3.1. Năng lượng hóa thạch
3.1.1. Khải niệm năng lượng hóa thạch
50
Năng lượng hóa thạch là thuật ngữ chỉ việc sử dụng các nguồn năng lượng từ các tài nguyên hóa thạch như than, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên. Đây là nguồn năng lượng chủ yếu được sử dụng trên toàn cầu đề sản xuất điện, cung cấp nhiên liệu giao thông, và phục vụ cho các công nghiệp.
Các nguồn năng lượng hóa thạch được hình thành trong hàng triệu năm qua do quá trình phân hủy sinh học của các hóa thạch sống trong quá khứ. Các loại hóa thạch này bao gồm các thực thê sinh vật như cây cỏ, rễ cây, thực vật biến, và các hóa thạch của các sinh vật nỗi tiếng như khủng long và cá sấu.
Quá trình hóa thạch diễn ra khi các sinh vật chết không được phân hủy hoàn toàn và chôn vùi trong các lớp đất và bùn. Theo thời gian, áp suất và nhiệt độ từ các lớp đất trên, các hợp chất hữu cơ trong các hóa thạch bị biến đổi thành các hợp chất carbon giàu năng lượng như than, dầu và khí tự nhiên. Những nguồn năng lượng này được lưu trữ trong các mỏ hóa thạch trên khắp thế giới.
Để khai thác năng lượng từ các nguồn hóa thạch, quy trình đơn giản nhất là đốt chúng để tạo ra nhiệt và sử dụng nhiệt này để tạo điện. Các loại nhiên liệu hóa thạch cũng có thê được chuyển hóa thành các sản phẩm khác, ví đụ như xăng, dầu diesel, và chất đốt bay đề sử dụng trong giao thông và các ứng dụng công nghiệp khác.
Cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA) ước tính năm 2006 rằng nguồn năng lượng nguyên thủy bao gồm 36,8% dầu mỏ, than 26,6% (bao gồm than nâu và than đá), khí thiên nhiên 22,9%, chiếm 86% nhiên liệu nguyên thủy sản xuất trên thế giới. Các nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi vì Trái Đất mất hàng triệu năm đề tạo ra chúng và lượng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ được tạo thành. Sản lượng và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch làm tăng các mối quan tâm về môi trường. Thế giới đang hướng tới sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là một trong những cách giúp giải quyết vấn đề tăng nhu cầu năng lượng.
Mặc dù năng lượng hóa thạch rất phô biến và tiện lợi, việc sử dụng chúng cũng gây ra những vấn đề môi trường nghiêm trọng. Việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đôi khí hậu. Hơn nữa, việc khai thác các nguồn năng lượng hóa thạch làm suy giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên không thể tái
31
tạo và gây ra ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới sức khỏe con người và sự đa dạng sinh học của môi trường xung quanh.
3.1.2. Thực trạng sử dụng năng lượng hóa thạch
Sự phát triển của tài nguyên dầu khí phi truyền thống đã định hình lại cách bồ trí tài nguyên dầu khí truyền thống. Lượng dầu khí thông thường có thể thu hồi trên thế giới lần lượt là 4878 x 10 tấn và 471 x 10? m, tập trung chủ yếu ở 4 khu vực: Trung Đông (35%), Nga (14%), Bắc Châu Mỹ (13%) và Nam Mỹ (9%) [33] [34]. Kể từ năm 2000, với sự hiểu biết về trình độ công nghệ ngày càng tăng, việc phát triển dầu khí phi truyền
thông quy mô lớn đã được thực hiện, với Bắc Mỹ là đại điện. Tiềm năng dầu khí phi
truyền thống đã được tải công nhận. Theo ước tính mới nhất, lượng tài nguyên dầu có thể thu hồi được của toàn cầu là 6200 x 10 tan, gần bằng với tài nguyên dầu thông thường: trữ lượng tài nguyên khí phi truyền thống có thê thu hồi được vào khoảng 4000 x 102 m, gấp khoảng 8 lần so với tài nguyên khí truyền thống và chủ yêu tập trung ở 4 khu vực giàu tài nguyên đầu khí phi truyền thống: Bắc Mỹ (34%), Châu Á - Thái Bình Dương (23%), Nam Mỹ (14%) và Nga (13%).
Than là năng lượng hóa thạch phong phủ nhất trên thể giới, với tông lượng vượt quá 100 nghìn tỷ tấn. Nó chủ yếu được phân phối ở ba khu vực: Châu Âu va Au A. Chau
Á-Thái Bình Dương và Bắc Mỹ (Hình 1). Tính đến cuối năm 2014, trữ lượng than đã xác minh trên thế giới 1a 8915 x 10° tấn (hoặc 4457,5 x 10 tắn). Trữ lượng than ở châu Âu và Au A, chau A - Thai Binh Duong va Bac Mỹ lần lượt chiếm 34,8%, 32,3% và 27,5%.
Hoa Ky có trér luong than déi dao nhat véi tong sé 2373 x 10 tan, tiếp theo là Nga (1570 x 10° tan) va Trung Quoc (1145 x 10° tan).
Table 2 - Sản xuất và tiêu thụ năng lượng thế giới so với Trung Quốc năm 2014. Đơn vị:
10° tan
Năng lượng Sản phẩm Thế giới Trung Quốc
Dâu San xuat 42.21 32.3% 211 8.4%
Tiêu thụ 4211 32.6% 5.20 17.5%
52
Khí tự nhiên Sản xuất 31.27
Tiêu thụ 30.66
Than Sản xuất 39.34
Tiêu thụ 38.82
Điện hạt nhân Sản xuất 5.74
Tiêu thụ 5.74
Nang luong Hydro San xuat 8.79
Tiéu thu 8.79
Năng lượng tải tạo Sản xuất 3.17
Tiêu thụ 3.17
Tổng Sản xuất 130.52
Tiêu thụ 129.29
24.0%
23.7%
30.1%
30.0%
4.4%
4.4%
6.7%
6.8%
2.4%
2.5%
100.0%
100.0%
121 1.67 18.45 19.61 0.29 0.29 2.41 2.41 0.53 0.53 25.00 29.71
4.8%
5.6%
73.8%
66.0%
1.2%
1.0%
9.6%
8.1%
2.1%
1.8%
100.0%
100.0%
Luu y: dé liéu tr BP
33
Dầu thô và khí tự nhiên (chủ yếu là khí mê-tan nhưng bao gồm một số hydrocacbon chuỗi dài hơn) đã được con người sử dụng hàng nghìn năm cho nhiều mục đích khác nhau bao gồm thắp sáng, sưởi ấm. và công dụng chữa bệnh. Tuy nhiên, việc sử
200 180 160
140 WZ —^ on
Exajoules 8 8 i `
90 GửOwứ6 So 060 G606 S&S 6c uwứu =
$8688 55 8888 8 & &
Hỡnh 3.1. Sản xuất dõu thụ và khớ ga tự nhiờn trờn thế giới kờ từ Thế chiến thứ ẽ
dụng bị hạn chế bởi khả năng tiếp cận với dầu và khí đốt tự nhiên và các công nghệ sẵn có để chiết xuất và lưu trữ các sản phẩm. Các giếng đầu sớm nhất được biết đến đã được khoan ở Trung Quốc vào thế kỷ thứ tư bằng cách sử dụng tre. Tuy nhiên, mãi đến giữa thé kỷ 19, việc sản xuất quy mô lớn mới bắt đầu, khi đường ống kim loại cho phép khoan sâu hơn vào vật liệu cứng. đá. Sản xuất thương mại ban đầu bắt đầu ở Ba Lan và Romania và điều này đã được theo sau một cách nhanh chóng bằng cách khoan thành công ở Đề quốc Nga, & ving đất ngày nay là Azerbaijan và ở Hoa Kỳ. Sự phát triển của quy trình chưng cất phân đoạn vào thời điểm này đã thúc đây nhu cầu về dầu thô, loại dầu hiện có thể được tinh chế thành đầu hỏa một cách kinh tế để sử dụng trong đèn dầu. Sự phát triển của động cơ đốt trong cũng tạo ra nhu cầu về đầu và nhu cầu này tăng lên đáng kế với việc Karl Benz phát minh ra ô tô chạy bằng xăng, được cấp bằng sáng chế vào năm 1886.
Ngành vận tái trở thành ngành sử dụng dầu nhiều nhất và hiện chiếm 61,4% lượng tiêu thụ đầu [17]. Các ứng dụng chính khác bao gồm bôi trơn, nguyên liệu hóa học và sưởi ấm gia đình. Sản lượng đã tăng đáng kề trong thế kỷ qua và sản lượng dầu thô hiện nay là khoảng 73 triệu thùng mỗi ngày (một "thùng" là 42 US gallon).
34
Hoa Kỳ thống trị sản xuất dầu thế giới trong nửa đầu thế ký XX, chiếm hơn 50%
sản lượng hàng năm của thế giới cho đến năm 1960. Sau Thế chiến thứ hai, nhu cầu về dầu tăng với tốc độ nhanh và sản lượng tăng gấp 5 lần từ năm 1950 đến Năm 1972. Khi nên kinh tế thế giới phát triển nhanh chóng, thương mại dầu mỏ quốc tế được tạo điều kiện thuận lợi nhờ sự phát triển của các siêu tàu chở dầu. Sự thống trị của Hoa Kỳ giảm khi một số khu vực khác gia tăng sản xuất, đặc biệt là ở Trung Đông và Liên Xô. Tô chức Các nước Xuất khâu Dâu mỏ (OPEC) được thành lập vào năm 1960 và đến năm 1972 da chịu trách nhiệm cho hơn 50% sản lượng dầu của thể giới. Các-ten đã hạn chế nguồn cung dầu trong những năm 1970, dẫn đến giá tăng gấp năm lần. Kết quả là nhu cầu giảm và cung vượt cầu đã dẫn đến sự sụp đồ về giá vào đầu những năm 1980. Sau đó, OPEC chưa bao giờ vượt quá 42% sản lượng thế giới [2] nhưng sự mở rộng kinh tế nhanh chóng của nhiều quốc gia trong thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 21 đã dẫn đến giá cả tương đối cao một lần nữa khi nhu cầu tăng lên đáng kẻ. Ngày nay 60% sản lượng dầu của thê giới là từ sáu quốc gia, trong đó năm quốc gia thuộc OPEC (Bảng 3.2).
Table 3- Các nhà sản xuất dâu thô chỉnh
Quốc gia % của tông thê giới
Russia 12.9
Saudi Arabia 11.8
USA 8.3
Iran 53.4
China 5.0
Canada 4.0
Mexico 3.8
Venezuela 3.3
Kuwait 3.2
UAE. 3.1
Phan còn lại của thê giới 39.2
35
Mặc dù khí đốt tự nhiên từ lâu đã được sử dụng với số lượng hạn chế để chiêu sáng, nhưng phần lớn khí đốt tự nhiên ban đầu được phát hiện có liên quan đến dầu đã được thông hơi hoặc đốt cháy vì không có cách nào thương mại hóa khí đốt. Các đường ống đáng tin cậy để vận chuyên khí đốt đã không được phát triển cho đến sau Thế chiến IL Khí tự nhiên hiện được sử dụng chủ yêu đề phát điện trong các nhà máy điện, sưởi ấm trong nước, sản xuất phân bón và cho các mục đích công nghiệp khác. Sản xuất khí đốt tự nhiên trên thế giới tăng trưởng đều đặn trong 30 năm sau Thế chiến II, mặc dù với tốc độ chậm hơn so với sản xuất đầu mỏ.
Nhờ sự phát triển của các công nghệ tìm kiếm, thăm dò đã cho phép phát hiện các mỏ khí phi truyền thống được đánh giá có trữ lượng rất lớn. Điều này đã làm thay đổi bức tranh trữ lượng khí tự nhiên. Theo IFP, tại Mỹ, trữ lượng khí đá phiến gấp hơn 4 lần trữ lượng khí thông thường, ảnh hưởng rất lớn tới chiến lược phát triển năng lượng trong tương lai của Mỹ.
Table 4 - Bảng so sảnh mức độ phát thải giữa các loại nhiên liệu (pound/don vị nhiệt lượng đốt cháy [10]
Chất phát thải Khí tự nhiên Dâu mỏ Than
Carbon dioxide - CO; 117.000 164.000 208.000
Carbon monoxide - CO 40 33 208
Oxide nitro - NO, 92 448 457
Sulfur dioxide - SO, 1 1.122 2.591
Hat phân tử 7 84 2.774
Thủy ngân 0 0,007 0,016
Vào cudi nam 2018, theo số liệu thống kê của BP, trữ lượng khí tự nhiên đã được chứng minh là khoảng 197Tmỷ và tương đương với hơn 51 năm tiêu thụ với ở mức hiện tại. Tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm của trữ lượng khí tự nhiên trên thế giới trong giai đoạn 10 năm gần đây là 1,9%/năm. Trong giai đoạn 2007 đến nay, Bắc Mỹ có 56
tốc độ tăng trưởng trữ lượng khí tự nhiên cao nhất thế giới với tốc độ tăng trung bình 5,3%/năm. Chủ yếu đóng góp cho sự gia tăng trữ lượng này là sự phát triển của khí phi truyền thống, đặc biệt là cuộc cách mạng khí đá phiến tại Mỹ. Tiếp theo là khu vực các nước thuộc Liên Xô cũ và khu vực châu Á - Thái Bình Dương với tỷ lệ tăng trưởng trung bình lần lượt là 4,4%/năm và 3%/năm. Trữ lượng khí tự nhiên xác minh trên thê giới vẫn tập trung chủ yếu ở Trung Đông (chiếm 38,4% trữ lượng khí của thế giới), tiếp đến là khu vực các quốc gia thuộc Liên Xô cũ (chiếm 31,9% trữ lượng khí của thế giới) [7].
3.2. Năng lượng hạt nhân
3.2.1. Khái niệm năng lượng hạt nhân
Năng lượng hạt nhân là một loại năng lượng được tạo ra từ quá trình chuyển đôi của hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này có thê được giải phóng hoặc hấp thụ trong các quá trình hạt nhân, bao gồm cả phản ứng hạt nhân và phân rã hạt nhân.
100% ~
50% 2 —
80% -
70% +
60% -+
50% +
40% -
30% + 20% + 10% +
0% + r r 1
2000 2010 2015 2017
Khac Sản xuất điện Công nghiệp Dân cư - Thương mại
Hình 3.2. Tiêu dùng năng lượng toàn cẩu
Hình 3.3. Sử dụng khí tự nhiên theo lĩnh vực Năng lượng tái tạo Thủy điện s Năng lượng
hạt nhân
= Than 57
m Khitunhién m Daéumd
Trong nhân nguyên tử, có hai loại chất nền tạo nên: proton (đương) và neutron (không điện). Sự kết hợp của các hạt này đề tạo thành nhân nguyên tử được gọi là liên kết hạt nhân. Trong quá trình liên kết hạt nhân, một lượng năng lượng lớn được giữ lại trong hạt nhân.
Có hai quá trình chính liên quan đến năng lượng hạt nhân:
Phản ứng hạt nhân: Dây là quá trình trong đó hai hoặc nhiều hạt nhân kết hợp với
nhau đề tạo ra một hạt nhân mới và giải phóng năng lượng trong quá trình. Một ví dụ phô biến về phản ứng hạt nhân là quá trình hạt nhân tổ hợp trong mặt trời, nơi các hạt nhân hydro (proton) kết hợp đề tạo thành hạt nhân helium và giải phóng năng lượng mặt trời.
Phân rã hạt nhân: Đây là quá trình trong đó một hạt nhân không ôn định phân rã thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn, cùng với việc giải phóng năng lượng. Phân rã hạt nhân có thê xảy ra tự nhiên hoặc được khởi đầu bằng các quá trình như phản ứng chuỗi chuyển đôi phóng xạ hay phản ứng chuỗi cung cấp năng lượng trong các lò phản ứng hạt nhân.
Một trong những ứng dụng chính của năng lượng hạt nhân là sản xuất điện. Trong
Hình 3.4. Năng lượng hạt nhân
các nhà máy điện hạt nhân, phản ứng chủ yếu được sử dụng là phản ứng tổ hợp của uranium-235, Quá trình này tạo ra nhiệt năng từ phân tách hạt nhân và sau đó sử dụng dé tạo ra hơi nước, tạo ra áp suât đê lam xoay turbine va sản xuât điện.
38
Ngoài ra, năng lượng hạt nhân còn có các ứng dụng khác như trong y học, nghiên cứu hạt nhân, ứng dụng quân sự, và cả trong ngành công nghiệp đề sản xuất vật liệu và chat đốt. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng hạt nhân cũng phải được tiễn hành một cách cần thận để đảm bảo an toàn và tránh những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.
3.2.3. Thực trạng sử dụng năng lượng hạt nhân
Vào thời điểm năm 2005, năng lượng hạt nhân cung cấp 6,3% năng lượng thê giới và 15% lượng điện của thê giới, với Hoa Kỳ, Pháp và Nhật Bản gộp lại chiếm tới 56,5%
lượng điện hạt nhân được sản xuất ra. Trong năm 2007, theo báo cáo của [AEA (Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế) cho biết, cả thế giới có 439 lò phản ứng hạt nhân hoạt động tại 3l quốc gia. Vào thời điểm tháng 12 năm 2009, thế giới có 436 lò hoạt động.
Theo số liệu được cập nhật đến tháng 2 năm 2011 của WNA (Hiệp hội hạt nhân thế giới)
cho biết, cả thế giới có 56 lò phản ứng hạt nhân phục vụ nghiên cứu dân sự, 440 lò phản ứng thương mại hoạt động tại 30 quốc gia với tổng công suất lắp đặt đạt trên 377.000 MWe. Co hon 60 16 phan tng hat nhan dang trong quá trình xây dựng tương đương L7%
công suất hiện tại, hơn 150 lò đang được lên kế hoạch tương đương 46% công suất hiện tai.
Hoa Kỳ là nước sản xuất nhiều năng lượng hạt nhân nhất, với năng lượng hạt nhân đang cung cấp đến 19% lượng điện tiêu thụ tại nước này, trong khi Pháp là nước có tỷ trọng năng lượng điện sản xuất từ các lò phản ứng hạt nhân cao nhất - đạt 80% vào năm 2006. Trong toàn bộ khu vực EU, năng lượng hạt nhân cung cấp 30% sản lượng điện. Các quốc gia thuộc EU có các chính sách năng lượng hạt nhân khác nhau, và một số nước như Áo, Estonia và Ailen không có các nhà máy điện hạt nhân hoạt động. Tại Hoa Kỷ, trong khi ngành than đá và khí đốt được dự đoán đạt trị giá 85 tỷ USD vào năm 2013, các máy phát điện hạt nhân được dự đoán sẽ có trị giá 18 tỷ USD. Nhiều tàu quân sự và đân dụng (như tàu phá băng) sử đụng động cơ đây hạt nhân hàng hải. Một vài tàu vũ trụ không gian được phóng có sử dụng các lò phản ứng hạt nhân với đầy đủ chức năng, như loạt tên lửa của Liên Xô RORSAT và SNAP-10A của Hoa Kỳ. Trên phạm vi toàn cầu, việc hợp tác nghiên cứu quôc tế đang tiếp tục triển khai đề nâng cao độ an toàn của việc sản xuất và sử 59
dụng năng lượng hạt nhân như các nhà máy an toàn thụ động (passive nuclear safety), sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân, và sử dụng nhiệt bô sung từ các quy trình như sản xuất hydro đề khử muối nước biên, và sử dụng trong các hệ thống sưởi khu vực.
Theo thống kế, hiện nay trên thế giới có 31 nước đang sở hữu trên 430 lò phản ứng hạt nhân thương mại với tổng công suất lắp đặt trên 370.000 MWe, cung cấp khoảng 11,5% sản lượng điện năng trên thế giới và gấp hơn 3 lần tổng sản lượng điện năng của Pháp và Đức từ tất cả các nguồn cộng lại.
Bên cạnh đó, có 56 nước đang vận hành khoảng 240 lò phản ứng nghiên cứu dân sự, trên một phân ba các lò phản ứng này tại các nước đang phát triển. Và khoảng 70 lò phản ứng hạt nhân đang được xây dựng, tương đương 20% công suất hiện có, hơn 160 lò phản ứng đã lên kế hoạch xây dựng một cách chắc chắn, tương đương một nửa công suất hiện có.
Sản lượng điện hạt nhân `~
3000 2500
2000
1500
1000
ail | |
Nis PLE LLP LP LIE PSP ESS H PP SS S PP FESS. 25 PS PP Os Nam
TWh 8 8 8 s
Hình 3.5. Sản lượng điện hạt nhân trên thé giới
16 nước phụ thuộc vào năng lượng hạt nhân để sản xuất ít nhất một phan tư sản lượng điện của đất nước. Pháp sản xuất khoảng ba phần tư điện năng từ năng lượng hạt nhân; Bỉ, Cộng hòa Czech, Hungary, Slovakia, Thuy Điền, Thuy S¥, Slovenia va Ukraina sản xuất trên một phần ba. Hàn Quốc, Bungari và Phần Lan thường có trên 30% điện 60
Hình 3.6. Nhiên liệu sản xuất điện năm 2008