Triển vọng kinh tế của những công nghệ năng lượng trong thế kỷ 21 (phần 1)
Thứ năm, 16/07/2009 - 08:31
Một trong những yếu tố quan trọng nhất của sự phát triển ngành năng lượng thế giới là hiệu quả sử dụng năng lượng mà ý nghĩa của nó sẽ không ngừng tăng lên do tăng tiêu thụ năng lượng, cạn kiệt các vật mang năng lượng truyền thống và sự tăng vọt giá.
Đến đầu thế kỷ XXI, sự gia tăng mạnh quy mô sản xuất trên toàn cầu và sự phát triển cơ sở hạ tầng công nghiệp, tăng dân số trên hành tinh đã dẫn tới tăng quá mức sử dụng các tài nguyên thiên nhiên. Chỉ trong nửa thứ hai của thế kỷ XX, mức tiêu thụ nhiên liệu rắn của thế giới đã tăng 2 lần, nhiên liệu lỏng - 8,5 lần, tiêu thụ khí thiên nhiên tăng gần 10 lần. Cơ cấu cân bằng năng lượng toàn thế giới vào đầu thế kỷ XXI được trình bày trên hình 1. Từ hình 1 thấy rằng những nhu cầu năng lượng thế giới do các vật mang năng lượng dạng khoáng (than, dầu, khí và urani) chiếm tới 86,3%, còn các vật mang năng lượng khác (kể cả năng lượng tái tạo) chỉ chiếm 13,7%.
Theo các đánh giá mới nhất của các chuyên gia Cơ quan Năng lượng Thế giới (CNT), Liên minh châu Âu và Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ thì ít nhất là đến giữa thế kỷ XXI, mức tiêu thụ năng lượng toàn thế giới hàng năm tăng thêm 1,7%, trong đó ở Mỹ tăng thêm 50%, ở các nước Liên minh châu Âu - 18%. Các nước đang phát triển, đặc biệt Trung Quốc và Ấn Độ, mức tăng tiêu thụ là 3 lần. Do giảm diện tích rừng, người dân châu Phi và châu Á chuyển sang sử dụng nhiên liệu khoáng. Lượng phát thải CO2 sẽ tăng hằng năm 2,1%. Tiêu thụ than tăng gấp đôi, trên thực tế giá than không tăng và chưa cạn kiệt, nhưng phát thải bụi và CO2 cũng tăng tương ứng lên gấp đôi. Dầu mỏ và khí thiên nhiên khi cháy phát thải CO2 ít hơn, nhưng giá lại tăng đáng kể. Những công nghệ hiện hữu về thăm dò, khai thác, vận chuyển và chế biến dầu mỏ tạo ra nửa lượng phát thải độc hại vào khí quyển, gần 40% tổng khối lượng nước xử lý và 50% chất thải rắn. Trong công nghiệp dầu mỏ và khi vận chuyển, tổn thất 28% dầu thô. Chỉ có một nửa lượng khí đồng hành được sử dụng, lượng còn lại bị đốt bỏ tại chỗ. Hậu quả là tổng khối lượng phát thải CO2 gây ô nhiễm khí quyển trên toàn thế giới năm 2005 là 7,2 tỷ tấn và với cơ cấu tiêu thụ năng lượng hiện nay thì đến thế kỷ XXI sẽ đạt 21,6 tỷ tấn, còn trong trường hợp tăng tiêu thụ than đáng kể như dự báo do cạn kiệt các trữ lượng dầu và khí, con số đó có thể còn tăng lên gấp đôi. Việc đốt nhiên liệu khoáng vẫn là nguồn ô nhiễm môi trường chủ yếu, chiếm tới 80% tổng lượng ô nhiễm môi trường do hoạt động của con người gây ra.
Những công nghệ chiếm ưu thế trong ngành năng lượng thế giới đã được phát triển từ hồi thế kỷ XIX và hướng vào sử dụng nhiên liệu chứa carbon, thì đến cuối thế kỷ XXI nói chung sẽ không phù hợp do hiệu quả tiết kiệm năng lượng thấp cũng như ảnh hưởng sinh thái. Việc sử dụng tăng cường nhiên liệu hữu cơ đã dẫn tới tình trạng là phần lớn nhiên liệu dễ khai thác thì đã cạn, còn phần đáng kể các nguồn đã được khẳng định lại thuộc loại khó khai thác, vì phải khai thác các mỏ nhỏ, nằm sâu trong lòng đất và khó tiếp cận về mặt địa lý. Vì vậy việc tiếp tục khai thác đòi hỏi mức chi phí tăng vọt và càng gần tới mức cạn kiệt thì chi phí lại càng tăng. Thí dụ ở Nga, để duy trì mức ổn định khai thác dầu mỏ vào năm 2000 đã phải chi 2,2 tỷ USD, năm 2010 sẽ cần tới 11,2 tỷ USD, và năm 2020 là 43 tỷ USD.
Tiếc thay đến nay chưa có nguồn năng lượng nào hiệu quả và an toàn có khả năng thay thế năng lượng khoáng. Những dự báo lạc quan giữa thế kỷ XX về phát triển năng lượng hạt nhân như một nguồn năng lượng vô hạn đã không đúng như mong muốn, do hiệu quả tổng hợp của các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) không cao hơn so với các công nghệ năng lượng khác, do mức an toàn của các NMĐHN thấp hơn so với mức dự báo, và tăng thêm các chi phí cho việc xử lý và tận dụng các phế liệu phóng xạ, do nguy cơ gia tăng về phổ biến không kiểm soát nổi vũ khí hạt nhân và các vật liệu phóng xạ trong các mục tiêu khủng bố quốc tế. Mặt khác từ giữa thế kỷ XX, đầu tư cho công tác nghiên cứu khoa học cơ bản có tính chiến lược đã giảm đáng kể nên các công nghệ năng lượng mới đã không xuất hiện, còn thời hạn khả dĩ của sự khởi đầu ứng dụng năng lượng tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển khó dự báo được, cho dù có sự liên kết các nỗ lực khoa học và công nghệ của tất cả các nước sở hữu công nghệ hạt nhân. Hơn nữa theo các dự báo của các chuyên gia UNIDO và các tính toán của "Câu lạc bộ Roma" thì sự phát triển kinh tế thế giới trong thế kỷ XXI này sẽ diễn ra trong sự cạn kiệt nhanh các nguồn năng lượng chính, trước hết là dầu mỏ và khí thiên nhiên (Hình 2), vì vậy sự phát triển tiếp theo của ngành năng lượng thế giới sẽ hướng vào sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (NNT) trước hết là năng lượng gió, mặt trời, hyđrô.
Vào thời kỳ bản lề giữa hai thiên niên kỷ, những dự báo về công nghệ, kinh tế vĩ mô, v.v., đã được nhiều nước chủ động xây dựng cho tương lai 50 - 100 năm tới. Nhược điểm chính của những dự báo đó là hướng sự phát triển ngành năng lượng vào sử dụng các vật mang năng lượng truyền thống. Thực ra khó có thể đồng ý rằng trong vòng 60 - 80 năm nữa sẽ không còn dầu mỏ và khí đốt. Hoài nghi bởi vì việc đánh giá các trữ lượng than, dầu mỏ, khí đốt ở độ sâu tới 12 km. Không loại trừ khả năng là đến cuối thế kỷ này sẽ xuất hiện các công nghệ khai thác tới chiều sâu đó, tuy nhiên tính hợp lý của những công nghệ đó khá hoài nghi. Có ý kiến cho rằng không phải tất cả các trữ lượng dầu mỏ và khí đốt đã được thăm dò và thực tế như vậy. Những mỏ được coi là có nhiều triển vọng nhất là bể Kaspi, vùng duyên hải Mỹ La Tinh và thềm lục địa nước sâu vùng Tây Phi, nhưng khai thác dù bằng những công nghệ mới nhất cũng làm tăng giá thành lên 3 - 5 lần, điều đó về mặt kinh tế là không có triển vọng, dẫu sao trong chừng mực nào đó vẫn có thể kéo dài thêm thời hạn sụp đổ hoàn toàn ngành năng lượng truyền thống.
Một trong những tiêu chuẩn chính của sự phát triển tiếp theo của nền kinh tế thế giới là khả năng chuyển tiếp của ngành năng lượng từ các vật mang năng lượng truyền thống sang các nguồn năng lượng không truyền thống, trước hết là năng lượng mặt trời và gió.
Những biện pháp chiến lược về quản lý năng lượng là cơ sở của khái niệm phát triển bền vững nền kinh tế thế giới do Uỷ ban Quốc tế về Môi trường soạn thảo và khái niệm này đã trở thành quy chế chính thức trong khuôn khổ Tổ chức Liên Hiệp Quốc và được mang tên Chiến lược phát triển thế giới. Các chiến lược và kế hoạch phát triển bền vững đã được soạn thảo và thực hiện tại trên 100 quốc gia trong đó có Mỹ, Canađa, các nước thuộc Liên minh châu Âu (EU), Nhật Bản, v.v., điều này được thể hiện trong các thành công trong nâng cao hiệu quả kinh tế năng lượng của các công nghệ cơ sở tích hợp (Hình 3). Hình 3 cho thấy hiệu quả kinh tế năng lượng của các công nghệ cơ sở trong nền kinh tế Nga, tính theo nguyên tắc đồng đẳng về khả năng mua, thấp hơn hai lần mức của thế giới và thấp hơn ba lần so với các nước phát triển, điều đó cùng với việc tính đến triển vọng tăng giá và cạn kiệt các nguồn hữu cơ truyền thống là mối đe doạ thực tế đến sự ổn định của nền kinh tế. Phương hướng then chốt của bước quá độ tới sự phát triển bền vững của nền kinh tế thế giới là làm chậm lại tốc độ khai thác các nguồn không tái tạo và thay thế chúng bằng các nguồn tái tạo, giảm thiểu và tận dụng phế thải, giảm tải cho môi trường xung quanh. Phương hướng chiến lược nêu trên cho ngành năng lượng đã được hình thành ở các nước công nghiệp phát triển liên quan đến sự căng thẳng của vấn đề năng lượng toàn cầu do hậu quả của cơn sốc dầu mỏ vào những năm 70 của thế kỷ trước. Đặc biệt cấp bách là những nhiệm vụ đối với các xí nghiệp thuộc Tổ hợp nhiên liệu năng lượng khi xét đến vai trò chủ đạo của chúng trong sự phát triển nền kinh tế thế giới và quy mô ảnh hưởng về mặt sinh thái. Những biện pháp khẩn cấp về áp dụng các tiêu chuẩn sinh thái nghiêm ngặt hơn trong lĩnh vực năng lượng do các chuyên gia của Cơ quan Năng lượng Quốc tế và Liên minh châu Âu đề xuất về mặt kinh tế là thiếu cơ sở xác đáng vì chúng đòi hỏi các khoản đầu tư chưa từng có để hoàn thiện công nghệ truyền thống, khi mà hiệu suất năng lượng nhiệt truyền thống chỉ có thể đạt 40%, còn năng lượng hạt nhân mới đạt 25%, do đó 60 - 70% năng lượng sản xuất ra đều biến thành bức xạ nhiệt. Xét đến sự phân bố toàn cầu các nguồn năng lượng trong 20 - 30 năm tới để phát triển ngành năng lượng thế giới cần đầu tư 16.000 tỷ USD, trong đó cho ngành điện 60%, công nghiệp dầu mỏ và khí đốt, mỗi ngành 19%, công nghiệp than 2% ; 7,9 nghìn tỷ USD cần thiết cho các nước đang phát triển của châu Á và châu Phi; 6,5 nghìn tỷ USD cho các nước OECD; 1,7 nghìn tỷ USD cho các nước với nền kinh tế quá độ, trong đó Nga là 1,1 nghìn tỷ USD.
Chúng ta thử tiến hành dự báo thông qua phân tích kinh tế về sự quản lý hợp lý về phát triển và khả năng cạnh tranh của các công nghệ năng lượng thế giới, kiểu truyền thống và đổi mới, dựa vào các nguồn thông tin cơ bản đáng tin cậy nhất. Cơ sở mức gia tăng được chọn như trong phần lớn các dự báo về tổng tiềm lực năng lượng của nền kinh tế thế giới từ 4,2.1020 J vào đầu thế kỷ XXI tới 15,3.1020 J vào cuối thế kỷ (dự báo lạc quan). Với việc duy trì cơ sở công nghệ hiện tại và sự thay đổi theo dự báo về cơ cấu các vật mang năng lượng truyền thống thì mức phát thải vào khí quyển sẽ tăng 5 lần, tức là 6% lượng CO2 trong khí quyển và sẽ có những hậu quả xấu về mặt sinh thái. Dự báo về khả năng cạnh tranh của những năng lượng trước hết dựa trên phân tích so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (Hình 4). Dễ thấy rằng chỉ những công nghệ năng lượng không truyền thống mới có xu thế ổn định đối với sự giảm giá thiết bị và năng lượng được sản xuất, điều đó sẽ đảm bảo những công nghệ năng lượng không truyền thống trong tương lai không xa sẽ ngang giá với những công nghệ năng lượng cổ điển.
Ngành năng lượng hạt nhân truyền thống dựa trên phân hạch uran có tiềm năng đảm bảo toàn bộ tiêu thụ năng lượng trên thế giới. Trữ lượng uran trên hành tinh trong quặng uran và các khoáng chất, được đánh giá bằng 17 nghìn tỷ tấn. Thí dụ, một tấn đá hoa cương trung bình chứa 7 g uran có khả năng toả ra (nhờ phản ứng nhiệt hạch) năng lượng tương đương với 35 t than. Tuy nhiên việc tận dụng nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là một nhiệm vụ công nghệ trên thực tế là không giải quyết nổi với các công nghệ hiện tại (các công nghệ khác hiện còn chưa có, kể cả về mặt lý thuyết). Tận dụng hoàn toàn 1 t nhiên liệu uran đã qua sử dụng tạo ra 2154 t phế thải phóng xạ, điều đó rõ ràng không thể chấp nhận được, không chỉ trong tương lai mà ngay cả hiện nay. Những công trình sôi động bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ XX về tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển hiện chưa ra khỏi giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, và rất tốn kém. Kỷ lục tuyệt đối trên thế giới về thời gian kéo dài của phản ứng nhiệt hạch có điều khiển trên lò phản ứng của Pháp Tore Supra là 210 giây, còn những công nghệ có tính chất công nghiệp để thu được điện năng trên các thiết bị đó vẫn chưa đạt kết quả. Thế nhưng các nước Liên minh châu Âu, Mỹ, Canađa, Nga, Nhật Bản và Trung Quốc từ năm 2003 đã khẩn trương nghiên cứu triển khai chế tạo thiết bị nhiệt hạch chung ITER và đã chi phí trên 1 tỷ USD trong tổng số 7 tỷ USD theo kế hoạch. Tiềm năng thuỷ điện như một công nghệ hợp lý nhất về mặt kinh tế và an toàn sinh thái tại các nước phát triển trên thế giới phần lớn đã cạn kiệt, còn vận chuyển điện năng từ châu Phi sang châu Âu hoặc từ Nam Mỹ tới nước Mỹ với những công nghệ hiện hành về nguyên tắc là khả thi, tuy nhiên để khai thác những tiềm lực thuỷ năng đó khi chưa có cơ sở hạ tầng phát triển thì cần có những khoản đầu tư đáng kể nên cũng chưa giải quyết được.
Tóm lại, những công nghệ năng lượng không chỉ của thế kỷ XIX mà cả của thế kỷ XX về mặt kinh tế và sinh thái là không có cơ sở do thiếu vốn đầu tư nghiên cứu chiến lược cơ bản, vì vậy việc lựa chọn những công nghệ và phương hướng cơ sở cho sự phát triển ngành năng lượng thế giới là đặc biệt quan trọng. Việc đánh giá không đầy đủ sự phân bố lại các nguồn năng lượng và ảnh hưởng sinh thái của các công nghệ năng lượng truyền thống có thể có những hậu quả nghiêm trọng trước hết đối với nền kinh tế của những nước phát triển.
(Nguồn: EPU)