp thụ ánh sáng Các nhà nghiên cứu tiến hành giảm bớt đường kính sợi dây xuống 10 nanomet để đưa nhiều dây vào mạng tăng tổng diện tích bề mặt Trong đó, nhà nghiên cứu Đại học Harvard chế tạo pin mặt trời có kích thước nhỏ, phần nhỏ chiều rộng sợi tóc Những pin này, chế tạo từ dây nano đường kính 300 nanomet, cung cấp điện cho cảm biến robot tý hon, phục vụ tương tác theo dõi mơi trường mục đích qn Hơn nữa, thiết kế pin hữu ích cho sản xuất điện quy mơ lớn, có tiềm giảm bớt giá thành điện mặt trời 38 Mỗi pin mặt trời dây nano có lõi silic đa tinh thể số lớp silic đồng tâm có tính chất điện tử khác Những lớp thực chức tương tự lớp bán dẫn pin mặt trời thông thường hấp thu ánh sáng để tạo điện Để chế tạo pin C Lieber, Giáo sư hóa học Đại học Harvard cải biến phương pháp mà trước ông sử dụng để chế tạo dây nano để làm cảm biến tranzito Tiếp đó, ơng trình diễn cho thấy pin mặt trời ơng cấp điện cho cấu dây nano mà ông chế tạo trước đây: cảm biến pH tranzito Mục đích cuối đặt chế tạo thành phần điện tử tự lắp ráp thành cấu mà cấu phần khác tạo (Lieber cho thấy có khả tạo cấu phần vậy; chúng có khả tự lắp thành mạng tắc dung dịch) Ngồi mục đích cung cấp điện cho máy siêu nhỏ, pin mặt trời kết cục lắp ghép với thành mạng lớn để thay pin mặt trời thông thường mái nhà IV CHIẾN LƯỢC 3: NHẰM VÀO NHỮNG VẤN ĐỀ QUẢN LÝ CACBON, BAO GỒM VIỆC TÁCH, THU GIỮ, TÀNG TRỮ VÀ BIẾN THÀNH NHỮNG SẢN PHẨM HỮU ÍCH Hàng năm, gần 30 tỷ CO2 phát thải vào bầu khí từ nhà máy nhiệt điện, xe ôtô nhà máy cơng nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch Trong số đó, phát thải CO2 nhà máy nhiệt điện ước tính chiếm tới 1/3 tổng lượng khí CO2 phát thải toàn giới năm Sự gia tăng đáng lo ngại lượng khí CO2 khí dẫn tới số đề xuất cách thức thu hồi tàng trữ Một sốđề xuất thử nghiệm quy mô lớn, liên quan đến việc tách CO2 sau giữ tầng địa chất Những ý tưởng khác xoay quanh việc tái chế lượng CO2 thu hồi được, ví dụ biến thành hydrocacbon để sau điều chế thành nhiên liệu chất dẻo 4.1 Thu hồi diôxyt cacbon màng mỏng nano Công nghệ lọc màng mỏng nano Một phương án giảm CO2 phát thải nhà máy nhiệt điện thu hồi trước mơi trường, sau chơn xuống lòng đất Tuy nhiên, trước 39 nhận CO2, cần phải tách khỏi khí thải khác Phần lớn phương pháp lọc dùng đắt tiền đòi hỏi sử dụng hóa chất Các kỹ thuật công nghệ nano để chế tạo màng mỏng cấp nano đưa lại cơng nghệ màng mới, giúp cải thiện tình hình nói Những màng phần nhiều khơng thích hợp với ứng dụng quy mơ lớn, độ thẩm thấu chúng diôxyt cacbon không cao; màng tiên tiến có độ thẩm thấu khoảng 0,3 m3/m2/h/bar Các nhà nghiên cứu Đức thông báo họ phát triển chế tạo màng mỏng đạt công kỷ lục Bằng cách kết hợp cách thiết kế màng polyme ưa khí CO2 với điều kiện chế tạo cấp nano kiểm soát, họ nhận màng mỏng chọn lọc không chứa khuyết tật, có độ mỏng thấp 100 nm Những màng mỏng đạt mức thấm CO2 kết hợp với độ lựa chọn độ ổn định cao chưa thấy từ trước đến Các nhà nghiên cứu thuộc Viện nghiên cứu Vật liệu Viện nghiên cứu Polyme chế tạo từ co-polyme đa khối gồm polyethylene ôxyt polybutyleneterephtalate thành màng mỏng composite phòng thí nghiệm quy mô kỹ thuật Để chế tạo chất phủ siêu mỏng, khơng khuyết tật, có độ thấm chọn lọc cực cao CO2, nhà nghiên cứu sử dụng lớp trung gian có độ thấm cao, dày 300 nm lớp đế vi xốp lớp phủ có chức chọn lọc Lớp trung gian có độ thấm cao có tác dụng lớp phủ bảo vệ, ngăn khơng cho dung dịch polyme hòa lỗng thấm qua cấu trúc xốp đồng thời giúp toàn bề mặt màng trở nên nhẵn Qua lần thử nghiệm, nhà khoa học thấy màng mỏng họ có độ thấm CO2 cao 20 lần so với loại màng khác có bán thị trường có độ chọn lọc CO2/N2 cao Lọc khí CO2 thải từ nhà máy nhiệt điện dùng khí đốt tự nhiên Thế giới thiếu lượng phương pháp để sản xuất điện đốt khí tự nhiên Vấn đề đốt khí tự nhiên sản khí CO2, nên phải tìm cách khơng bầu khí Cuộc tranh cãi liên quan đến nhà máy điện dùng khí đốt làm hạ thấp phí tổn thu hồi khí CO2 để giúp kỹ thuật áp dụng cách kinh tế Cả Bredesen đồng nghiệp ông trường Đại học Oslo lẫn Đại học 40 Khoa học Cơng nghệ Nauy cố gắng tìm phương pháp rẻ tốt để thực việc Nghĩa quy trình lọc đốt phải không tiêu thụ nhiều lượng Màng tách hydro nhóm quốc tế quan tâm nhiều Màng ứng dụng hiệu Dự án EU để thu hồi khí CO2, thu hút 24 đối tác Họ đánh giá so sánh công nghệ khác nhau, xem màng có giá thành rẻ đạt hiệu cao việc thu hồi CO2 Hiện họ nghiên cứu mở rộng quy mô công nghệ Một nhà máy điện khí đốt cần phải có vài nghìn m2 màng Vì sử dụng màng lại ý tưởng hay cho việc thu hồi CO 2? Việc chuyển hóa khí tự nhiên thành gọi khí tổng hợp gồm H2 CO, tiêu thụ nhiều lượng đòi hỏi áp suất nhiệt độ cao hiệu Sau khí phải làm nguội trước tách thành chất lỏng để thu giữ CO2 Với công nghệ màng mỏng, nhà khoa học thực việc q trình Ngồi ra, họ thực việc nhiệt độ thấp Do đó, theo Bredesen, q trình vừa hiệu lại vừa rẻ Ông cho biết phễu chứa màng palladium-bạc, cho phép hydro thoát Do màng dày khoảng 0,02 mm, nên gắn lên ống thép đột lỗ giúp tăng độ bền học Một công nghệ mà họ nghiên cứu màng chuyển vận oxy Những màng dùng để tách lấy oxy từ khơng khí Nếu áp dụng màng cho nhà máy điện, trình đốt diễn mơi trường oxy mà khơng có nitơ Do vậy, khí thải gồm chủ yếu khí CO nước, dễ dàng làm nguội phân ly 4.2 Công nghệ vật liệu xốp hấp thụ CO2 Nhóm vật liệu zeolitic imidazolate Các nhà nghiên cứu phát triển vật liệu xốp, có khả hấp thụ CO2 với khối lượng lớn gấp 80 lần khối lượng thân chúng Những vật liệu dùng để thu giữ khí CO2 thành phần khí thải từ ống khói nhà máy nhiệt điện Khí CO2 hấp thụ vật liệu lấy cách thay đổi áp suất, sau nén lại cuối bơm xuống lòng đất để cất giữ lâu dài Khâu đầu tiên, tức thu giữ CO2, đặc biệt quan trọng, khâu tiêu tốn 75% tổng chi phí Những vật liệu tạo nhóm nghiên cứu đứng đầu Omar Yaghi Ơng nhà hóa học tiếng, với cơng trình chế tạo cấu trúc tế vi phức 41 tạp Những vật liệu hấp thụ khối lượng lớn khí CO 2, lại khơng hấp thụ khí khác Nhiều kỹ thuật phát triển để thu giữ CO2 từ khí thải, chúng sử dụng nhiều lượng, chiếm tới 15-20% toàn sản lượng điện nhà máy điện Sở dĩ vật liệu có, biết amin, cần phải gia nhiệt để lấy CO2 khỏi chúng Trên thực tế, việc thu giữ nén khí CO2 phương pháp làm cho chi phí sản xuất điện từ than tăng thêm 80-90%, Thomas Feeley, Giám đốc Dự án Phòng Thí nghiệm Cơng nghệ Năng lượng Quốc gia, nhận xét Feeley cho biết vật liệu Yaghi tương đương với vật liệu thử nghiệm khác dễ hấp thụ CO2, phát triển để giảm bớt phí tổn Yaghi nói vật liệu nhóm ơng giảm phí tổn xuống nhiều, chúng sử dụng lượng hơn, xác cần phải có thử nghiệm nhà máy điện Ngồi tiềm hữu ích để làm khói thải nhà máy nhiệt điện, vật liệu ứng dụng nhà máy khí hóa than Ở nhà máy này, than đầu chế biến để sản hỗn hợp CO2 H2 Tiếp H2 dùng để sản xuất điện, CO2 thu giữ cách sử dụng dung môi, làm tăng lượng tiêu tốn Nhưng giống quy trình dùng cho ống khói nhà máy điện, vật liệu cần đến lượng Những vật liệu nói nằm nhóm vật liệu có tên zeolitic imidazolate Chúng tạo từ nguyên tử kim loại bắc cầu với vài phân tử hữu hình xuyến Trước có cơng trình Yaghi, có 24 loại zeolitic imidazolate phát triển vòng 12 năm Yaghi tạo 25 phiên tháng Những vật liệu linh hoạt, phân tử kim loại tác dụng xúc tác mạnh, phân tử hữu có cơng dụng “mỏ neo” để móc vào số phân tử chức Những vật liệu hấp thụ tốt CO2 phần chúng xốp, có diện tích bề mặt lớn để tiếp xúc nhiều với CO2 Yaghi cho biết vật liệu thuộc loại xốp nhóm phát triển chứa gần 2.000 m2 diện tích bề mặt gam vật liệu Một lít vật liệu Yaghi tích trữ tồn phân tử CO2 mà nhiệt độ 0oC áp suất khí cần đến dung tích 82,6 lít 42 Bước tiếp theo, nhà nghiên cứu cần tiến hành để thương mại hóa vật liệu Việc đòi hỏi phải mở rộng quy mô sản xuất kết hợp vật liệu vào hệ thống nhà máy điện, chẳng hạn gói chúng thành hộp để đưa khí thải áp suất cao vào - ý đồ nhóm thực thi 2-3 năm tới Yaghi ước tính vật liệu dễ dàng sản xuất với lượng lớn, chúng tương tự vật liệu khác nhóm ơng phát triển, Công ty BASF sản xuất hàng Và ông phát triển kỹ thuật tự động, giúp sản xuất nhiều vật liệu hơn, chí có tính chất tốt Nhóm vật liệu khung kim loại-hữu Các nhà hóa học thuộc trường Đại học California (UCLA) Hàn Quốc thông báo họ tạo loại vật liệu có độ xốp đỉnh, phá kỷ lục giới độ xốp lẫn khả lưu trữ CO2 Vật liệu nằm nhóm vật liệu quan trọng biết khung kim loại-hữu (metal-organic framework- MOF) MOF, mô tả bọt xốp tinh thể, chứa lỗ có kích thước cực nhỏ có khả lưu trữ loại khí thường khó lưu trữ vận chuyển Độ xốp có vai trò quan trọng để chứa đựng khối lượng lớn chất khí thể tích nhỏ tính chất quan trọng để thu giữ CO2 Thành tựu đưa lại nguồn lượng khả thu giữ phát thải CO2 trước chúng thoát bầu khí Được Yaghi sáng chế vào đầu năm 1990, MOF giống giàn giáo tạo thành từ liên kết với nhau, chứa lỗ cấp nano, thích hợp để bắt diơxyt cacbon Hợp phần MOF thay đổi gần tùy ý, Phòng thí nghiệm Yaghi chế tạo vài trăm loại MOF, với tính chất cấu trúc khác Từ năm 1999, MOF giành kỷ lục độ xốp so với vật liệu khác MOF chế tạo từ thành phần giá rẻ, chẳng hạn oxyt kẽm, thường có kem chống nắng terephthalate-thành phần chai soda 4.3 Biến diôxyt cacbon thành vật liệu hữu ích 4.3.1 Biến CO2 thành vật liệu xây dựng Angela Belcher, kỹ sư Viện Công nghệ Massachsetts (MIT) áp dụng phương pháp mới, không giúp tách rút cacbon diơxyt khỏi mơi trường, mà biến thành vật liệu hữu ích: cacbonate thể rắn làm vật liệu xây dựng 43 "Chúng muốn thu hồi diôxyt cacbon không để chôn xuống đất, mà biến thành loại vật liệu có độ ổn định tới hàng trăm, hàng nghìn năm", GS Belcher, chuyên gia lượng, nói Bằng cách áp dụng kỹ thuật biến đổi gen cho loại men thường dùng cơng nghiệp chế biến bánh mì, Belcher cộng Roberto Barbero Elizabeth Wood, tạo quy trình biến diơxyt cacbon thành cacbonate để làm vật liệu xây dựng Quy trình họ, thử phòng thí nghiệm, sản xuất gần kg cacbonate từ kg CO2 Sắp tới, họ hy vọng tăng quy mô quy trình để áp dụng nhà máy nhiệt điện nhà máy cơng nghiệp Để tạo quy trình, Belcher lấy cảm hứng từ động vật biển có khả tạo lớp vỏ cứng đá từ diơxyt cacbon ion khống chất nước biển Quy trình nhà khoa học MIT biến diơxyt cacbon thành cacbonate đòi hỏi cơng đoạn Công đoạn thứ thu hồi diôxyt cacbon thực môi trường nước Công đoạn thứ hai: diơxyt cacbon hòa tan kết hợp với ion khống tạo thành cacbonate thể rắn Bản thân men bình thường không thực phản ứng trên, Belcher cộng áp dụng kỹ thuật để chúng biểu gen động vật chẳng hạn bào ngư Những gen mã hóa enzyme protein khác, giúp đưa diôxyt cacbon qua q trình khống hóa Các nhà nghiên cứu vận dụng phép lập mơ hình máy tính phương pháp khác để nhận dạng protein bổ sung q trình khống hóa Một số hãng thương mại hóa quy trình thu giữ CO2 biến thành vật liệu rắn, nỗ lực dựa vào quy trình hóa chất để thu giữ cacbon diôxyt Hệ thống sinh học nhà khoa học MIT thu diôxyt cacbon tốc độ cao Một ưu điển không cần gia nhiệt làm nguội khơng sử dụng hóa chất độc hại Bước tiếp theo, nhóm dự kiến cố tăng quy mơ quy trình để có khả xử lý khối lượng lớn diôxyt cacbon nhà máy nhiệt điện sản Nếu thành cơng, sử dụng nước sản từ trình khử muối nước biển để làm nguồn ion khoáng chất cần thiết cho quy trình phản ứng, Barbero nói 4.3.2 Quy trình STEP để thu giữ CO2 44 Các nhà nghiên cứu lần đưa chứng thực nghiệm quy trình chuyển hóa lượng mặt trời mới, kết hợp phương thức điện tử lẫn phương thức hóa học để thu giữ CO2 Cách tiếp cận tạo cách mạng cho việc thu giữ tái chế CO2 quy mô lớn Không cố gắng tàng trữ cất giấu lượng CO2 dư thừa, phương pháp cho phép lưu trữ thể rắn, biến thành sản phẩm hữu ích, từ chất dẻo nhiên liệu phản lực tổng hợp Quy trình STEP (Quang nhiệt điện hóa từ lượng mặt trời - Solar Thermal Electrochemical Photo) biến đổi triệt để CO2 sinh đốt nhiên liệu hóa thạch, loại bỏ phát thải CO2 liên quan đến sản xuất kim loại hóa chất Quy trình thu giữ thành cơng trình khởi động từ 20 năm nay, tiên nhằm phát triển lượng mặt trời để truyền động lượng hóa học, khơng lượng điện tử Quy trình STEP kết quy trình chất rắn nhiệt mặt trời có khả để biến đổi lượng mặt trời hiệu so với quy trình quang điện nhiệt mặt trời Ở đây, CO2 thu giữ nhờ sử dụng pin điện phân nhiệt độ cao nhờ lượng nhận từ toàn phổ ánh sáng khâu Nhiệt mặt trời giúp giảm lượng cần thiết để thu giữ CO2, ánh sáng nhìn thấy sản sinh điện tích để vận hành q trình điện phân CO2 thu giữ nhờ lượng mặt trời với hiệu suất đạt từ 34% đến 50% – tùy thuộc vào mức nhiệt mặt trời Trước đây, pin mặt trời không tận dụng xạ nhiệt mặt trời phá hủy vật liệu quang điện làm giảm sản lượng độ ổn định Ngược lại, STEP không ứng dụng ánh sáng nhìn thấy mà tận dụng nhiệt ánh sáng để tạo thành hóa chất điện phân, nhờ nâng hiệu biến đổi ánh sáng mặt trời lên mức cao chưa có, pin mặt trời tốt Trong thí nghiệm, Nhóm trình diễn cho thấy hệ thống quang điện biến đổi lượng điện tử với hiệu suất 37,0% đạt điện 2,7 V, sử dụng để vận hành pin điện phân Ngoài việc thu giữ CO2, nhà nghiên cứu ứng dụng thành công quy trình STEP việc sử dụng lượng mặt trời để tạo nhiên liệu hydro từ nước họ tiến trình áp dụng STEP để nhận vơ số phân tử lượng hữu ích từ nguồn phát sinh tự nhiên, với hiệu suất biến đổi lượng cao 45 4.3.3 Áp dụng công nghệ pin nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện dùng than để thu CO2 khiết Các nhà máy nhiệt điện dùng than sản xuất tới 41% sản lượng điện giới 79% Trung Quốc, 69% Ấn Độ, 49% Mỹ, 46% Đức Trong tương lai không xa, than tiếp tục nhiên liệu chủ lực để sản xuất điện Tuy nhiên, quy trình chuyển hóa than thành điện thường có số nhược điểm lớn: Một là, hiệu chuyển hóa thấp - nhà máy nhiệt điện tận dụng 1/3 hàm lượng lượng than để tạo thành điện Hai là, việc khai thác mỏ đốt than làm phát sinh số thách thức môi trường nghiêm trọng, gồm xói mòn đất, bụi, tác động tới đa dạng sinh học địa phương, ô nhiễm khơng khí nước Các nhà máy điện đốt than nguồn phát thải CO2 nhân tạo lớn Trung bình năm nhà máy điện đốt than phát thải 3.700.000 CO2, tương đương với chặt đốn 161 triệu rừng Vì than nhiên liệu để sản xuất điện nhiều năm tới, nên nghiên cứu tiến hành để sử dụng than cách thân thân thiện với môi trường Một công nghệ để sản xuất điện từ than hiệu suất tập trung vào pin nhiên liệu ôxyt rắn (solid ôxyt fuel cell -SOFC) So với cơng nghệ truyền thống, SOFCs có hiệu cao hơn, độ ồn thấp lượng phát thải hơn, chẳng hạn CO2 Chúng hoạt động cách biến đổi hóa nhiên liệu trực tiếp thành điện Đặc biệt, pin nhiên liệu khí hóa cacbon (gasified cacbon fuel cells - GCFCs) có triển vọng lớn việc ứng dụng hiệu loạt nhiên liệu rắn gốc cacbon, bao gồm than, sinh khối chất thải rắn đô thị GCFCs đạt hiệu cao gấp đôi nhà máy điện đốt than nay, có tiềm đưa cách thức giảm nửa lượng khí CO2 phát thải Một lợi ích khói lò chứa khí CO2 khiết, thích hợp để chơn vùi trực tiếp sử dụng công nghiệp mà không cần tách lấy CO2 Cho tới nay, việc vận hành độ ổn định GCFCs chưa đủ đáp ứng ứng dụng thực tiễn, chủ yếu anod nhanh chóng bị hư hại Ngồi ra, anốt pin nhiên liệu có dễ bị tổn hại trình tạo cok tượng khử nước hydrocacbon tình trạng tỷ lệ CO nhiệt độ 850°C, phạm vi mà SOFCs có tính cạnh tranh kinh tế 46 SOFCs dựa vào anốt chế tạo từ nickel vật liệu gốm yttriastabilized zirconia (YSZ) Tuy nhiên, nay, nhiên liệu chứa cacbon chẳng hạn khí than propane làm cho anốt tác dụng nhanh chóng, đặc biệt vận hành nhiệt độ thấp Để khắc phục vấn đề này, nhà nghiên cứu phát triển kỹ thuật nuôi cấy cấu trúc nano ôxyt barium lên anốt Các cấu trúc hấp thu ẩm để mở phản ứng hóa học gốc nước, làm ơxy hóa cacbon tạo thành, giúp cho bề mặt điện cực nickel luôn sạch, vận hành nhiệt độ thấp Kỹ thuật sử dụng trình kết tủa để gắn hạt nano barium ôxyt vào điện cực Ni-YSZ Những hạt này, có kích thước nằm phạm vi 10-100 nanomet, tạo thành "các ốc đảo" nickel, không cản trở dòng điện tử qua bề mặt điện cực Khi nước đưa vào dòng khí than tiếp xúc với ơxytbarium, hấp thụ phân giải thành ion proton hydrôxyt (OH) Các ion OH di chuyển tới bề mặt nickel, chúng kết hợp với nguyên tử cacbon kết tủa, hình thành hợp chất trung gian COH Sau COH phân giải thành CO H2, ơxy hóa để cấp lượng cho pin nhiên liệu, kết cục sản CO2 H2O Tiếp sau gần nửa lượng CO2 tái ln chuyển để khí hóa than thành than để tiếp tục quy trình Ngồi việc sử dụng cho nhiên liệu than khí hóa, anốt có tiềm áp dụng cho loạt nhiên liệu chứa cacbon khác, chẳng hạn chất thải rắn đô thị sinh khối, đại diện cho hệ SOFCs để chuyển hóa hiệu nhiên liệu sẵn có thành điện với lượng phát thải tối thiểu Phương pháp nhất, hiệu tốn để chuyển hóa than thành điện Đồng thời sản khí thải với hàm lượng CO2 tinh khiết nhiều so với khói lò nhà máy nhiệt điện đốt than truyền thống Điều khiến cho việc thu giữ CO2 để tàng trữ đỡ tốn loại bỏ khâu tách ly lọc quy mơ lớn 47 KẾT LUẬN Biến đổi khí hậu vấn đề toàn cầu, đồng thời vấn đề quốc gia Ứng phó với biến đổi khí hậu vừa vấn đề cấp bách, vừa có tính chiến lược, lâu dài, đòi hỏi có tham gia ngành, người hợp tác rộng rãi nước quốc tế Song, ứng phó với biến đổi khí hậu vấn đề mẻ Vì vậy, khó khăn lớn việc thực chiến lược giải pháp ứng phó với biến đổi khí hậu cộng đồng quốc tế quốc gia hạn chế nhận thức xã hội vấn đề thể chế tổ chức để thực Những điều trình bày Tổng luận cho thấy cơng nghệ nano đóng vai trò lớn lao việc ứng phó với tình trạng biến đổi khí hậu tồn cầu Tuy nhiên, trở ngại để truyền bá rộng khắp công nghệ phát triển, có ứng dụng cơng nghệ nano Một trở ngại lớn thấy rõ, thiếu chế độ quy định thật minh bạch nhằm vào mối lo ngại rủi ro tiềm tàng sức khỏe người rủi ro môi trường khác liên quan đến số cơng nghệ nano Vẫn chưa rõ, liệu rủi ro lĩnh hội có quan hệ với tiến công nghệ nano ứng dụng để giảm nhẹ tượng biến đổi khí hậu hay khơng Do vậy, cần phải có nghiên cứu tiếp tục rủi ro này, đồng thời phải so sánh chúng với giải pháp công nghệ khác đề xuất để ứng phó với biến đổi khí hậu, ví dụ giải pháp sử dụng lượng hạt nhân Những phân tích chi tiết lợi ích nhận từ việc phát triển cơng nghệ nano bối cảnh biến đổi khí hậu cần tiến hành Những nghiên cứu cần phải xem xét cách thức khắc phục trở ngại việc sử dụng rộng khắp công nghệ này, độ tin cậy việc cung ứng nguyên liệu thô yếu tố khác, sách biện pháp khuyến khích Chính phủ Người biên soạn: Nguyễn Lê Hằng Kiều Gia Như 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Miguel Esteban Christian Webersik David Leary Dexter Thompson-Pomeroy Innovation in Responding to Climate Change: Nanotechnology, Ocean Energy and Forestry, UNU-IAS Report Intergovernmental Panel on Climate Change, Summary for Policymakers of the Synthesis of the IPCC Fourth Assessment Report, (IPCC, 2007) Institute of Global Environmental Strategies, Climate Change in the Asia-Pacific: Re-Uniting Climate Change and Sustainable Development, in IGES White Paper (Hayama: 2008), Michael Berger, Nanotechnology solutions to climate change, Nanowerk LLC, 2008 Nagaraju Rao, Nanocatalysis: Applications in the chemical industry”, Nanotech Insights, 4/2010 Y R Mahajan, Nanotechnology to mitigateglobal warming, Nanotech Insights, 6/2010 Oakdene Hollins, Environmentally Beneficial Nanotechnologies, 2007, Australian Research Council Nanotechnology Network, Commonwealth Department of Industry, Tourism and Resources, Smaller, Cleaner, Cheaper, Faster, Smarter Nanotechnology Applications and Opportunities for Kuzma, K and VerHage, P (2006) “Nanotechnology in Agriculture and Food Production Anticipated Applications” 10 Nguyễn Đức Ngữ, "Biến đổi khí hậu tồn cầu - Một thách thức phát triển bền vững Hà Nội", Trung tâm Khoa học, Cơng nghệ Khí tượng Thủy văn Môi trường 49