Bài tập lớn Môi trường và con người: Công nghệ xanh và năng lượng sạch hạt nhân, địa nhiệt, Fuel Cell

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

165
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài tập lớn Môi trường và con người: Công nghệ xanh và năng lượng sạch hạt nhân, địa nhiệt, Fuel Cell trình bày các nội dung chính: Công nghệ xanh và năng lượng sạch, Ứng dụng công nghệ xanh và năng lượng sạch, tế bào nhiên liệu, năng lượng địa nhiệt, năng lượng hạt nhân,... Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên Môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài tập lớn Môi trường và con người: Công nghệ xanh và năng lượng sạch hạt nhân, địa nhiệt, Fuel Cell

Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh  Bài Tập Lớn Môn Môi Trường Và Con Người Đề Tài: CÔNG NGHỆ XANH VÀ NĂNG LƯỢNG SẠCH HẠT NHÂN, ĐỊA NHIỆT, FUEL CELL Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Các thành viên của nhóm: 1. Lê Quốc Trí G1003578 2. Trương Quốc Dũng 51100649 3. Phạm Võ Trọng Ân 51200154 4. Tăng Kiến An 51200024 5. Phạm Đăng Khoa 81201717 6. Hồ Thanh Lâm 81201835 7. Nguyễn Tuấn Anh 81200095 8. Lê Đức Toàn 81203913
MỤC LỤC I. Công nghệ xanh và năng lượng sạch: ..............................................................2 1. Công nghệ xanh: ..........................................................................................2 2. Năng lượng sạch: .........................................................................................2 II. Ứng dụng cộng nghệ xanh và năng lượng sạch:............................................2 1. Tế bào nhiên liệu (fuel cell): ........................................................................2 a) Định nghĩa: ..............................................................................................3 b) Cấu tạo.....................................................................................................4 c) Nguyên lý hoạt động: ...............................................................................4 d) Phân loại: .................................................................................................5 e) Ứng dụng: ................................................................................................7 f) Vấn đề môi trường: ..................................................................................8 2. Năng lượng địa nhiệt: ..................................................................................9 a) Khái niệm về địa nhiệt năng: ..................................................................9 b) Tác động môi trường: .............................................................................12 c) Kinh tế: ....................................................................................................12 d) Triển vọng khai thác và sử dụng điện địa nhiệt ở Việt Nam: ...............13 3. Năng lượng hạt nhân: ..................................................................................14 a) Khai thác: ................................................................................................14 b) Sử dụng và tái sử dụng: ..........................................................................14 c) Tác động môi trường: ..............................................................................15 1
I. Công nghệ xanh và năng lượng sạch: 1) Công nghệ xanh: Công nghệ xanh là một khái niệm mới của con người trước nguy cơ ô nhiễm toàn cầu. Đây là một nỗi ưu tư lớn của những nhà làm khoa học chân chính nhằm mục đích cổ suý việc tạo dựng và tiêu dùng năng lượng qua chiều hướng phát thải phế thải không độc hại hay ít độc hại ngõ hầu hạn chế được vấn nạn hâm nóng toàn cầu hiện tại. Từ suy nghĩ đó, họ luôn luôn nghĩ đến phương cách, quy trình mới, sáng tạo và cải tiến các công nghệ cũ trở thành công nghệ xanh để bảo vệ môi trường chung cho thế giới. Mục tiêu của chiều hướng giải quyết vần đề qua khái niệm công nghệ xanh gồm nhiều lãnh vực căn bản liệt kê như sau: - Phát triển bền vững bằng những công nghệ thân thiện với môi trường (friendly), không làm tổn hại đền nguồn tài nguyên thiên nhiên hay ảnh hưởng nguy hại đến những thế hệ tương lai. - Tạo dựng một chu trình kín trong sản xuất, nghĩa là phế phẩm của một quy trình sẽ là nguyên liệu của một quy trình sản xuất khác. - Giảm thiểu tối đa phế thải độc hại và tăng cường khả năng tái tạo sản phẩm cũ thành nguyên liệu mới. - Trong nông nghiệp, sáng tạo công nghệ mới thay vì sư dụng phân bón và hoá chất. - Một trong những lãnh vực quan trọng nhất cần phải nêu ra là lãnh vực năng lượng. Công nghệ xanh đòi hỏi cần phải sử dụng năng lượng hợp lý hoặc giảm thiểu hầu bảo vệ mội trường thiên nhiên. - Hóa học xanh cũng là một yếu tố quan trọng góp phần vào việc giải quyết công nghệ xanh. 2) Năng lượng sạch: Là nguồn năng lượng không có chất thải hoặc có chất thải nhưng không gây ô nhiễm bầu không khí và ô nhiễm nguồn nước hoặc không ảnh hưởng tới môi trường sống của con người và hệ sinh thái. Ví dụ như điện, gió, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng sạch. II. Ứng dụng cộng nghệ xanh và năng lượng sạch: 1) Tế bào nhiên liệu (fuel cell): 2
a. Định nghĩa: Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell), hay còn gọi là "pin nhiên liệu", biến đổi năng lượng hóa họccủa nhiên liệu, thí dụ như là hiđrô, trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hiđrô) và chất ôxi hóa (ôxy) được đưa từ ngoài vào. Pin nhiên liệu là loại thiết bị năng lượng có mức thải ô nhiễm gần như "bằng 0", thân thiện với môi trường tuy nhiên giá thành của nó không hề nhỏ * Lịch sử  Năm 1839 nhà khoa học tự nhiên người xứ Wales Sir William Robert Grove đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của tế bào nhiên liệu, bao gồm hai điện cựcplatin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hiđrô và ống kia chứa ôxy. Hai điện cực được nhúng trong axít sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dòng điện một chiều. Vì việc chế tạo các hệ thống tế bào nhiên liệu quá phức tạp và giá thành đắt, công nghệ này dừng lại ở đấy cho đến thập niên 1950.  Thời gian này ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao. Các tàu du hành vũ trụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong. NASA đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thông qua tế bào nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo. Các tế bào nhiên liệu sử dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965. Với công suất khoảng 1 kW các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện vànước uống cho các phi hành gia vũ trụ. Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60 cm và có đường kính là 20 cm.  Công việc nghiên cứu về công nghệ tế bào nhiên liệu không phải bị ngưng đến thập niên 50 của thế kỷ 20 mà nó vẫn được tiếp tục phát triển để hoàn thiện.  Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện môi trường cho tương lai tế bào nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990. Thông qua đó việc sử dụng tế bào nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự đã trở thành hiện thực. Ngày nay khả năng sử dụng trải dài từ vận hành ô tô, sưởi nhà qua các nhà máy phát điện có công suất hằng 100 kW cho đến những ứng dụng bé nhỏ như trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay. 3
b. Cấu tạo: Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau. Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớp thứ ba là điện cực khí ôxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì, ...). Chất điện phân được dùng là nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của tế bào nhiên liệu, có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Vì một tế bào riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng nhiều tế bào riêng lẻ được nối kế tiếp vào nhau, tức là chồng lên nhau. Người ta thường gọi một lớp chồng lên nhau như vậy là stack. Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắn của sự vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu. c. Nguyên lý hoạt động: Về phương diện hóa học tế bào nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrô và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện. Tế bào năng lượng lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý năng lượng thu được ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton) như sau: Ở bề mặt cực dương khí hiđrô bị ôxy hóa bằng hóa điện: Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với khí ôxy có sẵn trong không khí (nồng độ 21%) và các điện tử tạo thành nước: Tổng cộng: 4
d. Phân loại: Các hệ thống tế bào nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo cách nhìn: + Phân loại theo nhiệt độ hoạt động + Phân theo loại các chất tham gia phản ứng + Phân loại theo điện cực + Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày nay Liệt kê dưới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau:  AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm)  PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua mạng lọc) 5
 PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric)  MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy)  SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn)  DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp) 6
e. Ứng dụng:  Tế bào nhiên liệu được sử dụng đầu tiên trong những lĩnh vực mà phí tổn không đóng vai trò quan trọng. Tế bào nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng thời đáng tin cậy và ít ồn ào hơn động cơ Diesel. Những điều này giải thích tại sao giới quân sự và ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm. Một số tàu thuyền trên biển cũng dùng tế bào nhiên liệu.  Động cơ thúc đẩy cho các ứng dụng dân sự xuất phát từ nhận thức trữ lượng dầu mỏ trên Trái Đất là có hạn nhưng vẫn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe thời kỳ sau dầu mỏ vốn đang mang về nhiều lợi nhuận.  Từ 20 năm nay nhiều hãng sản xuất xe (DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) đã nghiên cứu về xe có nhiên liệu là hiđrô, sử dụng tế bào nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng và dùng động cơ điện để vận hành. Kỷ thuật này đã được phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ.Ở Hamburg (Đức) và Stuttgart (Đức) người ta đang thử nghiệm chạy xe buýt sử dụng nhiên liệu hydro trên các tuyến đường xe buýt bình thường. Từ năm 2003 hai hãng đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành bằng điện được cung cấp từ máy phát điện Diesel hoặc từ một hệ thống tế bào nhiên liệu hiđrô.  Các tế bào nhiên liệu sử dụng khí đốt đang chuẩn bị đẩy lùi các thiết bị kết hợp phát điện và sưởi (combined heat and power plant). Ở hệ thống này khí đốt được biến đổi thành hiđrô đưa vào tế bào nhiên liệu.  Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp năng lượng này. Xe máy Yamaha Xe ôtô GM HydroGen Tàu Hydrogen Challenger. Xe bus dùng pin nhiên liệu Tàu ngầm 7
f. Vấn đề môi trường:  Để thật sự thân thiện với môi trường và khí hậu, một mặt các tế bào nhiên liệu chỉ được phép thải ra các khí nhà kính và các chất có hại khác càng ít càng tốt, mặt khác quá trình khai thác chất đốt cũng không được phép thải ra các chất khí đó. Vấn đề chính là ở chỗ này vì khí hiđrô không có trong tự nhiên mà phải dùng năng lượng để sản xuất ra.  Nước hoặc các hợp chất hydrocacbon như khí tự nhiên, dầu mỏ hoặc mêthanol được xem là nguồn để sản xuất khí hiđrô. Việc tách nước qua điện phân về nguyên tắc là phù hợp với môi trường sinh thái nếu như năng lượng cần dùng cũng được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh như nước, Mặt Trờihoặc gió chứ không phải từ các phương pháp sản xuất điện thông thường.  Trong nhiều loại tế bào năng lượng ngày nay thật ra không phải khí hiđrô tinh khiết được dùng làm khí đốt mà lại là một chất đốt hóa thạch như khí tự nhiên,xăng hay methanol. Các loại tế bào nhiên liệu này được sử dụng nhiều nhất là trong công nghiệp ô tô để tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc chuyển đổi từ các động cơ thông thường sang các loại động cơ thay thế khác. Trong các kiểu động cơ hỗn hợp này khí tự nhiên được chuyển hóa bằng nhiệt lượng thành oxit cacbon và hiđrô. Hiđrô được dùng trong tế bào nhiên liệu làm chất đốt và được tiêu thụ hoàn toàn nhưng khí oxit cacbon vẫn còn lại, phản ứng với nước tạo thành đioxit cacbon, một khí nhà kính tác hại đến khí hậu.  Theo một nghiên cứu của Hội vì môi trường và bảo vệ tự nhiên Đức (Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland – BUND) các ô tô dùng tế bào nhiên liệu tuy thải khí ra tại chỗ rất ít hơn so với các động cơ thông dụng nhưng việc sản xuất ra hiđrô từ những nguồn năng lượng hóa thạch lại tạo ra các khí thải nên nếu tổng cộng lại, lượng các khí tạo ra hiệu ứng nhà kính được thải ra tăng lên rất nhiều. Việc thải khí chỉ di chuyển từ ô tô về nơi sản xuất ra hiđrô.  Thay vì hiđrô, nếu sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch khác như methanol thì tác động đến khí hậu vẫn như các động cơ Otto. Nhưng ít ra thì các hợp chất của lưu huỳnh và các chất độc hại đến sức khỏe thải ra từ ô tô tế bào nhiên liệu giảm đi rất nhiều.  Tóm lại bản nghiên cứu này cho rằng xe tế bào nhiên liệu thật sự là một lựa chọn cho tương lai nhưng chỉ khi hiđrô được sản xuất tái sinh ở khối lượng lớn đủ dùng và có thể tích trữ được. Mặc dù vậy, theo quan điểm của các chuyên gia, xe tế bào nhiên liệu vận hành bằng các chất đốt hóa thạch vẫn có ý nghĩa: Chúng giúp công nghệ này được phổ biến, phát triển và chấp nhận tốt hơn và như thế về lâu dài dọn đường cho các xe thật sự không phát sinh ra khí thải.  Khí tự nhiên được xem là chất đốt thích hợp nhất cho các thiết bị sử dụng tế bào nhiên liệu trong các nhà máy phát điện và cho các thiết bị nhỏ hơn dùng cho nhà ở. Kết quả bản nghiên cứu so sánh của BUND cho thấy ở đây khí hiđrô sản xuất tái sinh vẫn là phương 8
cách phù hợp với sinh thái nhất, nhưng mặc dù vậy các thiết bị tế bào nhiên liệu vận hành bằng khí tự nhiên thải ra lượng oxit nitơ ít đi gấp ba lần và thải ra các hợp chất của lưu huỳnh cũng ít đi nhiều.  Nếu sử dụng trong các nhà máy phát điện các chuyên gia dự tính việc phát thải các khí nhà kính có thể giảm đến khoảng 4% cho đến năm 2010. Thêm nữa, việc sản xuất điện và nhiệt để sưởi ấm được phân tản tiếp tục, các thiết bị nhỏ dùng cho nhà ở được thực hiện dễ dàng hơn và có hiệu quả nhiều hơn so với các công nghệ thông thường rất nhiều. Tổng kết lại các chuyên gia cũng khẳng định ở phần này là công nghệ tế bào nhiên liệu vẫn thân thiện với môi trường hơn các phương pháp sản xuất điện thông dụng rất nhiều. 2) Năng lượng địa nhiệt: a. Khái niệm về địa nhiệt năng: Địa nhiệt năng là loại năng lượng lấy từ nguồn nhiệt tự nhiên trong lòng quả đất bằng cách khoan sâu xuống lòng đất. Độ biến thiên địa nhiệt trong lỗ khoan vào khoảng 10 C/36mét. Nguồn nhiệt này được đưa lên mặt đất dưới dạng hơi nóng hoặc nước nóng. Nguồn nhiệt này có thể sử dụng trực tiếp để sưới ấm các căn hộ hoặc dùng để sản xuất điện năng. Theo tính toán, nhiệt độ ở tâm trái đất vào khoảng 6.650 độ C. Trái đất nguội dần với tốc độ khoảng 300 ÷ 350OC/1 tỉ năm. Khảng 2% lượng nhiệt nằm ở lớp vỏ của trái đất, còn lại 98 % ở phần ruột và trung tâm. Như vậy, 2% lượng nhiệt (tương ứng vào khoảng 840 tỉ W) cũng có thể đáp ứng nhu cầu của loài người trong một thời gian dài. Các nguồn địa nhiệt: Một số vùng trong vỏ trái đất, đặc biệt tại những vùng có hoạt động địa chấn mạnh nhiệt độ tăng rất nhanh theo chiều sâu. Như vậy, tiềm năng địa nhiệt ở những vùng quanh vành đai động đất là rất lớn. Phía dưới lớp vỏ trái đất là lớp đá nóng chảy gọi là mác-ma. Tiềm năng của nhiệt lượng ở độ sâu 10.000 mét gấp khoảng 50.000 lần toàn bộ trữ lượng dầu khí của trái đất. Nhiều điểm nóng nằm trong vành đai động đất Thái Bình Dương, còn gọi là “vành đai lửa” vì có rất nhiều núi lửa hoạt động. Những phương pháp sử dụng năng lượng địa nhiệt Hai phương pháp cơ bản sử dụng năng lượng địa nhiệt là sử dụng trực tiếp nguồn nhiệt hoặc dùng cho sản xuất điện năng. Nguồn nhiệt được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm các căn hộ, sấy quần áo, làm tan băng trên các đường giao thông. Nếu dùng nhiệt để sản xuất điện năng, nhiệt độ cần có phải cao hơn 1500C. Tại Caliphocnia khoảng 5% năng lượng điện được sản xuất từ nguồn địa nhiệt. Tại Xanvado là khoảng 30%. Tại Iceland nguồn địa nhiệt được dùng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp. 9
Nguyên lý hoạt động của các nhà máy điện địa nhiệt Hiện nay có 3 loại sơ đồ sản xuất điện năng sử dụng nguồn địa nhiệt: Sơ đồ trực tiếp sử dụng hơi nóng khô; sơ đồ gián tiếp sử dụng hơi nước và sơ đồ hỗn hợp (hai chu trình). Trong sơ đồ trực tiếp, hơi nóng thổi trực tiếp và tuốc bin, làm quay máy phát để sinh ra điện. Đây là kiểu nhà máy điện địa nhiệt lâu đời nhất, lần đầu tiên được xây dựng ở Italia năm 1904 và vẫn hoạt động cho đến nay. Tại Caliphocnia có nhà máy lớn nhất thế giới hoạt động theo nguyên lý này. Trong sơ đồ gián tiếp, hơi nước địa nhiệt được làm tăng độ nóng lên trên 1820C. Hơi nước được dồn vào buồng bay hơi để giảm áp lực, do vậy một phần dung dịch được biến thành hơi nước. Hơi nước sẽ làm quay tuốc bin. Nếu trong bình chứa còn dư chất lỏng, nó có thể được đưa vào bình bay hơi để tăng thêm công suất. 10
Trong sơ đồ hỗn hợp, sử dụng nước nóng có nhiệt độ thấp hơn 2000 C, là nguồn nước nóng dồi dào nhất trong đa số các vùng địa nhiệt. Nước nóng địa nhiệt và chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp hơn được đưa qua buồng trao đổi nhiệt. Nhiệt năng của nước địa nhiệt làm chất lỏng thứ cấp bốc hơi và hơi nước sẽ làm quay tuốc bin. Bởi vì đây là hệ thống khép kín nên không hề có chất thải vào khí quyển. Nước nóng có nhiệt độ vừa phải là nguồn địa nhiệt thông dụng có tiềm năng dồi dào nhất. Do đó đa số các nhà máy điện địa nhiệt trong tương lai sẽ hoạt động theo nguyên lý này. Iceland đang xây dựng nhà máy điện địa nhiệt cực lớn Tại Iceland đã thực hiện một lỗ khoan địa nhiệt sâu 3.000 mét tại vùng núi lửa để chuẩn bị cho dự án khai thác địa nhiệt dùng để sản xuất điện thân thiện với môi trường. Từ lỗ khoan sâu hai dặm gần núi lửa Krafla sẽ khai thác nước siêu lỏng (là trạng thái xóa nhòa ranh giới giữa pha lỏng và hơi). Nếu được sử dụng để phát điện thì Iceland sẽ tăng gấp 10 lần năng lượng khai thác từ lòng đất. Krafla Geothermal Station in Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới sử dụng địa nhiệt. Iceland xếp vị trí 14 trên thế giới về tiềm năng địa nhiệt nhưng là nước có sản lượng điện địa nhiệt tính theo đầu người cao nhất thế giới. Với tổng vốn đầu tư khoảng 22 tỉ USD, thực hiện trong 10 năm, dự án đầy tham vọng của Iceland ngay từ cuối năm 2009 đã bắt đầu khai thác nguồn nước địa nhiệt siêu lỏng. Các chuyên gia đặt cược cho sự thành công của dự án là 50/50. Nếu thành công, sẽ cho ra một sản lượng điện bằng một nhà máy điện nguyên tử cỡ vừa. Hiện tại, Iceland mới chỉ sử dụng khoảng 20% tiềm năng địa nhiệt đang có. Nếu khai thác toàn bộ trữ lượng địa nhiệt bằng phương pháp thông thường thì hàng năm sẽ cho ra sản lượng khoảng 20 tỉ W/giờ, tương đương với sản lượng của 3 lò phản ứng hạt 11
nhân. Iceland bắt đầu khai thác năng lượng địa nhiệt từ đầu thế kỷ 20. Trên hòn đảo này hiện đang hoạt động 5 nhà máy địa nhiệt điện với tổng công suất khoảng 420 MW, bằng 26,5% tổng năng lượng điện trong cả nước. Còn nguồn nhiệt dùng để để sưởi ấm và đun nóng nước bằng địa nhiệt chiếm tới 90% . Những vấn đề có thể phát sinh Dự án lớn về khai thác địa nhiệt của Iceland cũng tiềm ẩn những rủi ro nhất định. Trong trường hợp xấu nhất, nước nóng với áp lực cao có thể cuốn phăng dàn khoan như đã từng xảy ra năm 1999, tạo thành một hố sâu rộng tới 30 mét. Mặt khác, nước nóng ở độ sâu dưới lòng đất thường có chứa a-xít clohydric có thể phá hủy các kết cấu bằng thép. Ngoài ra, nếu khoan thủng tới tầng mác-ma thì chưa có công nghệ sử dụng và chế ngự nó và sẽ phải chuyển sang lỗ khoan khác. b. Tác động môi trường: Các dòng nước nóng được bơm lên từ dưới sâu trong lòng đất có thể chứa một vài khí đi cùng với nó như điôxít cacbon và hydro sunfua. Khi các chất ô nhiễm này thoát ra ngoài môi trường, nó sẽ góp phần vào sự ấm lên toàn cầu, mưa axít, và các mùi độc hại đối với thực vật xung quanh đó. Các nhà máy phát điện địa nhiệt hiện hữu phát thải trung bình 90–150 kg CO2 trên 1MWh điện, và cũng là một phần nhỏ so với các nhà máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Một số nhà máy được yêu cầu phải có hệ thống kiểm soát lượng phát thải nhằm làm giảm lượng axít và các chất bay hơi. Bên cạnh các khí hòa tan, nước nóng từ nguồn địa nhiệt có thể chứa các nguyên tố vết nguy hiểm như thủy ngân, arsen và antimon nếu nó được thải vào các con sông có chức năng cung cấp nước uống. Các nhà máy địa nhiệt về mặt lý thuyết có thể bơm các chất này cùng với khí trở lại lòng đất ở dạng cô lập cacbon. Việc xây dựng các nhà máy phát điện có thể ảnh hượng ngược lại đến sự ổn định nền đất của khu vực xung quanh. Đây là mối quan tâm lớn cùng với hệ thống địa nhiệt nâng cao, ở đây nước được bơm vào trong đá nóng và khô không chứa nước trước đó. Địa nhiệt cũng chiếm một diện tích đất tối thiểu; các nhà máy địa nhiệt hiện hữu sử dụng 1-8 hecta/1MW so với các nhà máy điện hạt nhân là 5-10ha/MW và 19 ha/MW đối với nhà máy điện chạy bằng than. c. Kinh tế Năng lượng địa nhiệt không cần nhiên liệu và cũng không phụ thuộc vào giá cả nhiên liệu nhưng chi phí đầu tư ban đầu sẽ cao. Chi phí cho một nhà máy điện địa nhiệt phải kể đến các chi phí chính như chi phí khoan giếng và thăn dò các nguồn dưới sâu vì chúng chứa đựng nhiều rủi ro về mặt tài chính rất cao. Hiện tại, chi phí xây dựng các nhà 12
máy điện địa nhiệt và các giếng chiếm khoảng 2-5 triệu € (Euro)/1MW công suất thiết kế, trong khi chi phí vận hành chiếm khoảng 0,04-0,10€/1kWh. Năng lượng địa nhiệt cũng có những cấp độ khác nhau: các nhà máy địa nhiệt lớn có thể cung cấp năng lượng cho toàn bộ các thành phố trong khi đó các nhà máy nhỏ hơn chỉ có thể cung cấp cho các khu vực nông thôn hoặc một số hộ gia đình. d. Triển vọng khai thác và sử dụng điện địa nhiệt ở Việt Nam: Dù phải đứng trước những thách thức về kinh tế, kỹ thuật như trên, các nhà khoa học về năng lượng địa nhiệt vẫn có những dự báo lạc quan rằng khai thác địa nhiệt đã và sẽ được vượt qua khó khăn ban đầu để năng lượng địa nhiệt sẽ thực sự có vị trí quan trọng trong các nguồn năng lượng của tương lai. Ở Việt Nam, theo khảo sát và đánh giá của các nhà khoa học, hiện có khoảng 264 nguồn, suối nước nóng phân bố tương đối đều trên cả nước: như suối nước nóng Kim Bôi-Hòa Bình, Thạch Bích-Quảng Ngãi, Bình Châu-Bà Rịa-Vũng Tàu,….với nhiệt độ trung bình từ 70-100oC ở độ sâu 3km. Ông Tạ Hường, Phó Chủ tịch Hội Nhiệt Việt Nam cũng nhận định, nước ta được đánh giá là có tiềm năng địa nhiệt trung bình so với thế giới. Bên cạnh đó, nguồn năng lượng này ở nước ta còn có ưu điểm là phân bố đều trên khắp lãnh thổ cả nước nên cho phép sử dụng rộng rãi ở hầu hết các địa phương như Phú Thọ, Quảng Bình, Quảng Trị… Mới đây, Chính phủ đã đồng ý cấp phép đầu tư xây dựng Nhà máy Điện địa nhiệt đầu tiên tại Đakrông - Quảng Trị. Nhà máy dự kiến có công suất 25MW với vốn đầu tư khoảng 50 triệu đô la Mỹ. Việc xây dựng Nhà máy Điện địa nhiệt tại huyện Đakrông sẽ tận dụng được nguồn tiềm năng thiên nhiên từ khu mỏ nước nóng tại đây và còn có thêm một ý nghĩa nữa, đó là góp phần cải thiện đời sống sinh hoạt của bà con dân tộc Vân Kiều đang sinh sống tại địa bàn. Trong quá trình hoạt động, Nhà máy Điện địa nhiệt còn giúp cải thiện môi trường xung quanh và có thể tận dụng để phát triển du lịch. Quyết định này được xem là động thái đầu tiên của Chính phủ nhằm đánh thức tiềm năng lớn về nguồn năng lượng sạch của nước ta; đồng thời mở ra triển vọng khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng hữu ích này rộng rãi vào đời sống kinh tế xã hội của đất nước, vừa giải quyết được bài toán kinh tế vừa thân thiện với môi trường. 13
3) Năng lượng hạt nhân: a. Khai thác: Năng lượng hạt nhân khi so sánh với năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch: cực kỳ tiết kiệm nhiêu liệu, không có nguy cơ phát tán khí thải. Theo tính toán, 1 tấn Uranium được phân hạch hoàn toàn tạo ra một lượng năng lượng tương đương với 3 triệu tấn than đá hoặc 14 triệu thùng dầu. Đáng tiếc là, công nghệ năng lượng hạt nhân hiện nay, chủ yếu dựa trên các Lò phản ứng Nước Nhẹ (Light Water Reactors-LWR) được vận hành hầu như đối với Uranium được làm giàu và các neutron nhiệt, còn xa so với những kỳ vọng được lý tưởng hóa đã đề cập ở trên. Chỉ có 235U (chiếm 0.71%) chứa trong Uranium tự nhiên là có thể phân hạch trực tiếp được, trong đó, khoảng 60% được tách chiết bằng kỹ thuật làm giàu. Do đó, chỉ khoảng 0,4% năng lượng tiềm tàng chứa trong Uranium tự nhiên là được khai thác. b. Sử dụng và tái sử dụng:  Sử dụng: Các nhà máy năng lượng hạt nhân biến đổi năng lượng giải phóng từ hạt nhân nguyên tử thông qua phản ứng phân hạch. Khi một hạt nhân nguyên tử dùng để phân hạch (thường là urani 235 hoặc plutoni-239) hấp thụ nơtron sẽ tạo ra sự phân hạch nguyên tử. Quá trình phân hạch tách nguyên tử thành 2 hay nhiều hạt nhân nhỏ hơn kèm theo động năng (hay còn gọi là sản phẩm phân hạch) và cũng giải phóng tia phóng xạ gamma và nơtron tự do. Một phần nơtron tự do này sau đó được hấp thụ bởi các nguyên tử phân hạch khác và tiếp tục tạo ra nhiều nơtron hơn. Đây là phản ứng tạo ra nơtron theo cấp số nhân. Đến năm 2005, năng lượng hạt nhân cung cấp 2,1% nhu cầu năng lượng của thế giới và chiếm khoảng 15% sản lượng điện thế giới, trong khi đó chỉ tính riêng Mỹ, Pháp và Nhật Bản sản lượng điện từ hạt nhân chiếm 56,5% tổng nhu cầu điện của ba nước này. Đến năm 2007, theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) có 439 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên thế giới, thuộc 31 quốc gia. 14
 Tái sử dụng: Chu trình nguyên liệu hạt nhân bắt đầu khi urani được khai thác, làm giàu và chế tạo thành nguyên liệu hạt nhân, đưa đến nhà máy năng lượng hạt nhân. Sau khi sử dụng trong nhà máy, nguyên liệu được đưa tới nhà máy tái xử lý. Trong quá trình tái xử lý, 95% nguyên liệu đã xử dụng có thể thu hồi để tái sử dụng. c. Tác động môi trường:  Tác động của việc khai thác mỏ urani: Quặng urani chủ yếu được khai thác bằng cách cổ điển ở mỏ lộ thiên hoặc mỏ ngầm. Nếu là mỏ lộ thiên, chỉ cần bóc lớp đất đá phủ tương đối mỏng để lấy quặng, còn mỏ ngầm thì phải đào hầm lò khá sâu qua lớp đá không quặng, có khi tới hai ba kilômet dưới lòng đất. Hàng triệu lít nước ô nhiễm bơm từ mỏ vào sông rạch, khiến lớp trầm tích ngày càng chứa nhiều chất phóng xạ hơn. Tuy việc thông khí ở mỏ giảm được phần nào tai hại cho sức khỏe công nhân, nhưng bụi phóng xạ và khí rađon thổi ra ngoài lại làm tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư phổi cho người dân sống gần đó. Đá thải chất thành gò lớn cũng hay có độ phóng xạ cao hơn các loại đá bình thường. Kể cả khi mỏ đã ngừng hoạt động, gò đá thải vẫn còn là mối đe dọa đối với môi trường và các khu dân cư lân cận vì khí rađon, nước rỉ ô nhiễm có thể thoát ra ngoài. Sau khi ngừng khai thác, để phòng tai họa cho con người và môi trường, cần phải thu dọn, cải thiện tình trạng ô nhiễm ở mỏ và phân xưởng gia công, cũng như phải quản lý chặc chẽ một lượng phế thải (đá và quặng thải) hạt nhân khổng lồ. Chi phí xử lý sau khi khai thác tuỳ thuộc vào tiêu chuẩn bảo vệ môi trường. Đức phải chi 49 USD cho mỗi tấn phế thải hay 14 USD cho mỗi cân Anh U3O8 khai thác ở CHDC Đức cũ, trong khi các chi phí tương ứng của Canađa là 0,48 USD/tấn phế thải và 0,12 USD/lb U3O8. Tổng chi phí xử lý mấy chục triệu tấn phế thải từ một mỏ urani sẽ lên tới hàng triệu, thậm chí hàng trăm triệu đô-la Mỹ. Càng để lâu, việc xử lý phế thải càng khó khăn và tốn kém hơn.  Chất thải hạt nhân: Chất thải phóng xạ hiện là một vấn đề chưa có được hướng giải quyết triệt để Nhìn tổng thể, năng lượng hạt nhân tạo ra rất ít chất thải so với năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch. Tro, bụi, khói từ nhiên liệu hoá thạch có ít phóng xạ hơn chất thải phóng xạ, nhưng mỗi đơn vị năng lượng khi được tạo ra bằng nhiên liệu hoá thạch sẽ thải ra một lượng khí thải cao gấp nhiều lần so với năng lượng từ phản ứng phân hạch. 15
Tuy nhiên chất thải phóng xạ lại cực kì độc hại và tồn tại rất lâu trong môi trường do các nhiên liệu phóng xạ đều có chu kì bán rã cực kì lâu, nên việc xử lý chất thải phóng xạ có thể coi là nhược điẻm duy nhất của nền công nghiệp hạt nhân. Các chất thải phóng xạ được trữ trong hơn 430 vị trí trên thế giới, nơi mà nguyên liệu phóng xạ tiếp tục được tích luỹ.  Xử lý chất thải hạt nhân: Dưới đây là 8 giải pháp đối mặt với vấn đề chất thải hạt nhân và những rủi ro từ chúng:  Đưa vào không gian Nỗi lo về chất thải hạt nhân sẽ tan biến và không thể gây hại cho con người nếu chúng ta có thể đưa chúng vào hệ mặt trời, hay “thả” vào mặt trời. Nhưng nếu các vụ phóng tàu để đưa ra các chất thải hạt nhân vào không gian thất bại, hậu quả sẽ khôn lường như thế nào? Khi tàu phóng rơi xuống các đại dương, phát nổ trên vùng thượng quyển… hậu quả với con người, sinh vật trên Trái Đất là khôn lường. Do đó, việc đưa chất thải ra ngoài vũ trụ cần được cân nhắc. Thậm chí, giả sử việc phóng ra ngoài không gian thành công theo đúng lộ trình và an toàn, rất có thể một ngày nào đó, những chất thải đó có thể quay trở lại.  Chôn sâu trong lòng đất Việc chôn chất thải hạt nhân xuống sâu dưới lòng đất là một lựa chọn ưa thích của nhiều quốc gia. Tuy nhiên, nó sẽ được chôn như thế nào là câu hỏi gây ra sự tranh cãi. Giải pháp chôn sâu vẫn là một dự tính trên giấy, mô tả việc đưa chất thải vào trong những chiếc hộp thép rồi chôn sâu hàng km dưới bề mặt Trái Đất. Một lợi thế của việc chôn chất thải là có thể khoan chúng gần các lò phản ứng hạt nhân, giúp giảm khoảng cách để vận chuyển những chất thải “nguy hiểm cao độ” xuống nơi chôn lấp. Tuy nhiên, các nước đều vấp phải vấn đề liên quan đến lựa chọn địa điểm chôn lấp chất thải, những nguyên tắc tiêu chuẩn để đảm bảo an toàn cho môi sinh khu vực đó…  Chôn lấp dưới đáy biển Phần lớn đáy của các đại dương đều cấu tạo từ lớp đất sét dày và nặng, một nguyên liệu hoàn hảo để hấp thụ phóng xạ của các chất thải hạt nhân phát ra. Biện pháp này được nhà hải dương học Charles Hollister, thuộc Viện Hải dương Woods Hole khởi xướng vào năm 1973. Việc lưu giữ chất thải hạt nhân dưới đáy biển được Quốc hội Mỹ thông qua năm 1986. Tuy nhiên, vấn đề nổi cộm với việc lưu trữ, đó là phải thực hiện khoan các giếng ngầm sâu dưới đáy biển. Thảm họa tràn dầu Deepwwater Horizon là lời cảnh báo đối với các hoạt động khoan, khai thác dưới đáy biển. Bên cạnh đó, còn nhiều tranh cãi trong các diễn đàn đa phương của các quốc gia phát triển hạt nhân nói riêng và toàn cầu về vấn đề xử lý chất thải hạt nhân ra biển. Vì 16
vậy, giải pháp chôn lấp dưới đáy biển cần sự xem xét bằng các thỏa ước quốc tế nhằm đem lại lợi ích chung.  Chôn lấp ở vùng hút chìm Khái niệm vùng hút chìm còn lạ lẫm với nhiều người. Đây là thuật ngữ trong địa chất học, là nơi diễn ra quá trình hội tụ biên giới giữa các mảng kiến tạo: một mảng kiến tạo di chuyển xuống dưới mảng kiến tạo khác, sau đó bị chìm xuống dưới lớp vỏ trái đất. Tỉ lệ sự hút chìm khoảng vài cm mỗi năm (trung bình từ 2-8 cm). Về mặt lý thuyết, việc chôn lấp chất thải hạt nhân ở vùng hút chìm sẽ đưa những thùng chứa nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng dọc theo đai băng chuyền giữa các mảng kiến tạo và đi vào trong lớp vỏ Trái Đất. Tuy nhiên, giải pháp này gặp phải nhiều vấn đề liên quan đến chủ quyền lãnh thổ quốc gia cũng như sự tham gia của nhiều bên liên quan, giống như dự án chôn lấp dưới đáy biển  Chôn dưới sông băng Việc đặt các quả cầu chất thải hạt nhân xuống các phiến băng ổn định, để nó chảy xuống bên dưới, sau đó sẽ được các lớp băng khác cô đặc lại. Chất thải có thể được bảo quản vĩnh viễn bên dưới các lớp băng dày hàng chục m. Tuy nhiên, ý kiến này sớm bị loại bỏ. Lý giải cho việc bác bỏ, là lo ngại việc dịch chuyển các mảng băng cũng như hiện tượng biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu. Hiện nay, đỉnh Quelccaya ở Nam Peru, đỉnh núi băng nhiệt đới lớn nhất thế giới, có tốc độ tan chảy khoảng 60 mét mỗi năm, tăng gấp 10 lần so với tốc độ tan băng của những năm 1960.  Cất giữ trong đá nhân tạo Lựa chọn tốt nhất và hiện thực nhất hiện nay là việc cô lập các chất thải phóng xạ trong các loại đá tổng hợp nhân tạo sau đó chôn xuống dưới lòng đất. Cách này sẽ ngăn chất thải phóng xạ và làm nhiễm độc đất, đá và nước xung quanh. Các nhà khoa học đã phát triển loại đá nhân tạo (synroc) từ những năm 1970 nhằm lưu giữ những chất thải hạt nhân có mức phóng xạ lớn. Các loại đá được thiết kế khác nhau phụ thuộc vào loại chất thải riêng biệt, dựa trên công thức cho phản ứng nước-ánh sáng cũng như hàm lượng chất plutonium. Một giải pháp tương tự là sử dụng vật liệu gốm nano trong bảo quản và lưu giữ chất thải phóng xạ. các nhà khoa học Australia dùng sơn với sợi gốm nano được làm từ oxit của titan để sơn lên bề mặt các bể hay thùng lớn bằng thép, được dùng để chứa chất thải phát sinh trong quá trình khai thác các chất phóng xạ và nước thải trong quá trình làm mát lò phản ứng. Vật liệu gốm nano có ưu điểm là rất bền và có thời gian tồn tại lâu hơn các ion chất phóng xạ, có khả năng bẫy các ion dương của chất phóng xạ và giữ chặt chúng mãi trong đó. Chỉ cần quét một lớp sơn mỏng cỡ nano mét (một phần tỷ mét) sẽ tăng độ an toàn lên rất nhiều.  Rút ngắn chu kỳ bán rã Hiện, một số nhà khoa học đang tính tới việc giảm chu kỳ bán rã của các chất thải phóng xạ, qua đó, xử lý nhanh chóng các chất này, thay vì tìm cách chôn chúng ở đâu đó và chờ chúng phân rã hết. Máy Laser Vulcan là một thiết bị ra đời từ ý tưởng đó. Máy có 17
thể tạo ra các xung điện mạnh và ngắn, một triệu tỷ Watts, bắn vào một cục vàng nhỏ, tạo ra đủ bức xạ gama để đánh bật các neutron đơn lẻ khỏi chất thải phóng xạ như Iodine 129. Iodine129 là một trong nhiều đồng vị phóng xạ được tạo ra khi Uranium bị đốt trong lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, các nhà khoa học đánh giá, máy Laser sẽ không giải quyết triệt để vấn đề chất thải xong nó giảm độ mức độ phóng xạ. Phương pháp này mới chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm và chỉ có khả năng áp dụng ở giai đoạn xử lý ban đầu của chất thải hạt nhân.  Tái chế chất thải hạt nhân Uranium được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân chỉ lấy được 5% năng lượng trong khi các nhà máy điện nguyên tử vẫn chưa thể tái sử dụng nhiên liệu này. Nguyên nhân là do dạng phổ biến nhất của Uranium, ion uranyl rất khó phân tách từ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng. Các nhà khoa học ở ĐH Edinburth (Scotland) đã nghiên cứu sáng chế ra phân tử mạch vòng, có khả năng “ăn” phần lớn các ion khi tiếp xúc với chất uranyl. Nhờ vậy, cấu trúc của uranyl sẽ bị suy yếu giúp thanh nhiên liệu đã cháy dễ dàng phản ứng với các chất có khả năng để tách lọc hơn ra khỏi chất thải, không gây ô nhiễm môi trường. 18