Chương 1: Tổng quan 1.1 Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống chúng ta. Có thể nói bất cứ hoạt động nào của con người đều cần phải có năng lượng. Năng lượng có nguồn gốc từ hai nguồn chủ yếu tr n trái đất đó là năng lượng từ mặt trời và năng lượng từ lòng đất. - Năng lượng mặt trời tạo tồn tại ở các dạng chính: bức xạ mặt trời, năng lượng sinh học, năng lượng hoá thạch,… - Năng lượng lòng đất gồm nhiệt lòng đất biểu hiện ở các các nguồn địa nhiệt, núi lửa và năng lượng phóng xạ … Nhu cầu năng lượng của thế giới li n tục tăng và có xu hướng ngày càng tăng nhanh trong nhiều thập kỷ qua.1 Tình hình nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng trên thế giới Từ biểu đồ h nh 1 ta thấy năng lượng từ nhi n liệu hóa thạch là năng lượng được ti u thụ nhiều nhất, tuy nhi n nguồn năng lượng này đang ngày càng cạn kiệt và không thể tái tạo được, hơn nữa việc sử dụng nguồn năng lượng này sẽ phát thải khí CO2 rất nhiều g y ô nhiễm môi trường v vậy việc t m các nguồn năng lượng khác có 11 HVTH: Hà Phương Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn thể tái tạo được và không g y ô nhiễm môi trường để thay thế nhi n liệu hóa thạch là vấn đề hết sức cần thiết.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng thế giới đang sử dụng a.
Năng lượng hóa thạch Nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ quá trình phân hủy kỵ khí của xác các sinh vật, bao gồm thực vật ph du và động vật phù du lắng đọng xuống đáy biển (hồ) với số lượng lớn trong các điều kiện thiếu oxy, cách đ y hàng triệu năm. Trải qua thời gian địa chất, các hợp chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn vùi bên dưới các lớp trầm tích nặng. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao làm cho các vật chất hữu cơ bị biến đổi hóa học, đầu tiên là tạo ra kerogen ở dạng sáp. Chúng được tìm thấy trong các đá phiến sét dầu và sau đó khi bị nung ở nhiệt cao hơn sẽ tạo ra hydrocacbon lỏng và khí bởi quá tr nh phát sinh ngược.
Các nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi v trái đất mất hàng triệu năm để tạo ra chúng và lượng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ được tạo thành.2 Nhiên liệu hóa thạch than đá b. Năng lượng hạt nhân Năng lượng hạt nhân là năng lượng có được từ sự tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Phương pháp 12 HVTH: Hà Phương Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn phổ biến được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nh n. Năm 2007, 14% lượng điện trên Thế giới được sản xuất từ năng lượng hạt nhân.3 Nhà máy điện hạt nhân Năng nượng hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững làm giảm phát thải cacbon và gia tăng an ninh năng lượng.
Tuy nhiên năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng chứa đựng nhiều tiềm năng thảm họa nguy hiểm. Các vấn đề lưu giữ chất thải phóng xạ gây ô nhiễm phóng xạ rất nguy hiểm cho sinh vật. Năm 1986, lò phản ứng số 4 của nhà máy điện nguyên tử Chernobyl phát nổ, gây ra một loạt vụ nổ ở các lò phản ứng khác, làm tan chảy lõi lò phản ứng hạt nh n. Đ y là sự cố hạt nhân trầm trọng nhất trong l ị ch sử.
Do không có tường chắn n n các đám m y bụi phóng xạ bay lên bầu trời và lan rộng ra nhiều khu vực phía tây Liên bang Xô Viết, một số nước Đông Âu và T y Âu, nh và phía đông Hoa K. Thảm hoạ này phát ra lượng phóng xạ lớn gấp bốn trăm lần so với quả bom nguyên tử được ném xuống Hiroshima. Sau thảm họa, hàng loạt các vấn đề về ô nhiễm môi trường cũng như về sức khỏe đe dọa người dân. Năm 2011, sau trận thảm họa động đất và sóng thần Sendai 2011, nhà máy điện hạt nhân Fukushima gặp hàng loạt các vấn đề đối với các lò phản ứng và rò rỉ phóng xạ gây ra sự cố nhà máy điện Fukushima I.
Tình trạng ô nhiễm phóng xạ 13 HVTH: Hà Phương Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn ngày càng cao. Tuy không có người tử vong tại chỗ, nhưng nó g y nhiều lo ngại về sức khỏe của con người trong khu vực bị ảnh hưởng sau này. Dự kiến phải mất vài năm để sửa chữa nhà máy và vài tháng để khử sạch phóng xạ. Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đại.
Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn tr n Trái Đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng. Các ứng dụng năng lượng mặt trời bao gồm: sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời. Điện mặt trời là việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện, hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập trung (CSP).
Hệ thống CSP sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. PV chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện.4 Công vi n quang điện Lieberose 71,8 MW tại Đức 14 HVTH: Hà Phương Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo và không bao giờ kết, nó có mặt ở khắp nơi hoàn toàn miễn phí, và không gây ô nhiễm. Nhược điểm chính của năng lượng mặt trời là chi phí ban đầu. Tấm năng lượng mặt trời là tương đối khá đắt tiền.
Trời mây, điều kiện mưa, ban đ m .v…, ảnh hưởng trực tiếp tới việc khai thác năng lượng mặt trời. Năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời.5 Tuốc bin gió ở Tây Ban Nha. Năng lượng gió đã được sử dụng từ thời cổ đại.
Con người đã d ng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu , ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. 15 HVTH: Hà Phương Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn Ý tưởng d ng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xoay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện.
Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn Thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại. Vì gió không thổi đều đặn n n năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục.
Tại châu Âu , các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất đi ện có thể được điều hòa một phần.6 Chi tiết các bộ phận của một turbin gió. 16 HVTH: Hà Phương Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn (1) Lưỡi quạt, (2) Đầu rotor, (3) Pitch, (4) Thắng thủy lực, (5) Trục quay nhanh, (6) Hộp điều tốc, (7) áy phát điện, (8) Bộ điều khiển, (9) Đo gió, (10) Van gió, (11) Hộp động cơ, (12) Trục quay nhanh, (13) Yaw drive, (14) Yaw motor, (15) Cột chống. Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió. Cánh quạt gió sẽ được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí.
Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén. Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào các turbine để quay máy phát điện. Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (d gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào b nh, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra, hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí lu n phi n để đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 b nh đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào) e. Năng lượng thủy điện Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước.
Đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốc bin nước và máy phát điện.7 Turbin máy phát điện 17 HVTH: Hà Phương Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn Năng lượng này phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra. Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất. Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất. Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp.8 Đập thủy điện.
Năng lượng thủy điện tuy không gây ra khí thải nguy hại nhưng nó lại ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sinh thái tự nhiên do sự xây dựng các đập thủy điện. Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất.
