23/11/2019
Năng lượng đã đóng một vai trò quan trọng trong đời sống của con người. Cuộc cách mạng công nghiệp đầu tiên diễn ra vào cuối thế kỷ 18 và đầu thế kỷ 19 đã thúc đẩy quá trình sản xuất và sử dụng năng lượng. Quá trình công nghiệp hóa đã làm tăng nhu cầu năng lượng trên thế giới, đặc biệt là năng lượng tái tạo. Năng lượng tái tạo được biết đến là năng lượng sinh ra từ những nguồn liên tục, theo chuẩn mực của con người là vô hạn như: năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và các tầng địa nhiệt. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần từ các quy trình diễn biến liên tục để áp dụng vào lĩnh vực kỹ thuật.
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
- Khái niệm về năng lượng tái tạo và năng lượng thay thế
Năng lượng tái tạo [Renewable energy] là năng lượng được tạo ra từ các quá trình tự nhiên và liên tục được bổ sung. Nguồn tự nhiên này bao gồm ánh sáng mặt trời, địa nhiệt, gió, thủy triều, nước và các dạng sinh khối khác nhau. Nguồn năng lượng này không bị cạn kiệt và không ngừng được tái sinh.
Năng lượng thay thế [Alternative energy] là thuật ngữ được sử dụng để chỉ một nguồn năng lượng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch. Đây là nguồn năng lượng phi truyền thống và ít tác động đến môi trường. Hầu hết các định nghĩa đều cho rằng “năng lượng thay thế” không gây hại cho môi trường, đây là điểm khác biệt với năng lượng tái tạo là có thể hoặc không gây tác động đáng kể đến môi trường [IEA, 2014].
2. Bức tranh phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới
2.1. Lịch sử phát triển
Trước thế kỷ 19, hầu hết nguồn năng lượng con người sử dụng là năng lượng tái tạo, đặc biệt khối lượng sinh khối truyền thống đã xuất hiện từ 790.000 năm trước. Đến năm 1823, nhà phát minh Samuel Brown đã tạo ra động cơ đốt trong và chứng minh tiềm năng của loại nhiên liệu hóa thạch đối với các loại xe điện. Đến những năm 1830, tàu hơi nước và đầu máy xe lửa phát triển làm tăng nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong khi ngành giao thông vận tải và thương mại các sản phẩm nhiên liệu hóa thạch cũng tăng. Trong những năm cuối 1830, các nhà khoa học đã phát hiện ra các hợp chất quang điện, giải phóng năng lượng khi tiếp xúc với ánh sáng. Phát hiện này đã dẫn đến sự phát triển pin mặt trời và năng lượng mặt trời. Sang năm 1839, William Robert Grove đã phát minh ra pin nhiên liệu hydro đầu tiên, trong đó điện được khai thác từ phản ứng giữa hydro và oxy.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo lâu đời thứ hai, được sử dụng để chạy thuyền buồm trên sông Nin từ cách đây 7000 năm. Đến thập niên 1970, các nhà môi trường đã thúc đẩy sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo theo cả hai hướng là thay thế nguồn dầu đang dần cạn kiệt, đồng thời thoát khỏi sự lệ thuộc vào dầu mỏ, và các tua bin gió phát điện đầu tiên đã ra đời. Mặc dù năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ lâu để nung nóng và làm lạnh, nhưng mãi đến năm 1980, các tấm pin mặt trời mới bắt đầu được xây dựng trên các cánh đồng pin năng lượng mặt trời.
Tua bin gió phát điện đã ra đời vào thập niên 1970
Đến tháng 6/2004, lần đầu tiên đại diện của 154 quốc gia đã họp tại Bonn, Đức trong Hội nghị quốc tế được tổ chức cho các chính phủ trên thế giới về năng lượng tái tạo. Mạng lưới chính sách Năng lượng tái tạo cho thế kỷ 21 [REN21] đã nổi lên như một mạng lưới của các bên liên quan về chính sách năng lượng tái tạo toàn cầu với mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi kiến thức, phát triển chính sách và tham gia các hoạt động nhằm hướng đến quá trình chuyển đổi sang sử dụng năng lượng tái tạo. Tại thời điểm đó, tiềm năng về năng lượng tái tạo trên toàn cầu, đầu tư, chính sách và hội nhập đã được quan tâm. Tuy nhiên, ngay cả những dự báo đầy tham vọng cũng không lường trước được sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo đã diễn ra trong thập kỷ trước.
Nhận thức toàn cầu về năng lượng tái tạo đã thay đổi đáng kể từ năm 2004. Hơn 10 năm qua, những tiến bộ về công nghệ năng lượng tái tạo vẫn tiếp tục phát triển và nhiều công nghệ đã chứng minh được tiềm năng của chúng và được triển khai nhanh chóng.
2.2. Tình hình nghiên cứu và phát triển năng lượng tái tạo
Theo số liệu thống kê và dự báo của Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ [EIA] thì mức tiêu thụ năng lượng của thế giới tăng 57% kể từ năm 2004 đến 2030, trong đó mức tiêu thụ điện trung bình hàng năm tăng 0,46 kW/giờ/người. Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng đã làm tăng lượng khí CO2 trong khí quyển. Nếu như năm 2004 có 26,9 tỷ mét khối CO2 thì đến năm 2015, con số này tăng khoảng 33,9 và năm 2030 sẽ là 42,9 tỷ mét khối. Để khắc phục tình hình cạn kiệt năng lượng truyền thống và hạn chế ô nhiễm môi trường do khai thác năng lượng gây ra thì việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng sạch, tái tạo thay thế như năng lượng bức xạ mặt trời, gió, địa nhiệt, sinh khối, thủy điện, thủy triều, dòng chảy, sóng và một số nguồn năng lượng khác là cần thiết. Chính vì vậy, nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước có nền công nghiệp phát triển đã đưa ra những chiến lược về phát triển năng lượng. Năm 2005, Quốc hội Hoa Kỳ đã phê chuẩn Đạo luật về Chiến lược Năng lượng năm 2005 với điều khoản bổ sung về năng lượng tái tạo trên biển bao gồm việc khuyến khích các sản phẩm năng lượng biển, pháp lệnh về khuyến khích đầu tư và giảm thuế đối với năng lượng biển như thủy triều, dòng chảy, sóng và khuyến khích nghiên cứu phát triển các công nghệ khai thác liên quan. Đạo luật cũng cho phép và khuyến khích Ban Thư ký Năng lượng đầu tư vào công nghệ năng lượng biển và đã đưa ra Tiêu chuẩn Năng lượng Tái tạo Quốc gia [Federal Renewable Power Standard - RPS], trong đó coi năng lượng biển là nguồn năng lượng tái tạo có triển vọng. Trong RPS nêu trên cũng đưa ra mục tiêu sản xuất 10% năng lượng từ nguồn tái tạo vào năm 2020. Chiến lược số 04/01 của Ủy ban Di sản Thiên nhiên Scotland cũng đã đưa ra mục tiêu sản xuất 40% điện từ năng lượng tái tạo vào năm 2020.
Viện Nghiên cứu Điện năng [EPRI] Hoa Kỳ là cơ quan nghiên cứu hàng đầu thế giới về các phương pháp khai thác điện năng, đặc biệt tập trung vào các nguồn năng lượng tái tạo. Theo tính toán dự báo của EPRI thì đến năm 2030, nguồn điện khai thác được từ các nguồn năng lượng tái tạo là 737 TWh [1TW=1012 kW]. EPRI cũng công bố rằng, trong những năm tới công nghệ khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như bức xạ mặt trời, sinh khối và năng lượng sóng sẽ được ưu tiên đầu tư. Từ những năm 1970, một số nước như Na Uy, Thụy Điển, Hoa Kỳ, Pháp và Nhật cũng đã có các chương trình nghiên cứu về năng lượng sóng. Và nhà máy năng lượng sóng đầu tiên đã được xây dựng ở Na Uy vào năm 1984 và hoàn thành năm 1986.
Theo ước tính, năm 2012 năng lượng tái tạo đã cung cấp khoảng 19% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn cầu và tiếp tục tăng trong năm 2013. Trong tổng tỷ lệ này của năm 2012, năng lượng tái tạo hiện đại chiếm khoảng 10%, phần còn lại [9%] là từ sinh khối truyền thống. Năng lượng nhiệt từ các nguồn tái tạo hiện đại chiếm khoảng 4,2% tổng sử dụng năng lượng cuối cùng; thủy điện chiếm khoảng 3,8%, và khoảng 2% được cung cấp bởi năng lượng gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt và sinh khối và nhiên liệu sinh học. Năng lượng tái tạo kết hợp hiện đại và truyền thống vẫn duy trì ở mức năm 2011. Trong năm 2013, năng lượng tái tạo phải đối mặt với sự suy giảm chính sách hỗ trợ và không chắc chắn ở nhiều nước châu Âu và Hoa Kỳ. Những hạn chế liên quan đến lưới điện, một số công ty điện lực lo ngại về sự cạnh tranh đang gia tăng và tiếp tục tài trợ trên toàn cầu đối với nhiên liệu hóa thạch cũng là vấn đề. Tuy nhiên, nhìn chung năm 2013 năng lượng tái tạo vẫn được phát triển một cách tích cực.
Thị trường sản xuất và đầu tư được mở rộng hơn ở khắp thế giới đang phát triển và bằng chứng rõ ràng là năng lượng tái tạo không còn phụ thuộc vào một nhóm nhỏ các quốc gia. Với những tiến bộ về công nghệ, giá thành giảm và những đổi mới cơ chế tài chính - tất cả chủ yếu nhờ sự hỗ trợ về chính sách nên giá năng lượng tái tạo ngày càng rẻ đối với phạm vi lớn người tiêu dùng trên toàn thế giới. Tại một số nước, năng lượng tái tạo được coi là rất quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng hiện tại và tương lai.
Khi thị trường năng lượng tái tạo trở nên toàn cầu hóa, các ngành công nghiệp năng lượng tái tạo đã phản ứng bằng cách tăng tính linh hoạt của nó, đa dạng hóa các sản phẩm và phát triển các chuỗi cung ứng toàn cầu. Mặc dù một số ngành công nghiệp còn gặp khó khăn, đặc biệt là năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Tuy nhiên, bức tranh đã sáng dần lên vào cuối năm 2013, khi nhiều nhà sản xuất quang điện mặt trời [PV] và tuabin gió đã quay trở lại và lợi nhuận đã tăng lên. Sự phát triển mạnh nhất diễn ra trong lĩnh vực năng lượng với công suất toàn cầu vượt 1.560 gigawatt [GW], tăng hơn 8% so với năm 2012. Thủy điện tăng 4% lên khoảng 1.000 GW, và năng lượng tái tạo khác tăng gần 17% lên hơn 560 GW. Lần đầu tiên công suất điện mặt trời cao hơn năng lượng gió; điện mặt trời và thủy điện về cơ bản bị ràng buộc, mỗi loại chiếm khoảng một phần ba công suất mới. Điện mặt trời đã tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh, trung bình gần 55% mỗi năm trong vòng 5 năm qua.
Công suất năng lượng gió có mức tăng cao nhất trong tất cả các công nghệ tái tạo trong cùng kỳ. Năm 2013, năng lượng tái tạo tăng thêm 56% vào mạng lưới điện toàn cầu và đã có tỷ trọng cao hơn ở một số quốc gia. Cuối năm 2013, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Braxin, Canada và Đức vẫn là những quốc gia dẫn đầu về công suất lắp đặt năng lượng tái tạo; các quốc gia dẫn đầu về công suất phi thủy điện [là công suất điện được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, địa nhiệt, sinh khối, gió và khí chôn lấp] gồm Trung Quốc, Hoa Kỳ và Đức, theo sau là Tây Ban Nha, Italia và Ấn Độ. Trong số 20 quốc gia dẫn đầu thế giới về công suất phi thủy điện, Đan Mạch là nước dẫn đầu về tổng công suất bình quân trên đầu người. Uruguay, Mauritius và Costa Rica nằm trong số những nước đứng đầu về đầu tư năng lượng tái tạo và các loại nhiên liệu mới so với GDP hàng năm.
Lợi ích của việc kết hợp giữa nhà máy nhiệt điện
Trong lĩnh vực sưởi ấm và làm mát, những xu hướng bao gồm tăng sử dụng năng lượng tái tạo trong các nhà máy nhiệt và điện kết hợp; cung cấp năng lượng tái tạo cho việc làm ấm và làm mát ở các hệ thống trong khu vực; những giải pháp lai ghép trong lĩnh vực cải tạo xây dựng; và tăng sử dụng nhiệt tái tạo cho những mục đích công nghiệp. Nhiệt từ sinh khối hiện đại, năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng địa nhiệt chiếm một phần nhỏ, tuy nhiên tỷ trọng nhu cầu nhiệt toàn cầu đang dần tăng, ước tính khoảng 10%. Việc sử dụng các công nghệ tái tạo hiện đại để sưởi ấm và làm mát vẫn còn khiêm tốn so với tiềm năng lớn của chúng.
Trong những năm gần đây, nhiên liệu sinh học dạng lỏng phát triển không đồng đều, tuy nhiên, việc sản xuất và sử dụng cũng đã tăng lên trong năm 2013. Những lựa chọn năng lượng tái tạo khác trong lĩnh vực giao thông cũng ngày càng được quan tâm. Nhiên liệu sinh học dạng khí [chủ yếu là mê-tan sinh học] và những lựa chọn lai như xe buýt chạy bằng khí thiên nhiên bio-diesel và phương tiện điện-diesel] ngày càng được sử dụng nhiều. Những sáng kiến nhằm liên kết các hệ thống vận tải với năng lượng tái tạo, đặc biệt ở cấp thành phố và khu vực ngày càng tăng.