Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 1: Tổng quan về năng lượng tái tạo - ThS. Nguyễn Bá Thành

[r]

Các d ng năng lạ ượng, các d ng năng lạ ượng tái t o.ạ

Ti m năng phát tri n năng lề ể ượng tái t o   Vi t Nam.ạ ệ

Chính sách v  năng lề ượng c a Vi t Nam.ủ ệ

Câu h i chỏ ương 1:

1 Anh/ch  hãy cho bi t tình hình s  d ng năng lị ế ụ ượng trên th  gi i?ế

2 Các d ng năng lạ ượng tái t o? Tình hình s  d ng năng lạ ụ ượng tái t o và ti m ạ ề năng phát tri n năng lể ượng tái t o t i Vi t Nam?ạ ệ

2

Ch

ươ

ng 1: T ng quan v  năng l

ổ

ề

ượ

ng tái t o (NLTT)

ạ

1.1 L ch s  phát tri n c a công ngh  năng lị ử ể ủ ệ ượng

Đ  t n t i và phát tri n t  xa x a loài ngể ể ười đã bi t s  d ng các d ng năng lế ụ ượng  khác nhau. Theo đà phát tri n c a l ch s  con ngể ủ ị ười đã phát hi n và s  d ng thêmệ ụ   nhi u d ng năng lề ượng khác. Năng lượng là đ ng l c cho m i ho t đ ng v t ch tộ ự ọ ộ ậ ấ   và tinh th n c a con ngầ ủ ười. Trình đ  s n xu t phát tri n ngày càng cao càng tiêuộ ả ấ ể   t n nhi u năng lố ề ượng và t o ra thách th c to l n đ i v i môi trạ ứ ố ường. 

Ngày nay năng lượng càng tr  nên có tính ch t s ng cịn đ i v i nhân lo i b i vìở ấ ố ố   m t m t ngu n năng lộ ặ ượng hóa th ch đang d n c n ki t, m t khác s  phát tri nạ ầ ệ ặ ự ể   c a s n xu t đ t ra nh ng v n đ  h t s c c p bách v  yêu c u năng lủ ả ấ ặ ữ ấ ề ế ứ ấ ề ầ ượng và có  nguy c  h y ho i môi trơ ủ ường. Đ  phát tri n b n v ng con ngể ể ề ữ ười ph i s  d ngả ụ   năng lượng m t cách ti t ki m và hi u qu , đ ng th i ph i nghiên c u phát tri nộ ế ệ ệ ả ả ứ ể   các ngu n năng lồ ượng m i có tính ch t tái t o và thân thi n v i mơi trớ ấ ệ ường. 

L ch s  phát tri n c a công ngh  năng lị ể ủ ệ ượng trên th  gi i đế ược tóm t t trong b ngắ ả   1.1 theo các m c th i gian sau đây:ố

B ng 1.1 Các m c l ch s  c a vi c s  d ng năng lả ố ị ử ủ ệ ụ ượng Th iờ  

gian Năng lượng s  d ngử ụ

Ti n sề V i vi c phát hi n ng n l a ngớ ệ ệ ọ ười ti n s  đã bi t s  d ng nhi tế ế ụ ệ   năng t  g  đ  đun n u, sừ ỗ ể ấ ưở ấi  m, chi u sáng. ế

C  đ iổ Con người đã bi t s  d ng năng lế ụ ượng gió đ  xay xát, kéo thuy nể ề   bè, năng lượng dịng ch y đ  b m nả ể ướ ước t i tiêu, xay xát

1687 Isaac Newton (1642­1727) xây d ng c  s  lý thuy t c a c  h c cự ế ủ ọ ổ  n đ t n n móng cho vi c s  d ng c  năng trong k  thu t.ể ặ ề ệ ụ ỹ ậ

1738 Daniel Bernoulli (1700­1782) xây d ng c  s  cho nghiên c u c  h cự ứ ọ   ch t l ng đ t n n móng cho vi c s  d ng th y năng trong k  thu t.ấ ỏ ặ ề ệ ụ ủ ỹ ậ

Than đá là ngu n nhiên li u ch  y u. ồ ệ ủ ế

1831 Michael Faraday (1791­1867) phát minh đ nh lu t c m  ng đi n tị ậ ả ứ ệ ừ  đ t n n móng cho s  ra đ i c a các thi t b  đi n. ặ ề ự ủ ế ị ệ

B t đ u k  ngun đi n khí hóa.ắ ầ ỷ ệ

1860 J.C. Maxwell (1831­1879) cơng b  lý thuy t Trố ế ường đi n t  th ngệ ố   nh t, hoàn thi n c  s  đi n t  và s  d ng năng lấ ệ ệ ụ ượng đi n t , đ tệ ặ   n n móng cho s  ra đ i c a k  thu t đi n t ề ự ủ ỹ ậ ệ

1860 Luy n thép ra đ i thúc đ y khai thác than phát tri n.ệ ẩ ể

1870 D u m  b t đ u đầ ỏ ắ ầ ượ ục s  d ng trong công nghi p và đ i s ng.ệ ố

1881 T u h a ch y b ng năng lầ ỏ ằ ượng h i nơ ước ra đ i t i nờ ước Anh 1890 Đ ng c  đ t trong độ ố ược hồn thi n. Ơ tơ đệ ượ ảc s n xu t hàng lo t.ấ

1898 Pierre và Marie Curie (1867­1934) tìm ra ch t phóng x  B t đ u kấ ắ ầ ỷ  nguyên năng lượng nguyên t

1899 Max Planck (1858­1947) công b  thuy t lố ế ượng t  C  h c lử ọ ượng tử  ra đ i.ờ

1900 IEC (International Electrotechnical Commission)  y ban K  thu tỦ ỹ ậ   n qu c t  ra đ i thúc đ y s  phát tri n và tiêu chu n hóa kệ ố ế ẩ ự ể ẩ ỹ  thu t đi n.ậ ệ

1906 Albert Einstein (1879­1955) công b  lý thuy t tố ế ương đ i v i đ nhố ị   lu t n i ti ng E = mC.ậ ổ ế

1942 Các nhà khoa h c Hoa K  ch  t o bom nguyên t  đ u tiên.ọ ỳ ế ầ

1954 Pin m t tr i b t đ u đặ ắ ầ ược ch  t o và thế ương m i hóa.ạ

1954 Ngày 27­6­1954, nhà máy đi n nguyên t  đ u tiên ra đ i   Liên Xôệ ầ   cũ, công su t 5MW t i Obninsk.ấ

1957 IAEA (International Atomic Energy Agency) U  ban Năng lỷ ượng  Nguyên t  qu c t  ra đ i.ử ố ế

1960 T  ch c các nổ ứ ước xu t kh u d u m  OPEC (Organization of theấ ẩ ầ ỏ   Petroleum Exporting Countries) ra đ i.ờ

1973 Kh ng ho ng d u m  do h u qu  c a cu c chi n tranh Trungủ ả ầ ỏ ậ ả ủ ộ ế   Đông

1974 IEA (International Energy Agency)  y ban Năng lỦ ượng qu c t  raố ế   đ i.ờ

9/9/199

4

1.2 Các d ng năng lạ ượng

Hình 1.1 Quan h  gi a các lo i năng lệ ữ ượng

Năng lượng là m t d ng v t ch t  ng v i m t q trình nào đó có th  sinh cơng.ộ ậ ấ ứ ộ ể   Năng lượng cũng được hi u nh  kh  năng sinh cơng ho c sinh nhi t. Có nhi u hể ả ặ ệ ề ệ  th ng phân lo i khác nhau v  năng lố ề ượng đang đượ ục s  d ng: 

Theo d ng v t ch t năng lạ ậ ấ ượng được phân lo i nh : th  r n (than, c i…),ạ ể ắ ủ   th  l ng (d u m  và các s n ph m d u), th  khí (khí đ t và các s n ph m khí).ể ỏ ầ ỏ ả ẩ ầ ể ố ả ẩ

Theo dòng bi n đ i năng lế ổ ượng ta thường g p các khái ni m:ặ ệ

s  d ng năng lử ụ ượng. 

­ Năng lượng h u ích:  ữ Năng lượng h u ích là năng lữ ượng nh n đậ ược c a thi t bủ ế ị  s  d ng năng lử ụ ượng tr  đi t n th t do truy n t i phân ph i và t n th t c a thi t bừ ổ ấ ề ả ố ổ ấ ủ ế ị  s  d ng năng lử ụ ượng. Quan h  gi a các khái ni m v  năng lệ ữ ệ ề ượng   trên đở ược cho  trên hình 1.1

Theo kh  năng tái sinh năng lả ượng ta thường g p khái ni m năng lặ ệ ượng tái  t o và khơng tái t o. Ví d  năng lạ ụ ượng m t tr i, năng lặ ượng gió, th y năng…làủ   năng tái t o; năng lạ ượng t  các d ng nhiên li u hóa th ch nh  than, d u m , khíừ ệ ầ ỏ   đ t khơng có kh  năng tái t o.ố ả

1.2.1 Khái ni m năng lệ ượng tái t oạ

Năng lượng tái t o hay năng lạ ượng tái sinh là năng lượng t  nh ng ngu n liên t c mà ừ ữ ụ theo chu n m c c a con ngẩ ự ủ ười là vô h n. Nguyên t c c  b n c a vi c s  d ng năng ạ ắ ả ủ ệ ụ lượng tái sinh là tách m t ph n năng lộ ầ ượng t  các quy trình di n bi n liên t c trong ừ ễ ế ụ mơi trường và đ a vào trong các s  d ng k  thu t. Các quy trình này thư ụ ỹ ậ ường được  thúc đ y đ c bi t là t  M t Tr i.ẩ ặ ệ ặ

Trong cách nói thơng thường, năng lượng tái t o đạ ược hi u là nh ng ngu n năngể ữ   lượng hay nh ng phữ ương pháp khai thác năng lượng mà n u đo b ng các chu n m cế ằ ẩ ự   c a con ngủ ười thì là vơ h n. Vơ h n có hai nghĩa: Ho c là năng lạ ặ ượng t n t i nhi uồ ề   đ n m c mà không th  tr  thành c n ki t vì s  s  d ng c a con ngế ứ ể ệ ự ụ ủ ười (thí d  nhụ ư  năng lượng M t Tr i) ho c là năng lặ ặ ượng t  tái t o trong th i gian ng n và liên t cự ắ ụ   (thí d  nh  năng lụ ượng sinh kh i) trong các quy trình cịn di n ti n trong m t th i gianố ễ ế ộ   dài trên Trái Đ t.ấ

6

Tùy theo tr ng h p mà năng l ng này đ c s  d ng ngay t c kh c hay đ c t m th iườ ợ ượ ượ ụ ứ ắ ượ   d  tr ự ữ

Vi c s  d ng khái ni m "tái t o" theo cách nói thơng thệ ụ ệ ường là dùng đ  ch  đ n cácể ỉ ế   chu k  tái t o mà đ i v i con ngỳ ố ười là ng n đi r t nhi u (thí d  nh  khí sinh h c soắ ấ ề ụ ọ   v i năng lớ ượng hóa th ch). Trong c m giác v  th i gian c a con ngạ ả ề ủ ười thì M t Tr iặ   s  còn là m t ngu n cung c p năng lẽ ộ ấ ượng trong m t th i gian g n nh  là vô t n. M tộ ầ ậ ặ  Tr i cũng là ngu n cung c p năng lờ ấ ượng liên t c cho nhi u quy trình di n ti n trongụ ề ễ ế   b u sinh quy n Trái Đ t. Nh ng quy trình này có th  cung c p năng lầ ể ấ ữ ể ấ ượng cho con  người và cũng mang l i nh ng cái g i là nguyên li u tái tăng trạ ữ ọ ệ ưởng. Lu ng gió th i,ồ ổ   dòng nước ch y và nhi t lả ệ ượng c a M t Tr i đã đủ ặ ược con ngườ ụi s  d ng trong quá  kh  Quan tr ng nh t trong th i đ i công nghi p là s c nứ ọ ấ ệ ứ ước nhìn theo phương di nệ   s  d ng k  thu t và theo phử ụ ỹ ậ ương di n phí t n sinh thái.ệ ổ

Ngượ ớc l i v i vi c s  d ng các quy trình này là vi c khai thác các ngu n năng lệ ụ ệ ượng  nh  than đá hay d u m , nh ng ngu n năng lư ầ ỏ ữ ượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh  h n là đơ ượ ạc t o ra r t nhi u. Theo ý nghĩa c a đ nh nghĩa t n t i "vơ t n" thì ph nấ ề ủ ị ậ ả  

ng t ng h p h t nhân (

ứ ổ ợ ph n  ng nhi t h chả ứ ệ ạ ), khi có th  th c hi n trên bình di n kể ự ệ ệ ỹ  thu t, và ph n  ng phân rã h t nhân (ậ ả ứ ph n  ng phân h chả ứ ạ ) v i các lò ph n  ng táiớ ả ứ   sinh (breeder reactor), khi năng lượng hao t n lúc khai thác uranium hay thorium có thố ể  được gi    m c th p, đ u là nh ng ngu n năng lữ ứ ấ ề ữ ượng tái t o m c dù là thạ ặ ường thì  chúng khơng được tính vào lo i năng lạ ượng này

1.2.2 Các d ng năng lạ ượng tái t oạ Ngu n g c t  b c x  c a M t Tr iồ ố ứ ạ ủ ặ ờ

Năng lượng M t Tr i thu đặ ược trên Trái Đ t là năng lấ ượng c a dòng b c x  đi n tủ ứ ệ ừ  xu t phát t  M t Tr i đ n Trái Đ t. Chúng ta s  ti p t c nh n đấ ặ ế ấ ẽ ế ụ ậ ược dòng năng lượng  này cho đ n khi ph n  ng h t nhân trên M t Tr i h t nhiên li u, vào kho ng 5 t  nămế ả ứ ặ ế ệ ả ỷ   n a.ữ

M t Tr i.ặ

Năng lượng c a các photon có th  đủ ể ược h p th  và chuy n hóa thành năng lấ ụ ể ượng  trong các liên k t hóa h c c a các ph n  ng quang hóa.ế ọ ủ ả ứ

M t ph n  ng quang hóa t  nhiên là q trình quang h p. Q trình này độ ả ứ ự ợ ược cho là đã  t ng d  tr  năng lừ ự ữ ượng M t Tr i vào các ngu n nhiên li u hóa th ch khơng tái sinhặ ệ   mà các n n cơng nghi p c a th  k  19 đ n 21 đã và đang t n d ng. Nó cũng là qề ệ ủ ế ỷ ế ậ ụ   trình cung c p năng lấ ượng cho m i ho t đ ng sinh h c t  nhiên, cho s c kéo gia súc vàọ ộ ọ ự ứ   c i đ t, nh ng ngu n năng lủ ố ữ ượng sinh h c tái t o truy n th ng. Trong tọ ề ố ương lai, q  trình này có th  giúp t o ra ngu n năng lể ượng tái t o   nhiên li u sinh h c, nh  cácạ ệ ọ   nhiên li u l ng (diesel sinh h c, nhiên li u t  d u th c v t), khí (khí đ t sinh h c) hayệ ỏ ọ ệ ầ ự ậ ố ọ   r n.ắ

Năng lượng M t Tr i cũng đặ ược h p th  b i th y quy n Trái Đ t và khí quy n Tráiấ ụ ủ ể ấ ể   Đ t đ  sinh ra các hi n tấ ể ệ ượng khí tượng h c ch a các d ng d  tr  năng lọ ứ ự ữ ượng có thể  khai thác được. Trái Đ t, trong mơ hình năng lấ ượng này, g n gi ng bình đun nầ ố ướ ủc c a  nh ng đ ng c  nhi t đ u tiên, chuy n hóa nhi t năng h p th  t  photon c a M tữ ộ ệ ầ ể ệ ấ ụ ủ ặ  Tr i, thành đ ng năng c a các dòng ch y c a nờ ộ ủ ả ủ ước, h i nơ ước và khơng khí, và thay  đ i tính ch t hóa h c và v t lý c a các dịng ch y này.ổ ấ ọ ậ ủ ả

Th  năng c a nế ủ ước m a có th  đư ể ược d  tr  t i các đ p nự ữ ậ ước và ch y máy phát đi nạ ệ   c a các cơng trình th y đi n. M t d ng t n d ng năng lủ ủ ệ ộ ậ ụ ượng dòng ch y sơng su i cóả ố   trước khi th y đi n ra đ i là c i xay nủ ệ ố ước. Dịng ch y c a bi n cũng có th  làmả ủ ể ể   chuy n đ ng máy phát c a nhà máy đi n dùng dòng ch y c a bi n.ể ộ ủ ệ ả ủ ể

8

Đ i d ng trên Trái Đ t có nhi t dung riêng l n h n khơng khí và do đó thay đ i nhi t đạ ươ ấ ệ ổ ệ ộ  ch m h n khơng khí khi h p th  cùng nhi t l ng c a M t Tr i. Đ i d ng nóng h nậ ấ ụ ệ ượ ủ ặ ươ   khơng khí vào ban đêm và l nh h n khơng khí vào ban ngày. S  chênh l ch nhi t đ  nàyạ ự ệ ệ ộ   có th  đ c khai thác đ  ch y các đ ng c  nhi t trong các nhà máy đi n dùng nhi tể ượ ể ộ ệ ệ ệ   l ng c a bi n.ượ ủ ể

Khi nhi t năng h p th  t  photon c a M t Tr i làm b c h i nệ ấ ụ ủ ặ ố ước bi n, m t ph nể ộ ầ   năng lượng đó đã được d  tr  trong vi c tách mu i ra kh i nự ữ ệ ố ỏ ước m n c a bi n. Nhàặ ủ ể   máy đi n dùng ph n  ng nệ ả ứ ước ng t ­ nọ ước m n thu l i ph n năng lặ ầ ượng này khi đ aư   nước ng t c a dịng sơng tr  v  bi n.ọ ủ ề ể

Ngu n g c t  nhi t năng c a Trái Đ tồ ố ừ ệ ủ ấ

Nhi t năng c a Trái Đ t, g i là đ a nhi t, là năng lệ ủ ấ ọ ị ệ ượng nhi t mà Trái Đ t có đệ ấ ược  thơng qua các ph n  ng h t nhân âm   trong lịng. Nhi t năng này làm nóng ch y cácả ứ ỉ ệ ả   l p đ t đá trong lòng Trái Đ t, gây ra hi n tu ng di d i th m l c đ a và sinh ra núi l a.ớ ấ ấ ệ ợ ề ụ ị   Các ph n  ng h t nhân trong lòng Trái Đ t s  t t d n và nhi t đ  lòng Trái Đ t sả ứ ấ ẽ ắ ầ ệ ộ ấ ẽ  ngu i d n, nhanh h n nhi u so v i tu i th  c a M t Tr i.ộ ầ ề ổ ọ ủ ặ

Đ a nhi t dù sao v n có th  là ngu n năng lị ệ ẫ ể ượng s n xu t công nghi p quy mô v a,ả ấ ệ   trong các lĩnh v c nh :ự

­ Nhà máy đi n đ a nhi t.ệ ị ệ ­ Sưở ấi  m đ a nhi t.ị ệ

Ngu n g c t  đ ng năng h  Trái Đ t ­ M t Trăngồ ố ộ ệ ấ ặ

M t Trăng. Th i gian kéo dài c a hi n tặ ủ ệ ượng th y tri u cũng nh  h n so v i tu i thủ ề ỏ ổ ọ  c a M t Tr i.ủ ặ

Các ngu n năng lồ ượng tái t o nhạ ỏ

Ngoài các ngu n năng lồ ượng nêu trên dành cho m c đ  cơng nghi p, cịn có các ngu nứ ộ ệ   năng lượng tái t o nh  dùng trong m t s  v t d ng:ạ ỏ ộ ố ậ ụ

­ M t s  đ ng h  đeo tay d  tr  năng lộ ố ồ ự ữ ượng l c l  c a tay khi con ngắ ủ ười ho t đ ngạ ộ   thành th  năng c a lị xo, thơng qua s  lúc l c c a m t con quay. Năng lế ủ ự ắ ủ ộ ượng này  được dùng đ  làm chuy n đ ng kim đ ng h ể ể ộ ồ

­ M t s  đ ng c  có rung đ ng l n độ ố ộ ộ ược g n tinh th  áp đi n chuy n hóa bi n d ngắ ể ệ ể ế   c  h c thành đi n năng, làm gi m rung đ ng cho đ ng c  và t o ngu n đi n ph ọ ệ ả ộ ộ ệ ụ  Tinh th  này cũng có th  để ể ược g n vào đ  gi y, t n d ng chuy n đ ng t  nhiên c aắ ế ầ ậ ụ ể ộ ự ủ   ngườ ểi đ  phát đi n cho các thi t b  cá nhân nh  nh  PDA, đi n tho i di đ ng ệ ế ị ỏ ệ ộ

­ Hi u  ng đi n đ ng giúp t o ra dòng đi n t  vòi nệ ứ ệ ộ ệ ước hay các ngu n nồ ước ch y, khiả   nước đi qua các kênh nh  xíu làm b ng v t li u thích h p.ỏ ằ ậ ệ ợ

­ Các ăngten thu dao đ ng đi n t  (th ng   ph  radio) trong môi tr ng sang năng l ngộ ệ ườ ổ ườ ượ   n xoay chi u hay đi n m t chi u. M t s  đèn nh p nháy g n vào đi n tho i di đ ngệ ề ệ ộ ề ộ ố ấ ắ ệ ộ   thu năng l ng sóng vi ba phát ra t  đi n tho i đ  phát sáng, ho t đ ng theo c  ch  này.ượ ệ ể ộ ế 1.3 Tình hình s  d ng năng lử ụ ượng tái t o trên th  gi i và ti m năng phát tri nạ ế ớ ề ể  

 Vi t Nam

ở ệ

1.3.1 Tình hình s  d ng năng lử ụ ượng tái t o trên th  gi iạ ế ớ

10

ngày càng gia tăng, theo d  báo c a C  quan thơng tin năng lự ủ ượng (EIA) trong vịng 24  năm t  năm 2001 đ n năm 2025, m c tiêu th  năng trên tồn th  gi i có th  tăng thêmừ ế ứ ụ ế ể   54% (kho ng 404 nghìn tri u BTU năm 2001 t i 623 nghìn tri u BTU vào năm 2025),ả ệ ệ   nhu c u này ch  y u r i vào các qu c gia có n n kinh t  đang phát tri n m nh mầ ủ ế ố ề ế ể ẽ  nh  Trung Qu c,  n đ … do đó vi c tìm ki m các cơng ngh  s  d ng năng lư ố Ấ ộ ệ ế ệ ụ ượng tái  t o nh  th y đi n , gió, m t tr i… có ý nghĩa s ng cịn v i nhân lo i và đạ ủ ệ ặ ố ượ ực s  quan  tâm r ng rãi trên quy mơ tồn th  gi i.ộ ế

Năng lượng tái t o đạ ược đ nh nghĩa là lo i năng lị ượng t  nh ng ngu n liên t c màừ ữ ụ   theo chu n m c c a con ngẩ ự ủ ười là vô h n. Nguyên t c c  b n c a vi c s  d ng năngạ ắ ả ủ ệ ụ   lượng tái t o là tách m t ph n năng lạ ộ ầ ượng t  các quy trình di n bi n liên t c trongừ ễ ế ụ   môi trường và đ a vào trong các k  thu t s  d ng.ư ỹ ậ ụ

Phân lo i năng lạ ượng tái t o d a theo ngu n g c ta có th  chia thành:ạ ự ố ể

­ T  b c x  m t tr i: năng lừ ứ ặ ượng m t tr i, năng lặ ượng sinh kh i, năng lố ượng gió,  năng lượng t  bi n…ừ ể

­ T  nhi t năng c a trái đ t: Đ a nhi t.ừ ệ ủ ấ ị ệ

­ T  đ ng năng c a h  trái đ t – m t trăng – m t tr i: Năng lừ ộ ủ ệ ấ ặ ặ ượng th y tri u.ủ ề

­ Các ngu n năng lồ ượng tái t o nh : Đ ng h  đeo tay, đ ng c  có đ  rung, ăngten thuạ ỏ ồ ộ ộ   sóng đi n t  mơi trệ ường chuy n sang đi n.ể ệ

S  d ng năng lử ụ ượng hóa th ch th i ra mơi trạ ả ường nhi u khí đ c h i, gây nên hi u  ngề ộ ệ ứ   nhà kính là ngun nhân làm trái đ t nóng d n lên gây ra các hi n tấ ầ ệ ượng thiên tai, lũ  l t, h n hán, và gây  nh hụ ả ưởng t i s c kh e con ngớ ứ ỏ ười