CHƯƠNG I: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI SỐNG XÃ HỘI 1. Tổng quan về tình hình năng lượng và các công nghệ sạch đang được quan tâm Trong thế kỷ 21 con người phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu chẳng hạn như: năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,. Trong đó vấn đề năng lượng vẫn là vấn đề được xem là quan trọng nhất và cấp thiết trong thế kỷ 21. Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những mối họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột.
Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càng phình to làm kinh tế trì trệ dẫn đến những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế. Bất ổn chính trị rất có thể sẽ xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh đó việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh. Trái đất có thể ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng mạnh hơn khó lường hơn, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến vấn đề lương thực.
Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát. Từ những điều trên, để duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là chúng ta phải tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Chúng ta phải thực hiện một loạt những hành động nhưng quan trọng nhất vẫn là tìm ra một nguồn năng lượng có thể thay thế cho năng lượng hóa thạch để đáp ứng cho nhu cầu của thế giới. Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối và những nguồn năng lượng khác.
Nguồn năng lượng này còn gọi là năng lượng lựa chọn, Đánh giá hiệu quả kinh tế hệ lai ghép năng lượng gió - mặt trời để ứng dụng cho các trạm BTS nằm xa lưới điện 11 năng lượng thay thế hay năng lượng xanh. Ưu điểm của nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai. Các nguồn năng lượng được nghiên cứu như sau: Pin nhiên liệu Đây là kỹ thuật có thể cung cấp năng lượng cho con người mà không hề phát ra khi thải CO2 (các bon điôxít) hoặc những chất thải độc hại khác. Một pin nhiên liệu tiêu biểu có thể sản sinh ra điện năng trực tiếp bởi phản ứng giữa hydro và ôxy.
Hydro có thể lấy từ nhiều nguồn như khí thiên nhiên, khí mêtan lấy từ chất thải sinh vật và do không bị đốt cháy nên chúng không có khí thải độc hại. Đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản. Quốc gia này sản xuất được nhiều nguồn pin nhiên liệu khác nhau, dùng cho xe phương tiện giao thông, cho ôtô hoặc cả cho cả các thiết bị dân dụng như điện thoại di động. Năng lượng mặt trời Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia Tây Âu là những nơi đi đầu trong việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời rất sớm (từ những năm 50 ở thế kỷ trước).
Tính đến năm 2002, Nhật Bản đã sản xuất được khoảng 520.000 kW điện bằng pin mặt trời, với giá trung bình 800.000 Yên/kW, thấp hơn 10 lần so với cách đây trên một thập kỷ. Nếu một gia đình người Nhật 4 người tiêu thụ từ 3 đến 4 kWH điện/mỗi giờ, thì họ cần phải có diện tích từ 30-40 m2 mái nhà để lắp pin. Nhật Bản phấn đấu đến năm 2010 sẽ sản xuất được hơn 8,2 triệu kWH điện tử năng lượng mặt trời. Năng lượng từ đại dương Đây là nguồn năng lượng vô cùng phong phú, nhất là quốc gia có diện tích biển lớn.
Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện. Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường, …. Năng lượng gió Đánh giá hiệu quả kinh tế hệ lai ghép năng lượng gió - mặt trời để ứng dụng cho các trạm BTS nằm xa lưới điện 12 Năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có ở mọi nơi. Người ta có thể sử dụng sức gió để quay các turbin phát điện.
Ví dụ như ở Hà Lan hay ở Anh, Mỹ. Riêng tại Nhật mới đây người ta còn sản xuất thành công một turbin gió siêu nhỏ, sản phẩm của hãng North Powen. Turbin này có tên là NP 103, sử dụng một bình phát điện dùng cho đèn xe đạp thắp sáng hoặc giải trí có chiều dài cánh quạt là 20 cm, công suất điện là 3 W, đủ để thắp sáng một bóng đèn nhỏ. Dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe Dầu thực vật khi thải bỏ, nếu không được tận dụng sẽ gây lãng phí lớn và gây ô nhiễm môi trường.
Để khắc phục tình trạng này, tại Nhật có một công ty tên là Someya Shoten Group ở quận Sumida Tokyo đã tái chế các loại dầu này dùng làm xà phòng, phân bón và dầu VDF (nhiên liệu diezel thực vật). VDF không có các chất thải ôxít lưu huỳnh, còn lượng khỏi đen thải ra chỉ bằng 1/3 so với các loại dầu truyền thống. Năng lượng từ tuyết Hiệp hội nghiên cứu năng lượng thiên nhiên ở Bihai của Nhật đã thành công trong việc ứng dụng tuyết để làm lạnh các kho hàng và điều hòa không khí ở những tòa nhà khi thời tiết nóng bức. Theo dự án này, tuyết được chứa trong các nhà kho để giữ nhiệt độ kho từ 0oC đến 4oC.
Đây là mức nhiệt độ lý tưởng dùng để bảo quản nông sản vì vậy mà giảm được chi phí sản xuất và giảm giá thành sản phẩm. Năng lượng từ sự lên men sinh học Nguồn năng lượng này được tạo bởi sự lên men sinh học các đồ phế thải sinh hoạt. Theo đó, người ta sẽ phân loại và đưa chúng vào những bể chứa để cho lên men nhằm tạo ra khí metan. Khí đốt này sẽ làm cho động cơ hoạt động từ đó sản sinh ra điện năng.
Sau khi quá trình phân hủy hoàn tất, phần còn lại được sử dụng để làm phân bón. Nguồn năng lượng địa nhiệt Đánh giá hiệu quả kinh tế hệ lai ghép năng lượng gió - mặt trời để ứng dụng cho các trạm BTS nằm xa lưới điện 13 Đây là nguồn năng lượng nằm sâu dưới lòng những hòn đảo, núi lửa. Nguồn năng lượng này có thể thu được bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu dưới lòng đất để chạy turbin điện. Tại Nhật Bản hiện nay có tới 17 nhà máy kiểu này, lớn nhất có nhà máy địa nhiệt Hatchobaru ở Oita Kyushu, công suất 110.000 kW đủ điện năng cho 3.700 hộ gia đình.
Khí Mêtan hydrate Khí Mêtan hydrate được coi là nguồn năng lượng tiềm ẩn nằm sâu dưới lòng đất, có màu trắng dạng như nước đá, là thủ phạm gây tắc đường ống dẫn khí và được người ta gọi là “nước đá có thể bốc cháy”. Metan hydrate là một chất kết tinh bao gồm phân tử nước và metan, nó ổn định ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao, phần lớn được tìm thấy bên dưới lớp băng vĩnh cửu và những tầng địa chất sâu bên dưới lòng đại dương và là nguồn nguyên liệu thay thế cho dầu lửa và than đá rất tốt. Một cách khách quan và tổng thể đối với Việt Nam thì năng lượng mặt trời và năng lượng gió chính là những nguồn năng lượng dồi dào và có thể nói là vô tận đối với Việt Nam. Chúng là những nguồn năng lượng có thể giải quyết tốt và nhanh chóng các vấn đề năng lượng trong nước về hiện tại cũng như là trong tương lai.
Sau đây chúng ta cùng nhau tìm hiểu rõ hơn về năng lượng gió và năng lượng mặt trời: 1. Năng lượng gió 1. Khái niệm về năng lượng gió Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất.
Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện, …. Đánh giá hiệu quả kinh tế hệ lai ghép năng lượng gió - mặt trời để ứng dụng cho các trạm BTS nằm xa lưới điện 14 Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện.
Công suất của một tuốc bin gió Công suất của một tuốc bin gió tạo ra có thể xác định theo các tính toán dựa trên mô hình (Hình 1.1: Mô hình chuyển động của gió và tuốc bin Giả sử không khí chuyển động với vận tốc v, thời gian t để đi được quãng đường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trong không gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển động m sẽ được như sau: hay Động năng của khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v: Đánh giá hiệu quả kinh tế hệ lai ghép năng lượng gió - mặt trời để ứng dụng cho các trạm BTS nằm xa lưới điện 15 hay Vì công suất được tính bằng năng lượng E cho một đơn vị thời gian, do đó công suất của tuốc bin gió P sẽ là : Với hệ số hòan thiện hay Betz limit C, công thức tính công xuất trên có thể viết lại như sau : Trong đó: ρ - tỉ trọng không khí, kg/m3 (khoảng 1,225 kg/m3 ở mực nước biển, khi cao độ càng tăng tỉ trọng không khí càng giảm); A – bề mặt quét của cánh quạt hướng thẳng vào chiều gió, m2; v – tốc độ gió, m/sec và công xuất P, Watts (= Joules/sec). Theo lý thuyết , C bằng 16/27 = 0.59, nhưng trên thực tế C nằm vào khỏang 0.