Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 12: Energy USA – Chương 12: Năng lượng tại Mỹ (Phần 6)

Năng lượng tái tạo – Năng lượng nhiệt mặt trời

Khu vực phía Tây Nam của Mỹ là một trong những khu vực tốt nhất thế giới cho bức xạ mặt trời (độ chiếu nắng – insolation). So với các vùng khác, sa mạc Mojave nhận được gần gấp đôi ánh sáng mặt trời, do đó lắp đặt các nhà máy điện năng lượng mặt trời ở sa mạc là hợp lý và cung cấp năng lượng thay thế sạch hơn các nhà máy điện từ nhiên liệu hóa thạch truyền thống – không có khí thải, và không tiêu thụ nhiên liệu nào khác hơn ngoài ánh sáng mặt trời. Trái với than và các nhà máy điện hạt nhân thông thường mà đòi hỏi phải trải qua thời gian dài để xây dựng, nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời có thể được xây dựng trong một vài năm nếu với mô-đun, vật liệu sẵn có. Cung cấp tài chính cho những lắp đặt như vậy từ các nguồn vốn tư nhân không đến dễ dàng, và vì vậy họ thường phải dựa vào trợ cấp của chính phủ, hoặc ít nhất dựa vào bảo lãnh cho vay, bởi vì điện năng lượng mặt trời không có chi phí cạnh tranh được với các nguồn điện lớn khác mặc dù điện nhiệt mặt trời thực sự làm giảm nhẹ nguy cơ biến động giá cả của nhiên liệu.

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, hơn 1.5 triệu gia đình và doanh nghiệp sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời vào năm 2006, tương ứng với công suất hơn 1000 MW của sản lượng nhiệt năng. Nếu 40% số hộ gia đình hiện tại có khả năng tiếp cận đầy đủ ánh sáng mặt trời, 29 triệu máy nước nóng năng lượng mặt trời có thể được lắp đặt tại Mỹ. Máy nước nóng năng lượng mặt trời có thể hoạt động trong bất kỳ khí hậu nào và làm giảm khoảng hai phần ba nhu cầu làm nóng nước thông thường, thời gian hoàn vốn khoảng 4-8 năm cùng với sự tiết kiệm điện hoặc khí thiên nhiên, như kinh nghiệm của các chủ nhà tại Florida, theo Trung tâm Năng lượng mặt trời Florida, hóa đơn dùng cho đun nước nóng của họ tiết kiệm trung bình 50 – 85% so với những người sử dụng máy nước nóng điện.

Thiết lập hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời thường tốn nhiều diện tích đất – lên đến khoảng 5 đến 10 dặm vuông – và vì vậy không ngạc nhiên để thấy là các nhà máy năng lượng nhiệt mặt trời đặt tại một khoảng cách xa khu vực đông dân cư. Và mặc dù những nhà máy này lớn về mặt sản lượng điện đầu ra, nhưng vẫn sử dụng ít đất hơn đập thủy điện (bao gồm cả kích thước của hồ phía sau đập) và các nhà máy điện than (bao gồm cả diện tích đất cần thiết cho khai thác mỏ và khai quật than).

Công nghệ hệ thống phát điện năng lượng mặt trời (Solar Energy Generating Systems – SEGS) đã đi tiên phong ở Mỹ với sự thiết lập Solar One ở sa mạc Mojave cùng với một số nơi khác tạo thành nhóm SEGS với 9 nhà máy điện nhiệt mặt trời có tổng công suất phát điện là 354 MW, và điều này khiến hệ thống trở thành nhà máy năng lượng nhiệt mặt trời lớn nhất của tất cả các loại trên thế giới.

Hình 51 minh họa một trong những hệ thống SEGS và chế độ hoạt động của hệ thống đó. Một cách ngắn gọn, nhóm hình máng (parabolic-shaped troughs) – hoặc các ống thu, khuyếch đại bức xạ nhiệt mặt trời từ 30 đến 60 lần (có nghĩa là tương đương 30 đến 60 mặt trời) so với cường độ bình thường (một mặt trời) – và tập trung năng lượngvào ống thu đặt ở dòng tiêu cự của máng. Nhiệt lượng này làm nóng dầu tổng hợp lưu thông qua các đường ống tới 390°C (735°F), sau đó được bơm vào một trạm phát và chuyển qua một bộ trao đổi nhiệt để sản xuất hơi nước mà dùng để chạy tuabin hơi nước thông thường và cuối cùng để tạo ra điện. Vào những ngày nhiều mây hoặc khi trời tối, các nhà máy SEGS hoạt động bằng khí gas tự nhiên cung cấp 25% tổng sản lượng.

Hình 51: Ví dụ về một hệ thống phát điện nhiệt mặt trời (SEGS) và chế độ hoạt động: Tấm thu năng lượng mặt trời và tập trung ánh sáng mặt trời để làm nóng therminol – một loại dầu tổng hợp – mà sau đó đun nóng nước để sản xuất hơi nước và được bơm qua đường ống tới nơi đặt máy phát điện tuabin hơi nước thông thường để sản xuất điện, sau đó được truyền qua đường dây điện. Vào những ngày nhiều mây, nhà máy có một hệ thống khí thiên nhiên bổ sung để sản xuất hơi nước và sau đó tạo ra điện. Nguồn: NEXTeraEnergy.

Một dạng khác của các nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời sử dụng hàng ngàn tấm gương đồng chỉnh mặt trời (sun-tracking mirrors) riêng lẻ (hay còn gọi là kính định nhật – heliostats) để phản xạ bức xạ mặt trời vào một máy thu trung tâm nằm trên một tháp cao. Một tập đoàn cung cấp tiện ích của Mỹ và Bộ Năng lượng Mỹ xây dựng hai mô hình minh họa thí điểm với quy mô lớn đầu tiên – tháp năng lượng mặt trời ở trong sa mạc California: Solar One và Solar Two, mà hiện nay đã được ngừng hoạt động.

Solar One  đã được vận hành từ năm 1982 đến 1988, và sử dụng nước/ hơi nước như dòng trao đổi nhiệt đến nơi nhận – điều này đã đưa đến một số vấn đề về lưu trữ và hoạt động của tuốc bin dùng liên tục. Theo đó, Solar One được nâng cấp thành Solar Two (Hình 52), hoạt động từ 1996 đến 1999 và sử dụng muối nóng chảy để thu nạp và lưu trữ nhiệt của mặt trời đến một tuabin/máy phát điện để sản xuất điện (khoảng 10 MW điện). Hệ thống hoạt động trơn tru qua các đám mây làm gián đoạn liên tục và tiếp tục phát ra điện trong thời gian dài cho đến ban đêm.

Hình 52: Hình từ trên không của cơ sở năng lượng mặt trời Solar Two, cho thấy tháp điện  được bao quanh bởi các gương đồng chỉnh mặt trời. Nguồn: NASA.

Dự án Nevada Solar One (không nên nhầm lẫn với các dự án năng lượng mặt trời Solar One mà được thí điểm  tại California) lắp đặt gần thành phố Boulder, Nevada, được trải rộng trên một diện tích 400 mẫu Anh và sử dụng công nghệ thu thập và lưu trữ thêm nhiệt bằng cách đặt  vào muối nóng chảy chuyển pha (phase–changing molten salts). Công suất danh nghĩa của dự án là 64 – 75 MW, và làm giảm lượng khí thải CO₂ hàng năm tương đương với 20 000 xe ô tô chạy trên đường. Dự án này bắt đầu hoạt động vào tháng 6 năm 2007 sau khoản đầu tư 266 triệu USD, với sản lượng điện hàng năm ước tính khoảng 134 GWh. Những trạm nhà máy điện nhiệt mặt trời khác đã được xây dựng hoặc đang trong quá trình xây dựng, như là hai trạm ở California (công suất 392 MW và 968 MW), một trạm ở trong Nevada (110 MW), và một ở Arizona (280 MW).

Cơ sở 392 MW Ivanpah Solar Power Facility*, được xây dựng cách Las Vegas, Nevada 64 km, là dự án nhà máy năng lượng điện nhiệt mặt trời lớn nhất thế giới, chiếm 5.6 dặm vuông với chi phí khoảng 1.6 tỷ USD. Sau khi hoàn thành, nhà máy sẽ triển khai 347 000 gương định nhật tập trung bức xạ của mặt trời vào nồi hơi nằm trên tháp tập trung năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, không phải là không có một số tranh cãi  liên quan đến tác động môi trường của dự án này.

Hết phần 6 – Chương 12 (còn tiếp)

Người dịch: Đào Thu Hằng

Biên tập: Phạm Thu Hường

 * Chú thích của người dịch:

Các bạn có thể xem thêm bộ ảnh về tổ hợp điện nhiệt mặt trời Ivanpah Solar Power trong sa mạc Mojave, Nevada ở đây. Một số tấm gương được điều chỉnh để xếp thành chữ Google – một trong những nhà đầu tư chính.

Tổ hợp điện nhiệt năng lượng mặt trời Ivanpah nhìn từ trên cao ở sa mạc Mojave gần Primm, Nevada. Đây là tổ hợp điện nhiệt năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới hiện nay, sử dụng 347 000 tấm gương định nhật được điều khiển bằng hệ thống máy tính để tập trung ánh sáng mặt trời vào nồi hơi đặt ở trên đỉnh của ba tòa tháp cao 459 feet. (An aerial view of the Ivanpah Solar Electric Generating System in the Mojave Desert near Primm, Nevada. The largest solar thermal power-tower system in the world uses 347,000 computer-controlled mirrors to focus sunlight onto boilers on top of three 459-foot towers.)

Nước trong nồi hơi trên đỉnh tháp được đun nóng để tạo ra hơi nước để quay các tua bin cung cấp điện cho hơn 140 000 hộ gia đình California. (Water is heated to produce steam to move turbines providing power to more than 140,000 California homes.)

Biểu tượng của Google được xếp bằng các tấm gương đồng chỉnh mặt trời tại hệ thống Ivanpah. Google là một trong những nhà đầu tư lớn trong chương trình này. (The Google logo is spelled out in mirrors that track the sun at the Ivanpah Solar Electric Generating System. Google is one of the major investors in the scheme.)

Hệ thống tháp điện nhiệt năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, ba tòa tháp được bao quanh bởi hàng ngàn tấm kính định nhật được điều khiển bằng máy tính. (The world’s largest solar thermal power-tower system, the three towers are surrounded by thousands of computer-controlled mirrors.)

 

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

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