Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 2: Yesterday and Today – Chương 2: Hôm qua và Hôm nay (Phần 1) 

Đấu tranh sinh tồn là cuộc đấu tranh về năng lượng.
The struggle for existence is the struggle for power.
–Ludwig Boltzmann–

Để hiểu thêm về vấn đề năng lượng, chúng ta cần phải xem xét Trái đất như một con tàu vũ trụ khổng lồ đi du lịch trong một Vũ trụ bao la với tốc độ 29 km mỗi giây (khoảng 18 dặm mỗi giây). Các nguồn tài nguyên năng lượng tàu vũ trụ Trái đất sử dụng không chỉ được tiêu thụ cho động cơ đẩy của nó. Trên thực tế, phần nhiều trong đó được tiêu thụ để phục vụ số lượng lớn hành khách và phi hành đoàn. Theo thống kê gần nhất (vào tháng 11 năm 2011), có khoảng 7 tỷ hành khách, và con số này có thể tăng lên khoảng 8 tỷ trong vòng 20 năm tới. Nhân khẩu học cho chúng ta biết rằng sự gia tăng hàng năm của dân số thế giới là khoảng 80 triệu người, diễn ra chủ yếu ở các nước đang phát triển: ví dụ, cứ mỗi phút lại có 37 trẻ em Ấn Độ và 15 trẻ em Trung Quốc được sinh ra.

Tất cả mọi cư dân của Trái đất đều mong muốn cuộc sống tài vật đầy đủ hơn. Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu này, đòi hỏi nhiều năng lượng. Với năng lượng bạn có thể làm bất cứ điều gì, hay là gần như bất cứ điều gì. Bạn cũng có thể khắc phục sự thiếu hụt của các nguồn tài nguyên thiết yếu khác. Ví dụ, người ta thường nói rằng nước uống đang dần trở nên khan hiếm ở nhiều vùng khác nhau của thế giới, nhưng sang thế kỉ 21, sự khan hiếm chủ yếu được nhắc đến đối với dầu mỏ. Các tình tiết làm trầm trọng thêm là trong khi dầu có thể được thay thế bằng các nguồn năng lượng khác, nước sạch không có sản phẩm thay thế, ngoại trừ… việc sử dụng năng lượng. Trên thực tế, nước biển có thể được chuyển thành nước uống, nhưng nó có mức giá: khoảng một lít dầu cho mỗi 3 mét khối nước.

Hơn 150 năm qua, dù tốt hay xấu, cuộc sống của chúng ta đã thay đổi đáng kể nhờ vào sự sẵn sàng của các nguồn năng lượng gắn với sự khai thác triệt để các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy, chúng ta hãy một thời gian ngắn để nhìn vào những khía cạnh quan trọng nhất trong sự thay đổi này.

Các nô lệ năng lượng

Trong vài thiên niên kỷ, nhân loại đã tạo ra năng lượng từ những công việc cơ bắp của người đàn ông và động vật, từ năng lượng gió (cối xay gió và thuyền), từ đường thủy (dòng chảy của sông; guồng quay nước) và từ sinh khối (gỗ).

Trong những nền văn minh vĩ đại của quá khứ – Ai Cập, Trung Quốc, Hy Lạp, La Mã – một nguồn năng lượng quan trọng bao gồm nô lệ. Nếu không có họ thì đã không có kim tự tháp, không có Vạn Lý Trường Thành của Trung Quốc, và không có Đấu trường La Mã ở Rome. Nô lệ chủ yếu là tù nhân chiến tranh; nhưng cũng có thể là người mắc nợ và bị kết án.

Chế độ nô lệ đã lan rộng trong những năm 1700s và 1800s, đặc biệt là ở các quốc gia phía nam của châu Mỹ, nơi mà trong nhiều thập kỷ hàng triệu người châu Phi đã được nhập khẩu và bị buộc phải làm việc trong các trang trại, đồn điền, hoặc giúp việc gia đình. Mặc dù chế độ nô lệ đã bị bãi bỏ chính thức một thời gian, thậm chí ngày nay chúng ta vẫn thấy một hình thức không quá khác biệt (lao động trẻ em) ở nhiều nơi khác nhau của thế giới.

Một người đàn ông có sức khỏe tốt có thể tạo ra một sản lượng khoảng 800 watt trong một khoảng thời gian ngắn, ví dụ như khi chạy lên cầu thang. Tuy nhiên, trong một hoạt động liên tục kéo dài nhiều giờ, một người đàn ông thường là sẽ không thể phát triển một mức công suất cao hơn là khoảng chừng 50 W. Do đó, chúng ta có thể ước tính cho một ngày làm việc 12 giờ một nô lệ sẽ tạo ra một lượng năng lượng tương ứng với khoảng 600 Wh (1 watt-giờ = 3600 jun).

Bây giờ hãy so sánh thử xem năng lượng được sản xuất bởi một nô lệ so với năng lượng tiêu thụ bởi các thiết bị và các tiện ích khác nhau mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Lấy ví dụ, một chiếc đài đĩa-CD yêu cầu một năng lượng khoảng 25 W. Điều này có nghĩa là hoạt động của chiếc đài này tiêu thụ khoảng một nửa năng lượng sản xuất bởi công việc của một nô lệ. Xem một trận bóng đá trên các ti-vi LCD 30-inch sử dụng khoảng 100 W điện năng, tương đương với năng lượng sản xuất bởi hai nô lệ (xem Hình 1). Việc sử dụng một máy tính cá nhân đòi hỏi một năng lượng khoảng 150 W, tương đương với công việc của ba nô lệ.

Như minh họa trong Hình 1, để thực hiện công việc giặt giũ cho bạn, một máy giặt loại A (một trong những loại máy hiệu quả nhất, tiêu thụ khoảng 800 Wh cho một lần giặt ở 60°C), tương đương với sử dụng 15 nô lệ làm công việc trong một giờ.

Mười phút sử dụng của máy sấy tóc (công suất: 1.2 kW) tiêu thụ 200 Wh, tương đương với một lượng năng lượng sản xuất bởi 4 nô lệ cho công việc khoảng một giờ. Sưởi ấm bản thân chúng ta với một lò sưởi điện nhỏ (2.5 kW) tương đương với sử dụng năng lượng được tạo ra bởi công việc của 50 nô lệ.

Một máy xén cỏ đơn giản (không phải là loại bạn ngồi và lái xe) có công suất 3.5 kW. Trong một giờ làm việc, chiếc máy này tiêu thụ một lượng năng lượng tương đương với 6 nô lệ làm việc liên tục trong một khoảng thời gian 12 giờ.

Một động cơ xe hơi cỡ trung bình, công suất khoảng 80 kW khi đi du lịch ở tốc độ tiết kiệm xăng nhất, làm việc tương đương với 1600 người nô lệ. Rõ ràng là ngay cả những Hoàng đế La Mã thời Caesar Augustus cũng không thể đủ khả năng sống sang trọng với một số nô lệ lớn đến như thế sẵn có ngay lập tức chỉ bằng một cử chỉ đơn giản như là vặn chìa khoá khởi động xe.

Một trong những phương tiện hùng mạnh nhất hiện nay trong vận chuyển hành khách là máy bay Boeing 747-400. Khi được nạp đầy đủ nhiên liệu, nó phát triển một công suất khoảng 80 MW khi cất cánh, tương đương với 1 600 000 nô lệ năng lượng. Nói cách khác, để tạo ra tất cả sức mạnh cung cấp bởi các liên kết hóa học của nhiên liệu, mỗi lần một chiếc máy bay 747-400 cất cánh từ Malpensa (Milan, Italy), hoặc từ bất kỳ sân bay nào, sẽ đòi hỏi sức mạnh cơ bắp của tất cả các cư dân vùng Milan và nội địa của nó.

Cuối cùng, một nhà máy điện nhiệt điện lớn (công suất 800 MW) có thể hoạt động bằng “sức mạnh cơ bắp” nhờ vào sự làm việc liên tục của hơn một phần tư của tất cả mọi người dân Ý: đó là, 16 triệu người. Mạng lưới điện trong Italy có thể cung cấp lên đến 120 000 MW công suất điện, tương đương với sức mạnh cơ bắp của con người là 2.4 tỷ người.

Từ than đến than?

Ngoài việc đáp ứng những nhu cầu năng lượng cơ bản như nấu ăn và sưởi ấm, gỗ đã luôn luôn được sử dụng như một nguyên liệu để xây dựng nhà ở, tàu biển, và hiện vật các loại. Năm 1891, dân số Hoa Kỳ bao gồm 31 triệu dân; 90% năng lượng thời đó được thu từ gỗ đã bắt đầu trở nên khan hiếm vì nạn phá rừng cho nguồn tài nguyên dồi dào có sẵn này. Trong nhiều thế kỷ, nạn phá rừng liên tục cũng đã diễn ra trên lục địa châu Âu; cho đến một thời điểm nó đã trở nên đến mức không thể chịu nổi nữa.

Ngày hôm nay, nạn phá rừng vẫn tiếp tục trong các khu vực khác của thế giới: người ta ước tính rằng mỗi năm khoảng 160 000 km² rừng đang bị phá hủy, một khu vực rộng hơn một nửa của nước Ý. Các quốc gia châu Âu tham gia trong những nhà nhập khẩu gỗ lớn nhất.

Khai thác than, một nguồn năng lượng khó khăn hơn để tiếp cận (phải khai thác mỏ) nhưng phong phú hơn rất nhiều, bắt đầu ở Anh từ giữa thế kỷ 16 và 17. Than đã được biết đến một thời gian, nhưng cho đến khi đó nó đã không được khai thác ở mức độ cao bởi vì công việc khai thác không hấp dẫn và phải cạnh tranh với sự phong phú của gỗ.

Nếu chúng ta so sánh cho cùng một trọng lượng bằng nhau, than là nhiên liệu mạnh hơn rất nhiều so với gỗ. Với than chúng ta có thể thực hiện được một số lượng lớn hơn nhiều những công việc hữu ích. Nhu cầu than tăng lên liên tục đến mức mà nó đã phải được khai thác ở độ sâu lớn hơn. Vào đầu thế kỷ 19, các mỏ than ở độ sâu 300 mét (1000 feet) đã không còn là hiếm. Về điểm này, điều quan trọng cần phải nhớ rằng điều kiện sống của thợ mỏ, nhất là phụ nữ và trẻ em, hầu như ở mức không thể chấp nhận được. Chi phí nhân lực của hoạt động khai thác mỏ này là rất lớn (và hiện tại vẫn đang diễn ra ở một số nước). Nhiều thế kỷ trước, con người đã bắt đầu phải trải nghiệm những thiệt hại gây ra bởi việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch – không phải chỉ toàn là lợi ích.

Sự sẵn có ngày càng gia tăng của than đã dẫn đến gia tăng sản lượng chế biến của các kim loại thu được từ quá trình nóng chảy trong lò luyện kim nhiệt độ cao. Từ đó kỷ nguyên của máy móc bắt đầu.

Sự đổi mới quan trọng nhất đã được thực hiện bởi sự phong phú của than là nồi hơi sáng chế của James Watt năm 1769 ở Anh. Nó chuyển đổi năng lượng hóa học của than thành năng lượng nhiệt và sau đó thành năng lượng cơ học. Kết quả là, sau hàng thiên niên kỷ, sức mạnh cơ bắp con người và động vật và năng lượng từ cối xay gió và guồng quay nước đã dễ dàng được thay thế bằng sức mạnh máy móc. Đó là khởi đầu của cuộc cách mạng công nghiệp!

Vào cuối thế kỷ 19, việc sử dụng than làm nhiên liệu đã vượt quá việc sử dụng gỗ và chất thải nông nghiệp để cung cấp nhiên liệu cho các ngành công nghiệp. Anh và Mỹ là những quốc gia có sản lượng than đá cao nhất, và do đó đi đầu trong cuộc chuyển đổi từ một nền kinh tế thủ công truyền thống đến một nền sản xuất công nghiệp.

Động cơ hơi nước thô sơ và không hiệu quả của Watt đã dần dần được hoàn thiện. Vào cuối thế kỷ 19, nồi hơi đã trở nên mạnh hơn gấp 30 lần và hiệu quả gấp 10 lần hơn so với các mô hình xuất hiện vào đầu thế kỷ này, mặc dù chúng vẫn còn quá nặng để có thể sử dụng cho vận tải đường bộ.

Năm 1900, than cung cấp 95% năng lượng trong thương mại – sau đó đến thời đại của dầu. Người đầu tiên khai thác dầu có lẽ là người Trung Quốc trong thời kì cổ xưa. Ngành khai thác công nghiệp vàng đen này bắt đầu ở Mỹ vào năm 1859 tại Oil Creek ở Pennsylvania; tuy vậy, việc khai thác thương mại đầu tiên của dầu thô tại Bắc Mỹ xảy ​​ra vào năm 1858 tại Old Ontario vành đai dầu của Canada (xem chương 11). Trong nửa sau của thế kỷ 19, khai thác dầu cũng phát triển trong các lĩnh vực khác của Hoa Kỳ, đặc biệt là ở Texas và California, cũng như ở Romania, trên biển Caspian, và ở Indonesia.

Trong thập niên đầu tiên của thế kỷ 20, các giàn khoan dầu bắt đầu ở Mexico, Iran, và Venezuela. Giếng dầu đầu tiên ở Saudi Arabia (Ả-rập Xê-út) cũng chỉ bắt đầu sản xuất vào năm 1938. Sau Thế chiến II, chúng ta bắt đầu được thấy sự khai thác những mỏ dự trữ của một loại nhiên liệu khác với cùng một cung cách – khí đốt tự nhiên – mà tính chất chủ yếu cần được nhắc tới trước hết, là về tác động tương đối nhỏ của nó trên môi trường. Khí tự nhiên đã được chứng minh là một sự thay thế hợp lý của than và dầu trong nhiều ứng dụng.

Sự phát triển của các phương tiện vận tải bắt đầu với dầu và với việc phát minh ra động cơ đốt trong. Lằn ranh chuyển giao giữa than đá và thời đại của dầu là vào năm 1911, khi Anh quyết định chuyển đổi hạm đội hải quân của mình từ sử dụng năng lượng đốt than sang năng lượng từ dầu.

Không giống như thời kỳ gỗ, đã kết thúc vì thiếu nguyên liệu, thời đại của than bắt đầu giảm không phải vì thiếu than, nhưng vì một sự thay thế hợp lý hơn trở nên có sẵn. Trong thực tế, tuy nhiên, thời đại của than, đặc biệt là trong quá trình công nghiệp, vẫn chưa kết thúc. Ngay cả ngày nay, than cung cấp khoảng 25% năng lượng sơ cấp, hầu hết trong số đó được sử dụng để sản xuất điện. Do sự khan hiếm xăng dầu, tỷ lệ này có thể tăng lên. Trung Quốc, nơi có trữ lượng than dồi dào, khai thác khoảng 3500 triệu tấn than trong năm 2011. Dự kiến ​​sản xuất sẽ tăng khoảng 4% mỗi năm cho đến ít nhất là năm 2030, khi nó đạt được mức nhiều hơn gấp đôi mức hiện tại.

Năng lượng ẩn

Có một năng lượng “ẩn” trong tất cả mọi thứ xung quanh chúng ta. Một phân tích chi tiết về chi phí năng lượng của một sản phẩm là một hoạt động phức tạp và thường liên quan đến nhiều thông số không rõ ràng. Do đó, các giá trị báo cáo dưới đây là ước tính gần đúng. Tuy nhiên, chúng giúp làm rõ một khái niệm cơ bản: để sản xuất bất cứ thứ gì hữu ích (nhưng cũng tương tự, bất cứ điều gì có hại) cần rất nhiều năng lượng. Ví dụ, người ta ước tính rằng để sản xuất một tấn giấy đòi hỏi một năng lượng bằng 0.8 toe (tấn dầu tương đương); để sản xuất nhựa plastic, cần 1.5 – 3.0 toe/tấn; để sản xuất nhôm, khoảng 5 toe/tấn; đối với titan, một kim loại được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, cần khoảng 20 toe/tấn.

Để sản xuất những bộ phận cần thiết cho một chiếc xe, cần trung bình 3 toe/tấn. Do đó, chúng ta có thể ước tính rằng ngay cả trước khi chiếc xe bắt đầu lưu hành, nó đã tiêu thụ khoảng 25% tổng tiêu thụ năng lượng của nó trước khi nó bị xuống hạng tại các bãi phế liệu. Để sản xuất một máy tính đòi hỏi một lượng năng lượng tương đương với khoảng 250 kg dầu. Điều này có nghĩa rằng, ngay cả trước khi máy tính được bật, nó đã tiêu thụ một lượng năng lượng lớn hơn khoảng ba lần năng lượng mà nó sẽ sử dụng trong suốt thời gian hữu ích của nó. Loại bỏ những sản phẩm như vậy có nghĩa là ném đi những năng lượng đã được sử dụng để sản xuất chúng ngay từ lúc đầu tiên. Để tiếp cận năng lượng cũng tiêu tốn năng lượng. Ví dụ, chiết xuất dầu từ các giếng dầu phong phú của Trung Đông có giá 5% của năng lượng chiết xuất được, trong khi sản xuất dầu từ cát hắc ín Canada (xem Chương 11) đòi hỏi chi phí năng lượng lên đến 35%. Sự vận chuyển vàng đen bằng các tàu chở dầu có giá khoảng tương đương với 1% năng lượng được lưu hành.

Giá tương tự đối với việc vận chuyển khí đốt tự nhiên bằng tàu chở nhiên liệu có giá 10 – 15% năng lượng được lưu thông, bởi vì đầu tiên khí phải được hóa lỏng tại -162°C và sau đó giữ trong trạng thái đó trong vài ngày trước khi được chuyển đến một khu nhà máy để chuyển thành dạng khí trở lại. Từ đó, nó đi vào các mạng lưới đường ống qua các trạm bơm đặc biệt nằm trên đường đi về cứ mỗi 100 km (khoảng 60 dặm), hay gần như vậy. Giao thông vận tải trong đường ống có chi phí năng lượng nhiều gấp ba lần so với dầu.

Khai thác mỏ than chất lượng thấp có thể cần chi phí 20% năng lượng của nó. Những năng lượng khác cũng cần đến, tất nhiên, để phục vụ cho quy trình làm việc, vận chuyển, và cuối cùng chuyển đổi thành dạng năng lượng khác.

Việc sản xuất điện bằng một nhà máy nhiệt điện thông thường có hiệu quả hạn chế: khai thác sản xuất như vậy chỉ đạt được 30 – 40% năng lượng sơ cấp. Các năng lượng khác phải được chi tiêu trong việc xây dựng các nhà máy điện, các hệ thống truyền tải, chưa kể đến những tổn thất năng lượng cao hơn nữa xảy ra trong việc truyền tải điện trên một khoảng cách dài.

Trong trường hợp của các tấm pin quang điện, tua bin gió và các nguồn năng lượng tái tạo khác, chi phí vận chuyển các nguồn năng lượng là bằng không vì năng lượng tạo ra được sử dụng tại địa phương. Tuy nhiên, có một chi phí năng lượng trong việc sản xuất các tấm pin quang điện như với bất kỳ công nghệ thông thường nào. Người ta ước tính rằng lượng năng lượng sử dụng để xây dựng các tấm quang điện có thể được thu hồi trong 1-3 năm hoạt động. Như chúng ta sẽ thấy sau này, thời gian hoàn vốn này cao hơn so với tính toán cho các trang trại tuabin gió, nhưng thấp hơn nhiều so với tỷ lệ điển hình của các nhà máy điện hạt nhân.

 

Hết phần 1 – Chương 2 (còn tiếp).

 Người dịch: Phạm Thu Hường
Biên tập: Nguyễn Thu Trang

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes