Năng lượng và phát triển bền vững 

ĐẶNG Đình Cung

Kỹ sư Tư vấn

PHẦN 3   TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG

Nếu tiếp tục khai thác và tiêu thụ những năng lượng hóa thạch như hiện nay thì một ngày nào đó những nguồn năng lượng đó sẽ cạn và, trong khi chờ đợi, sẽ gia tăng lượng khí có hiệu ứng nhà kính làm cho khí hậu biến đổi. Chiến lược để đối phó với tình trạng này có thể là :

1. gia tăng hiệu suất năng lượng để giảm nhu cầu về năng lượng và giảm lượng khí có hiệu ứng nhà kính thải ra khí quản,

2. chuyển sang một nguồn năng lượng khác hãy còn dồi dào, tái tạo, rẻ hay/và ô nhiễm ít hơn để dành nguồn năng lượng đang dùng cho những công nghệ bắt buộc phải dùng đến năng lượng đó,

3. chuyển sang những công nghệ khác đạt một hay cả hai hiệu quả trên.

Theo phân bố tiêu thụ năng lượng khả dụng của mỗi ngành kinh tế thì ba ngành giao thông vận tải, công nghiệp, và tiện nghi nhà ở, chia nhau gần đồng đều ba phần tư tổng lượng năng lượng khả dụng và những ngành khác chia nhau phần tư còn lại (hình 1). Vậy, chiến lược năng lượng trình bày ở trên phải được áp dụng cho cả ba ngành này.

Hình 1   Tiêu thụ năng lượng khả dụng chia theo ngành kinh tế
(Tính từ số liệu của IEA, 2005)

Trong phần này chúng tôi xin trình bày chiến lược năng lượng ba ngành trên.

Giao thông vận tải

Với xu hướng toàn cầu hóa, ngành giao thông vận tải tăng trưởng mạnh hơn là tăng trưởng của kinh tế thế giới.

Một phương tiện chuyển chở cần đến một dạng năng lượng có tỷ trọng năng lượng riêng cao để dành ưu tiên cho khối hàng phải chở. Những sản phẩm dầu là dạng năng lượng có tỷ trọng năng lượng cao nhất (bảng 5).

Bảng 5   Tỷ trọng năng lượng riêng trong nhiên liệu (ADEME)

Vì lý do đó mà

• đại đa số những phương tiện chuyên chở dùng những sản phẩm dầu làm nhiên liệu,

• ngành giao thông vận tải tiêu thụ 60 phần trăm sản lượng dầu đã được thanh lọc,

• sản phẩm dầu chiếm 95 phần trăm thị phần năng lượng của ngành giao thông vận tải.

Vấn đề cấp bách được đặt ra cho một chiến lược phát triển bền vững của ngành giao thông vận tải là giảm nhu cầu sản phẩm dầu của ngành này.

Gia tăng hiệu suất năng lượng

Có ba phương pháp gia tăng hiệu suất năng lượng :

• giảm trọng lượng của phương tiện chuyên chở,

• vận hành động cơ một cách tối ưu,

• giảm ma sát giữa phương tiện chuyên chở và môi trường di chuyển.

Giảm trọng lượng của phương tiện chuyên chở

Khi giảm trọng lượng cuả phương tiện chuyên chở thì sẽ cần ít năng lượng hơn vì trọng lượng tiết kiệm được sẽ dùng để chở thêm hành khách và hàng hóa hay chở thêm nhiên liệu để đi xa hơn. Những động cơ bằng hợp kim nhôm, rầm dọc tàu bay bằng sợi cacbon, vỏ tàu thủy bằng hỗn hợp nhựa,… là những tiến bộ mới nhất từ ba chục năm nay.

Vận hành động cơ một cách tối ưu

Những máy nổ đã được sáng chế và cải tiến từ hơn một thế kỷ rưỡi nay nên hiệu suất của chúng đã gần đạt tối ưu mà vật lý học cho phép. Những máy nổ là những động cơ có tỷ trọng công suất riêng thấp nhất trong số những động cơ đã được sáng chế. Vì những lý do đó mà hiện nay chúng trang bị đa số những phương tiện chuyên chở và hầu hết những xe ôtô.

Cho tới nay xe ôtô tư nhân chạy bằng động cơ diezen là thiểu số. Gần đây những máy diezen trở nên nhẹ hơn, có hiệu suất cao hơn và thải ra ít bụi hơn những máy nổ chạy bằng dầu xăng. Nhờ tiến bộ đó, nhiều xe ôtô cá nhân cũng đang lần lượt chuyển sang động cơ diezen.

Ở đô thị, xe ôtô thường phải ngừng ở ngã đường có đèn đỏ hay vì giao thông bị tắc nghẽn. Nhưng động cơ vẫn còn chạy và tiếp tục tiêu thụ nhiên liệu. Bây giờ có những xe ôtô với một bộ phận tự động tắt máy khi xe ôtô ngừng sau một thời gian ngắn cố định và tự động khởi động máy khi người lái xe ấn vào bàn đạp tăng tốc. Những thử nghiệm đầu tiên cho thấy có tiết kiệm năng lượng được một chút trong điều kiện giao thông đô thị.

Những xe ôtô lai tạp động cơ máy nổ và động cơ điện đã được khai triển và đang được đưa vào sử dụng đại trà. Loại xe ôtô này gồm hai động cơ : một động cơ máy nổ sản xuất điện nạp vào một bình ắcquy điện và một động cơ điện dùng điện của bình ắcquy để di chuyển xe. Loại xe này sẽ dùng nhiên liệu hữu hiệu hơn vì hai lý do :

• Máy nổ chỉ dùng để nạp điện vào một bình ắcquy đệm không liên kết với vận tốc của xe nên chạy điều hòa. Nhờ thế, nhịp quay của động cơ có thể được điều chỉnh để cho hiệu suất năng lượng đạt tối ưu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

• Trong số những động cơ hiện đại thì động cơ điện thuộc loại có hiệu suất năng lượng cao nhất. Động cơ này tiêu thụ điện khi xe chạy. Nhưng khi xe giảm tốc thì động cơ trở thành một ổ phát điện nạp điện vào bình ắcquy.

Hiện nay đã có nhiều kiểu xe ôtô lai tạp trong đó có loại xe ôtô dùng máy nổ khi xe cần phải chạy mau trên xa lộ và dùng động cơ điện khi chạy chậm trong đô thị. Hầu hết những đầu tàu xe lửa chạy bằng diezen đã là những tàu lai tạp diezen điện từ lâu rồi. Chỉ khác với những xe ôtô lai tạp là bình ắcquy rất nhỏ so với công suất của hai động cơ vì mục đích chính là để tránh không phải dùng một ổ số vừa nặng vừa có hiệu suất kém ở phạm vi công suất lớn như công suất một đầu tàu hỏa.

Những phi cơ dùng tuabin phản lực có ống pha loãng khí hay những cánh quạt kiểu mới để gia tăng hiệu suất của động cơ.

Vận tốc những phương tiện chuyên chở nặng như là xe ôtô vận tải, tàu hỏa, tàu bay liên lục địa và tàu biển được điều chỉnh bằng máy tính điện tử để giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu.

Giảm ma sát giữa phương tiện chuyên chở và môi trường di chuyển

Khi chuyển động, mọi phương tiện chuyên chở đều chịu ma sát của không khí. Trên đường hàng không chỉ có ma sát với không khí. Nhưng trên đường bộ thì có thêm ma sát giữa bánh xe và đường và trên đường thủy có thêm ma sát giữa vỏ tàu và nước.

Với những khả năng thiết kế bằng máy tính điện tử (computer assisted design), hình dáng tất cả những loại phương tiện chuyên chở, trên không, trên bộ cũng như trên mặt nước, đều được tối ưu hóa. Những vỏ bánh xe và nhựa tráng đường đã được cải tiến để giảm ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Bánh xe tàu hỏa có một lớp thép rắn cũng để giảm ma sát giữa bánh xe và đường rầy. Tàu thủy có thêm cánh ngầm để, khi di chuyển mau, cánh ngầm nhấc vỏ tàu lên làm giảm sức cản của nước.

Chuyển sang những năng lượng khác

Người ta có thể đổi sang năng lượng khác bằng cách tiếp tục dùng động cơ máy nổ hay dùng một loại động cơ khác.

Tiếp tục dùng máy nổ

Vì máy nổ là một động cơ gần như hoàn hảo, người ta cố gắng dùng những loại động cơ đó với những nhiên liệu khác : khí đốt, nhiên liệu tổng hợp và nhiên liệu sinh học.

Khí nén hay khí hoá lỏng được chứa trong một cái bình khá nặng có thành dày để chịu đựng áp suất cao. Thêm vào đó, tỷ trọng năng lượng riêng của khí đốt nén hay hoá lỏng kém xa những sản phầm dầu. Vì hai lý do đó, những phương tiện chuyên chở chạy bằng khí đốt chưa được phổ biến mấy. Nhưng, như viết ở một phần trên, khí đốt ô nhiễm môi trường ít hơn là những năng lượng hóa thạch khác nên có nhiều xe ôtô cá nhân và xe buýt đô thị chạy bằng khí đốt.

Người ta dùng những nhiên liệu tổng hợp và nhiên liệu sinh học (bio fuel) trong những máy nổ để thay thế sản phẩm dầu hay trộn với sản phẩm dầu để giảm nhu cầu về sản phẩm dầu và giảm ô nhiễm. Đức, hồi Đệ nhị Thế chiến, và Nam Phi, khi nước này bị cấm vận, đã dùng than để biến chế thành nhiên liệu tổng hợp thay thế những sản phẩm dầu. Ở Brazil, đa số những xe tư nhân dùng nhiên liệu sinh học. Ở Đức, người ta có kế hoạch khai triển việc trộn nhiên liệu sinh học vào nhiên liệu dầu để chạy xe ôtô. Nhưng họ vừa mới bỏ dự định này sau khi nhận thấy những động cơ xe hiện có không thể dùng được một hỗn hợp sản phẩm dầu chứa nhiều nhiên liệu sinh học¹.

Chuyển sang những loại động cơ khác

Những thuyền buồm vẫn còn được dùng ở nhiều nước. Với những phương tiện tính toán hiện đại, người ta đang nghĩ tới những tàu buồm lớn dùng để chở du khách hay những sản phẩm rời có ít tỷ trọng giá trị riêng.

Để thay thế sản phẩm dầu, có vài tàu biển chạy bằng năng lượng hạt nhân. Nhưng những tàu loại này chưa được phổ biến mấy vì một lò phản ứng hạt nhân nhỏ cũng có công suất quá lớn đối với những tàu thông thường và vì nhiều xã hội hãy còn lo sợ việc năng lượng hạt nhân có thể lưu chuyển như thế từ nước này sang nước khác.

Những tàu thủy chở khí đốt dùng khí bốc hơi trong bồn khí hoá lỏng làm nhiên liệu cho lò hơi chạy tàu.

Những động cơ điện không ô nhiễm môi trường tự nhiên và không ồn ào. Với công nghệ hiện nay, chỉ có tàu điện và xe buýt cần vẹt chạy bằng điện là không cần phải chở thêm nhiên liệu để chạy. Những phương tiện giao thông này có hiệu suất năng lượng cao vì chạy bằng động cơ điện, một động cơ có hiệu suất cao và có thể hoàn lại điện khi tàu giảm vận tốc và động cơ chuyển sang dạng phát điện. Nhờ không phải chở nhiên liệu, những tàu điện có thể đạt những vận tốc thương mại hơn 300 km/giờ.

Ngoài những tàu điện và những xe buýt cần vẹt có vài xe ôtô cá nhân chạy bằng điện. Ở Á Châu, người ta bắt đầu dùng nhiều xe đạp hỗ trợ bằng động cơ điện. Những phương tiện này dùng bình ắcquy nặng và cồng kềnh để nạp điện trước.

Người ta cũng nghĩ tới những pin nhiên liệu (fuel cell) chạy bằng khí methan hay khí hydrô để làm nguồn điện. Bình chứa những khí này cũng nặng và cồng kênh như những bình ắcquy. Ngoài ra, những phân tử khí methan hay khí hydrô có thể thấm vào thành của bình chứa khí làm cho bình dễ gẫy với nguy cơ gây nổ.

Đổi phương tiện chuyên chở

Hình 2 và 3 cho thấy nhu cầu năng lượng để chở người và hàng hóa do ADEME tính. Những hình đó cho thấy nhu cầu về năng lượng biến động rất nhiều tùy ở phương tiện chuyển chở.

Hình 2 – Tiêu thụ năng lượng để chở khách (ADEME)

Hình 3 – Tiêu thụ năng lượng để chở hàng (ADEME)

Đi xe đạp hay dùng những phương tiện giao thông công cộng thì đỡ tốn năng lượng hơn là đi một mình bằng xe ôtô. Chở hàng bằng xe vận tải tốn bảy tám lần năng lượng so với chở bằng tàu hỏa hay tàu thủy, đặc biệt tàu biển. Vậy, hay nhất là chở hàng bằng đường sắt hay đường thủy khi nào có thể chở bằng những phương tiện này. Đường sắt có lợi nhất vì có vận tốc cao hơn là đường thủy.

Đổi phương tiện chuyển chở cần phải thay đổi những cơ sở hạ tầng giao thông vận tải sẵn có. Nhiều quốc gia đã công nghiệp hóa từ lâu có nhiều hạ tầng không còn thích ứng nữa và không thể mau chóng chuyển đổi hệ thống và tập quán giao thông vận tải của họ. Đây là một việc rất khó vì cần phải đổi văn hóa và hạ tầng cơ sở của cả một quốc gia. Những quốc gia đang nổi lên (emergent countries) có ít vấn đề thay đổi khó khăn đó. Những quốc gia đó có thể đặt ưu tiên vào một hệ thống đường sắt và, nếu có bờ biển và dòng sông thuận lợi, vào một hệ thống giao thông vận tải dựa trên đường thủy.

Công nghiệp

Khi nghiên cứu nhu cầu năng lượng trong các ngành công nghiệp thì người ta phân biệt :

• những ngành công nghiệp không sản xuất sản phẩm dầu hay điện,

• ngành lọc dầu,

• và ngành sản xuất điện.

Điện và than chia nhau gần đồng đều tổng cộng một nửa thị phần năng lượng khả dụng của các ngành công nghiệp không sản xuất sản phẩm dầu hay điện và những năng lượng khác chia nhau thị phần còn lại (hình 4).

Hình 4   Tiêu thụ năng lượng khả dụng
của các ngành công nghiệp không sản xuất điện hay sản phẩm dầu
(Tính từ số liệu của IEA, 2005)

Gia tăng hiệu suất năng lượng

Vì công nghệ có nhu cầu năng lượng đa dạng, những phương pháp gia tăng hiệu suất năng lượng của các ngành công nghiệp rất là đa dạng. Ngoài những cố gắng cách nhiệt những thiết bị nóng hay lạnh hơn môi trường bao quanh thì có ba phương pháp gia tăng hiệu suất năng lượng :

• sản xuất đúng mức đúng lúc (lean and just in time manufacturing),

• đồng phát sinh (co-generation) và chu trình kết hợp (combined cycle),

• hỗ tương (mutualisation) năng lượng.

Sản xuất đúng mức đúng lúc

Sản xuất đúng mức đúng lúc là tập hợp tất cả những phương pháp quản lý sản xuất nhằm tiết kiệm những nhân tố sản xuất. Để tiết kiệm năng lượng, người ta tìm cách sản xuất một sản phẩm một cách liên tục và ở cùng một địa điểm từ những nguyên liệu ở xa nhất thượng nguồn chuỗi sản xuất cho đến thương phẩm.

1. Khi vận chuyển một sản phẩm trung gian từ nơi này đến nơi khác thì phải chờ sản phẩm đó nguội đi để có thể nâng bốc hay, trong khi nâng bốc và vận chuyển, sản phẩm đó sẽ nguội dần đi. Khi đến công trạm sau có khi phải hâm lại. Nếu không phải vận chuyển hay có thể giảm thiểu vận chuyển thì có thể tiết kiệm năng lượng dùng để hâm lại sản phẩm trung gian và tiết kiệm năng lượng dùng để nâng bốc và vận chuyển.

2. Trung bình, một phần mười sản lượng điện bị tiêu hao khi tải từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ. Nếu điện sản xuất ở ngay cơ sở có nhu cầu điện thì tiết kiệm được năng lượng thất thoát đó. Tất cả mọi công nghiệp đều dùng điện. Như thấy ở hình 4, điện là nguồn năng lượng quan trọng nhất của các ngành công nghiệp. Để giảm thất thoát điện vì câu điện từ xa những khu công nghiệp xếp đặt hợp lý đều có một nhà máy điện hay một ổ phát điện riêng. Việc này không miễn khu công nghiệp phải được nối liền với mạng phân phối điện quốc gia trong khuôn khổ hỗ tương điện.

3. Sản xuất đúng lúc là một bó buộc cuả ngành điện vì điện là một sản phẩm không thể tích trữ được. Những bình ắcquy chỉ chứa được một phần không đáng kể và cho những áp dụng rất đặc biệt. Với điều kiện địa dư thuận lợi, người ta xây những hồ tích năng. Ở những giờ nhàn rỗi, công suất có thừa của những nhà máy nhiệt điện được dùng để bơm nước từ hồ dưới lên hồ trên gia tăng lượng nước. Vào những giờ cao điểm lượng nước tích trữ ấy có thể được quay ráo để sản xuất điện. Tích năng không phải là một phương pháp tiết kiệm điện vì một phần năng lượng sẽ bị tiêu hao trong chu trình bơm lên rồi quay ráo. Nhưng giá trị của điện ở giờ rỗi rẻ hơn là giá trị điện ở giờ cao điểm. Tích năng như vậy thì có lợi trên phương diện kinh tế.

4. Phương pháp sản xuất đúng mức đòi hỏi những công cụ sản xuất phải được bảo trì nghiêm chỉnh. Ngoài việc giữ năng suất ở mức tối đa, một thiết bị sản xuất được bảo trì kỹ lưỡng sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là một cỗ máy ít được bảo trì.

Đồng phát sinh và chu trình kết hợp

1. Đồng phát sinh là phương pháp sản xuất vừa điện năng vừa nhiệt năng trong cùng một tổ máy nhiệt điện.

Ở một nhà máy thủy điện, gần như hầu hết tất cả động năng của nước được biến thành điện. Nhưng, vì định luật Carnot, tất cả các phương pháp phát điện khác chỉ có thể biến được tối đa một phần năng lượng gốc thành ra điện. Phần còn lại ở dưới dạng nhiệt năng bị bỏ phí nếu không kiếm được những áp dụng có nhu cầu nhiệt năng : cung ứng nước nóng hay hơi nước nén cho đô thị và những nhà máy lân cận.

Cho tới nay, người ta chỉ dùng có một phần nhỏ nhiệt năng thừa đó để sưởi nhà và đun nước nóng sinh hoạt. Có một số nhà máy, tỷ dụ những nhà máy đường, có nhu cầu cả điện lẫn nhiệt năng dưới dạng hơi nước. Những nhà máy đó có thể được trang bị bởi một bộ phát điện đồng sinh. Bộ phát điện này có thể được nối liền với mạng phân phối điện quốc gia để trao đổi điện tùy thừa hay thiếu.

1. Sản xuất điện theo chu trình kết hợp là sản xuất điện theo hai hay ba chu kỳ nhiệt động liên tiếp. Thường thì người ta kết hợp chu kỳ Brayton của một tuabin khí với chu kỳ Rankine của một lò hơi với một tuabin hơi. Khí thổi ra từ một tuabin khí hãy còn nóng tới 500 C. Thay vì thải ngay ra khí quyển và lãng phí năng lượng, người ta dùng khí đó để biến nước thành hơi. Hơi nước đó sẽ làm chạy một tuabin hơi để sản xuất thêm điện. Có khi người ta đốt thêm sản phẩm dầu hay khí đốt trong lò hơi để nâng cao entalpi của hơi nước trước khi thổi vào tuabin hơi. Với một chu trình kết hợp như thế, hiệu suất có thể lên tới 60 phần trăm thay vì dưới 40 phần trăm với đơn thuần chu kỳ Brayton của một tuabin khí.

Hỗ tương năng lượng.

Một nhà máy điện có thể phân phối năng lượng bằng hai cách : phát điện hay hơi nước tới hai nơi có nhu cầu không cùng một thời điểm hay phát điện cho một nơi và phát nước cho một nơi khác.

1. Một nhà máy nhiệt điện tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn thường lệ khi bắt đầu vận hành và khi sửa soạn ngưng vận hành. Nếu nhà máy đó có thể cung ứng điện cho hai nơi có nhu cầu điện ở những thời điểm khác nhau thì nhà máy sẽ chạy đều đặn và tiết kiệm năng lượng. Phương pháp hỗ tương điện được áp dụng đại trà trên quy mô những mạng tải điện quốc gia hay siêu quốc gia. Vì ở múi giờ khác nhau, nhu cầu điện của hai nước láng giềng có thể không trùng hợp với nhau. Ở một thời điểm, một nước cần đến nhiều điện khi nước láng giềng cần đến ít thì nước thứ nhất có thể vay điện của nước thứ hai và trả lại khi tình thế của hai nước đổi ngược.

2. Nếu trong cùng một khu công nghiệp có một nhà máy tiêu thụ điện, tỷ dụ một nhà máy cơ khí, và một nhà máy có thể tiêu thụ nhiệt năng dưới dạng hơi nước hay nước nóng, tỷ dụ một nhà máy chế biến thực phẩm, thì cả hai có thể dùng chung một nhà máy nhiệt điện chu trình đồng sinh để bên cần điện có điện và bên cần nhiệt năng hơi nước. Nếu kết hợp như vậy mà vẫn còn thừa hơi nước hay nước nóng thì có thể bán năng lượng còn thừa cho những đô thị xung quanh khu công nghiệp. Như sẽ trình bày ở một phần sau, một đô thị tiêu thụ nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt năng dưới 100 C cho tiện nghi nhà ở, thương mại và dịch vụ công cộng.

Chuyển sang những năng lượng khác

Việc dùng năng lượng này hay năng lượng khác tùy ở tính thích nghi với quy trình sản xuất. Muốn chuyển sang một năng lượng khác thường phải đổi quy trình sản xuất.

Năm 2005, tổng sản lượng than đá tiêu thụ trên thế giới là 4,13 tỷ tấn (33 600 TWh). Trong số đó một phần lớn đã được đốt tại các nhà máy điện, 19 600 TWh (58 %), và các cơ sở công nghiệp các ngành khác, 9 000 TWh (27 %). Phần còn lại, 4 900 TWh (15 %), đã được tiêu thụ bởi những sinh hoạt không liên hệ gì với công nghiệp (hình 5).

Hình 5   Tiêu thụ than theo nơi tiêu thụ
(Tính từ số liệu của IEA, 2005)

Than là một năng lượng rẻ tiền nên được các cơ sở công nghiệp trọng dụng. Than cũng là một năng lượng khi đốt làm ô nhiễm môi trường nhất và chỉ có những cơ sở công nghiệp lớn mới có thể đầu tư vào những thiết bị thanh lọc thích ứng.

1. Những ngành biến chế khoáng sản thành sản phẩm trung gian, như là luyện kim và xi măng, dùng than. Những thử nghiệm cho thấy việc chuyển sang những loại năng lượng khác như là sản phẩm dầu hay khí đốt không làm giảm nhu cầu năng lượng mấy nhưng giảm ô nhiễm một cách đáng kể. Hiện có ý kiến dùng plasma, một dạng năng lượng sinh ra từ điện. Nếu những thử nghiệm cho thấy phương pháp này khả thi thì nhu cầu than có thể chuyển sang điện năng, và điện năng tương lai sẽ là điện hạt nhân.

2. Những ngành công nghiệp khác chủ yếu dùng những năng lượng khác : khí đốt, điện, sản phẩm dầu và những năng lượng tái tạo. Khi cần đến nhiệt độ cao thì dùng khí đốt hay sản phẩm dầu với những mỏ đốt. Khi cần đến nhiệt độ thấp thì nhiều xí nghiệp dùng hơi nước với bộ chuyển nhiệt. Nhu cầu nhiệt năng ở những nhiệt độ dưới 200°C rất lớn. Nhưng, vì những xí nghiệp không phối hợp với nhau, hơi nước phụ phẩm của những nhà máy nhiệt điện chưa được dùng mấy trong những quy trình sản xuất.

3. Tất cả các nguồn năng lượng cơ bản và năng lượng trung gian đều có thể được dùng để sản xuất điện. Vì đốt than gây ra ô nhiễm và sinh ra khí có hiệu ứng nhà kính, người ta tìm cách chuyển sang khí đốt và những năng lượng tái tạo như là thủy năng, quang năng và phong năng. Về năng lượng sinh học thì điện được sản xuất từ phế liệu của nông nghiệp, lâm nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm. Uranium chiếm 17 phần trăm thị phần năng lượng của ngành sản xuất điện nhưng chỉ cung ứng khoảng 6 % lượng điện, tương đương với thủy năng (hình 6 và 7). Điều này dễ hiểu vì điện từ uranium là điện của một nhà máy nhiệt điện nên hiệu suất chỉ bằng một phần ba năng lượng chứa trong uramium có khả năng phân hạch. Ngược lại thủy năng biến thành điện gần trọn vẹn.

Hình 6   Tiêu thụ năng lượng cơ bản của ngành sản xuất điện
(Tính từ số liệu của IEA, 2005)

Hình 7 – Sản lượng điện chia theo nguồn năng lượng cơ bản
(Tính từ số liệu của IEA, 2005)

1. Cho tới nay chỉ có ngành sản xuất điện là dùng đến nguồn năng lượng hạt nhân. Nhưng, trên nguyên tắc, những ngành công nghiệp cần đến nhiệt năng đều có thể dùng hơi nước của những lò phản ứng hạt nhân². Tỷ dụ, ngành lọc dầu tiêu thụ non 10 phần trăm dầu thô và dầu đã được thanh lọc để sản xuất những sản phẩm dầu (dầu lửa, dầu diezen, dầu kerozen, dầu xăng). Dầu đốt trong những chòi cất thường có nhiều cặn bẩn và có hàm lượng những chất bần như là lưu huỳnh. Nhà máy dùng những dầu này vì có thể được trang bị những bộ phận lọc hữu hiệu những cặn bẩn và chất bần và vì không thể bán ra ngoài được. Tuy nhiên cũng có ý kiến cung ứng nhiệt năng để lọc dầu đó bằng hơi nước nén sản xuất từ một lò hạt nhân để thay thế dầu thô và sản phẩm dầu.

Đổi quy trình sản xuất

Nhu cầu năng lượng quy ra giá trị gia tăng của sản phẩm khác nhau rất nhiều tùy ngành công nghiệp. Hàm lượng năng lượng của một sản phẩm tích lũy từ nguyên liệu cơ bản (nghĩa là từ khoáng sản hãy còn nằm trong lòng đất) quy ra giá thành của sản phẩm cuối cùng cũng khác nhau rất nhiều.

1. Trong ngành lọc dầu, dầu thô phải được đun lên đến 400/500°C. Ngành này tiến hành liên tục những công trình nghiên cứu tìm những chất xúc tác và những quy trình sản xuất giảm nhiệt độ đó và luôn thể giảm nhu cầu năng lượng dùng để cất dầu thô thành những sản phẩm dầu khác nhau.

2. Cho tới nay, 90% lò phản ứng hạt nhân dùng để sản xuất điện là những lò hơi PWR. Để tận dụng những hạt nhân uranium và thorium như trình bày ở một phần trên, nhóm quốc tế Generation IV, gồm mười ba quốc gia, đang nghiên cứu thiết kế sáu kiểu lò phản ứng hạt nhân và chu trình xử lý nhiên liệu hạt nhân tương ứng mới. Những kiểu lò đó gọi là lò phản ứng thế hệ bốn³.

3. Những xí nghiệp các nước hậu công nghiệp phải đối phó với ba vấn đề :

• những nhóm chính trị chống ô nhiễm, thường gọi là Đảng Xanh, gây áp lực để giảm những vi phạm môi trường tự nhiên,

• hiệp ước Kyoto bắt họ phải mua quyền thải khí di oxyd cacbon

• lương nhân công cao.

Trước tình trạng đó, những xí nghiệp đó có hai lối thoát :

• chuyển sang ngành kinh tế khác ít ô nhiễm hơn ; tỷ dụ những xí nghiệp luyện kim Đức đổi sang ngành tin học, ngành dịch vụ du lịch,... có ít nhu cầu năng lượng hơn.

• chuyển những cơ sở sản xuất gây ô nhiễm nhất ở nước họ sang những nước có kinh tế đang nổi lên.

Những nước đang nổi lên có những dễ dãi về tôn trọng môi trường và về bảo hộ người lao động. Không những nước chủ nhà nhập vốn đầu tư từ những nước hậu công nghiệp mà còn nhập thêm ô nhiễm và chính sách khai thác người lao động từ những nước đó. Khi công nghiệp của họ tăng trưởng thì nhu cầu về năng lượng tăng và môi trường tự nhiên cũng bị ô nhiễm thêm. Đây là giá phải trả để trở thành "công xưởng của thế giới".

Tiện nghi nhà ở

Năng lượng dùng cho tiện nghi nhà ở có ba mục đích :

• nấu thức ăn,

• đun nước nóng sinh hoạt và điều hoà không khí,

• chạy những thiết bị cơ điện nội thất.

Thống kê về tiêu thụ năng lượng cho tiện nghi nhà ở của những nước công nghiệp cũng như của những nước khác đều không chính xác. Tuy nhiên, các chuyên gia nhất trí rằng năng lượng tái tạo chiếm ít nhiều một nửa thị phần năng lượng dùng cho tiện nghi nhà ở, sau đó là khí đốt và điện (hình 8).

Hình 8   Tiêu thụ năng lượng khả dụng cho tiện nghi nhà ở
(Tính từ số liệu của IEA, 2005)

Gia tăng hiệu suất năng lượng

Nấu thức ăn

Hơn một nửa nhân loại nấu ăn nhờ những nhiên liệu nhặt mót ở ngoài thiên nhiên : củi gỗ, rơm, cỏ, phân súc vật,... Những lò bếp họ dùng không có hiệu suất năng lượng cao. Có nhiều nơi dân địa phương, thường là phụ nữ và trẻ em, mỗi ngày phải đi bộ cả mấy cây số để kiếm được vài cành củi mang về nhà nấu ăn. Có nhiều nơi khác, rừng bị đốn để lấy củi. Trước tình trạng đó, nhiều tổ chức phi chính phủ có nghiên cứu thiết kế nhiều mẫu lò bếp nâng cao hiệu suất năng lượng và biếu quyền sở hữu sáng chế cho những nước nghèo.

Ở những nước giầu, người ta nấu ăn bằng than củi, than đá, khí đốt hay điện. Nhiệt độ đạt được và hiệu suất năng lượng cao hơn. Những bếp điện được liên tục cải tiến để tiết kiệm năng lượng. Hiện nay những bếp điện tiết kiệm nhiều năng lượng nhất là bếp từ trường và lò vi ba. Những thiết bị này chuyển gần hết năng lượng của điện tiêu thụ sang thực phẩm.

Đun nước nóng sinh hoạt và điều hòa không khí

Nhiều dân tộc đã khai triển những điều kiện cư trú rất thích ứng với khí hậu địa phương. Những kiến trúc hữu hiệu nhất về năng lượng là những kiến trúc khí hậu sinh học (bio climatic architecture). Kiến trúc đó dựa trên bốn nguyên tắc :

• vôlăng nhiệt tích trữ năng lượng mặt trời ban ngày để dùng ban đêm và, tốt hơn nữa, tích trữ vào mùa nóng để dùng vào mùa lạnh,

• môi trường thiên nhiên và hình dáng kiến trúc ngăn cản ánh sáng mặt trời vào nhà khi trời nóng và hướng ánh sáng mặt trời vào nhà khi trời lạnh,

• lớp cách nhiệt để giảm khả năng cân bằng nhiệt độ trong nhà và nhiệt độ ở ngoài,

• hiệu ứng ống khói dùng sai biệt nhiệt độ giữa tầng dưới và tầng trên để không khí tự động bay từ dưới lên trên rồi thổi khí nhiễm bẩn ra ngoài.

Ở những vùng ôn đới, những căn nhà xây theo những nguyên tắc của kiến trúc khí hậu sinh học không cần tiêu thụ năng lượng để duy trì tiện nghi.

Ở những vùng rất lạnh thì cần thêm năng lượng để sưởi. Khi ở không liên tục thì xây nhà có quán tính nhiệt thấp, ngược lại, khi ở liên tục thì xây nhà có quán tính nhiệt cao. Một lò sưởi hoàn lại tối đa năng lượng chứa trong năng lượng khả dụng dùng để sưởi. Một máy bơm nhiệt sẽ hoàn lại hai hay ba lần điện năng để chạy máy bơm. Ở những nơi thuận tiện, có thể dùng củi để sưởi thay vì điện năng hay năng lượng không tái tạo.

Ở những vùng rất nóng thì cũng cần thêm năng lượng để giảm nhiệt độ nơi có người ở. Đa số máy bơm nhiệt chạy bằng điện vì là những máy chu kỳ nén. Nhưng rất có thể dùng máy bơm nhiệt chu kỳ hấp thụ với mạng hơi nước nén của đô thị làm nguồn nóng. Chỉ cần một vài độ Celsius dưới nhiệt độ bên ngoài là đủ có cảm giác mát rồi. Sai biệt nhiều nhiệt độ hơn sẽ dẫn tới lãng phí năng lượng mà không mang lại thêm tiện nghi.

Một thiết bị lớn có hiệu suất năng lượng cao hơn là một thiết bị nhỏ. Nếu sưởi bằng lò sưởi nước nóng thì dùng một lò đun nước chung cho sưởi và nước nóng sinh hoạt. Nếu sống ở một chung cư hay một cụm nhà ở thì dùng một lò hơi tập thể để có chung nước nóng sinh hoạt và điều hòa không khí.

Chạy những thiết bị cơ điện nội thất.

Bây giờ có những bóng đèn tiêu thụ điện ít hơn và dùng được lâu hơn là những bóng đèn nóng sáng. Nhờ tiến bộ kỹ thuật, hiệu suất điện của những thiết bị cơ điện nội thất khác, đặc biệt của những thiết bị điện tử, càng ngày càng tăng.

Chuyển sang những năng lượng khác

Năng lượng dùng cho tiện nghi nhà ở tùy ở khả năng địa phương.

Nấu thức ăn

Ở những nước nghèo chỉ có củi và than củi để nấu thức ăn. Gần những khu mỏ than, người bần cố có thể mót than đá rơi từ những phương tiện vận tải chở than. Vài tổ chức phi chính phủ thiết kế để biếu hay bán rẻ những kiểu mẫu bếp chạy bằng ánh sáng mặt trời.

Người nước giầu có điều kiện chọn dùng tất cả các loại năng lượng khả dụng tùy ở những áp dụng. Tiêu chuẩn là dùng năng lượng đó có tiện hay không. Tỷ dụ, để nấu thức ăn, người ta dùng củi và than củi nếu ở gần nơi có rừng cây, địa năng ở những nơi gần núi lửa, khí đốt vì ngọn lửa có thể điều chỉnh được một cách chính xác, điện vì an toàn và sạch, bếp chạy bằng ánh sáng mặt trời để cho vui với bạn bè. Bây giờ người ta không dùng than đá nữa vì nhiều bụi và khói.

Đun nước nóng sinh hoạt và điều hòa không khí

Với giá dầu đốt tăng cao và để giảm lượng khí có hiệu ứng nhà kính, người ta bắt đầu chuyển từ dầu đốt sang khí đốt để đun nước nóng sinh hoạt và điều hòa không khí. Ở những nơi có nguồn điện dồi dào và rẻ, người ta cũng chuyển sang điện.

Với những tiến bộ của công nghệ năng lượng mặt trời, dù ở gần hay ở xa xích đạo, đun nước sinh hoạt bằng ánh sáng mặt trời cũng đều có lợi trên phương diện kinh tế. Xây nhà theo kiến trúc khí hậu sinh học ám chỉ năng lượng để điều hòa không khí chủ yếu là năng lượng mặt trời.

Nước nóng hay hơi nước có thừa của một nhà máy gần nhà hay nước nóng bơm từ lòng đất có thể là nguồn năng lượng dùng để đun nước nóng sinh hoạt và để điều hòa không khí. Ở những xứ lạnh, người ta dùng để sưởi nhà. Ở những xứ nóng, thay vì dùng máy bơm nhiệt chu trình nén thì người ta dùng máy bơm nhiệt chu trình hấp thụ với nước nóng của nhà máy làm nguồn nóng.

Chạy những thiết bị cơ điện nội thất

Điện có thể được cung ứng từ một quạt gió cá nhân và những bản quang điện. Những nguồn điện đó liên kết với mạng phân phối điện quốc gia để có thể trao đổi điện : khi có thừa thì bán điện cho mạng khi thiếu thì mua. Nếu tổng cộng bán nhiều hơn là mua thì người ta gọi nhà đó là một nhà có tổng kết năng lượng dương.

Đổi tập quán sinh sống

Ở những nước giầu những tập quán sinh sống gây ra nhiều lãng phí năng lượng. Những thói quen sau đây sẽ giảm nhu cầu năng lượng :

• cách ly nhiệt nhà ở hay, tốt hơn, ở nhà đã được thiết kế theo nguyên tắc của kiến trúc khí hậu sinh học,

• sống ở đô thị và ở nhà gần nơi làm việc để ít phải di chuyển,

• ở xứ lạnh, mặc thêm quần áo ấm để giảm nhu cầu sưởi,

• ở xứ nóng, mặc áo nhẹ và không đeo cravat để có thể chịu nóng,

• mua thực phẩm và nấu thức ăn đủ cho mỗi bữa hay mỗi ngày để ít phải đông lạnh rồi làm tan giá và hâm lại lương thực,

• tắt đèn và tắt những thiết bị điều hòa không khí khi không còn có người ở trong một căn phòng,

• không để một thiết bị ở trạng thái canh chừng khi không dùng đến nữa,

• ….

Những lời khuyên này có vẻ nhỏ nhen. Nhưng nếu mỗi cá nhân thi hành liên tục thì cuối năm sẽ nhận thấy đã tiết kiệm được nhiều năng lượng.

Kỳ IV: "Phát triển bền vững"

Đặng Đình Cung