Mục tiêu học tập
1. Trình bày đặc điểm và tiềm năng các nguồn năng lượng của loài người;
2. Tư vấn cho cộng đồng các giải pháp về bảo vệ môi trường trong việc khai thác các nguồn năng lượng mới;
3. Sử dụng bảng kiểm để đánh giá những tác động xấu lên con người khi sử dụng các nguồn năng lượng không sạch.
I. Năng lượng
1. Lịch sử sử dụng năng lượng
Năng lượng là điều kiện tất yếu cho sự tồn tại và tiến hóa của mọi sinh vật. Năng lượng là một dạng tài nguyên quan trọng, cần thiết cho sự phát triển của xã hội loài người. Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, nguồn năng lượng mà con người sử dụng thường xuyên chuyển dịch từ dạng này sang dạng khác. Dạng năng lượng thiên nhiên đầu tiên được con người sử dụng là năng lượng mặt trời dùng để soi sáng, sưởi ấm, phơi khô lương thực, thực phẩm, đồ dùng và nhiên liệu gỗ củi. Tiếp đó là năng lượng, gỗ, củi, rồi tới năng lượng, nước, gió, năng lượng kéo của gia súc. Năng lượng khai thác từ than đá ngự trị trong thế kỷ XVIII-XIX. Năng lượng dầu mỏ thay thế vị trí của than đá trong thế kỷ XX và từng bước chia sẻ vai trò của mình với năng lượng hạt nhân. Các dạng năng lượng mới ít ô nhiễm như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy triều, năng lượng vi sinh vật thu nhận được với những phương pháp và phương tiện công nghệ tiên tiến cũng đang mở rộng phạm vi hoạt động của mình
Nhu cầu năng lượng của con người tăng lên nhanh chóng trong quá trình phát triển.
100.000 năm trước công nguyên, mỗi ngày một người tiêu thụ khoảng 4.000 Kcal đến 5.000 kcal. 500 năm trước công nguyên tăng lên 12.000 kcal. Đầu thế kỷ XV lên tới 26.000 kcal, giữa thế kỷ 19 là 70.000 kcal và hiện nay trên 200.000 kcal.
Tỷ lệ năng lượng được khai thác theo các nguồn khác nhau thay đổi theo từng Quốc gia. Tại các nước công nghiệp phát triển, các nguồn năng lượng thương mại chiếm phần lớn tuyệt đối.
Ngược lại, tại các nước đang phát triển, các nguồn năng lượng phi thương mại (gỗ, củi, phế thải nông nghiệp) lại chiếm phần chính.
Trong một quốc gia, cơ cấu năng lượng tùy thuộc trình độ phát triển kinh tế và khả năng công nghệ khai thác tài nguyên. Thí dụ ở Hoa Kỳ trước năm 1900 năng lượng khai thác chủ yếu từ gỗ, củi, sau đó chuyển dần sang than đá. Vào khoảng 1920 dầu mỏ được khai thác với qui mô lớn, và tiếp đó vào khoảng 1940 việc khai thác khí đốt phát triển mạnh mẽ. Do vậy, gỗ, củi không còn được dùng, than đá giữ nguyên tình trạng sử dụng như các năm 1910, 1930, dầu hỏa và khí đốt trở thành nguyên liệu chính.
Năng lượng hạt nhân được khai thác với qui mô lớn vào thập kỷ 1970. Vào đầu thập kỷ 1980, 42,5% tổng năng lượng ở Hoa Kỳ do dầu hỏa cung cấp, 25% do khí đốt, 22,5% do than, 10% còn lại do thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt và các nguồn khác. 42%
năng lượng sản xuất ra được cung cấp cho công nghiệp, 25% cho giao thông vận tải, 30%
cho xây dựng và các hoạt động khác. Hiện nay, một số nước như Pháp, Nhật Bản, sản xuất năng lượng điện chủ yếu từ các nhà máy điện hạt nhân. Trong khi đó, Đức, Trung Quốc thì dựa vào dự trữ than sẵn có trong nước. Nhìn chung, mỗi loại nguồn năng lượng đều có nhược điểm riêng của mình.
a/ Các nước đang phát triển Khí đốt 7%
Than 28%
Sinh khối 35%
Hạt nhân 1%
Dầu 23%
Thủy điện 6%
Thủy điện 6%
Khí đốt 23%
Sinh khối 3%
Than 25%
Dầu 38%
Hạt nhân 5%
b/ Các nước công nghiệp
Tỷ lệ sử dụng các nguồn năng lượng trên toàn cầu
Do đó mỗi quốc gia cần có một hệ thống các nguồn năng lượng hoạt động kết hợp và bổ sung cho nhau, tạo nên một cơ cấu hợp lý về năng lượng . Tỷ lệ các nguồn năng lượng ở các quốc gia có nền kinh tế khác nhau trên thế giới được trình bày trên hình 1.1
Khai thác và sử dụng năng lượng không ngừng tăng lên về tổng số lượng và bình quân cho từng người. Hoạt động đó đang tác động mạnh mẽ tới môi trường sống trên Trái Đất như tạo ra các dạng ô nhiễm, gia tăng hiệu ứng nhà kính, v.v...
2. Các nguồn năng lượng của loài người
Các nguồn năng lượng của Trái Đất có thể chia thành 3 nhóm lớn:
- Năng lượng hóa thạch: than, dầu, khí đốt
- Năng lượng tái sinh nguồn gốc mặt trời: Sinh khối thực vật, thủy điện, sóng, thủy triều, gió, ánh sáng mặt trời
- Năng lượng tàn dư của Trái Đất: địa nhiệt, năng lượng hạt nhân.
3. Năng lượng và sức khỏe - môi trường
Quá trình sử dụng năng lượng mang lại cơ sở vật chất cho thế giới ngày càng văn minh.
Song việc khai thác, chế biến và sử dụng năng lượng đã đưa đến nhiều hậu quả ô nhiễm môi
trường, thay đổi cân bằng sinh thái và qua đó ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Có những quá trình phát sinh các yếu tố ô nhiễm là đương nhiên (ví dụ: đốt cháy nhiên liệu) song cũng có những trường hợp gây ô nhiễm xảy ra khi có sự cố. Hạn chế sử dụng năng lượng là điều khó thực hiện, song hạn chế tới mức tối đa quá trình phát sinh ô nhiễm lại là phương sách có tính khả thi.
II. Sản xuất năng lượng và ô nhiễm môi trường
Quá trình khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng và nhiên liệu đều có liên quan đến ô nhiễm môi trường. Bất cứ nới nào có khai thác nhiên liệu và quặng phóng xạ đều có khả năng gây ô nhiễm môi trường. Công nghệ khai thác càng lạc hậu thì nguy cơ tổn hại tới môi trường và sinh thái càng lớn.
1. Khai thác than đá
Than đá là một dạng năng lượng mặt trời được tích trữ trong lòng Trái Đất. Đây là nguồn năng lượng chủ yếu của loài người với tổng trữ lượng trên 2000 tỷ tấn, tập trung chủ yếu ở các quốc gia Nga, Trung Quốc, Mỹ, Đức, Úc. Trữ lượng các loại than đá trên thế giới có thể đáp ứng nhu cầu của con người trong khoảng 200 năm nữa. Than đá được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện, các hoạt động công nghiệp khác. Các vấn đề môi trường hiện nay trong khai thác sử dụng nguồn năng lượng than đá là:
Khai thác than đá bằng phương pháp lộ thiên tạo nên lượng đất đá thải lớn, ô nhiễm bụi, ô nhiễm nước, mất rừng. Khai thác than bằng phương pháp hầm mỏ hiện nay làm mất 50%
trữ lượng, gây lún đất, ô nhiễm nước, tiêu hao gỗ chống lò và các tai nạn hầm lò.
Các yếu tố ô nhiễm chủ yếu là:
- Tại các mỏ dù khai thác hầm lò hay lộ thiên, thì vấn đề ô nhiễm bụi là đáng quan tâm nhất. Hàm lượng bụi tại nơi khai thác có thể vượt quá tiêu chuẩn cho phép hàng trăm, hàng ngàn lần. Từ đó, bụi theo gió làm ô nhiễm các vùng dân cư xung quanh.
- Khí lưu huỳnh (và có thể cả phốt pho) từ các mỏ than có hàm lượng lưu huỳnh cao gây ô nhiễm tại khu vực khai thác và vùng dân cư phụ cận, nhất là khi mưa xuống.
- Trong mỏ than, lượng khí than methan có thể đạt tới nồng độ bắt lửa, rất nguy hiểm.
Bên cạnh đó, khí Co, CO2, và NO2 khi nổ mìn và từ các vỉa than bốc lên cũng là các loại khí độc
- Đốt than đá tạo ra bụi, khí CO2, SO2, NOx và các dạng ô nhiễm khác. Theo tính toán, một nhà máy nhiệt điện chạy than, công suất 1.000 MW, hàng năm thải ra môi trường 5 triệu tấn CO2, 18.000 tấn NOx, 11.000-680.000 tấn chất thải rắn. trong thành phần chất thải rắn, bụi, nước thải thường chứa kim loại nặng và chất phóng xạ độc hại
2. Khai thác dầu mỏ và khí đốt thiên nhiên
Dầu mỏ và khí đốt là dạng nhiên liệu hóa thạch lỏng hoặc khí, tồn tại trong lòng Trái Đất.
Nhìn chung, việc khai thác dầu và khí đốt ít gây môi trường. Trừ trường hợp đặc biệt khi có sự cố. Những vấn đề gây ô nhiễm do khai thác và sử dụng dầu và khí đốt:
Khai thác trên thềm lục địa gây lún đất, ô nhiễm dầu đối với đất, ô nhiễm không khí, nước. Khai thác trên biển gây ô nhiễm biển (50% lượng dầu ô nhiễm trên biển gây ra là do khai thác dầu trên biển)
Chế biến dầu gây ra ô nhiễm dầu và kim loại nặng, kể cả kim loại phóng xạ cho môi trường nước và đất trong khu vực
Đốt dầu khí tạo ra các chất thải tương tự như đốt than
3. Khai thác thủy năng
Thủy năng được xem là nguồn năng lượng sạch của con người. Tổng trữ lượng thủy điện của thế giới vào khoảng 2.214.000 MW, riêng VN là 30.970 MW, tương ứng với 1,4% tổng trữ lượng thế giới. Tuy nhiên việc xây dựng các hồ chứa nước lớn tạo ra nhiều tác động tiêu cực tới môi trường như: động đất cưỡng bức, thay đổi khí hậu, thời tiết khu vực, mất đất canh tác, tạo ra lượng CH4 do phân hủy chất hữu cơ lòng hồ, tạo ra các biến đổi thủy văn hạ lưu, thay đổi độ mặn của nước khu vực cửa sông ven biển, ngăn chặn sự phát triển bình thường các quần thể cá trên sông, tiềm ẩn tai biến môi trường cho hệ thống đê điều và các công trình xây dựng trên sông, v.v...
4. Năng lượng hạt nhân
Năng lượng hạt nhân có hai dạng: năng lượng phân hủy chất phóng xạ như uran, thori và năng lượng tổng hợp hạt nhân các nguyên tố nhẹ như deterium và tritium. Theo tính toán, năng lượng giải phóng ra từ 1 gam U235 tương đương với năng lượng do đốt 2 tấn than đá.
Hiện nay loại thứ nhất được khai thác dưới dạng nhà máy điện hạt nhân, loại thứ hai có trữ lượng lớn, nhưng chưa đủ điều kiện khai thác qui mô công nghiệp. Nguồn năng lượng hạt nhân có ưu điểm không tạo nên các loại khí nhà kính như CO2 và bụi. Tuy nhiên, các nhà máy điện hạt nhân hiện nay là nguồn gây nguy hiểm lớn đối với môi trường bởi sự rò rỉ chất thải phóng xạ khí, rắn và lỏng và các sự cố nổ nhà máy. Việc quản lý các chất thải hạt nhân từ các lò phản ứng hiện nay chưa đảm bảo an toàn cho môi trường sinh thái quốc gia
5. Các nguồn năng lượng truyền thống khác
Gỗ, củi, năng lượng gió, thủy triều được sử dụng từ thời xa xưa trong nhiều lĩnh vực. Các nguồn năng lượng này thường tồn tại một cách phân tán. Việc khai thác và sử dụng chúng ở qui mô công nghiệp gặp nhiều khó khăn do hiệu suất chuyển hóa thành điện năng thấp. Các nguồn năng lượng truyền thống không gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường trong quá trình khai thác và sử dụng
Diện tích đất cần để sản xuất 1 tỷ Kw/h điện năng từ các nguồn năng lượng ban đầu và theo các phương án công nghệ khác nhau
Loại năng lượng ban đầu Diện tích đất sử dụng (ha)
Nhiệt điện Mặt Trời 1.800 Quang điện Mặt Trời 2.700 Năng lượng điện chạy băng sức gió 11.700
Thủy điện 13.000 Năng lượng điện chạy bằng sinh khối 200.000
Điện hạt nhân 68
Nhiệt điện chạy bằng than đá 90
Điện địa nhiệt 40 Năng lượng mặt trời và địa nhiệt: là hai dạng năng lượng sạch có tiềm năng nhất trên
Trái Đất. Năng lượng mặt trời có thể biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ tế bào quang điện hoặc gián tiếp qua các môi trường trung gian khác nhau như nước. Năng lượng địa nhiệt dưới dạng các dòng nhiệt từ các lò macma ở sâu trong lòng Trái Đất. Khu vực tập trung cao các loại năng lượng này gần với khu vực hoạt động mạnh của vỏ Trái Đất (núi lửa, khe nứt, v.v...). Việc khai thác loại năng lượng này đang được nghiên cứu và phát triển ở nhiều quốc gia trên thế giới. Khó khăn lớn nhất đối với việc phát triển các nguồn năng lượng sạch là
nguồn vốn đầu tư và giá thành của điện năng cao. Do vậy, để điều tiết cơ cấu năng lượng theo hướng tăng cường các nguồn năng lượng hợp lý, việc đánh thuế đối với nguồn gây ô nhiễm và việc năng cao hiệu suất, giảm giá thành đối với nguồn năng lượng sạch là các điều kiện quan trọng nhất
Như vậy, mỗi một loại năng lượng đều có ưu và nhược điểm riêng, lấy tiêu chí diện tích đất cần sử dụng để sản xuất một khối lượng điện năng làm thí dụ minh chứng (bảng 1)
6. Các giải pháp về năng lượng của loài người
Các giải pháp về năng lượng của loài người hướng tới một số mục tiêu cơ bản như sau:
- Duy trì lâu dài các nguồn năng lượng của Trái Đất
- Hạn chế tối đa các tác động tiêu cực đến môi trường trong khai thác và sử dụng năng lượng. Sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng cho phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật.
Trong điều kiện hiện nay, các dạng năng lượng hóa thạch dễ khai thác và sử dụng đang là đối tượng quan tâm của nhiều quốc gia. Tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch chủ yếu là các nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, các nước phương Tây. Do vậy, để giảm sự tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch là nguồn năng lượng gây tác động mạnh mẽ tới môi trường, các nước công nghiệp cần phải thay đổi cơ cấu năng lượng, giảm mức độ tiêu thụ trên đầu người. Bên cạnh đó, việc đầu tư triển khai công nghệ chống ô nhiễm môi trường trong các nhà máy nhiệt điện chạy bằng than, dầu có tác động giảm thiểu lượng các chất thải ra môi trường
Khuyến khích đầu tư cho các công nghệ sạch, các dạng năng lượng sạch khác. Tăng cường đầu tư nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái sinh theo hướng hạ giá thành sản xuất sao cho chúng có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống
Nghiên cứu các qui trình sản xuất, thiết bị sản xuất để tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu sử dụng dạng năng lượng sạch trong một số lĩnh vực dễ gây ra tác động xấu đến môi trường như : giao thông, sinh hoạt
III. Tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm môi trường
1. Năng lượng sử dụng trong công nghiệp, sinh hoạt và kinh tế
Nguồn năng lượng chủ yếu là điện. Bên cạnh đó, vẫn còn có một tỷ lệ nhỏ sử dụng nhiên liệu. Than, dầu mỏ khí đốt còn được sử dụng dưới dạng nguyên liệu trong công nghệ hóa chất, chất dẻo tổng hợp. Việc sử dụng nguồn năng lượng điện kéo theo một loạt các nguồn ô nhiễm do công nghiệp.
Ở xứ lạnh, nhiệt dùng để sưởi ấm trong nhà, chủ yếu dùng năng lượng điện và than, dầu, củi đối với những nơi không có điện. Ở các nước như Việt Nam, điện được sử dụng chạy các máy điều hòa với công suất lớn 1-3 KW/ giờ cho một máy. Điện dùng trong thắp sáng, chạy các đồ dùng trong gia đình, nấu ăn.
Với đường dây tải điện 150 KV, những người sống gần đường dây này có thể có nguy cơ bị bệnh bạch cầu
Tại vùng nông thôn, việc sử dụng rơm, rạ củi, để làm chất đốt đang còn phổ biến. Trong khi đó ở thành thị, việc dùng dầu, điện và than có thể gây ô nhiễm nhà ở đáng kể. Đặc biệt, trong các ngôi nhà chật chội, nơi bếp và phòng ngủ liền nhau hoặc không có ngăn cách, bếp không có ống khói. Những vùng này, môi trường nhà ở thường bị ô nhiễm khói bếp nặng nề.
khói bếp là nguy cơ rất đáng chú ý, gây các bệnh hô hấp cấp tính ở trẻ em và gây viêm phế quản mãn ở người lớn (khói, SO2, CO, CO2, bụi). Do xăng, dầu, giá điện cao quá mức chi trả, nên tình trạng sử dụng than vẫn còn tiếp diễn trong nhiều năm tới. Vì vậy nghiên cứu bếp than là đề tài đáng được quan tâm cùng với việc tổ chức thông gió hợp lý. người ta đã nghiên cứu
khói bếp và cho thấy rằng có những thành phần của khí lưu huỳnh, các hydrocacbua phức hợp, các hydrocacbua đa vòng, trong đó có những chất gây ung thư.
Việc dùng bếp có ống khói kết hợp với thông gió làm giảm lượng CO xuống còn 30% và bụi tới 60%. Khói bếp các nhà ở vùng nông thôn đun nấu bằng củi, rơm rạ có thể gây ô nhiễm nhiều gấp hàng chục lần so với thành phố. Những người trong gia đình chịu ảnh hưởng của khói bếp nhiều nhất là phụ nữ (tiếp xúc 2-4 giờ/ngày). Nếu trong nhà có người hút thuốc, mức tiếp xúc với khói sẽ tăng lên đáng kể. Trẻ nhỏ (luẩn quẩn bên mẹ lúc nấu cơm) cũng là nhóm có nguy cơ tiếp xúc cao.
2. Giao thông và sử dụng nhiên liệu
Phát triển giao thông (thể hiện bằng km đường quốc lộ, số xe ô tô, mô tô...trên dầu người) là một yếu tố tất yếu. Tuy nhiên vấn đề ô nhiễm do giao thông hiện nay đang được toàn thế giới báo động. Các chất gây ô nhiễm môi trường do giao thông: khói và khí thải chứa oxit cacbon, các loại oxit nitơ và lưu huỳnh, các hydrocacbon cháy không hoàn toàn, bụi và các chất hóa học độc hại là phụ gia của xăng dầu, ô nhiễm tiếng ồn...Hậu quả của ô nhiễm là tăng tỷ lệ mắc các bệnh hô hấp và nhiễm độc nhiều chất độc hại (trong đó kim loại chì đã gây tình trạng kém phát triển trí tuệ ở trẻ em sống gần các trục đường giao thông đã được nhiều nhà khoa học cảnh báo).