Giáo trình Quản lý môi trường
MSc. Phan Như Thúc Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NĂNG LƯỢNG VÀ KHOÁNG SẢN
7.1 Giới thiệu tổng quát
Phù hợp với công thức nổi tiếng của Einstein E = MC2 (trong đó, E là năng lượng, M là khối
lượng, C là tốc độ ánh sáng trong chân không), năng lượng là một dạng tài nguyên vật chất trên
trái đất có nguồn gốc chủ yếu là Mặt Trời và năng lượng tàn dư trong lòng Trái Đất. Năng lượng
Mặt Trời tồn tại ở các dạng chính: BXMT, năng lượng sinh học dưới dạng sinh khối, năng lượng
chuyển động của thủy quyển, khí quyển (gió, bão, sóng , các dòng chảy sông suối, các dòng hải
lưu,…). Năng lượng tàn dư trong lòng TĐ có các dạng chính: các nguồn nước nóng, năng lượng
núi lửa, năng lượng phóng xạ, năng lượng của các khối đất đá nóng trong thạch quyển,… Tài
nguyên năng lượng của các quốc gia và loài người trên Trái đất là các tích tụ năng lượng với
cường độ và quy mô cho phép khai thác quy mô công nghiệp.
Khai thác và sử dụng năng lượng là nguyên nhân quan trọng nhất gây ra ô nhiễm môi trường và
các biến đổi khí hậu toàn cầu. Các nước đang phát triển đang phải đương đầu với tác động ô nhiễm
cục bộ của chất thải ô nhiễm phát sinh trong khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch như: bụi và
khói, các loại khí độc hại CO, SO2, NO2, CnHm,…, sự suy thoái tài nguyên đất, tài nguyên rừng,…
Môi trường toàn cầu đang đứng trước các biến đổi khí hậu và nóng lên của bầu khí quyển, do sự
gia tăng phát thải khí nhà kính CO2. Việc chuyển đổi nguồn cung cấp năng lượng từ nhiên liệu hóa
thạch sang các nguồn khác hiện chưa mang lại hiệu quả. Năng lượng nguyên tử hiện chưa an toàn
và tiềm ẩn các tai biến sinh thái to lớn. Năng lượng BXMT có cường độ yếu và giá thành quá cao.
Năng lượng gió không ổn định và hiệu suất thấp. Năng lượng thủy điện thường làm cho nhiều
vùng đất canh tác và tài nguyên rừng bị ngập vĩnh viễn. Năng lượng thủy triều có thể gây ra các
biến động mạnh mẽ tới môi trường các hệ sinh thái cửa sông. Năng lượng địa nhiệt hiện chưa có
công nghệ khai thác hiệu quả.
7.2 Tài nguyên năng lượng
7.2.1 Nhiệt độ, năng lượng, nhiệt và công
a. Nhiệt độ:
Từ lâu người ta đã biết rằng tính chất của vật chất có liên quan mật thiết tới mức độ nóng lạnh của
vật chất đó. Nóng lạnh là thể hiện tình trạng giữ nhiệt của vật và mức độ nóng lạnh đó được gọi là
nhiệt độ. Vậy nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiệt, theo thuyết động học phân tử thì
động năng của vật.
E =
2
3KT
Trong đó: K - Hằng số Bonltzman
E - Động năng trung bình chuyển động thẳng của các phân tử
T - Nhiệt độ tuyệt đối của vật.
Theo định luật 2 nhiệt động học: Nhiệt lượng nhận vào hay tỏa ra của môi chất trong chu trình
Cácnô tương ứng với nhiệt độ của môi chất và có quan hệ.
1
2
2
1
T
T
Q
Q=
Vậy khái niệm nhiệt độ không phụ thuộc vào bản chất mà chỉ phụ thuộc nhiệt lượng nhận vào hay
tỏa ra của vật.
Q2-Q1
Q1
s
T
T2
T1
Giáo trình Quản lý môi trường
MSc. Phan Như Thúc Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
b. Năng lượng
"Năng lượng là một dạng tài nguyên vật chất xuất phát từ hai nguồn chủ yếu: Năng lượng mặt trời
và năng lượng lòng đất".
− Năng lượng mặt trời tạo tồn tại ở các dạng chính: bức xạ mặt trời, năng lượng sinh học (sinh
khối động thực vật), năng lượng chuyển động của khí quyển và thuỷ quyển (gió, sóng, các
dòng hải lưu, thuỷ triều, dòng chảy sông...), năng lượng hoá thạch (than, dầu, khí đốt, đá dầu).
− Năng lượng lòng đất gồm nhiệt lòng đất biểu hiện ở các các nguồn địa nhiệt, núi lửa và năng
lượng phóng xạ tập trung ở các nguyên tố như U, Th, Po,...
c. Nhiệt và công
Nhiệt và công là các đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường
khi thực hiện một quá trình. Khi môi chất trao đổi công với môi trường thì kèm theo các chuyển
động vĩ mô, còn khi trao đổi nhiệt thì luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ.
- Nhiệt lượng:
Một vật có nhiệt độ khác không thì các phân tử và nguyên tử của nó sẽ chuyển động hỗn loạn và
vật mang một năng lượng gọi là nhiệt năng.
Khi hai vật tiếp xúc với nhau thì nội năng của vật nóng hơn sẽ truyền sang vật lạnh hơn. Quá trình
chuyển nội năng từ vật này sang vật khác gọi là quá trình truyền nhiệt. Lượng nội năng truyền
được trong quá trình đó gọi là nhiệt lượng trao đổi giữa hai vật, ký hiệu là:
Q nếu tính cho G kg, đơn vị đo là j,
q nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là j/kg,
Qui ước: Nếu q > 0 ta nói vật nhận nhiệt,
Nếu q < 0 ta nói vật nhả nhiệt,
Trong trường hợp cân bằng (khi nhiệt độ các vật bằng nhau), vẫn có thể xảy ra khả năng truyền nội
năng từ vật này sang vật khác (xem là vô cùng chậm) ở trạng thái cân bằng động.
- Công:
Công là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất với môi trường khi có
chuyển động vĩ mô. Khi thực hiện một quá trình, nếu có sự thay đổi áp suất, thay đổi thể tích hoặc
dịch chuyển trọng tâm khối môi chất thì một phần năng lượng nhiệt sẽ được chuyển hóa thành cơ
năng. Lượng chuyển biến đó chính là công của quá trình.
Ký hiệu là:
l nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là j/kg,
L nếu tính cho G kg, đơn vị đo là j,
Qui ước: Nếu l > 0 ta nói vật sinh công
Nếu l < 0 ta nói vật nhận công,
Công không thể chứa trong một vật bất kỳ nào mà nó chỉ xuất hiện khi có quá trình thay đổi trạng
thái kèm theo chuyển động của vật. Về mặt cơ học, công có trị số bằng tích giữa lực tác dụng và
với độ dời theo hướng của lực.
7.2.2 Các dạng năng lượng
Các nguồn năng lượng trên trái đất có thể được phân thành một số dạng cơ bản:
- Các dạng năng lượng tái tạo và vĩnh cửu: bức xạ mặt trời, năng lượng gió, dòng chảy và
sóng biển, năng lượng sinh khối.
- Các dạng năng lượng không tái tạo và vĩnh cửu: năng lượng địa nhiệt, năng lượng nguyên
tử và hạt nhân.
Giáo trình Quản lý môi trường
MSc. Phan Như Thúc Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
- Các dạng năng lượng không tái tạo và có giới hạn: năng lượng của khoáng sản cháy (dầu
mỏ, khí đốt, than, đá cháy,…).
- Năng lượng điện.
Hai dạng năng lượng đầu là các dạng năng lượng cơ bản và là cội nguồn của tất cả các dạng năng
lượng đang được loài người khai thác và sử dụng trên trái đất. Trong tương lai xa, con người có
thể vươn ra ngoài khoảng không vũ trụ để tiến tới những nguồn năng lượng nằm ngoài trái đất và
những loại năng lượng mới (lực hấp dẫn, điện và từ trường,...).
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng cơ bản của trái đất, với cường độ trung bình khi tới bề mặt
trái đất khoảng 2 cal/cm2/phút. Theo tính toán, BXMT đã tồn tại trong 5 tỷ năm qua và sẽ tiếp tục
tồn tại với khoảng 5 tỷ năm nữa. Phần lớn dòng năng lượng mặt trời (98 - 99%) bị phát tán trong
khí quyển và tạo nên sự chuyển động của không khí và nước. Phần năng lượng mặt trời được khí
quyển và thủy quyển hấp thụ hình thành nên vòng tuần hoàn nước. Phần rất nhỏ (1 - 2%) BXMT
được thực vật ở trái đất hấp thụ và chuyển sang dạng năng lượng hóa năng và được lưu trữ dưới
dạng sinh khối thực vật thông qua quá trình quang hợp. Sinh khối thực vật là nguồn cung cấp năng
lượng cho động vật nói riêng và hệ sinh thái nói chung. Sinh khối động thực vật sau khi bị chôn
vùi vào lòng trái đất trở thành năng lượng của các loại khoáng sản cháy.
Năng lượng địa nhiệt, năng lượng nguyên tử và hạt nhân là một nguồn năng lượng cơ bản khác của
trái đất. Nguồn năng lượng này được tích lũy trong lòng trái đất ngay vào thời điểm hình thành ban
đầu. Theo các tư liệu hiện có, nơi dự trữ lớn nhất năng lượng địa nhiệt là nhân trái đất, nơi có nhiệt
độ đạt tới 6.000oC. Từ nguồn năng lượng trên một phần nhỏ năng lượng thoát ra bề mặt trái đất
dưới các dạng: núi lửa phun, động đất, chuyển động của các lớp đất đá trong thạch quyển, hơi
nước và nước nóng,… Năng lượng nguyên tử (năng lượng tích lũy trong các nguyên tố kim loại
phóng xạ như: U, Th, Po,…) và năng lượng hạt nhân (năng lượng tích lũy trong các các đồng vị
nguyên tố nhẹ: H, He, Li,… có khả năng giải phóng khi tham gia vào các phản ứng tổng hợp hạt
nhân) là dạng năng lượng cơ bản khác của trái đất, có mặt trong lòng đất từ thời điểm hình thành,
với khối lượng đủ cung cấp cho loài người lâu dài trong tương lai. Tuy nhiên, khả năng khai thác
nguồn năng lượng nguyên tử và hạt nhân còn bị giới hạn bởi sự thiếu an toàn của các nhà máy điện
hạt nhân và khả năng điều khiển phản ứng tổng hợp hạt nhân. Tuy không trực tiếp tham gia vào
việc tạo nên sinh khối; nhiên liệu hóa thạch; năng lượng địa nhiệt và năng lượng hấp dẫn của mặt
trời, mặt trăng có ảnh hưởng gián tiếp tới việc hình thành các nguồn năng lượng của loài người
trên trái đất.
Năng lượng điện là một dạng năng lượng đặc biệt của loài người, được phát minh vào thế kỷ 18,
hiện đang là dạng năng lượng phổ biến quan trọng nhất của con người. Hơn một nửa sản lượng
than và trên 30% nhiên liệu được dùng để tạo ra điện. Mức gia tăng nhu cầu điện của thế giới vào
khoảng 8 - 10% mỗi năm. Theo các số liệu thống kê của Ngân hàng thế giới, điện chiếm 31% mức
tiêu thụ năng lượng thương mại ở các nước đang phát triển và 38% mức tiêu thụ tương ứng ở các
nước phát triển công nghiệp năm 1988.
7.2.3 Nhiên liệu hóa thạch
Tài nguyên năng lượng dưới dạng nhiên liệu hóa thạch có vai trò quan trọng đối với đời sống con
người do mật độ năng lượng cao, dễ sử dụng, khá phổ biến và dễ trao đổi. Các loại tài nguyên
năng lượng hóa thạch chủ yếu bao gồm: than đá, dầu mỏ, khí đốt, đá phiến cháy.
a. Than đá
Than đá là nguồn năng lượng chủ yếu của loài người với tổng trữ lượng trên 2.000 tỷ tấn, tập trung
chủ yếu ở các quốc gia: Nga, Trung Quốc, Mỹ, Đức, Úc, có khả năng đáp ứng nhu cầu con người
khoảng 200 năm. Than đá đang chiếm một tỷ trọng lớn trong nhu cầu nhiên liệu ở các quốc gia.
Than đá được dùng để tạo ra điện, tạo ra hơi nước, tạo ra nhiệt trong các nhà máy luyện kim, sản
xuất vật liệu xây dựng, xi măng,… Do sự cạnh tranh của các nguồn nhiên liệu là dầu và khí đốt,
mức độ sử dụng than đá ở các nước công nghiệp phát triển và giá bán than trên thị trường thế giới
có xu hướng tăng ít hơn các loại nhiên liệu khác (bảng 39).
Giáo trình Quản lý môi trường
MSc. Phan Như Thúc Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
Tuy nhiên, khai thác năng lượng than đá đang đặt ra hàng loạt các vấn đề môi trường. Khai thác
than đá bằng phương pháp lộ thiên, tạo nên lượng đất đá thải lớn, ô nhiễm bụi, ô nhiễm nước, mất
rừng. Khai thác than bằng phương pháp hầm lò lãng phí trữ lượng (ở Việt Nam tới 50%), gây lún
đất, ô nhiễm nước, tiêu hao gỗ chống lò và các tai nạn hầm lò. Chế biến và sàn tuyển than tạo ra
bụi và nước thải chứa than, kim loại nặng. Đốt than tạo ra các loại khí độc như: Bụi, SO2, CO2,
NOx,… Theo tính toán, một nhà máy nhiệt điện chạy than công suất 1.000 MW hàng năm thải ra
môi trường 5 triệu tấn CO2, 18.000 tấn NOx, 11.000-680.000 tấn chất thải rắn. Trong thành phần
chất thải rắn, bụi, nước thải thường chứa kim loại nặng và chất phóng xạ độc hại.
Bảng 39. Giá nhiên liệu hóa thạch nhập vào thị trường Tây Âu
Đơn vị: USD/tấn năng lượng quy đổi; Nguồn: Nguyễn Tiến Bảo, 1998
Dạng nhiên liệu 1970 1975 1980 1985
Dầu mỏ 12 60 160 200
Khí đốt thiên nhiên 9(75) 25(40) 82(50) 115(58)
Than đá 19(160) 23(40) 42(26) 69(34)
b. Dầu mỏ và khí đốt
Dầu mỏ và khí đốt đang và sẽ là nguồn năng lượng quan trọng của loài người trong vài thập kỷ tới.
Dầu mỏ và khí đốt chiếm từ 51 - 62% nguồn năng lượng của các quốc gia. Tuy nhiên, các mỏ dầu
lại phân bố không đồng đều. Một số vùng ở Trung Đông tập trung lượng dầu lớn trong một diện
tích tương đối nhỏ, trong khi ở những vùng khác lại rất ít. Bên cạnh chức năng nguồn năng lượng,
dầu mỏ và khí đốt còn giữ vai trò là nguyên liệu của ngành công nghiệp hóa học.
Trong tình hình khai thác hiện nay, khai thác và sử dụng dầu và khí đốt đang tạo ra các vấn đề môi
trường như: quá trình khai thác gây lún đất, ô nhiễm dầu đối với đất, nước, gây ô nhiễm biển (50%
lượng dầu ô nhiễm trên biển gây ra do khai thác trên biển), ô nhiễm không khí. Chế biến dầu gây ô
nhiễm dầu và kim loại nặng kể cả kim loại phóng xạ cho môi trường nước và đất khu vực. Đốt dầu
khí tạo ra các chất thải khí tương tự như đốt than.
Bên cạnh các nguồn nhiên liệu hóa thạch phổ biến trên, nhiều quốc gia trên thế giới đang sử dụng
những loại nhiên liệu hóa thạch mà thiên nhiên đã ban tặng cho mình như: than bùn, than nâu
(Đức, Ba Lan), đá phiến cháy (các quốc gia vùng Ban Tích). Vai trò cung cấp năng lượng của các
loại nhiên liệu trên không lớn, tác động gây ô nhiễm không kém than và dầu khí.
7.2.4 Năng lượng hạt nhân nguyên tử
Năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng giải phóng trong quá trình phân hủy hạt nhân các
nguyên tố U, Th hoặc tổng hợp nhiệt hạch từ nhiên liệu là các đồng vị H (D21, T31), He, Li,… Theo
tính toán, năng lượng giải phóng ra từ 1 g U235 tương đương với năng lượng do đốt 1 tấn than đá.
Nguồn năng lượng nguyên tử và năng lượng hạt nhân có ưu điểm không tạo nên các loại khí nhà
kính như CO2, bụi. Tuy nhiên, các nhà máy điện nguyên tử hiện nay là nguồn gây nguy hiểm lớn
đối với môi trường bởi sự rò rỉ chất thải phóng xạ khí, rắn, lỏng và các sự cố nổ nhà máy. Sự cố tại
nhà máy điện nguyên tử Checnobưn (Ucraina) là một ví dụ điển hình. Các nhà khoa học và công
nghệ của các quốc gia trên thế giới đang có nhiều cố gắng để đưa ra các thiết kế nhà máy điện
nguyên tử ngày càng an toàn hơn, điều khiển được phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, xử lý an toàn
các chất thải hạt nhân. Trong điều kiện chưa đảm bảo an toàn trong quản lý việc vận hành các nhà
máy và xử lý tốt các chất thải hạt nhân, nhiều quốc gia (Thụy Điển, Đức) đang có xu hướng đóng
cửa dần các nhà máy điện nguyên tử của mình.
7.2.5 Sự sử dụng năng lượng hiện tại và tương lai
Nhu cầu sử dụng năng lượng của con người tăng lên nhanh chóng cùng với sự phát triển kinh tế xã
hội. Con người nguyên thủy cách đây hàng triệu năm, hàng ngày chỉ sử dụng khoảng 2.000 kcal
dưới dạng thức ăn nguyên khai. Sau khi phát minh ra lửa, con người sử dụng khoảng 10.000
kcal/người-ngày, sang thế kỷ XV tăng lên tới 26.000 kcal/người-ngày và đến giữa thế kỷ XX là
70.000 kcal/người-ngày. Hiện nay, mức độ tiêu thụ trung bình của một người trên thế giới khoảng
Giáo trình Quản lý môi trường
MSc. Phan Như Thúc Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
200.000 kcal/người-ngày. Theo tính toán, mức gia tăng tiêu thụ năng lượng thường có giá trị gấp
hai lần mức gia tăng thu nhập GDP. Cùng với sự phát triển, cơ cấu tiêu dùng năng lượng chuyển
từ năng lượng sinh khối cổ truyền sang năng lượng thương mại.
Phần lớn sự gia tăng tiêu thụ năng lượng thường tập trung vào loại năng lượng thương mại (điện,
than, xăng dầu, khí đốt,…). Sự gia tăng nhu cầu nhiên liệu của thế giới từ 1900 đến 2020 được
trình bày trong bảng 40.
Bảng 40. Nhu cầu tiêu thụ năng lượng của thế giới từ 1900 đến 2020
(Đơn vị tính: % khối lượng)
Nguồn năng lượng 1900 1960 1980 2000 2020
Than 57,6 42 27 31 32
Dầu mỏ 2,3 27 41 34 17
Khí đốt thiên nhiên 0,9 12 17 19 18
Thủy năng 0,3 7 6 7 7
Năng lượng nguyên tử - rất ít 2 8 12
Các nguồn khác 38,9 12 1 1 14
Tổng cộng (tỷ tấn nguyên liệu
quy đổi) 1,3 5,2 10,5 13-18 18-23
7.3 Tài nguyên khoáng sản
7.3.1 Định nghĩa và các đặc tính của các nguồn tài nguyên khoáng sản
a. Khái niệm về tài nguyên khoáng sản
"Tài nguyên khoáng sản là tích tụ vật chất dưới dạng hợp chất hoặc đơn chất trong vỏ trái đất, mà
ở điều kiện hiện tại con người có đủ khả năng lấy ra các nguyên tố có ích hoặc sử dụng trực tiếp
chúng trong đời sống hàng ngày".
Tài nguyên khoáng sản thường tập trung trong một khu vực gọi là mỏ khoáng sản. Tài nguyên
khoáng sản có ý nghĩa rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế của loài người và khai thác sử
dụng tài nguyên khoáng sản có tác động mạnh mẽ đến môi trường sống. Một mặt, tài nguyên
khoáng sản là nguồn vật chất để tạo nên các dạng vật chất có ích và của cải của con người. Bên
cạnh đó, việc khai thác khoáng sản kèm theo việc sản sinh một khối lượng đất bóc và phế thải rắn.
Theo tính toán sơ bộ, tới cuối thế kỷ 20, hàng năm trên thế giới sản sinh ra một khối lượng lớn đất
bóc và phế thải: 10 tỷ tấn do khai thác than, 65 tỷ tấn do khai thác quặng kim loại và 40 tỷ tấn do
khai thác quặng phi kim loại. Khối lượng đất bóc và phế thải trên cần một diện tích lớn để chứa
đựng và gây nhiều tác động tới sinh thái, môi trường và cân bằng tự nhiên.
Mặt khác, quá trình khai thác khoáng sản gây ra những tác động tiêu cực đối với môi trường. Khai
thác khoáng sản gia tăng, có tác động đáng kể tới sinh thái và môi trường trên trái đất làm xuất
hiện nhiều vấn đề về phế thải rắn, cạn kiệt các tài nguyên khác (xói mòn, thoái hóa đất, các tai biến
môi trường). Quá trình chế biến và sử dụng khoáng sản sinh ra nhiều dạng ô nhiễm môi trường (ô
nhiễm khí, đất, nước, phóng xạ,...) đòi hỏi các nhà khoa học và toàn xã hội tìm kiếm các giải pháp
công nghệ sạch cũng như quản lý và xử lý các dạng ô nhiễm phát sinh.
Tài nguyên khoáng sản được phân loại theo nhiều cách:
• Theo dạng tồn tại: Rắn, khí (khí đốt, Argon, He), lỏng (Hg, dầu, nước khoáng).
• Theo nguồn gốc: Nội sinh (sinh ra trong lòng trái đất), ngoại sinh (sinh ra trên bề mặt trái
đất).
• Theo thành phần hoá học: Khoáng sản kim loại (kim loại đen, kim loại màu, kim loại quý
hiếm), khoáng sản phi kim (vật liệu khoáng, đá quý, vật liệu xây dựng), khoáng sản cháy
(than, dầu, khí đốt, đá cháy).