Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah ở California. (Ảnh: Bloomberg).
Gió và ánh sáng mặt trời đều hoàn toàn miễn phí, vậy tại sao điện sản xuất từ gió và mặt trời lại có giá rất cao, cao hơn nhiều so với các loại điện từ nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu hạt nhân?
Và tại sao điện từ năng lượng tái tạo hiện nay chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cơ cấu sản lượng điện trên thế giới?
Câu trả lời là để điện – hay bất kì một mặt hàng nào khác – có giá thành thấp và đạt sản lượng lớn, mọi nguyên liệu đầu vào đều phải rẻ và sẵn có, mọi qui trình sản xuất đều phải đơn giản và dễ dàng.
Gió và ánh nắng mặt trời đều nhiều và rẻ, nhưng quá trình chuyển đổi chúng thành điện lại rất khó khăn và tốn kém. Nhược điểm này xuất phát từ hai đặc tính cố hữu của nắng và gió, đó là tính thiếu tập trung và thiếu ổn định.
Năng lượng hạt nhân được tích tụ trong các thanh nhiên liệu uranium nhỏ bé, năng lượng của than, dầu, khí hóa lỏng dùng cho nhà máy nhiệt điện được lưu trữ trong các bồn chứa tập trung. Tuy nhiên năng lượng của nắng và gió lại phân tán ra khắp bề mặt Trái Đất, công đoạn thu lượm số năng lượng này đòi hỏi rất nhiều diện tích và vật liệu để lắp đặt thêm nhiều tấm pin năng lượng mặt trời và tuabin gió.
Theo thống kê của Viện Năng lượng Hạt nhân (NEI) dựa trên các nhà máy điện tại Mỹ, một cơ sở sản xuất 1.000 megawatt (MW) điện hạt nhân chỉ cần diện tích khoảng 3,3 km2. Một nhà máy điện mặt trời với công suất tương tự cần diện tích lớn gấp 45 lần và với nhà máy điện gió là 300 lần.
Muốn có đủ diện tích, các nhà máy điện gió và điện mặt trời ở những nơi cách xa hạ tầng dân cư như giữa hoang mạc hoặc biển khơi, chi phí truyền tải điện do vậy cũng tăng cao.
Tính thiếu ổn định thậm chí còn gây đau đầu hơn nhiều tính thiếu tập trung.
Gió không phải lúc nào cũng thổi và mặt trời không phải lúc nào cũng rực sáng trên đầu. Các nhà máy điện gió và điện mặt trời thường tạo ra quá nhiều năng lượng vào những ngày nắng to, gió lớn và quá ít năng lượng vào ban đêm hay khi trời mưa, lặng gió.
Con người cần một quả pin hay chiếc bình ắc qui khổng lồ để tích trữ phần điện lúc dư thừa để dùng cho lúc thiếu hụt.
Qua nhiều năm dày công nghiên cứu và phát triển, hiện nay thế giới vẫn chưa có hệ thống pin hay ắc qui nào đáp ứng được yêu cầu. Bằng chứng là trên thế giới hiện nay không có lưới điện nào sử dụng năng lượng gió và mặt trời 100%, tất cả đều cần sự hỗ trợ của các nguồn điện khác như hạt nhân hay năng lượng hóa thạch.
Nắng và gió: Nguồn năng lượng không thể tự đứng vững
Bang California (Mỹ) là một trong những nơi đi tiên phong trong đầu tư vào năng lượng tái tạo trên thế giới. Vậy nhưng đến nay, vùng đất đầy nắng và gió này vẫn chưa thể giải được bài toán khó mà năng lượng tái tạo đặt ra.
Những năm qua, California đã tích cực lắp đặt rất nhiều tấm năng lượng mặt trời và tuabin gió. Lượng điện tái tạo được sản xuất ra quá lớn tới mức có lúc dùng không hết, California đã phải trả tiền để các bang lân cận như Arizona lấy số điện dư thừa này. Nói cách khác, California chấp nhận bán điện với giá âm.
Một giải pháp của California là sản xuất và lắp đặt các khối pin khổng lồ để trữ lượng điện tái tạo dư thừa rồi phát lượng điện này khi nguồn cung không đáp ứng đủ nhu cầu.
Tháng 6/2020 vừa qua, Tập đoàn Quản lí Hệ thống điện Độc lập California (CAISO) đã lắp đặt thêm các khối pin với khả năng trữ 62,5 megawatt (MW) công suất điện.
Đầu năm 2020, công suất lưu trữ điện của CAISO là 136 MW. Nếu các dự án lắp đặt diễn ra đúng tiến độ, năng lực lưu trữ điện của CAISO vào cuối năm nay sẽ cao gấp 6 lần đầu năm.
Bloomberg dẫn lời ông Steve Berberich - Giám đốc CAISO dự báo rằng để California đạt được mục tiêu trung hòa các-bon (carbon neutral – loại bỏ hoàn toàn khí thải carbon) vào năm 2045, bang này sẽ phải có khả năng lưu trữ tới 15 gigawatt (GW) điện, tức là lớn gấp 110 lần công suất lưu trữ đầu năm 2020.
Chỉ dùng các khối pin hóa học để dự trữ điện rõ ràng là không đủ để tận dụng tối đa năng lượng gió và mặt trời.
Các nước châu Âu đã tìm đến một giải pháp khác. Na Uy – quốc gia nhỏ bé chỉ với 5 triệu dân – đang tự biến mình thành một quả pin khổng lồ cho toàn châu lục nhờ địa lí với nhiều núi non, sông hồ.
Theo Politico, Na Uy nhập khẩu điện tái tạo dư thừa từ những người hàng xóm như Đan Mạch hay Thụy Điển để bơm nước lên các đập thủy điện và dự trữ tại đây.
Đến khi các nước lân cận thiếu điện vì gió không thổi hay trời không nắng, Na Uy sẽ xả hồ chứa để chạy nhà máy thủy điện và xuất khẩu điện ngược lại cho các nước.
Năm 2019, khoảng 50% điện năng tiêu thụ của Đan Mạch đến từ gió và mặt trời. Sở dĩ Đan Mạch đạt được tỉ lệ cao không tưởng này là nhờ quả pin Na Uy.
Tại Việt Nam, Dự án thủy điện tích năng Bác Ái ở tỉnh Ninh Thuận đã được Thủ tướng Chính phủ đưa vào Qui hoạch điện VII điều chỉnh, do Tập đoàn Điện lực Việt Nam làm chủ đầu tư. Dự án gồm 4 tổ máy với công suất 1.200 MW. Tổng mức đầu tư của dự án thuỷ điện tích năng Bác Ái khoảng 21.100 tỉ đồng.
Theo Báo Chính phủ, công trình này sử dụng nguồn nước của hồ Sông Cái thuộc hệ thống thủy lợi Tân Mỹ làm hồ dưới. Nước được bơm từ hồ dưới lên hồ trên tích nước để phát điện thông qua 2 tuyến đường hầm song song có đường kính thay đổi từ 5,5 m đến 7,5 m với tổng chiều dài mỗi tuyến hầm hơn 2.700 m.
Tất nhiên việc dự trữ bằng bơm tích năng này có rất nhiều nhược điểm như tỉ lệ hao hụt lớn và phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa lí, không phải nơi nào cũng có thể xây hai hồ thủy điện được.
Tại Việt Nam, một số tỉnh thuộc miền Trung, miền Nam có tiềm năng lớn về bức xạ nhiệt nên đã thu hút các chủ đầu tư phát triển điện mặt trời mái nhà với số lượng dự án lớn. Tuy nhiên, lưới điện trung, hạ áp ở nhiều khu vực đang bị quá tải, không đủ khả năng tiếp nhận công suất.
Ở miền Nam, theo Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC), tính đến cuối tháng 8/2020 có 2.532 khách hàng đăng kí đấu nối nhưng chưa vận hành thương mại, tổng công suất hơn 1.496 MWp.
Trong đó có 240 dự án với tổng công suất 229 MWp vượt khả năng giải tỏa công suất, tập trung chủ yếu ở Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh.
Tại địa bàn do Tổng công ty Điện lực miền Trung (EVNCPC) quản lí, điện mặt trời mái nhà phát triển mạnh và tập trung tại các tỉnh Quảng Nam, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa và 4 tỉnh Tây Nguyên gồm Đăk Nông, Đăk Lắc, Kon Tum, Gia Lai gây nguy cơ quá tải lưới điện trung áp.
Đến cuối tháng 8 vừa qua, có 519 dự án với tổng công suất 414 MWp ở các địa phương này đã đăng kí đấu nối nhưng không đáp ứng giải tỏa công suất. Tổng công suất các nguồn điện gió và điện mặt trời trên cả nước đã được phê duyệt bổ sung qui hoạch gần 23.000 MW.
Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã phải đẩy nhanh tiến độ và đưa vào vận hành 21 công trình lưới điện từ 110 kV đến 500 kV phục vụ giải tỏa các nguồn điện năng lượng tái tạo với các trạm biến áp tổng dung lượng 5.025 MVA.
Tuy nhiên, EVN cũng nhận định việc đầu tư xây dựng các công trình lưới điện mới này sẽ khó đáp ứng tiến độ đồng bộ với các công trình điện gió, mặt trời, đặc biệt là khi các chủ đầu tư sẽ cố gắng đưa vào vận hành thương mại trước ngày 31/12/2020 để được hưởng cơ chế giá điện ưu đãi.
Phát triển năng lượng tái tạo không đơn giản chỉ là dựng thêm tuabin gió và lắp đặt thêm tấm năng lượng mặt trời lên mái nhà.
Năng lượng tái tạo: Sống nhờ vào năng lượng hóa thạch
Để thấy rõ những nhược điểm cố hữu của điện tái tạo, hãy thử nhìn vào biểu đồ cung – cầu điện năng của California vào một ngày mùa hè.
Trong ngày 19/9/2020, nhu cầu điện của bang lớn nhất nước Mỹ này chạm đáy vào khoảng 4h sáng – đây là khoảng thời gian người dân đang say giấc, nhà máy và văn phòng vẫn chưa làm việc.
Nhu cầu điện năng sau đó tăng dần và đạt đỉnh vào khoảng 18h chiều – đây là lúc người dân trở về sau một ngày làm việc, các đồ dùng điện trong nhà đồng loạt được bật lên.
Về phía cung, điện tái tạo bắt đầu tăng mạnh lúc 7h sáng khi mặt trời chiếu rọi, ổn định đến khoảng 17h chiều thì lao dốc. Đến 18h, các tấm năng lượng mặt trời không còn đóng góp gì cho lưới điện nữa mà chỉ còn điện từ tuabin gió, địa nhiệt, sinh khối, …
Nói cách khác, nguồn cung điện tái tạo lao dốc đúng lúc nhu cầu điện lên đỉnh.
Nhà máy điện hạt nhân Diablo Canyon có công suất gần như luôn cố định ở mức 2.247 MW do khó điều chỉnh mức phát xạ của các thanh nguyên liệu uranium. Công suất thủy điện cũng không thể đẩy lên cao đột ngột.
Để bù đắp sự thiếu hụt của điện tái tạo, California phải tăng cường chạy nhà máy nhiệt điện khí hóa lỏng (LNG). Với trường hợp của Đức, nguồn năng lượng dự phòng khi thiếu điện tái tạo là nhiệt điện than.
Việc liên tục thay đổi nguồn điện giữa gió, mặt trời và than, khí hóa lỏng chỉ trong một ngày là rất tốn kém, làm tăng lượng phát thải CO2 và cho thấy sự lệ thuộc của năng lượng tái tạo vào năng lượng hóa thạch.
Các tập đoàn dầu khí sừng sỏ thế giới như BP hay Totalgaz đang đầu tư hàng tỉ USD vào ngành năng lượng tái tạo không phải chỉ vì mục đích quảng cáo PR. Các ông lớn hóa thạch này hiểu rằng gió và mặt trời phụ thuộc chứ không thay thế được dầu khí trong phát điện.
Năng lượng tái tạo không hoàn toàn xanh
Bản thân các nhà máy điện gió và điện mặt trời không phát thải nhiều CO2 như nhiệt điện than, dầu hay khí hóa lỏng. Tuy nhiên, các tấm năng lượng mặt trời và tuabin gió lại đòi hỏi nhiều loại nguyên liệu đầu vào để sản xuất như silicon, phốt pho, titan oxit, thép, đất hiếm, bê tông … và tất nhiên là cả năng lượng.
Như đã nói, vì năng lượng tái tạo rất phân tán nên lượng vật liệu cần thiết để tạo ra điện năng cũng là rất lớn. Diện tích một nhà máy điện gió và điện mặt trời lớn gấp hàng chục đến hàng trăm lần một nhà máy điện hạt nhân cùng công suất.
Để xây dựng các cơ sở sản xuất điện gió hay điện mặt trời, con người phải dọn sạch cả một khu vực rộng lớn, cây cối bị cắt trụi hoàn toàn.
Một nhà máy điện mặt trời nằm giữa sa mạc như Ivanpah (California) cũng phá hoại môi trường sống của hàng nghìn loài vật như rùa, rắn, chuột, … Mỗi năm, nhiệt lượng cực cao mà các tấm năng lượng mặt trời ở Ivanpah tạo ra đã khiến cho hàng nghìn con chim bốc cháy giữa không trung.
Các cánh đồng tuabin gió khổng lồ tại Mỹ thì khiến cho khoảng hơn 1 triệu con chim và dơi chết mỗi năm. Những cánh quạt dài hàng chục mét quay tròn trong không khí giống như những loài săn mồi đầu bảng đột ngột xuất hiện trong khi các loài khác chưa kịp tiến hóa để thích ứng. Nạn nhân của tuabin gió bao gồm những giống chim quí hiếm cỡ lớn như đại bàng, diều hâu, cắt …
Một câu hỏi nữa cũng chưa có lời giải là: Sau khi kết thúc vòng đời, các tấm năng lượng mặt trời và cánh quạt tuabin phải được xử lí ra sao để thân thiện với môi trường?
Những sản phẩm này rất khó để tái chế và đang bị vứt ra bãi rác - nơi nhiều chất độc hại có thể phát tán ra môi trường.
Tấm năng lượng mặt trời đã qua sử dụng cùng với cánh quạt tuabin gió sắp bị chôn lấp (Ảnh: PV Cycle, Bloomberg).
Tờ South China Morning Post (SCMP) dẫn lời ông Tian Min – Tổng Giám đốc công ty tái chế Nanjing Fangrun Materials gọi ngành năng lượng mặt trời là một quả bom nổ chậm. "[Vấn đề xử lí các tấm năng lượng mặt trời hết hạn] sẽ bùng nổ dữ dội trong 2-3 thập kỉ nữa và gây tác hại nghiêm trọng tới môi trường. Khối lượng chất thải là rất lớn và không dễ để tái chế".
Các nhà khoa học tại Viện Quang điện Stuttgart (Đức) thì cho biết: "Trái với giả định trước đây, các chất ô nhiễm gây ung thư như chì và cadimi có thể bị nước mưa rửa trôi hoàn toàn khỏi các mảnh vỡ của tấm năng lượng mặt trời trong vòng vài tháng".
Hiện nay chỉ có các nhà máy điện hạt nhân là kiểm soát 100% chất thải từ quá trình phát điện. Các thanh nhiên liệu hạt nhân sau khi sử dụng xong sẽ được đưa vào những khu xử lí chuyên biệt với qui trình bảo vệ nghiêm ngặt, đảm bảo không phát tán ra môi trường như nhiệt điện hay điện gió, điện mặt trời.