Giáo trình Môi trường và con người: Phần 2

Chương 5<br /> <br /> TÀI NGUYÊN NĂNG LƯỢNG VÀ KHOÁNG SẢN<br /> <br /> 5.1 ẵTỔNG QUAN<br /> Năng lượng là nhu cầu thiết yếu của sự sống và ph á t triển xã hội loài người, nó<br /> góp phần Lo lớn nâng cao châ't lượng cuộc sông xã hội. Trong quá trìn h p h á t triển xã<br /> hội. nhu cẩu về nàng- lượng tăng ]ên nh anh chóng. Ngà}7 nay, định mức n ảng lượng<br /> trên dầu người được sử dụng như ỉà một chi tiêu để clánh giá trình dộ p h á t triển của<br /> một xã hội. một thông số phản ánh mức sống của một địa bàn dân cư. Trong quá trình<br /> phát tri é n náng lượng, các vấn để môi trường luôn p h á t sinh, từ hoạt động khai thác<br /> nguyên liệu cung cấp cho công nghiệp đến quá trình vận h à n h các phương tiện cung<br /> cấp năng lượng và sử dụng trong đời sông, con người luôn phải dương dầu với những<br /> thách ihức về MT.<br /> Có nhìểu phương thửc và nhiểư dạng nhiên liệu được sử dụng dể sản xuất năng<br /> ìượng. trong c!ó các nhiên liệu hoá thạch dược sử dụng- rộng rãi nhất. Trong sô"các nhiên<br /> liệu hoá thạch, loài người biêt sử dụng đầu tiên là than đá, tiếp theo )à dầu lửa và CUÔ1<br /> cùng là khí đốt. Nhiên liệu hoá thạch ià những tài nguyên không tái Lạo. Do dó, dể đảm<br /> bảo PTBV của một quôc gia. cần thiết phải xây dựng Chiến lược an Loàn năng lượng,<br /> bao gồm nhừn£ chính sách, những giải pháp đảm bảo nguồn cung cấp nhiên liệu bển<br /> vừng trước những rủi ro về chính trị và an ninh khu vực cũng n h ư toàn cầu.<br /> Từ giữa th ế kỷ XX' đến nay, nguyên liệu phóng xạ (Uran) đã dược sử dụng làm<br /> nhiên liệu cho công nghiệp năng lượng. Ngoài những nguồn năng lượng đã nêu, loài<br /> người còn sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như: năng lượng gió (NLG).<br /> năng lượng M ặt Trời, năng lượng địa nhiệt và năng lượng sinh học.<br /> Bôn cạnh nhu cầu về năng lượng, loài người còn cần nhiều loại nguyên liệu<br /> khoáng sản khác phục vụ cuộc sống như dá xây dựng, nhiều loại khoáng sản và những<br /> khoáng sản đặc biệt phục vụ để phát triển các phương tiện kỷ th u ậ t như đất hiếm, .<br /> platin. vàng. Lịch sử việc sử dụng nguyên liệu khoáng sản, loài người đã để lại những<br /> dấu ấn với những tên gọi tương ứng như: thòi kỳ đồ đá, thòi kỳ đồ đồng, thời kỳ đồ sắt.<br /> Chính vì vậy, tài nguyên khoáng sản quốc gia được xem như một trong những chỉ tiêu<br /> quan trọng đánh giá tiềm lực kinh tế —quốc phòng của quốc gia đó.<br /> 5.2. TÀI NGUYÊN NĂNG LƯỢNG<br /> <br /> j<br /> <br /> 5.2.1. Khái nỉệm<br /> <br /> ị<br /> <br /> Oang năng lương đầu tiên được loài người sử dụng là lửa và sức nóng của nó<br /> (nàng lượng nhiệt) để đun nấu, sưởi ấm. Loài người sau đó khai thác và sử dụng- sức<br /> nước, sức gió (năng lượng dạng công) để kéo nước, xay lúa. Cùng với những tiến bộ vể<br /> khoa học và kỹ thuật, loài người dã biết chuyển năng lượng nhiệt thành năng lượng<br /> công (máy hơi nước) dể vận hành máy móc và phương tiện vận chuyển. Cu 01 cùng loài<br /> 136<br /> <br /> ị<br /> S<br /> I<br /> -ị<br /> ị<br /> I<br /> <br /> ị<br /> <br /> I<br /> <br /> I.<br /> \<br /> ị<br /> '<br /> [<br /> [<br /> <br /> người đã tạo ra được nguồn năng lượng mới có tính năng sử dung rông rãi, đăc biêt là<br /> kha năng chiêu sáng, dó là năng lượng điện. Bước tiến quan trọng của loài người là<br /> khả nàng chuyên đổi các dạng năng lượng khác nhau phục vụ cho những nhu cầu<br /> khác nhau. Nguồn nhiên liệu để tạo ra năng lượng vì vậy cũng trỏ nên đa dạng từ bức<br /> xạ M ặt Trời, gỗ. than, dầu lửa, khí đốt, nguồn nhiệt trong lòng đất và cả các phản ứng<br /> hạt nhân, cho đến sức gió; sức nước của các sông, của sóng và của thuỷ triều (năng<br /> lượng dạng công).<br /> a) N ă n g lư ợ ng d ạ n g n h iệ t<br /> N ăng lượng dạng nhiệt được sản sinh từ việc đốt cháy các nguồn nguyên nhiên<br /> liệu khác nhau, từ các vật liệu đốt cháy (gồ củi, xác bã,...) đến nhiên liệu hoá thạch<br /> như than đá, khí đ ô t Năng lượng nhiệt còn được sản 'sin h từ bức xạ M ặt Trời, từ các<br /> phàn ứng nhiệt hạch của các lò phản ứng h ạ t nhân (năng lượng h ạ t nhân) và từ nguồn<br /> nhiệt trong lòng đ ất (địa nhiệt). Năng lượng nhiệt một phần được sử dụng trực tiếp và<br /> một phẩn chuyên thành năng lượng điện hoặc năng lượng công. Ngược lại, năng lượng<br /> điện lại là nguồn cung cấp nhiệt một cách trực tiếp hay gián tiếp.<br /> b) N ă n g lư ơ ng d a n g công<br /> Đảy là dạng cung cấp năng lượng từ sự vận dộng của các dòng vật chất như nàng<br /> lượng thuỷ điện, NLG, nãng lượng sóng — năng lượng thuỷ triều. Nàng iượng dạng<br /> công sẽ được chuyên thành điện năng và từ diện năng cũng có thể chuyển dổi ngược<br /> lại thành năng lượng dạng công. Năng lượng dạng công được xem là nâng lượng sạch<br /> (NLS) vì không gây ô nhiễm môi trường. Trong nhóm năng lượng dạng công thì năng<br /> lượng của các dòng sông là phổ biến nhất, s ả n phẩm của nó là Ihuỷ điện, đã và đang<br /> phát triển ở rấ t nhiêu nơi với những quy mô khác nhau.<br /> 5.2.2. Hiện trạng và xu thê sử dụng năng lượng toàn cầu<br /> <br /> ị’<br /> ị:<br /> ■<br /> .<br /> Ịỉ<br /> ì<br /> •<br /> <br /> ị<br /> ịp<br /> ậ<br /> <br /> f<br /> ■ị.<br /> Ị<br /> ặ.<br /> <br /> I<br /> <br /> Sự phát triển và mức tiêu th ụ nàng lượng Jà một trong những ch]' sô đế dánh yi;ì<br /> nền vãn minh và là một trong những chỉ sô phát triên công nghệ của nước dó. Với Lôc<br /> độ phát triển kinh tế và dân số như hiện nay, ỏ các nước dang p h á t triến thì tống nàng<br /> lượng tiêu thụ của thê giới (trên ]ý thuyết) sẽ ỉớn hơn 200 tý dơn vị nàng lượng nhiệi<br /> (TCA). Nhiên liệu truyền thông tại các nước đang phát trien chiêm dến 25% tông náng<br /> lượng cần thiết của họ, phục vụ chủ yếu cho việc đun nấu của 73% dân sổ. ti ự phụ<br /> thuộc của con ngưòi vào năng ìượng truyền thông có thể còn tiép tục lãng lén trong<br /> Lhâp niên Lới do sù gia tăng dân sô. do các nguồn náng iượng thav Lhố đáp ứnịí ve mại,<br /> kinh tế vẫn còn tiềm ẩm và thời gian cần Lhiết cho xã hội thích nghi- Tuy nhiên, việc<br /> sử dụng năng lượng ti’uyển thống tại các nước dang phát tri en lại bộc ]ộ một sỏ vấn de<br /> đòi hỏi từng bước phải có những chính sách mang tính hệ thông vể nhiên liệu. Nhừng<br /> vấn để chính nảy sinh do đốt năng lượng truyền thống gồm: mất; cân bàng sinh thái,<br /> .tảng tẳi trọng ô nhiễm không kh í và Lăng sự tiếp xúc ô nh iễm của người nội LrỢ.<br /> Hiện nay, các nước công nghiộp (bao gồm câ Đông Ấu và Nga) dang sử dụng 74%<br /> năng lượng tiêu thụ toàn cầu. trong khi dán số’của họ chỉ chiếm 28% dân số’thê giới, còn<br /> tại các nước đang phát triển, bên cạnh việc sử dụng năng lượng chung trên Trái Đấụ<br /> nâng lượng phi thương mại (nhiên liệu truyền thông như: củi, rơm rạ, phân gia súc)<br /> phục vụ cho nhừng nhu cầu thiết yếu của 2.5 tỷ người, chi chiếm 6,38% (bẳng 5.1).<br /> '■<br /> <br /> 137<br /> <br /> Bảng 5.1. Tiêu thụ năng lư ợng th ế g iớ i và tỷ lệ phân b ố<br /> Loại nhiên liệu<br /> thương mại<br /> <br /> Các nước đang pháỉ<br /> triển<br /> <br /> Các nước công<br /> nghiệp hoá<br /> <br /> Tiêu thụ năng iượng trên<br /> th ế giới<br /> <br /> (%)<br /> <br /> (%)<br /> <br /> (triệu TCA)<br /> <br /> Nhiên liệu hiện đại<br /> Dẩu mỏ<br /> Than<br /> Khí tự nhiên<br /> <br /> 8,77<br /> <br /> 33,09<br /> <br /> 4.270<br /> <br /> -8,57<br /> <br /> 23,53<br /> <br /> 3.275<br /> <br /> 1,67<br /> <br /> 14,71<br /> <br /> 1.670<br /> <br /> Thuỷ điện và nguyên tử<br /> <br /> 0,59<br /> <br /> 2,21<br /> <br /> 285<br /> <br /> Cộng<br /> <br /> 19,60<br /> <br /> 73,54<br /> <br /> 9.500<br /> <br /> 4,17<br /> <br /> 0,44<br /> <br /> 470<br /> <br /> Rơm<br /> <br /> 1,47<br /> <br /> 0,05<br /> <br /> 155<br /> <br /> Phán gia súc<br /> <br /> 0,74 ■<br /> <br /> -<br /> <br /> 75<br /> <br /> Nhiên liệu truyền thông<br /> Củi<br /> <br /> Cộng<br /> Tổng cộng<br /> <br /> 6,38<br /> <br /> 0,49<br /> <br /> 7.00<br /> <br /> 25,98<br /> <br /> 74,03<br /> <br /> 10.200<br /> <br /> Nguón: H. VenkataKrìshna -Bhatt, 2005<br /> <br /> . Nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng trên th ế giói ngày càng tăng. Dự báo nhu<br /> cầu xáng dầu đến năm 2020 sẽ tăng 220% so với năm 2005 do lượng ô tô và xe máy<br /> tăng nhanh (bảng 5.2).<br /> Bảng 5.2. Dự báo nhu cầu xăng dầu đến năm 2020 (đơn vị: 1.000 tấn)<br /> Sản phâm<br /> <br /> 2005<br /> <br /> 2010<br /> <br /> 2015<br /> <br /> 2020<br /> <br /> Gasolin<br /> <br /> 2.829<br /> <br /> 4.156<br /> <br /> 5.090<br /> <br /> 6.024<br /> <br /> Diesel<br /> <br /> 5.800<br /> <br /> 8.740<br /> <br /> 11.140<br /> <br /> 13.024<br /> <br /> Kerosen<br /> <br /> 440<br /> <br /> 420<br /> <br /> 392<br /> <br /> 360<br /> <br /> JAI<br /> <br /> 419<br /> <br /> 615<br /> <br /> 844<br /> <br /> 1.023<br /> <br /> FO<br /> <br /> 2.878<br /> <br /> 3.665<br /> <br /> 4.350<br /> <br /> 5.089<br /> <br /> Tổng s ố xáng dấu<br /> <br /> 12.362<br /> <br /> 17.596<br /> <br /> 21.816<br /> <br /> 26.036<br /> <br /> Tống só xăng dieseí<br /> <br /> 8.629<br /> <br /> 12.896<br /> <br /> 16.230<br /> <br /> 19.564<br /> <br /> Nguôn: Đò Huy Định, 2007<br /> <br /> 5Ế2.3. Nhiên liệu hoá thạch<br /> <br /> ì<br /> <br /> Nhiên liệu hoá thạch hay còn gọi là khoáng sản năng lượng, có th àn h phần chủ<br /> vếu ]à các hơp chất của cacborụ gồm th a n đá. th a n bùn, dầu mỏ, khí đôt. Dựa vào<br /> trạng thái, khoáng sản năng lượng chia thành 3 nhóm: rắ n (than đá, th a n b ù n ; các đá<br /> chứa than), lỏng (dầu mỏ) và khí (khí đốt). Do đặc điểm hình th à n h và tính tập trung<br /> trong lòng đất. người ta thường mô tả chúng theo 2 nhóm cơ bản là khoáng sản lỏng<br /> (dầu mỏ và khí đốt) và khoáng sản rắn (than đá, th a n bùn và các đá chứa than).<br /> <br /> ị<br /> ]<br /> 1<br /> I<br /> I<br /> 1<br /> <br /> a) D ầ u m ỏ và k h í đ ố t<br /> I<br /> —<br /> Dầu mo và khí đôt là các hyđrocacbon được hình th à n h do sự biến đôi tàn dư<br /> Ihực vật bậc thấp trong điểu kiện kỵ khí. Từ nơi sinh thành (đá sinh dầu), dầu mỏ và 1<br /> ị<br /> 138<br /> <br /> ị<br /> <br /> %<br /> H<br /> w<br /> <br /> : khí dôt sẽ di chuyển đến nơi có diều kiện thích hợp đê tập tru n g th à n h vĩa dầu/khí (đá<br /> chứa dầu). Nơi dầu khí tập trung được gọi là bẫy dầu. Nếu môi trường chưa bị biến đổi<br /> trong điểu kiện nhiệt độ cao, dầu sẽ bị biến đổi chuyển th à n h khí.<br /> Dầu mỏ được sử dụng đầu tiên ở các nưóc Trưng Cận Đông dạng asfan. Nhưng di chỉ<br /> kháo cố về các hoạt động khai thác và sử'dụng dầu hoả để thắp sáng lại được phát hiện ở<br /> Trung Quốc. Sang th ế kỷ XX, công nghiệp chựng cất dầu và hoá dầu phát triển, dầu được<br /> sử đụng rộng rãi trong công nghiệp năng lượng và nhiêu ngành công nghiệp khác.<br /> Khí đốt được sử dụng gián tiếp (nhiên liệu của nhà máy nhiệt điện) hay sử dụng<br /> trực tiếp (nhiên liệu đun nấu). Khí đốt được sử dụng là khí tự nhiên hay là khí được<br /> chế biến - khí hoá lỏng (LPG). Ngày nay dầu mỏ thường không được sử dụng trực tiếp<br /> mà được chế biến tạo nhiều loại nhiên liệu khác nhau theo yêu cầu sử dụng. Ví dụ:<br /> đầu hoả dùng để đun nấu thông thường, dầu FO dùng chạy các máy phát điện, cho<br /> đến các loại xăng đặc biệt dùng cho các động cơ máy bay. Do vậy, công nghiệp dầu khí<br /> !: là một tổ hợp công tác từ tìm kiếm, thăm dò đến khai thác, chế biến, vận chuyển và<br /> ; lưu trữ. Trên th ế giối, dầu mỏ và khí đốt phân bcí khá rộng rãi, khu vực có trữ lượng<br /> dầu mỏ và khí đốt lớn là khu vực Trung Đông và Nam Mỹ, vùng châu Á - Thái Bình<br /> ■<br /> ; Dương. 70% trữ lượng khí đôt tập trung ỏ các nước Đông Au (đặc biệt là Sibêri - Nga)<br /> ị và Trung Đông.<br /> Ban đầu dầu mỏ đứợc khai thác trên đất ỉiển với độ sâu không lớn, năm 1959, lỗ<br /> khoan khai thác đầu tiên ở độ sâu 32m dược Drake thực hiện tại Pensylvania. Ngày<br /> nay, hoạt: dộng th ăm dò khai thác dầu khí đã phát triển ra biển ở độ sâu mực nước cao<br /> nhất, khoảng lOOm.<br /> ị<br /> - Dặc điểm của dầu mỏ và khí đốt:<br /> r<br /> Là những hydratcacbon. dầu mỏ và khí đốt có th àn h phần cơ bản là cacbon (C) và<br /> ị hvdro (H). Hàm lượng H tăng dần từ thành phần dầu đến th àn h phần khí. Ngoài<br /> I hvdratcacbon. trong thành phần dầu thô còn chứa các nguyên tố N, 0, s và một sô"<br /> I nguvèn tô" VI lượng. Trong một vỉa dầu thường xuyên chứa n h ữ n g kh í đồng h àn h , nếu<br /> I không được tổ chức thu hồi tốt những khí đồng h àn h này thì phải xử lý bằng phương<br /> I pháp đốt bỏế T h àn h phần dầu thô chứa 4 tổ hợp cơ bản là paraphin, napthen, hợp chất<br /> 1’ mạch vòng n hân thơm và axetylen, ngoài ra còn chứa nhựa (resin) và asfan.<br /> Ị<br /> b) T h a n đá<br /> ':ị<br /> Than dá là sản phẩm được hình thành từ các tích tụ thực v ật bị chôn vùi trải qua<br /> £ quá trình biến chất trong điều kiện nhiệt độ và áp su ất cao. Theo mức độ biến chất,<br /> ^ 'thành phần th a n đá biến thiên theo chiều hướng sau:<br /> Than lửa dài —» than khí —> than mỡ -* than luyện côc<br /> th a n nghèo thiêu kết —><br /> than gầy -* antraxit.<br /> 'jậị<br /> Cacbon là th à n h phân cơ bán trong than, ngoài ra còn có tô phân khí và tô phân<br /> §1; vật liệu vô cơ. Tiêu chuẩn cơ bản đổì với than đá dùng làm nhiên liệu là nhiệt lượng và<br /> độ tro. tiêu chuẩn này phụ thuộc vào thành phần quặng than.<br /> í<br /> ỉ.%<br /> - Hàm lương cacbon: thay đổi Lừ 76 - 92%. trong đó thành phần có ích là cacbon y<br /> s . hữu cơ. Đây chính là chỉ tiêu quyết định trong than dùng làm ch ất đốt và dùng trong<br /> công nghiệp. Trưng bình lkg c khi cháy hoàn toàn sẽ sinh ra 8.140kcalo.<br /> ịềf<br /> <br /> - Tể phần khí: phổ’ biến ià khí mêian (CH.,), c o , COv; H2S, dao động Lừ 9 - 43%.<br /> Hàm lượng các khí càng cao, nhiệt lượng toá ra khi cháv càng lớn. N hững Lích tụ khi<br /> mêtan trong mỏ than là nguyên nhãn gây ra những- sự cô' thướng gặp trong khai thác<br /> hầm ]ò.<br /> - Tổ phần vật liệu vô cơ: gồm các khoáng vật như sét (kaolmit, í]]ít. smectit),<br /> , thạch anh, các khoáng vật sunfua (chủ yếu là pvrit), cacbonat và thạch cao. Tổ phần<br /> vô cơ quyết định độ tro của than. Độ tro là thành phần không bị thiêu huý khi đốt<br /> chảy hoàn toàn một khôi th a n ở nhiệt độ t° = 8 0 0 - 25°c. Lượng tro càng nhiều chất<br /> lượng th a n càng giảm.<br /> 5Ế2 A Năng lượng hạt nhân nguyên tử<br /> Các nguyên lò’"phóng xạ là<br /> những nguyên tô" có thê tự<br /> phán rã tạo thành nguyên tô"<br /> mới và giải phóng năng lượng.<br /> Trong các nguyên tố phóng xạ.<br /> uran là nguyên tô" phô biến<br /> nbấi. Từ nám 1942, người La<br /> dã bắt đầu thử nghiệm dùng<br /> nơtron bắn phá nhân uran,<br /> kết quả uran bị phân rã thành<br /> 2, nguyên tô' mới nhẹ hơn cùng<br /> với rấ t nhiều nơlrcm và toả<br /> nhiều năng lượng (hình 5.1).<br /> Nếu các phản ứng xảv ra liên tục, năng lượng phóng xạ tích luỹ từ phan ứng dây<br /> chuyển sẽ rất lớn, năng lượng này nếu không được kiểm soát sẽ có sức công phá rất<br /> lớn. đây là nguyên lý chế tạo bom nguyên tử. Khi được không chế, năng lượng này có<br /> thể tập trung để đôt nóng nước làm vận hành turbin của máy p h át điện, đây là<br /> nguyên lý của việc hình th àn h công nghiệp năng lượng h ạ t nhân. Những khảo sát cho<br /> biết, lk g ôxit urani khi bị bắn phá sẽ cung cấp một lượng năng lượng tương đương với<br /> đôt 16 tấn than đá, nói cách khác, 27;3g ôxit urani sẽ sản xuất dược 1 m egaw att điện.<br /> Trong tự nhiên, 3 dồng vị bển vững của uran là u 328 (99,3%), Ư235 (0,7%) và ư 23,1<br /> (0 005%). Chí có u 235 mới tạo ra được phản ứng nhiệt hạch để sản xuất năng lượng. Do<br /> đó trong sản xuâ't điện nguyên tử, nguyên liệu uran tự nhiên phải qua quá trình làm<br /> giàu để nâng hàm lượng Ư2:ỉ5 trong nguyên liệu lên đến 3% rồi mới đưa vào buồng<br /> phản ứng. u 32,5* tuy không sử dụng trong phản ứng nhiệt hạch, nhưng khi bị tác kích<br /> bằng nơ tron thì Ư3'2S sẽ tạo th àn h plutonium 239 (Pu239) có thể tạo phản ứng nhiệt<br /> hạch và cũng có thể sản xuất năng lượng.<br /> Với những dặc diểm như trên nên việc xuấl khẩu uran bị không chế bỏi Hiệp ưốc cám<br /> vũ khí hạt nhân. Iróng dó cho phép mỗi lần xuất khẩu < 10 tấn và các lần xuất khẩu cách<br /> nhau 3 tháng thì không cần phải xin phép Ưỷ ban năng lượng Quốc tô (IAEA).<br /> Các t h a n h Ư328 được xếp trong buồng ph an ứng. nếu đ ù n g P u 239 thì xung quanh<br /> 1-10<br /> <br />