CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI
Cái bóng đèn điện đầu tiên do Thomas Edison phát minh ra vào năm 1878 và nhà máy điện đầu tiên do ông xây dựng vào năm 1884 đã đưa nhân loại bước vào thời đại điện khí hoá. Có thể nói là nhờ có dòng điện mà chỉ trong vòng một thế kỷ, thế giới đã đạt đến trình độ phát triển như hiện nay. Nếu ở đầu thế kỷ XX này, sản lượng điện toàn thế giới chỉ vào khoảng 15 tỷ kilôoát giờ/năm (kwh/năm) thì đến nay, sản lượng điện hàng năm đã lên tới 10.000 tỷ kwh/năm là con số này đang không ngừng tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học - kỹ thuật và đời sống con người. Ví dụ đối với vùng Đông Nam Á sôi động hiện nay, muốn duy trì tốc độ phát triển kinh tế từ 8 - 10% thì phải đảm bảo mức tăng trưởng sản lượng điện khoảng 10 - 12%. Xã hội càng văn minh, hiện đại thì nhu cầu năng lượng càng tăng.
Các nguồn năng lượng cổ điển như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên, và thuỷ điện đang cạn dần. Ví dụ đối với thuỷ điện, dự tính đến năm 2000 nếu phát triển hết trữ năng về thuỷ điện thì cũng chỉ đáp ứng được khoảng 3 - 5% nhu cầu năng lượng của toàn thế giới. Chính vì vậy mà bên cạnh việc tiếp tục phát triển các nguồn năng lượng cổ điển, từ năm 1954 đến nay nhiều nước bắt đầu phát triển điện nguyên tử, đồng thời nghiên cứu việc sử dụng các nguồn năng lượng mới, còn gọi là năng lượng tái sinh (renewable source of energy - RSE). Những nguồn năng lượng mới ấy là: năng lượng Mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thuỷ triều, sức gió, khí sinh học v.v. . . Trong các nguồn năng lượng mới này, hiện nay phát triển mạnh nhất và được sử dụng rộng rãi nhất là năng lượng Mặt trời, sức gió và khí sinh vật.
1. Năng lượng Mặt trời:
Mặt trời là một quả cầu khí khổng lồ đường kính gần một triệu rưởi km, tức là gấp hơn 100 lần trái đất. Trong lòng Mặt trời có thể bỏ lọt hơn một vạn thiên thể lớn như Trái đất. Mặt trời ở cách xa Trái đất khoảng 150 triệu km. Công suất bức xạ của Mặt trời vào khoảng 38 vạn tỷ tỷ kilôoát (3,8 x 1023 kw). Chỉ một phần nhỏ của năng lượng khổng lồ này đến Trái đất. Tính ra mỗi năm Trái đất nhận được của Mặt trời một năng lượng tương đương, với 115.000 tỷ tấn than, tức là hơn toàn bộ nguồn trữ lượng than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên có trong lòng đất. Bình quân mỗi mét vuông trên mặt đất nhận được một công suất khoảng 1kw, ở bên ngoài khí quyển công suất bức xạ Mặt trời khoảng 1,4 kw/m2.
Hiện nay, việc sử dụng năng lượng Mặt trời trên thế giới theo nhiều phương hướng, có phương hướng đơn giản và rẻ liền, có phương hướng tương đối phức tạp và tốn kém hơn. Phương pháp đơn giản nhất để sử dụng năng lượng Mặt trời là lợi dụng hiệu ứng lồng kính. Nguyên lý của hiệu ứng này như sau: giả thử ta có một cái hộp trên đậy bằng một tấm kính, dưới đáy có một tấm tôn sơn đen. Bức xạ Mặt trời đi qua kính là ánh sáng nhìn thấy được, tấm tôn sơn đen sẽ hấp thụ một phần năng lượng, còn một phần bị phản xạ lại dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Chúng ta biết rằng kính chỉ cho đi lọt bức xạ nhìn thấp, còn bức xạ hồng ngoại không đi lọt qua tấm kính được. Vì vậy, bức xạ hồng ngoại bị cầm tù giữa tấm kính và tấm tôn. Lớp không khí giữa tấm tôn và tấm kính nóng dần lên. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng lồng kính. Nếu ta cho một dòng nước đi qua giữa tấm tôn và tấm kính thì nhiệt độ của nước có thể lên đến 60 - 700C thậm chí 1000C.
Dựa trên nguyên tắc lồng kính này người ta đã chế tạo ra nhiều loại thiết bị sử dụng năng lượng Mặt trời như thiết bị đun nước nóng dùng cho các bệnh viện, các nhà an dưỡng, thiết bị lọc nước mặn ra nước ngọt dùng cho các hải đảo, các tàu đi biển, các máy bơm nước dùng năng lượng Mặt trời, các loại bếp Mặt trời, dùng cho các vùng nông thôn, v.v... Những thiết bị dùng năng lượng Mặt trời này được sử dụng ngày càng rộng rãi, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Ví dụ ở Ấn Độ, tính đến tháng 10 năm 1992, nông thôn Ấn Độ đã sử dụng 227.000 bếp Mặt trời, góp phần giải quyết một phần vấn đề chất đốt ở nông thôn làm giảm bớt nạn chặt phá rừng để lấy chất đốt. Mặt khác, nó có giá trị làm giảm ô nhiễm môi trường. Chi Lê là một nước ở vùng Nam Mỹ phía Bắc có một bãi sa mạc dài 450 km, rộng hơn 150 km, quanh năm hầu như không có mưa. Vùng này không có nghĩa gì nếu như người ta không phát hiện được những mỏ đồng và Nitrat lớn. Để cung cấp nước cho công nhân viên ở các khu mỏ, người ta đã xây dựng một loại thiết bị lớn sử dụng năng lượng Mặt trời để lọc nước mặn ra nước ngọt, mỗi ngày cho tới 236.000 lít nước ngọt.
Một phương hướng quan trọng trong việc sử dụng năng lượng Mặt trời hiện nay là dùng các tấm pin Mặt trời bằng chất bán dẫn Silic hay Sunphuacadimi (Cds) có tính chất quang điện hay nhiệt điện, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt trời ra điện năng. Những tấm pin Mặt trời này được sử dụng trước tiên cho ngành khoa học du hành Vũ trụ, làm nguồn năng lượng chủ yếu cho các con tàu Vũ trụ, các trạm tự động giữa các hành tinh v.v... Ngày nay, những tấm pin Mặt trời này đang được sử dụng ngày càng rộng rãi để làm nguồn điện cho các máy thu phát vô tuyến điện, đặc biệt ở các vùng xa xôi hẻo lánh xa nguồn điện lưới đèn tín hiệu ở các hải đảo, đèn chiếu sáng đường phố, chiếu sáng các vùng nông thôn v.v... Ví dụ ở Ấn Độ đến năm 1994 đã có 9000 làng được điện khí hoá nhờ năng lượng Mặt trời và dự tính trong vòng 5 năm tới, mỗi năm sẽ có thêm 100.000 ngọn đèn từ năng lượng Mặt trời sẽ được lắp đặt trong các vùng nông thôn Ấn Độ.
Việc sử dụng năng lượng Mặt trời còn có thể được thực hiện bằng cách hội tụ các tia sáng Mặt trời vào tiêu điểm của một tấm gương hình parabôlôit, ở tiêu điểm này nhiệt độ có thể lên tới 3000 - 40000C, có thể nung chảy những kim loại khó nóng chảy như firconiôxyt có độ nóng chảy 27000C rất cần cho công nghiệp nguyên tử hay manhêdiôxyt (28000C), Thôriôxyt (30500C) v.v… Đây là một kỹ thuật luyện kim mới gọi là luyện kim sạch. Lò nung Mặt trời (foursolaire) lớn nhất thế giới hiện nay là lò nung Odeillo trên dãy núi Pyrénées miền Nam nước Pháp có đường kính 54 mét cao bằng ngôi nhà 20 tầng, tiêu cự của kính 18 mét, đã sáng ở tiêu điểm có đường kính 25cm, ở đây có nhiệt độ lên đến 35000C. Ở tiêu điểm ấy, người ta đã đặt một nồi nước, hơi nước làm đẩy tua bin phát ra điện, đây là nhà máy điện Mặt trời đầu tiên trên thế giới. Công suất của nhà máy điện Mặt trời đầu tiên này chỉ có 84 kw, nhưng nó đã mở đầu cho các nhà máy điện Mặt trời ở Mỹ, Tây Ban Nha, Uzbekistan với công suất hàng nghìn đến hàng vạn kw.
2. Sức gió, khí sinh học là các nguồn năng lượng mới khác:
Trước CN hơn 3000 năm, người Ai Cập đã biết dùng sức gió để xay lúa, kéo nước. Một chiếc cối xay gió xây dựng ở Anh từ năm 1665 đến nay vẫn còn chạy. Ở Mỹ từ năm 1870 bắt đầu xuất hiện những cối xay gió nhiều cánh, có thể hoạt động ngay cả khi tốc độ gió chỉ vào khoảng 2,5 – 3 mét/giây. Ví dụ máy dùng sức gió TV - 8 có công suất 6 mã lực mỗi giờ có thể bơm 6 mét khối nước hoặc xay 200 kilôgam bột. Máy TV 2,5 chỉ nặng 200 kilôgam, có thể di chuyển dễ dàng, mỗi giờ kéo được 2 mét khối nước. Những máy dùng sức gió như vậy có thể sử đụng thuận lợi ở những vùng nông thôn hẻo lánh, xa mạng điện.
Nhà máy dùng sức gió công suất lớn đầu tiên được xây dựng ở Mỹ từ năm 1941. Cánh quạt bằng thép không gỉ đường kính 53 mét, có thể chịu đựng được sức gió 62 mét/giây. Công suất của nhà máy là 1250 kw.
Hiện nay, các nhà máy điện dùng sức gió đang được phát triển nhanh chóng và rộng rãi ở khắp thế giới, tại những nơi có điều kiện thuận lợi đặc biệt là các vùng ven biển. Nhà máy điện chạy bằng sức gió lớn nhất ở Châu Á hiện nay là nhà máy điện gió Gujarat ở Ấn Độ công suất 10.000 kw. Đến cuối năm 1992, đã có 43.000 kw điện chạy bằng sức gió được nối vào mạng điện của Ấn Độ.
Khí sinh học (biogaz) là khí sinh ra trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ như phân động vật, rơm rạ, rác rưởi, v.v… trong môi trường yếm khí. Khí sinh học thành phần chủ yếu là Mêtan (chiếm khoảng 70%) và khí cácbônic (khoảng 30%). Nhiệt trị của khí sinh học biến đổi trong giới hạn 4700 - 6500 kcalo/m3, khí cháy cho ngọn lửa lơ nhạt mà không có khói bụi.
Ứng dụng đầu tiên của khí sinh học là để đun nấu. Bếp dùng khí sinh học tương đương với các loại bếp gaz khác, sử dụng tiện lợi và sạch sẽ. Một mét khối khí sinh học tương đương khoảng 4 kg củi hay 6 kg rơm rạ. Từ lượng phân của một con trâu và một con lợn có thể sản xuất được hàng ngày 400 - 5001ít khí đủ đun nấu cho một gia đình 3 - 4 người. Khí sinh học còn có thể sử dụng để thắp sáng. Ngọn lửa khí sinh học phát sáng rất yếu nên muốn dùng để thắp sáng ta phải dùng đèn mạng, có thể cho độ sáng tương đương một ngọn đèn điện 60 W với luợng khí tiêu thụ khoảng 70 - 80 lít khí trong một giờ.
Việc sử dụng khí sinh học được phát triển rộng rãi ở nhiều nước đang phát triển, đặc biệt là các nước đông dân và có vùng nông thôn rộng lớn như Trung Quốc, Ấn Độ. Ngoài việc cho khí sinh học để đun nấu thắp sáng, chất bã thải còn là nguồn phân hữu cơ rất tốt, không những có nhiều đặc tính của phân hữu cơ truyền thống mà còn có nhiều ưu điểm khác do kết quả của quá trình phân huỷ vi sinh vật kỵ khí. Kết quả nghiên cứu nhiều năm cho thấy phân khí sinh học sản xuất từ phân lợn và rơm rạ cho năng suất lúa tăng 6 - 19% so với phân hữu cơ thông thường. Hơn nữa, phân khí sinh học không có mùi, không làm ô nhiễm môi trường như phân hữu cơ tự nhiên.
Ở Trung Quốc hiện đã có gần 3000 công trình khí sinh học cỡ lớn và trung bình đã được xây dựng ở các trại chăn nuôi: nhà máy chế biến lương thực, thực phẩm, khu dân cư v.v... Tổng thể tích phân huỷ của các công trình trên khoảng 250.000m3, sản ra gần 120 triệu mét khối khí hàng năm.
Ở Ấn Độ, khí sinh học là chương trình lớn nhất trong các chương trình phát triển năng lượng mới của Ấn Độ. Có thể xem khí sinh học là công nghệ duy nhất vừa cho nguồn năng lượng sạch, vừa cho phân bón sạch. Từ năm 1981 đến 1994, trong vòng 13 năm, Ấn Độ đã xây dựng 1,6 triệu công trình khí sinh học gia đình và dự tính đến năm 1997 con số này sẽ tăng thêm 50%. Nhờ khí sinh học mà mỗi năm nông dân đã tiết kiệm được 5 triệu tấn củi gỗ và sản sinh được 25 triệu tấn phân bón hữu cơ sạch.
Ngoài các dạng năng lượng mới được sử dụng rộng rãi hiện nay là năng lượng Mặt trời, sức gió và khí sinh học, các dạng năng lượng mới khác cũng đang được sử dụng tuỳ từng nước có điều kiện thiên nhiên thuận tiện như năng lượng địa nhiệt. Trung bình cứ đi sâu vào lòng đất 30 - 40 mét thì nhiệt độ tăng lên 1 độ, như vậy đến độ sâu 3 - 4km thì nhiệt độ lên đến 1000C. Song có nhiều vùng trên thế giới đặc biệt là gần vùng núi lửa hoạt động chỉ cần xuống sâu máy trăm mét, thậm chí chỉ vài chục mét là nhiệt độ đã có thể lên tới 1000C. Ví dụ Bán đảo Kamtsatka nước Nga, người ta đã thí nghiệm đào xuống sâu 30 mét thì một hỗn hợp nước và hơi nước đã ở nhiệt độ 1650C vọt lên cao 25 mét, lưu lượng 15 lít/giây.
Nước sử dụng năng lượng địa nhiệt sớm nhất và nhiều nhất là Italia. Việc sử dụng năng lượng địa nhiệt ở Italia đã bắt đầu có từ năm 1904. Hiện nay, ở Italia có nhà máy địa nhiệt công suất lớn nhất thế giới là 350.000 kw. Mỗi năm Italia lấy từ lòng đất lên 2 tỷ kw giờ điện. Ở Bang California (Mỹ) cách San Francisco 120 km có nhà máy địa nhiệt Grâyde công suất 290.000 kw và Mỹ dự tính sẽ đưa công suất nhà máy lên 1,3 triệu kw. Ở Băng Đảo người ta lấy nước nóng từ lòng đất lên để sưởi là cung cấp cho các nhà kính trồng hoa quả về mùa Đông. Tại New Zealand, Nhật Bản cũng là những nước có điều kiện thuận lợi để sử dụng năng lượng địa nhiệt. Ở Trung Quốc trong mấy năm qua, các nhà địa chất đã tìm thấy hơn 2000 nguồn và hơi nóng trong lòng đất có nơi nhiệt độ lên đến 100 - 2000C, không những ở vùng Tây Tạng, Vân Nam mà ngay cả ở vùng Đồng bằng Bắc Kinh, Thiên Tân... Nguồn nước nóng trong lòng đất đã được sử dụng để phát điện (ví dụ nhà máy địa nhiệt huyện Hoài Lai, tỉnh Hà Bắc), dệt, nhuộm, sưởi ấm, thúc mầm cho lúa, nuôi mạ lúa nước về mùa Đông, v.v...
Do sức hút của Mặt trăng và Mặt trời, nước thuỷ triều ngày lên xuống hai lần. Ở giữa đại dương, độ cao của thuỷ triều vào khoảng 77 cm, trong đó 53 cm là do sức hút của Mặt trăng và 24 cm là do sức hút của Mặt trời (Mặt trời lớn hơn Mặt trăng nhiều lần nhưng ở xa). Ở gần bờ biển, thuỷ triều có thể đạt đến những độ cao rất lớn. Ví dụ độ cao thuỷ triều ở Vịnh Magenllan là 13,5 m, ở Biển Măngsơ là 13,3m, Vịnh Brix (Anh) 14m, Biển ÔKhốt miền Đông Liên Xô là 12,3 m. Công suất toàn bộ của năng lượng thuỷ triều trên toàn thế giới lên đến 8.1012 kW, tức là gấp 100.000 lần công suất toàn bộ các nhà máy thuỷ điện trên thế giới.
Những thiết bị sử dụng năng lượng thuỷ triều trên thế giới đã xuất hiện từ lâu. Ở Châu Âu (Anh, Pháp...) từ thế kỷ XI đã có những chiếc cối xay gió chạy bằng năng lượng thuỷ triều. Khi nước triều lên thì được chứa vào một cái bể, khi nước triều xuống thì nước từ trong bể chảy ra theo làm quay bánh xe. Những chiếc cối xay ấy có thể đạt tới công suất 10 - 12 mã lực. Những thiết bị sử dụng năng lượng thủy triều hiện đại cũng áp dụng một nguyên lý tương tự. Nhưng những thiết bị ngày nay hoạt động được cả khi nước thuỷ triều lên và khi nước thuỷ triều rút.
Nhà máy điện thuỷ triều lớn nhất thế giới La Rance được xây dựng ở Pháp công suất 240.000 kW. Để xây dựng nhà máy này, người ta đã làm một cái đập dài 725 m, cao 15m (tức là cao hơn mức nước thuỷ triều cao nhất 13,5 m), rộng 48 m. Có 24 tuabin mỗi cái 10.000 kw đặt trong lòng đập, mỗi năm cho 800 triệu kw giờ. Ở nhiều nước như Canađa, Anh, Nga, Nhật v.v... đã có những nhà máy điện thuỷ triều nhỏ và đang có dự án xây dựng nhà máy điện thuỷ triều công suất lớn. Theo tính toán nhà máy điện thuỷ triều xây dựng giá rẻ hơn nhà máy thuỷ điện cùng công suất vì nhà máy thuỷ điện phải xây đập cao, làm hồ chứa lớn, làm ngập một vùng rộng lớn. Tuy nhiên, đối với nhà máy thuỷ điện thuỷ triều phải khắc phục một vấn đề kỹ thuật là sự ăn mòn của kim loại trong môi trường nước biển (bị muối mặn).
Nước ta là nước nhiệt đới, lại là nước có bờ biển dài nên có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển việc sử dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng Mặt trời và sức gió, năng lượng địa nhiệt đã phát hiện thấy được ở nhiều nơi như suối nước nóng ở Hoà Bình, mạch nước nóng ngầm ở Thái Bình. Đặc biệt là nguồn khí sinh học thì vô cùng phong phú. Trong mấy năm qua, một số Viện nghiên cứu ở nước ta đã bắt đầu chế tạo một số thiết bị sử dụng năng lượng Mặt trời, xây dựng một số trạm phát điện nhỏ dùng sức gió ở ven biển, vùng hải đảo. Việc sử dụng khí sinh học cũng đã bắt đầu triển khai và đem lại một số kết quả ban đầu. Việc sử dụng các nguồn năng lượng mới ở nước ta chắc chắn sẽ được phát triển mạnh mẽ hơn nữa, phục vụ cho công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước cho đời sống của nhân dân, nếu được Chính phủ quan tâm và đầu tư thích đáng cho các hướng trên, chắc chắc nguồn năng lượng ấy sẽ hết sức dồi dào.
