III. KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
3) Chuyển photon thành năng lượng hoá học (Photon-to-Chemical Energy Conversion), với các quy trình được sử dụng để tạo ra nhiều loại chất hoá học và tổng
3.3. Biomass (năng lượng sinh khối)
Năng lượng biomass (năng lượng sinh khối, hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ). Biomass có thể giải quyết tình trạng thay đổi khí hậu, biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng.
Cung cấp cả nhiệt lẫn điện
Uỷ ban Ô nhiễm Môi trường Hoàng gia Anh (RCEP) cho rằng sử dụng biomass sẽ cung cấp cơ hội mới cho nông nghiệp và ngư nghiệp của nước Anh, đồng thời cải thiện an ninh năng lượng của quốc gia này. Uỷ ban tin rằng tới năm 2050, biomass có thể cung cấp 10-15% tổng năng lượng của Anh. RCEP cho biết năng lượng biomass
khác các dạng năng lượng tái sinh khác ở hai khía cạnh. Thứ nhất, không giống năng lượng gió và sóng, biomass có thể kiểm soát được. Thứ hai, cùng một lúc biomass vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng. Biomass có nhiều dạng: gỗ, sản phẩm phụ của ngành lâm nghiệp như mùn cưa, chất thải nông nghiệp chẳng hạn như rơm, phân chuồng, cây năng lượng (mía, liễu). Ngoài ra, còn có chất thải thực vật từ công viên, vườn, lề đường. Tất cả những nguồn năng lượng trên đều sẵn có.
Khai thác biomass
Biomass là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng Mặt trời dưới dạng năng lượng hoá học. Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được giải phóng dưới dạng nhiệt. Cái mà chúng ta ngày nay gọi là biomass đã sưởi ấm cho các căn hộ và toà nhà trên toàn thế giới trong hàng nghìn năm. Trên thực tế, biomass tiếp tục là nguồn năng lượng lớn tại các quốc gia đang phát triển. Gỗ vẫn là nguồn năng lượng biomass lớn nhất trên thế giới.
Lợi ích môi trường, an ninh năng lượng thực sự của biomass sẽ xuất hiện khi con người sử dụng một lượng lớn biomass để sản xuất điện năng, nhiệt và các loại nhiên liệu sinh học khác, do đó, giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Chu kỳ carbon là nguyên tắc đứng đằng sau công nghệ biomass. Khi thực vật sinh trưởng, chúng hấp thụ CO2 trong môi trường và dự trữ nó thông qua quá trình quang hợp. Một lượng CO2 tương đương được giải phóng khi thực vật bị phân huỷ tự nhiên hoặc đốt cháy. Điều đó có nghĩa là biomass không đóng góp vào quá trình phát thải khí nhà kính.
Nhiên liệu sinh học: không giống như các nguồn năng lượng tái sinh khác, biomass có thể được biến trực tiếp thành các loại nhiên liệu lỏng - nhiên liệu sinh học - cho các phương tiện vận tải (ô-tô con, xe tải, xe buýt, máy bay, tàu hoả). Có hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất là ethanol và diesel sinh học.
Ethanol là một loại cồn, tương tự như cồn trong bia và rượu. Nó được sản xuất bằng cách lên men bất kỳ loại biomass nào có hàm lượng carbohydrate cao (tinh bột, đường hoặc celluloses) thông qua một quá trình tương tự như lên men bia. Ethanol chủ yếu được sử dụng làm phụ gia nhiên liệu để giảm lượng carbon monoxide và các loại khí thải gây sương khói khác từ xe cộ. Hiện đã có các loại xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt gồm xăng và 85% ethanol.
Diesel sinh học được sản xuất bằng cách kết hợp cồn (thường là methanol) với dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các loại mỡ nấu ăn được tái chế. Nó có thể được sử dụng làm chất phụ gia nhiên liệu để giảm lượng khí thải cho xe cộ (20%). Ở dạng thuần khiết, diesel sinh học được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ diesel.
Các loại nhiên liệu sinh học khác bao gồm methanol và các thành phần biến tính khác của xăng. Methanol, thường được gọi là cồn gỗ, hiện được sản xuất từ khí tự nhiên. Tuy nhiên, cũng có thể sản xuất nó từ biomass. Có một số cách biến biomass thành methanol song biện pháp phổ thông nhất là khí hoá. Khí hoá liên quan tới việc làm bốc hơi biomass ở nhiệt độ cao, rồi loại bỏ các tạp chất từ khí nóng và cho nó đi qua một chất xung tác. Chất xúc tác biến khí thành methanol. Phần lớn các thành phần biến tính của xăng được sản xuất từ biomass là những phụ gia nhiên liệu giảm ô nhiễm, chẳng hạn như methyl tertiary butyl ether (MTBE) và ethyl tertiary butyl ether (ETBE).
Nhiên liệu biomass được sử dụng ở Ấn Độ chiếm khoảng 30% tổng nhiên liệu được sử dụng tại quốc gia này, là nguồn nhiên liệu quan trọng nhất được sử dụng ở trên 90% hộ gia đình nông thôn và chừng 15% hộ gia đình đô thị, đặc biệt hữu ích đối với các gia đình có nuôi gia súc. Hiện nhiều nhà máy biogas đã được xây dựng ở Ấn Độ.
Điện sinh-học: điện sinh học là việc sử dụng bimomass để sản xuất điện năng. Có sáu hệ thống điện sinh học lớn trên thế giới bao gồm đốt biomass trực tiếp, đồng đốt cháy, khí hoá, tiêu hoá kỵ khí, nhiệt phân và hệ thống điện sinh học nhỏ, module. Ước tính tới năm 2020, sản lượng điện sinh học của thế giới là hơn 30.000 MW. Mỹ là nước sản xuất điện biomass lớn nhất thế giới, có hơn 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7.500MW điện mỗi năm, đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình, đồng thời tạo ra 66.000 việc làm. Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả. Bộ Năng lượng Mỹ dự báo các công nghệ tiên tiến hiện đang được phát triển hiện nay sẽ giúp ngành điện biomass sản xuất trên 13.000MW vào năm 2010 và tạo thêm 100.000 việc làm. Năng lượng biomass chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở Mỹ và 45% năng lượng tái sinh.
Phần lớn các nhà máy điện sinh học trên thế giới sử dụng hệ thống đốt trực tiếp. Họ đốt nguyên liệu sinh học trực tiếp để tạo hơi nước. Hơi nước đó bị tuabin bắt giữ và máy phát điện sau đó biến nó thành điện. Trong một số ngành công nghiệp, hơi nước từ nhà máy điện cũng được sử dụng cho sản xuất hoặc để sưởi ấm cho các toà nhà. Những nhà máy điện này được gọi là nhà máy nhiệt - điện kết hợp. Chẳng hạn như phụ phẩm của gỗ (mùn cưa) thường được sử dụng để sản xuất cả điện và tạo nhiệt ở các nhà máy giấy.
Nhiều nhà máy điện đốt than có thể sử dụng các hệ thống đồng đốt cháy để giảm đáng kể lượng khí thải đặc biệt là sulfur dioxide. Đồng đốt cháy liên quan tới việc sử dụng biomass như một nguồn năng lượng bổ sung trong các nồi hơi hiệu quả cao. Chỉ cần vài thay đổi nhỏ là các nhà máy điện đốt than có thể sử dụng hệ thống đồng đốt cháy. Do vậy, tiềm năng phát triển của nó trong tương lai là rất lớn.
Hệ thống khí hoá sử dụng nhiệt độ cao và môi trường hiếm oxy để biến biomass thành một loại khí - khí biogas hay khí sinh học. Loại khí này cung cấp nhiên liệu cho tuabin khí để sản xuất điện năng. Cũng có một số nhà máy điện sử dụng chu trình hơi khác một chút. Nhiên liệu biomass được biến thành các loại khí đốt điều áp, nóng, trong buồng khí hoá. Chúng được làm sạch (loại bỏ tạp chất) để tránh làm bào mòn hệ thống sản xuất nhiệt, điện. Tiếp đến, các loại khí sạch được đốt cùng với không khí trong buồng đốt trước khi đi vào một turbine để sản xuất điện. Nhiệt đi ra từ tuabin khí được dẫn vào buồng trao đổi nhiệt để làm nóng nước lạnh, cung cấp cho các hộ gia đình.
Biomass phân huỷ tạo ra khí methane mà có thể được sử dụng làm năng lượng. Tại các bãi chôn lấp (nơi ủ các vật liệu hữu cơ như phân, rau xanh, rơm...), các giếng được khoan để hút khí methane từ chất hữu cơ đang phân huỷ. Sau đó, các ống từ mỗi giếng sẽ vận chuyển khí tới một nơi trung tâm để lọc và làm sạch trước khi đốt.
Methane cũng có thể được sản xuất từ biomass thông qua một quy trình được gọi là tiêu hoá kỵ khí. Tiêu hoá kỵ khí liên quan tới việc sử dụng vi khuẩn để phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy. Methane có thể được sử dụng làm nhiên liệu theo nhiều cách. Phần lớn các cơ sở đốt nó trong một nồi hơi, tạo hơi nước sản xuất điện hoặc sử dụng cho mục đích công nghiệp. Methane cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong tế bào nhiên liệu. Tế bào nhiên liệu hoạt động giống như pin song không cần tái nạp. Nó tạo điện chừng nào có nhiên liệu.
Ngoài khí, nhiên liệu lỏng cũng được sản xuất từ biomass thông qua một quy trình gọi là nhiệt phân. Nhiệt phân xảy ra khi biomass được nung nóng trong điều kiện thiếu oxy. Sau đó, biomass biến thành một chất lỏng gọi là dầu nhiệt phân. Có thể đốt dầu nhiệt phân giống như xăng để sản xuất điện năng. Một hệ thống điện sinh học sử dụng nhiệt phân hiện đang được thương mại hoá tại Mỹ.
Khái niệm mới: Nhà máy lọc sinh học. Nhà máy lọc sinh học là một cơ sở kết hợp thiết bị và các tiến trình chuyển biến biomass để sản xuất nhiên liệu, điện năng và các hoá chất từ biomass. Khái niệm nhà máy lọc sinh học tương tự như các nhà máy lọc dầu ngày nay mà sản xuất nhiều nhiên liệu cũng như sản phẩm từ dầu. Các nhà máy lọc sinh học công nghiệp đã được coi là con đường hứa hẹn nhất dẫn tới việc tạo lập một ngành mới, dựa trên sinh học ở Mỹ.
Bằng cách sản xuất nhiều sản phẩm, một nhà máy lọc sinh học có thể tận dụng được các thành phần khác nhau của biomass, đồng thời tối đa hoá giá trị thu được từ biomass. Một nhà máy như vậy có thể sản xuất một hoặc nhiều hoá chất giá trị cao, khối lượng ít và một loại nhiên liệu lỏng cho vận tải với giá trị thấp, khối lượng lớn. Đồng thời, nhà máy cũng sản xuất điện, nhiệt để sử dụng trong nội bộ và có lẽ là thừa điện để bán ra ngoài. Sản phẩm giá trị cao tăng cường lợi nhuận, nhiên liệu khối lượng nhiều đáp ứng nhu cầu năng lượng quốc gia và sản xuất điện tránh phát thải khí nhà kính cũng như giảm chi phí.
Phòng Thí nghiệm Năng lượng tái sinh quốc gia của Mỹ đang thực hiện Chương trình Biomass, liên quan tới sáu dự án nhà máy lọc sinh học lớn. Những dự án này tập trung vào các công nghệ mới nhằm kết hợp việc sản xuất nhiên liệu từ biomass và các sản phẩm khác trong cùng một cơ sở.
3.4. Địa nhiệt
Người ta đang chú ý nhiều đến ethanol, diesel sinh học và năng lượng gió khi bàn đến chuyện tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Nhưng theo một báo cáo khoa học mới thì còn có một nguồn năng lượng tiềm tàng khác hết sức to lớn: đó là năng lượng địa nhiệt, đặc biệt trong khu vực ven Thái Bình Dương và ở bất cứ nơi nào từng có núi lửa hoạt động. Khác với năng lượng Mặt trời hay năng lượng gió, sức nóng từ đất đá luôn luôn hiện diện. Một báo cáo mới của Viện Công nghệ Massachussetts (MIT) kết luận rằng địa nhiệt đã không được đánh giá đúng mức như một nguồn năng lượng có thể giúp con người đáp ứng những nhu cầu năng lượng trong tương lai.
Theo một nghiên cứu mới đây của MIT, nếu tăng cường khai thác và ứng dụng địa nhiệt thì có thể sản xuất ra một nguồn điện không nhỏ, có thể đáp ứng tới 10% nhu
cầu điện của Mỹ (cụ thể là cung cấp khoảng 100.000 MW vào năm 2050, đủ khả năng thay thế 50.000 MW điện sản xuất bằng than, gây ô nhiễm môi trường và 40.000 MW điện hạt nhân mà Chính phủ Mỹ tin rằng các nhà máy hiện nay sẽ không còn hoạt động nữa trong vòng 25 năm tới).
Cần biết rằng từ thập niên 70, Công nghệ hệ thống địa nhiệt cấp tiến (EGS- Enhanced Geothermal System) đã thử nghiệm ở một số nơi tại Mỹ cũng như đang được triển khai mạnh tại Pháp, Ôxtrâylia và để phát triển thành công hệ thống điện địa nhiệt thì cần sự hỗ trợ từ công nghệ khoan dầu tiên tiến hiện nay. Tuy nhiên, khác với việc khoan các giếng dầu thường ở những lớp đá mềm, Công nghệ EGS đòi hỏi khoan xuống độ sâu từ 1,5km đến 10km tới lớp đá rắn. Trong đó, quy trình sản xuất điện địa nhiệt là người ta sẽ bơm nước xuống một cái giếng, rồi dẫn nước qua các khe nứt trên lớp đá nóng sau đó thu hơi nước qua một giếng khác để sản xuất điện. Do phải khoan tìm nguồn địa nhiệt ở những vùng đá cứng, nên chi phí cao gấp 2/3 lần so với khoan giếng dầu thông thường.
Kể từ năm 2006, Bộ Năng lượng Mỹ đã quyết định dành ra khoản ngân sách 24 triệu USD cho nghiên cứu địa nhiệt, mức thấp nhất trong các chương trình nghiên cứu năng lượng tái sinh lớn cấp liên bang và họ tin tưởng khi việc ứng dụng điện địa nhiệt đi vào thực tiễn cuộc sống sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng về năng lượng của đất nước.
Thủ phủ của tiểu bang Idaho là nơi có hệ thống máy sưởi chung dùng địa nhiệt lâu đời nhất ở nước Mỹ. Đường ống phân phối năng lượng địa nhiệt đầu tiên được xây dựng tại đây cách đây hơn một thế kỷ. Sau khi bị lãng quên trong nhiều năm, dịch vụ cung cấp địa nhiệt đang được chú ý trở lại, một phần là vì nó rẻ hơn các nguồn năng lượng khác đến 30%. Hiện nay ở Mỹ chỉ có khoảng vài thành phố khác có hệ thống cung cấp năng lượng địa nhiệt, trong số đó có Thành phố Reno thuộc tiểu bang Nevada, và Thành phố Susanville thuộc Tiểu bang California. Thành phố Klamath Falls thuộc Tiểu bang Oregon, đã cho đặt những ống vòng truyền hơi nóng dưới lề đường các khu phố chính để làm tan tuyết và băng.
Có hai phương pháp cơ bản để khai thác năng lượng địa nhiệt. Cách thứ nhất là khoan thật sâu xuống đất để làm nước sôi ở nhiệt độ cực cao rồi dùng hơi nước để sản xuất điện. Cách thứ hai là dùng trực tiếp số nước có độ nóng vừa phải có thể nằm dưới một thành phố hay một trung tâm doanh nghiệp. Cách này dễ được áp dụng rộng rãi hơn.
Nhiều nước khác đang đi đầu trong việc khai thác các nguồn địa nhiệt nằm sâu dưới mặt đất. Nước Pháp đang sử dụng các khoản trợ cấp của EU vào công tác này. Tại Ôxtrâylia, các nhà đầu tư tư nhân đang tự bỏ tiền ra để nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt.
3.5. Thuỷ điện
Thuỷ điện, sử dụng động lực hay năng lượng dòng chảy của các con sông hiện nay chiếm 20% lượng điện của thế giới. Na Uy sản xuất phần lớn lượng điện của mình bằng sức nước, trong khi Iceland sản xuất tới 83% nhu cầu của họ (2004), Áo sản xuất 67% số điện quốc gia bằng sức nước (hơn 70% nhu cầu của họ). Canada là nước sản
xuất điện từ năng lượng nước lớn nhất thế giới và lượng điện này chiếm hơn 70% tổng lượng sản xuất của họ.
Thuỷ điện không phải là một sự lựa chọn chủ chốt tại các nước phát triển bởi vì đa số các địa điểm chính tại các nước đó có tiềm năng khai thác thuỷ điện theo cách đó đã bị khai thác rồi hay không thể khai thác được vì các lý do khác như môi trường.
Lợi ích lớn nhất của thuỷ điện là hạn chế được giá thành nhiên liệu. Các nhà máy thuỷ điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hoá thạch như dầu mỏ, khí gas tự nhiên hay than đá, và không cần phải nhập nhiên liệu. Các nhà máy thuỷ điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số nhà máy thuỷ điện đang hoạt động hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước. Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường.
Trên thực tế, việc sử dụng nước tích trữ đôi khi khá phức tạp bởi vì yêu cầu tưới tiêu có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức cao nhất. Những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức bổ sung nước không thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng. Nếu yêu cầu về mức nước bổ sung tối thiểu không