CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG[8] Để tồn tại và phát triển, từ xa xưa loài người đã biết sử dụng nhiều dạng năng lượng khác nhau. Theo đà phát triển của lịch sử, con người đã phát hiện và sử dụng thêm nhiều dạng năng lượng khác. Năng lượng là động lực cho mọi hoạt động vật chất và tinh thần của con người. Trình độ sản xuất phát triển ngày càng cao càng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra thách thức to lớn đối với môi trường sống.
Trong thực tế, mọi thực thể đều hàm chứa năng lượng và chúng chỉ có thể được giải phóng năng lượng khi thỏa mãn những điều kiện nhất định. Ví dụ như than, gỗ hay các khí đốt sẽ giải phóng nhiệt năng khi bị đốt cháy, nước sẽ chuyển hóa từ thếnăng sang động năng trên các dòng chảy, gió sẽ chuyền động năng khi tác động lên cánh buồm hay turbine, kim loại nặng sẽ giải phóng năng lượng nhiệt khổng lồ trong lò phản ứng hạt nhân, V. Các quá trình chuyển hóa năng lượng có thể là diễn ra theo quy luật tự nhiên, hoặc có thể diễn ra một cách cưỡng bức bởi tác động của con người. Từ lâu con người đã biết khai thác và sử dụng năng lượng trong tự nhiên và phương thức sửv dụng ngày càng tiến bộ.
Ngày nay vấn đề năng lượng càng trở nên có tính chất sống còn đối với nhân loại, bởi vì: một mặt nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, mặt khác sự phát triển của sản xuất và các hoạt động của con người đặt ra những vấn đề hết sức cấp bách về nhu cầu năng lượng, làm mất cân bằng cung - cầu và có nguy cơ hủy hoại môi trường nghiêm trọng. Đứng trước bối cảnh này, nhiệm vụ chung của nhân loại là phải thực hiện tốt đồng thời hai vấn đề: thứ nhất là phải sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả; thứ hai là phải nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng thay thế có đủ tiềm năng và thân thiện với môi trường. Hiện tại, các dạng năng lượng được con người sử dụng là rất phong phú, chúng có thể được phân biệt theo nhiều góc nhìn khác nhau. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 Phân biệt theo bản chất và nguồn gốc hình thành: - Nhóm 1: Năng lượng tự nhiên (năng lượng sơ cấp), ví dụ như than đá, dầu mỏ, đặc biệt là các kim loại nặng (năng lượng hạt nhân), năng lượng gió, năng lượng mặt trời, V.V - Nhóm 2: Năng lượng nhân tạo (năng lượng thức cấp), ví dụ như điện năng, nhiệt năng, cơ năng, quang năng, V.
Phân biệt theo hàm lượng (trữ năng): - Nhóm 3: Chất giàu năng lượng, ví dụ như than đá, dầu mỏ, đặc biệt là các kim loại nặng (năng lượng hạt nhân) - Nhóm 4: Các chất nghèo năng lượng, ví dụ như các chất đốt có nguồn gốc từ thảo mộc, biomass, than bùn, V. Phân biệt theo vị trí có: - Nhóm 5: Năng lượng tập trung: như các mỏ than, dầu, khí đốt hay thủy điện lớn, V. - Nhóm 6: Năng lượng phân tán: như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện dòng suối, thủy điện thủy triều, thủy điện sóng biển, V. Phân biệt theo tiềm năng và khả năng tái tạo: -Nhóm 7: Năng lượng hữu hạn (không có khả năng tái tạo), ví dụ như than, dầu mỏ, khí đốt, kim loại nặng, V.
- Nhóm 8: Năng lượng có khả năng tái tạo hoặc không cạn kiệt, ví dụ như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng đại dương, năng lượng dòng chảy, biomass, biogas, V. Phân biệt theo khái niệm mới: -Nhóm 9: Năng lượng mới, đó là dạng năng lượng mới tìm ra, mới được phát minh. Hiện tại trong thời điểm này con người chưa khẳng định phát minh thêm được dạng năng lượng mới nào, có chăng là đang phôi thai như TOKAMAK đó là một dạng mặt trời nhân tạo. Còn lại là một số dạng năng lượng được nhân tạo hóa theo những công nghệ mới như: biomass, pin nhiên liệu, V.
Đôi khi, người ta cũng gọi một số dạng năng lượng tái tạo (nhóm 8) mới được khai thác sử dụng là năng lượng mới. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 - Nhóm 10: Năng lượng truyền thống, đó là những dạng năng lượng tự nhiên (nhóm 1) đã được khai thác sử dụng từ lâu và giữ vai trò chủ đạo cho đến những năm gần đây. Phân biệt theo tác động môi trường: - Nhóm 11: Năng lượng có ảnh hưởng đến ô nhiêm môi trường, ví dụ như than đá, dầu mở, khí đốt, các hồ đập thủy điện lớn, V. - Nhóm 12: Năng lượng thân thiện với môi trường hay còn có nhiều tên gọi khác là năng lượng sạch, năng lượng xanh.
Đó là năng lượng mà sạch trong mọi công đoạn từ khai thác đến vận chuyển, sử dụng và sau sử dụng, ví dụ như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng đại dương, thủy điện nhỏ, biomass, V.2 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các ứng dụng cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong chu trình thời gian ngắn và liên tục còn diễn tiến trong một thời gian dài trên trái đất (ví dụ như biomass, phong năng, thủy năng dưới các dạng sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…).
Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê qua biểu đồ trên hình 1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Nhu cầu năng lượng trên thế giới Hình 1.2 Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới Trong phần thổng quan, xin phép được giới thiệu khái quát một số dạng năng lượng tái tạo đang được ứng dụng phổ cập trên trên giới và bước đầu áp dụng có hiệu quả ở Việt Nam, với công nghệ khai thác là chuyển hóa thành điện năng nhằm bổ sung công suất cho hệ thống điện quốc gia. Cụ thể là: Năng lượng mặt trời, Năng lượng gió, Thủy năng (thủy điện nhỏ), Năng lượng địa nhiệt, Năng lượng sinh khối.1 Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu độ C.
Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa. Như vậy năng lượng mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2đo được tại gianh giới ngoài cùng của khí quyển trái đất, đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của trái đất một phần năng lượng mặt trời bị hấp thụ.
Kết quả tính toán cho thấy năng lượng mặt trời phân bố trên bề mặt trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu. Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ mặt trời (BXMT) thành điện năng (pin mặt trời). Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa mặt trời, v. Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, v.
Tiềm năng của năng lượng mặt trời trên thế giới: Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới là rất lớn. Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1.1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời Chỉ số chất lượng Công suất có thể Bức xạ Mặt trời Khu vực trung bình DNI khai thác [1000 TWh] [kWh/tháng/năm] [1000 TWh/năm] North America 11,500 2410 1,150 South America 13,500 2330 1,350 Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350 Pacific 23,000 2950 2,300 Total 121,500 12,150 Tiềm năng của năng lượng mặt trời ở Việt Nam: Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn.
Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh), bảng 1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam Giờ nắng Bức xạ Khả năng Vùng trong năm kcal/cm2/năm ứng dụng Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt 1.2 Thủy điện nhỏ Thuỷ điện trên đất liền được hình thành từ năng lượng của các dòng chảy. Từ năng lượng của dòng chảy,turrbine sẽ sinh ra cơ năng làm quay máy phát điện.
Ngoài ra còn phải kể đến các thủy điện được khai thác từ năng lượng đại dương, đó là từ năng lượng sóng biển, từ năng lượng thủy triều và từ năng lượng của các dòng hải lưu, V.