Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu khái niệm và đặc điểm của năng lượng tái tạo, các loại và nguyên tắc chính của nó, cũng như tiềm năng của nó như một nguồn năng lượng trong tương lai.
“Thời kỳ đồ đá không kết thúc vì chúng ta hết đá.”
Đây là lời của Yamani, cựu Bộ trưởng Dầu mỏ Ả Rập Xê Út. Tuyên bố này hoàn toàn phù hợp với các vấn đề năng lượng hiện đại. Năng lượng tái tạo đã được phát triển nhanh chóng như một nguồn năng lượng thay thế để chuẩn bị cho sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch – như than đá và dầu mỏ – vốn từ lâu đã là nguồn năng lượng chính. Tuy nhiên, việc áp dụng câu nói này cho thấy năng lượng tái tạo có giá trị vượt xa việc chỉ là một lựa chọn thứ hai hoặc chất thay thế cho nhiên liệu hóa thạch; nó không chỉ đơn thuần là vấn đề “sử dụng năng lượng tái tạo vì nhiên liệu hóa thạch cuối cùng sẽ cạn kiệt”. Nếu công nghệ năng lượng tái tạo tiếp tục phát triển và trở nên khả thi về mặt kinh tế, rất có thể năng lượng tái tạo sẽ tự khẳng định mình là một nguồn năng lượng chính ngay cả trước khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt hoàn toàn.
Từ “mới” trong “năng lượng tái tạo” đề cập đến “nguồn năng lượng tương lai mới được phát triển”, trong khi “năng lượng tái tạo” thực chất là nguồn năng lượng được thiên nhiên cung cấp liên tục và về cơ bản là vô tận. Không giống như nhiên liệu hóa thạch, năng lượng tái tạo có rất ít nguy cơ cạn kiệt và tạo ra lượng khí thải nhà kính và chất gây ô nhiễm môi trường tương đối thấp trong quá trình sản xuất điện. Nhiên liệu hóa thạch truyền thống không chỉ có trữ lượng hạn chế mà còn gây ra vấn đề gánh nặng cho môi trường khi tiêu thụ. Ngược lại, năng lượng tái tạo được thiên nhiên cung cấp liên tục và được coi là nguồn năng lượng quan trọng cho xã hội tương lai nhờ đặc tính thân thiện với môi trường.
Có rất nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác nhau, bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng đại dương, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh học, năng lượng từ chất thải, thủy điện quy mô nhỏ, pin nhiên liệu và năng lượng hydro. Mức độ thương mại hóa hiện tại khác nhau tùy thuộc vào công nghệ, và một số nguồn năng lượng đang đối mặt với những thách thức liên quan đến tính khả thi về kinh tế, công nghệ lưu trữ và phát triển cơ sở hạ tầng. Ví dụ, năng lượng hydro được coi là lĩnh vực cần phát triển hơn nữa về quy trình sản xuất cũng như công nghệ lưu trữ và vận chuyển. Trong số các loại năng lượng tái tạo khác nhau, các lĩnh vực hiện đang được sử dụng tích cực nhất và trải qua sự tiến bộ công nghệ liên tục là năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng đại dương. Năng lượng gió và năng lượng mặt trời đã được sử dụng trên quy mô lớn ở nhiều quốc gia trên thế giới, và năng lượng đại dương cũng đang được nghiên cứu và phát triển liên tục như một nguồn năng lượng tương lai. Bài viết này nhằm mục đích xem xét sâu sắc ba hình thức năng lượng tái tạo tiêu biểu này: năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng đại dương.
Năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng bức xạ phát ra từ mặt trời. Lượng năng lượng bức xạ phát ra từ một thiên thể khổng lồ, có nhiệt độ cao như mặt trời là rất lớn, và ngay cả khi chỉ một phần nhỏ đến được Trái đất, nó cũng cung cấp một lượng năng lượng khổng lồ. Giống như các dạng năng lượng tái tạo khác, năng lượng mặt trời là một nguồn tài nguyên sạch, vô tận. Đặc biệt, năng lượng mặt trời có lợi thế là không cần truyền tải năng lượng đường dài, vì nó có thể được tạo ra và sử dụng trực tiếp tại điểm cần thiết. Hơn nữa, chi phí bảo trì tương đối thấp và các nhà máy điện có tuổi thọ cao. Mặt khác, một hạn chế lớn là sản lượng điện thay đổi đáng kể tùy thuộc vào mùa, thời tiết và cả ngày lẫn đêm.
Năng lượng mặt trời được phân loại rộng rãi thành phát điện quang điện và phát điện nhiệt mặt trời. Phát điện quang điện là phương pháp sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để sản xuất năng lượng điện. Phương pháp này sử dụng các tế bào quang điện để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, và bề mặt của các tế bào quang điện này được làm bằng vật liệu bán dẫn như silicon. Giải thích ngắn gọn nguyên lý hoạt động: khi ánh sáng có năng lượng trên một ngưỡng nhất định chiếu vào bề mặt bán dẫn, các electron bị dịch chuyển do hiệu ứng quang điện, và dòng electron này tạo ra dòng điện, từ đó tạo ra năng lượng điện. Để tăng hiệu quả của các tế bào quang điện, người ta sử dụng các phương pháp như tạo cấu trúc vi mô trên bề mặt để hấp thụ lại ánh sáng phản xạ hoặc sử dụng hệ thống theo dõi tự động điều chỉnh hướng của tấm pin theo chuyển động của mặt trời.
Phát điện bằng năng lượng mặt trời là phương pháp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thu được từ mặt trời thành năng lượng nhiệt, sau đó được sử dụng để tạo ra điện hoặc sưởi ấm. Thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng nhiệt được gọi là bộ thu năng lượng mặt trời.
Các bộ thu nhiệt sử dụng gương để tập trung ánh sáng mặt trời vào các ống thu, làm nóng chất lỏng hoặc môi chất truyền nhiệt bên trong ống để tạo ra năng lượng nhiệt. Nhiệt lượng sinh ra theo cách này sau đó được sử dụng để phát điện hoặc sưởi ấm sau khi đi qua bộ trao đổi nhiệt và hệ thống lưu trữ nhiệt. Để nâng cao hiệu quả phát điện nhiệt mặt trời, việc giảm thiểu tổn thất nhiệt là rất quan trọng; vì mục đích này, việc phát triển vật liệu cách nhiệt và các bộ thu hiệu suất cao đang được tiến hành liên tục.
Năng lượng mặt trời đã lan rộng rất nhanh trên toàn thế giới kể từ những năm 2000 và hiện đang được sử dụng như một nguồn năng lượng chính ở nhiều quốc gia trên thế giới, bao gồm Trung Quốc, châu Âu và Hoa Kỳ. Giá thành thiết bị sản xuất điện mặt trời tiếp tục giảm, làm giảm đáng kể chi phí trên mỗi đơn vị điện năng được tạo ra; tuy nhiên, tính khả thi về kinh tế phụ thuộc vào mức độ bức xạ mặt trời tại địa phương và điều kiện lắp đặt. Nhờ những tiến bộ công nghệ và sản xuất quy mô lớn, năng lượng mặt trời đã khẳng định vị thế là một trong những nguồn năng lượng tái tạo cạnh tranh nhất hiện nay.
Năng lượng gió hiện là một trong những lĩnh vực năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và phát triển tích cực nhất, cùng với năng lượng mặt trời. Ưu điểm lớn nhất của năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch, có sẵn với số lượng không giới hạn; không giống như năng lượng mặt trời, nó có thể tạo ra điện vào ban đêm hoặc những ngày nhiều mây miễn là có đủ gió. Hơn nữa, việc bảo trì tương đối dễ dàng, và chi phí trên mỗi đơn vị điện năng đã giảm dần, dẫn đến tính khả thi về kinh tế được cải thiện đáng kể. Mặt khác, các trang trại điện gió quy mô lớn phải giải quyết các vấn đề như thay đổi cảnh quan, tiếng ồn, va chạm với chim và lựa chọn địa điểm.
Trước tiên, hãy cùng xem xét các nguyên tắc cơ bản của việc phát điện bằng năng lượng gió. Gió tự nhiên, sở hữu năng lượng động học, làm quay rôto (một bộ phận quay có gắn các cánh quạt) của tuabin gió. Khi rôto quay, trục nối với nó cũng quay, và chuyển động quay này được chuyển hóa thành năng lượng cơ học. Bên trong máy phát điện, năng lượng cơ học này sau đó được chuyển hóa thành năng lượng điện, tạo ra điện năng mà chúng ta có thể sử dụng. Do đó, một trong những yếu tố quan trọng nhất trong công nghệ điện gió là thiết kế rôto có thể chuyển hóa năng lượng động học của gió thành năng lượng cơ học một cách hiệu quả.
Để hiểu được một rôto hiệu quả, trước tiên chúng ta cần xem xét nguyên lý chuyển đổi năng lượng của rôto. Mặt cắt ngang của cánh quạt tuabin gió rất giống với mặt cắt ngang của cánh máy bay. Nói cách khác, nguyên lý đằng sau sự quay của rôto tuabin gió cũng giống như nguyên lý đằng sau sự bay của máy bay. Giống như cánh máy bay, các cánh của rôto tạo ra lực nâng thông qua chuyển động tương đối với không khí khi gió thổi, và lực nâng này tạo ra mômen xoắn trên trục quay, làm cho rôto quay. Đây là nguyên lý cốt lõi mà nhờ đó động năng của gió được chuyển đổi thành cơ năng.
Vậy điều gì làm cho một rôto hoạt động hiệu quả? Rôto hiệu quả nhất là rôto có thể tạo ra mô-men xoắn lớn hơn trong cùng điều kiện gió. Để đạt được điều này, các cánh quạt phải được cấu tạo để tạo ra lực nâng đủ lớn, và các nguyên tắc khí động học áp dụng cho cánh máy bay cũng được áp dụng ở đây. Góc tấn được định nghĩa là góc giữa đường tâm của cánh và vận tốc tương đối của không khí, và nó là một yếu tố quan trọng trong việc xác định độ lớn của lực nâng. Nói chung, góc tấn tạo ra lực nâng cao nhất nằm trong khoảng từ 10° đến 15°. Hơn nữa, lực nâng có liên quan chặt chẽ đến diện tích mặt cắt ngang của cánh. Khi diện tích mặt cắt ngang tăng lên, lực nâng cũng tăng lên; tuy nhiên, lực cản cũng tăng lên đồng thời, điều này có thể làm giảm hiệu suất quay. Do đó, để thiết kế tuabin gió hiệu quả nhất, cần phải xem xét toàn diện góc tấn, diện tích mặt cắt ngang và hình dạng của cánh quạt để đạt được cấu trúc tối ưu về mặt khí động học.
Năng lượng gió hiện được coi là một trong những dạng năng lượng tái tạo hiệu quả về chi phí nhất. Mặc dù chi phí sản xuất điện từ năng lượng gió trước đây cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch, nhưng những tiến bộ công nghệ, việc mở rộng quy mô các cơ sở và cải thiện hiệu quả hoạt động đã biến nó trở thành một trong những phương pháp sản xuất điện rẻ nhất trong số các nguồn năng lượng mới ở nhiều khu vực trên thế giới. Hơn nữa, khi các cơ sở điện gió tiếp tục mở rộng trên toàn thế giới, thị phần của nó trong sản lượng điện toàn cầu đang tăng lên đều đặn. Đặc biệt, các quốc gia như châu Âu, Trung Quốc và Hoa Kỳ đang tích cực phát triển không chỉ điện gió trên đất liền mà còn cả điện gió ngoài khơi, và ở một số quốc gia, điện gió chiếm một phần đáng kể trong tổng sản lượng điện. Những thay đổi này cho thấy năng lượng gió có tiềm năng rất lớn để trở thành nguồn năng lượng chính trong tương lai.
Năng lượng đại dương là một lĩnh vực năng lượng tái tạo đang nhận được sự quan tâm ngày càng tăng và tạo ra nhiều kỳ vọng. Thách thức lớn nhất đối với năng lượng đại dương là việc xây dựng và bảo trì các cơ sở sản xuất điện đòi hỏi chi phí cao hơn đáng kể so với các nguồn năng lượng tái tạo khác. Hơn nữa, do mật độ năng lượng tương đối thấp và các cơ sở phải được thiết kế để chịu được môi trường biển, gánh nặng đầu tư ban đầu là rất lớn. Tuy nhiên, khi công nghệ tiến bộ và các cơ sở sản xuất điện quy mô lớn hoạt động ổn định, năng lượng đại dương có tiềm năng trở thành một nguồn năng lượng chính. Năng lượng đại dương được phân loại rộng rãi thành năng lượng thủy triều, năng lượng dòng chảy và năng lượng sóng. Chúng ta hãy cùng xem xét các đặc điểm của từng loại.
Thứ nhất, năng lượng thủy triều hiện là hình thức năng lượng biển được phát triển thương mại nhất; nó tạo ra điện bằng cách tận dụng sự chênh lệch mực nước biển do thủy triều lên xuống gây ra. Nguyên lý cơ bản của nó tương tự như thủy điện trên đất liền. Vì hiện tượng thủy triều xảy ra theo chu kỳ đều đặn, nên việc phát điện có thể được dự đoán với độ chính xác tương đối, cho phép sản xuất điện ổn định. Nhìn chung, hiệu suất phát điện thủy triều tăng lên ở những khu vực có biên độ thủy triều lớn hơn, vì vậy việc xây dựng các nhà máy điện ở những vùng có điều kiện địa lý như vậy sẽ có lợi.
Thứ hai, năng lượng dòng thủy triều sử dụng nguyên lý rất giống với năng lượng gió. Cũng như gió làm quay cánh quạt trong sản xuất điện gió, sản xuất điện năng từ dòng thủy triều sử dụng các dòng hải lưu chảy dưới mặt nước để làm quay các tuabin dưới nước và tạo ra điện. Nó có ưu điểm là tác động đến môi trường tương đối thấp và cho phép sản xuất điện ổn định. Năng lượng tạo ra có liên quan chặt chẽ đến tốc độ của dòng thủy triều, và hiệu suất sản xuất điện tăng lên ở những khu vực có dòng chảy nhanh hơn. Tại Hàn Quốc, các địa điểm như eo biển Uldolmok và Jangjuk được công nhận là những địa điểm lý tưởng để sản xuất điện năng từ dòng thủy triều, và các nghiên cứu trình diễn cũng như phát triển công nghệ liên quan đang được tiến hành.
Thứ ba, năng lượng sóng là phương pháp tạo ra điện bằng cách khai thác năng lượng động học của sóng. Nhiều thiết bị được sử dụng để chuyển đổi chuyển động lên xuống và qua lại của sóng thành năng lượng điện. Tuy nhiên, vì cường độ và hướng sóng không ổn định, nên vẫn còn những thách thức kỹ thuật trong việc đạt được sản lượng điện ổn định. Mặc dù vậy, nếu công nghệ năng lượng sóng tiếp tục phát triển, rất có thể nó sẽ trở thành một phương pháp sản xuất điện có tiềm năng đáng kể trong số các nguồn năng lượng biển.
Ngoài các nguồn năng lượng đã được giới thiệu trong bài đăng này, nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác – như năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh học, thủy điện quy mô nhỏ và chuyển đổi chất thải thành năng lượng – đang được nghiên cứu và sử dụng. Hiện nay, nhiều công nghệ năng lượng tái tạo đang được phát triển tích cực trên toàn thế giới để đạt được mục tiêu trung hòa carbon và giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu, đồng thời các hệ thống lưu trữ năng lượng và công nghệ lưới điện thông minh cũng đang phát triển song song. Mặc dù năng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi thế, nhưng nó vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch vì vẫn còn nhiều thách thức, chẳng hạn như sự biến động trong sản lượng điện, công nghệ lưu trữ năng lượng, việc xây dựng lưới truyền tải và tính khả thi về kinh tế. Tuy nhiên, công nghệ đang không ngừng tiến bộ, và các quốc gia trên thế giới đang liên tục mở rộng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong cơ cấu năng lượng của mình. Nếu hiệu quả và tính khả thi về kinh tế của năng lượng tái tạo tiếp tục được cải thiện trong tương lai, rất có thể nó sẽ trở thành nguồn năng lượng cốt lõi cho xã hội tương lai.
