5. Các nguồn năng lượng khác

5.1 Thủy điện (Hydro power, water power, hydroelectricity)

Năng lượng dòng nước chảy đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm bằng các "bánh xe nước". Ở một số nơi, người ta cũng đã lợi dụng sức nước để vận chuyển gỗ xuống hạ lưu. Ngày nay, người ta nhờ sức nước để chạy máy phát điện (Thế năng của nước ở một độ cao nhất định được giữ lại nhờ đập và chuyển thành động năng khi nước chảy qua rãnh tràn (spill way), làm quay tuabin, phát ra điện. Nước là nguồn tài nguyên phục hồi được và thủy điện là nguồn năng lượng tương đối sạch và rẻ.

Hiện nay, thủy điện chiếm 6-7% sản lượng điện trên thế giới. Các nước phát triển đã xây dựng đập thủy điện ở hầu hết các vị trí có thể. Thụy Sĩ, Nhật, Canada, Pháp...tiềm lực thủy năng đã cạn. Châu Phi và nam Mỹ có tiềm năng thủy điện lớn nhất nhưng mới chỉ phát triển khoảng 1%.

Thủy điện và môi trường

Tuy thủy điện là nguồn năng lượng tương đối sạch và rẻ nhưng việc đắp đập ngăn sông xây dựng hồ chứa có thể tác động tiêu cực đến môi trường.

Đập làm thay đổi dòng chảy tự nhiên của con sông, có thể gây ngập trên diện rộng, phá hủy nơi cư trú của động thực vật, ảnh hưởng đến vẻ đẹp cảnh quan xung quanh. Môi trường nước và đất dưới đập biến đổi theo hướng xấu đi, mặn hóa, chua hóa tăng. Dòng sau đập chỉ còn chảy từ từ, sông không còn lưu thông dễ dàng như trước : độ phì, độ bẩn, kim loại nặng và các chất độc tích tụ, hàm lượng oxy hòa tan giảm, đa dạng sinh học giảm.

Nếu vỡ đập thì dân cư và tài sản dưới hạ lưu sẽ rất nguy hiểm. Thêm vào đó, các bệnh có nguồn gốc từ nước như schistomiasis có thể lan truyền trong dân cư địa phương. Schitomiasis là một bệnh nhiệt đới, gây bởi trùng ký sinh hủy hoại gan, hệ tiết niệu, hệ thần kinh và phổi.

Xây dựng đập tốn kém ban đầu nhưng vận hành thì rẻ. Đập nước tạo thành các hồ chứa nhân tạo nhưng tuổi thọ của hồ có giới hạn, thường 50-200 năm, do với thời gian, bể chứa phủ đầy phù sa tích tụ cho đến khi nó không thể giữ đủ nước để phát điện. Đập giữ phù sa, do đó ngăn trở sự bồi đắp màu mỡ cho các vùng đất nông nghiệp dưới hạ lưu. Dần dần, năng suất nông nghiệp ở vùng cửa sông giảm. Vd như đập Aswan ở Ai Cập, sản lượng cá, tôm giảm, nước mặn từ Địa Trung Hải tràn vào vùng châu thổ sông Nile làm mặn hóa. Vì thế mà Ai Cập ngày nay dựa chủ yếu trên phân hóa học để duy trì độ màu mỡ cho vùng châu thổ sông Nile.

5.2 Địa nhiệt (Geothermal Energy)

(Tài liệu phần này em tổng hợp từ "Địa chất cơ sở" và "Environment")

Địa nhiệt nói chung là nhiệt bên trong trái đất, có hai nguồn chính :

(1) Nguồn nhiệt khổng lồ từ nhân nóng chảy, đưa lên bề mặt qua sự phun trào núi lửa. Nguồn nhiệt này rất lớn nhưng con người không thể chế ngự được.

(2) Nhiệt sinh ra từ sự giải phóng năng lượng của quá trình phân hủy các nguyên tố phóng xạ nằm trong lớp vỏ trái đất. Chúng được đưa lên bề mặt thông qua các dòng nước ngầm, suối nước nóng, giếng tự phun...dưới dạng nước nóng hoặc hơi. Nguồn nhiệt từ các dòng nước phun đã được con người sử dụng cách đây hàng ngàn năm để nấu ăn, sưởi ấm nhà cửa, thậm chí chữa bệnh (do có chứa một số khoáng). Mãi đến khi khoa học kỹ thuật phát triển, nguồn địa nhiệt này mới được ứng dụng để sản xuất điện năng.

Đay là dạng tài nguyên hồi phục được nhưng chậm, do quá trình tự nhiên tái tạo chúng cần thời gian dài. Vì thế, nếu khai thác quá mức có thể dẫn đến không phục hồi được nữa.

Các dòng nhiệt phân bố không đều, những vùng dòng nhiệt cao thường trẻ về địa chất, đang có hoạt động kiến tạo và núi lửa. Người ta phải tìm những nơi có dòng nhiệt tập trung cao bất thường để khai thác có hiệu quả kinh tế. Bên trong những vùng như vậy, có hai khả năng sử dụng địa nhiệt.

*Khả năng thứ nhất : nguồn năng lượng là những hồ địa nhiệt (geothermal pool) tạo ra nước nóng và hơi nước dễ khai thác. Các hồ địa nhiệt giống như các bẫy dầu về một số tính chất, nhưng thay vì là hydrocacbon, ở đây là nước nóng. Các đá thấm chứa nước bị cô lập toàn bộ hay ít nhất một phần bởi các đá không thấm nằm gần bề mặt. nước trong tầng chứa được nung nóng bởi các đá macma bên dưới. Một phần nước nóng này có thể len lỏi lên bề mặt dưới dạng các suối nước nóng hoặc suối phun. Phần còn lại nằm trong các túi nước có thể được khoan và đưa lên mặt đất để tạo ra điện năng.

*Khả năng thứ hai (vẫn còn trong bước thử nghiệm) Địa nhiệt từ các đá khô, nóng ở dưới sâu . Người ta có thể bố trí khoan tới độ sâu nơi có các đá đủ độ nóng rồi tạo ra một khả năng thấm nhân tạo cho đá bằng cách bắn nước vào lỗ khoan dưới áp lực rất cao làm vỡ nứt đá. Sau đó dẫn nước qua lỗ khoan để đưa vào đới nứt nẻ vừa mới tạo thành làm cho nước được nung nóng. Một lỗ khoan khác khai thác đưa nước nóng lên dẫn về các máy phát điện. Trong hệ thống, nước sau khi sử dụng được đun nóng và cứ thế lại được tái sử dụng tạo điện năng.

Địa nhiệt và môi trường

Thành phần trung bình của sự phát xạ địa nhiệt gồm 95% hơi nước, 5% cacbonic, Hydrosulfur, Mêtan, vài loại khí hiếm, Hg, As... Sự hòa tan các nguyên tố khoáng trong nước địa nhiệt có thể tạo nên kết tủa trong hệ thống thiết bị, làm giảm hiệu suất sử dụng nhanh chóng và tăng chi phí. Bên cạnh đó, tiếng ồn phát sinh và sự sụt lún vùng đất xung quanh do khai thác địa nhiệt là 2 vấn đề đáng chú ý.

***

Cũng giống như năng lượng thủy triều, năng lượng gió, địa nhiệt nói chung còn ít phổ biến do tính phân tán của nó. Aixơlen (Iceland) nằm giữa Đại Tây Dương, trên ranh giới hai mảng lục địa, là một hòn đảo có hoạt động núi lửa mạnh và vô số suối nước nóng. Vì thế, địa nhiệt là nguồn năng lượng quan trọng ở đảo quốc này, 2/3 dân số Aixơlen sưởi ấm bằng năng lượng địa nhiệt. Những nước đang gia tăng việc sử dụng nguồn năng lượng này là Philipines, Nhật, Ý, Nicaragoa, Mexico và Mỹ (khoảng 25% sản lượng điện ở Nicaragoa và Philippines là từ địa nhiệt).

5.3 Năng lượng gió

Khoảng 1% năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất được chuyển thành dạng năng lượng cơ học-sự chuyển đọng của các phàn tử khí. Gió không đều, mang tính phân tán, thay đổi chiều và cường độ ở những nơi khác nhau trên trái đất. Ở những nơi có gió thường xuyên như vùng quê nông thôn, hải đảo, bờ biển, hẻm núi và đồng cỏ...việc chế ngự dạng năng lượng này sẽ đem lại ích lợi đáng kể.

Gió là nguồn năng lượng sạch, không tạo ra chất thải, không sinh ra SO2, CO2 hay những NOx. Gió không cần "nguyên liệu", nó gần như vô tận, chỉ phải tốn kém cho việc đầu tư thiết bị ban đầu. Vì thế, các công nghệ tiến bộ mới cho thấy năng lượng gió sẽ có thể trở thành nguồn năng lượng quan trọng trong những thập kỷ tới, mặc dù hiện nay, gió chỉ có một vị trí nhỏ trong bức tranh năng lượng.

Chi phí sản xuất điện từ năng lượng gió ngày càng giảm nhờ các tuabin cải tiến. Sử dụng năng lượng gió không gây ra các vấn đề môi trường quan trọng. Đôi điều cần lưu ý đó là các cánh quạt gió thường có đường kính rất lớn (từ vài mét đến vài chục mét (!) để tạo nên lượng điện năng đáp ứng yêu cầu) và chim có thể chết khi bay đập vào nó. Những tính toán sau đây sẽ giải thích tại sao đường kính quạt gió lại lớn như vậy :

Gió làm quay cánh quạt tuabin. Động năng của gió chuyển thành năng lượng quay rôto. Năng lượng truyền vào tuabin sẽ tăng khi tốc độ gió tăng. Đường kính quạt càng lớn thì càng nhận được nhiều năng lượng gió. Nghiên cứu chi tiết cho thấy, năng lượng lớn nhất (tính bằng watts) có thể thu được :

P=0,5.(d bình phương).(v mũ 3)

d : đường kính cánh quạt (m)

v : tốc độ gió (m/s)

Nếu tốc độ gió là 8m/s (khá lớn) và đk cánh quạt 40m (khá lớn) thì năng lượng tuabin sinh ra là gần 410.000 w (410 kw) và chỉ 1/4 phần năng lượng đó chuyển thành điện năng. Một hộ dân trung bình tiêu thụ công suất điện 3 kw. Vậy một thiết bị như trên chỉ có thể phục vụ khoảng 30 hộ. Ở những vùng xa xôi thưa dân thì hệ thống này còn khả thi chứ ở những vùng đo thị thì nó không mang tính thực tế chút nào. Đó là chưa tính đến không phải nơi nào và vào lúc nào cũng có được vận tốc gió như vậy.

Cụm tuabin gió lớn nhất thế giới đặt tại Tehachapi, vùng núi phía nam Sierra Nevada, California. Vào thập kỷ 80, Mỹ dẫn đầu trong việc sản xuất điện năng từ gió nhưng hiện nay, châu Âu (Đức, Hà Lan, Đan Mạch) và châu Á đang vượt lên. Năm 1994, gần một nửa số tuabin mới của thế giơi được lắp đặt tại Đức. Ấn Độ đứng đầu châu Á trong việc cài đặt các tuabin gió cho các nông trại.

5.4 Năng lượng thủy triều (Tidal Energy)

Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh hưởng của mặt trăng tới thủy triều lớn hơn.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó).

Nước triều cường và triều kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày.

Thủy triều cực đại (triều cường-khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất-lúc đó mặt trăng, mặt trời và trái đất giống như thẳng hàng) xảy ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non, có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và nước hạ.

Thủy triều kiệt (khi ảnh hưởng của sức hút thấp nhất-khi đường thẳng nối trái đất và mặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất và mặt trời).

Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý hàng thế kỷ nay. Vào thế kỷ 18, nhà máy năng lượng nước vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều được xây dựng ở New England.Bơm nước cống rãnh dùng năng lượng thủy triều ở Hamburg, Đức mãi đến năm 1880. Còn bơm nước sử dụng NLTT lắp đặt năm 1580 dưới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ (?!). Những hệ thống này đã dần được thay thế bằng các động cơ tiện lợi và hiệu quả hơn.

Bình thường, sự chênh lệch mực nước giữa triều dâng và triều hạ khoảng 0,5m. Tuy nhiên, một số vùng bờ biển với vịnh hẹp có sự chênh lệch rất lớn giữa hai mực nước triều. Vd như, vịnh Fundy ở Nova Scota (Đông nam Canada), có mức triều lớn nhất thế giới, độ chênh lệch có thể lên đến 16m.

Bằng cách xây đập bắc ngang qua vịnh, ta có thể điều khiển được nguồn năng lượng này để tạo ra điện năng.

Một "tidal basin" (lòng chảo thủy triều) là một hồ chứa đầy và cạn khi thủy triều lên và xuống. Khi nước qua các cửa mở của đập, nó chảy trực tiếp vào các cánh tuabin nước và phát ra điện. Tại đỉnh điểm thủy triều, cửa đóng và nước được giữ lại trong basin. Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nước lại chảy qua các tuabin trở về đại dương, quay tuabin và phát điện.

Hiện nay, các trạm điện thủy triều đang hoạt động ở Pháp, Nga, Trung Quốc và Canada. Tuy nhiên, NLTT không phải là một nguồn năng lượng quan trọng trên toàn thế giới, bởi vì chỉ có một số ít các vị trí có mực nước triều dâng cao đủ để việc phát điện mang tính khả thi.

Nhà máy điện thủy triều đầu tiên được xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra Đại Tây Dương trên vùng biển Brittany. Hoàn thành năm 1968, nó có công suất 240 MW.

"Lòng chảo" (basin) của nó rộng 8,5 dặm vuông và có mực triều dâng cao nhất là 27,6 feet (8,28m).

Trạm thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ đặt trên sông Annapolis, nơi đổ vào vịnh Fundy. Hoàn thành năm 1984, nó có công suất 20 MW.

Vấn đề đặt ra đối với NLTT bao gồm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện khá cao và tác động của nó đến môi trường. Năng lượng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển, nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dương. Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa nước ngọt và mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có năng suất cao. Cá và vô số động vật thân mềm đến đây sinh sản. Vì thế, việc xây dựng đập sẽ ảnh hưởng lớn đến sinh thái khu vực.

5.5 Năng lượng từ gradient nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion; Ocean Thermal Electric Converter : OTEC)

Khoảng 2/3 bề mặt trái đất được bao phủ bỏi lớp nước đại dưong sâu hàng kilomet. Điều này tạo nên một trữ lượng khổng lồ nguồn nhiệt năng. Do hấp thụ NLMT mà bề mặt đại dương ấm hơn dưới đáy sâu. Ở vịnh Mêxicô và ở Thái Bình Dương gần Hawaii, nhiệt độ giảm từ 25 độ C trên bề mặt xuống 5 độ C ở độ sâu 1000 feet (gần 300 m). Trong tương lai, người ta có thể tạo ra điện năng nhờ lợi dụng gradient nhiệt độ này. Một động cơ sẽ lấy nhiệt từ lớp trên đại dương, chuyển thành công có ích rồi bơm nó xuống lớp sâu dưới đáy.

Động cơ hoạt động giống như một tuabin hơi nước. Tuy nhiên do lấy ở 20 độ C và trả lại ở 10 độ C nên nước không thể được dùng vì nó không bốc hơi ở nhiệt độ này.

Yêu cầu về một chất lỏng bay hơi ở 20 độ C và tạo ra áp suất bay hơi đáng kể được đặt ra. Ammonia lỏng có khả năng này, tuy nhiên hiệu suất nhiệt cực đại của thiết bị cũng chỉ trong khoảng vài phần trăm bởi vì sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ. Thiết bị OTEC dài khoảng 1000 feet và được neo trong đại dương. Nước ấm (bề mặt) chảy vào phần trên của hệ thống, sau đó đi qua bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nồi hơi (boiler), làm bay hơi Ammonia. Hơi sau đó ngưng tụ lại thành chất lỏng và trở lại boiler.

Các ưu điểm hấp dẫn của OTEC là :

(1) Nó không sinh ra ô nhiễm, không sinh ra CO2

(2)Nó sử dụng nguồn năng lượng gần như vô tận của mặt trời đã chuyển thành nhiệt năng trên bề mặt đại dương.

Dự án thí điểm gần đây nhất ở Hawaii. Ngoài việc phát ra năng lượng điện, nước sau khi sử dụng được dùng điều hòa không khí, hoặc đưa vào khu nuôi trồng thủy sản gần đó, cung cấp nguồn nước biển sạch, giàu dinh dưỡng cho tảo, cá, động vật giáp xác...

Mặc dù OTEC khả thi về mặt kỹ thuật nhưng ảnh hưởng tiềm tàng của việc đưa một lượng lớn nước lạnh lên bề mặt ở vùng nhiệt đới cần được xem xét kỹ trước khi tiến hành đại trà. Các tính chất của nước như : nồng độ khí hòa tan, độ đục, nồng độ chất dinh dưỡng, sự chênh lệch độ mặn (salinity gradients) thay đổi theo nhiệt độ, và những thay đổi này có lẽ sẽ ảnh hưởng sâu sắc đến sinh vật biển.

5.6 Năng lượng từ sóng đại dương (Ocean Waves)

Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v..). Vì vậy, NLS được xem như dạng gián tiếp của NLMT. Giống như các dạng dòng nước chảy khác, NLS có khả năng làm quay tuabin phát điện. NaUy, Anh, Nhật và một số nước đang nghiên cứu sản xuất điện từ sóng đại dương. Trạm phát điện từ sóng dùng một kỹ thuật đơn giản. Thiết bị bằng bêtông rỗng được đặt chìm vào trong một máng rãnh ngoài khơi để "bắt" sóng. Mỗi khi một cơn sóng mới đi vào khoang (khoảng 10s/lần), nước dâng lên trong khoang đẩy không khí đi vào lỗ thoát có đạt một tuabin, làm quay tuabin chạy máy phát điện. Khi sóng hạ, nó kéo không khí trở lại khoang và sự chuyển động của không khí lại tiếp tục làm quay tuabin.

Chúng ta nên lưu ý thận trọng vì sự cố ngoài khơi có thể làm hư hỏng thiết bị. Năm 1995, trạm phát điện bằng sóng đầu tiên của thế giới ngoài biển Bắc Scotland đã bị nhán chìm trong một cơn bão sau khi nó hoạt động chưa đầy 1 tháng.

Mặc dù nguồn năng lượng từ sóng đại dương là rất lớn nhưng cho đến nay, hiệu suất năng lượng thu được còn rất thấp nên việc ứng dụng NLS chưa mang tính kinh tế và thực tiễn.