Khí tự nhiên, năng lượng mặt trời và hệ thống quản lý năng lượng (data – driven efficiency)[1] đang tạo ra những lợi ích cho nhân loại, trong khi lịch sử lại cho thấy khí thải từ than đá và xăng dầu không còn phù hợp nữa.

​

Đột phá năng lượng và “chuyển đổi” năng lượng là những chủ đề rất “hot” ngày nay. Tổng thống Barack Obama đang nhắm đến việc có 20% nguồn điện nước Mỹ sẽ được tạo ra từ năng lược gió và mặt trời cho đến năm 2030. Ứng cử viên Tổng Thống, bà Hillary Clinton lại đi xa hơn nữa: Một vài tuần trước bà đã cam kết trong vòng 10 năm điều hành, bà sẽ có đủ điện để đảm bảo “ năng lượng tái tạo” [2] cho mọi hộ gia đình tại Mỹ. Đây chắc chắn sẽ là một cuộc đua nước rút, bởi vì năng lượng từ gió và mặt trời hiện nay chỉ chiếm 6% tổng điện tiêu thụ của toàn nước Mỹ.

Một vài người cũng tỏ thái độ cẩn trọng với viễn cảnh này. Bill Gates mới đây đã cam kết sẽ đầu tư 2 tỷ đô cho bước “đột phá” và cải tiến năng lượng bởi ông tin rằng công nghệ hiện nay có thể làm giảm thiểu khí thải CO2 và những tác động của con người đến thay đổi khí hậu – với một cái giá mà ông ví von rằng “vượt xa khỏi vũ trụ”.

Có một điều chắc chắn rằng: Một vài tháng nữa thôi, với cách tiếp cận của hội nghị Biến đổi khí hậu tháng 12 tại Paris – hơn 190 quốc gia tham dự – cuộc thảo luận sẽ căng thẳng hơn với vấn đề làm thế nào để hành tinh có thể xóa bỏ than đá, dầu mỏ và sử dụng khí tự nhiên để hướng tới một tương lai ít khí thải CO2.

“Chuyển đổi” năng lượng thật ra cũng không phải là điều gì quá mới mẻ. Năng lượng, chúng sẽ tiếp tục chuyển đổi trong hơn hai thế kỷ nữa. Chúng đã chuyển đổi và sẽ tiếp tục như vậy - nhưng nếu lịch sử dạy cho chúng ta bất kỳ điều gì thì đó chính là việc chuyển đổi năng lượng của chúng ta không thật sự nhanh chóng.

Bài học lịch sử và sự phát triển của năng lượng.

Năm 1824, một nhà khoa học và kỹ sư người Pháp, Sadi Carnot đã cho ra một đề tài nghiên cứu về “Động lực của lửa”. Mục đích của ông là để giải thích hoạt động của một phát minh tuyệt vời kéo dài trong nửa thế kỷ trước: động cơ hơi nước của James Watt. Carnot vẫn nhìn nhận động cơ hơi nước là một “cuộc cách mạng vĩ đại” trong xã hội loại người – đây là sự khai thác năng lượng khiến cả thế giới thay đổi. Thật vậy, động cơ hơi nước đã đặt ra quá trình chuyển đổi đầu tiên trong ngành năng lượng của thế giới. Thay vì phụ thuộc gỗ, phế phẩm nông nghiệp và chất thải trong suốt 400,000 năm thì nhân loại đã bắt đầu chuyển sang sử dụng than đá.

Chúng ta nghĩ về thế kỷ 19 nhưng một kỷ nguyên của than đá, nhưng nhà kinh tế năng lượng Canada Vaclaw Smil dã chỉ ra, than đá chỉ chiếm 5% tổng nguồn cung năng lượng vào năm 1840 và nó sẽ không còn đến 50% cho đến năm 1990. Công nghiệp dầu mỏ hiện đại bắt đầu vào năm 1859, nhưng phải mất hơn một thế kỷ dầu mỏ mới thay thế than đá như nguồn cung ứng năng lượng số 1 thế giới. “Đây là bài học lịch sử quan trọng nhất”, tiến sĩ Smill cho rằng, “năng lượng mới khai thác được đều đòi hỏi một khoảng thời gian để phát triển”.

Và bài học quan trọng không kém đấy là, ngay cả khi có một nguồn năng lượng mới thay thế cái cũ đi chăng nữa thì tiến trình đó vẫn chậm lại, bởi vì năng lượng cũ rất khó để bỏ đi ngay lập tức. Dầu mỏ có thể đã thay thế than đá như nguồn năng lượng số 1 vào năm 1960, nhưng từ đó trở đi, lượng tiêu thụ than đá toàn cầu vẫn tăng gấp ba lần.

Có hai cải tiến quan trọng nhất trong giai đoạn đột phá về năng lương. Một là năng lượng tái tạo: năng lượng mặt trời. Một năng lượng khác là năng lượng thông thường: khí đá phiến và dầu đá phiến.

Dầu đá phiến (Shale oil)

​

Cuộc cách mạng về đá phiến đã trỗi dẫy mạnh mẽ trong toàn bức tranh về năng lượng, nhưng nó hiển nhiên phải trải qua một thời gian dài để có thể thực hiện được. George P.Mitchell, nhà sản xuất khí ga Houston đã bắt đầu tin vào những nguồn năng lượng mới này. Vào nhũng năm 1980, Mitchell đã bị lôi cuốn bởi ngành công nghiệp khí đốt mà có thể được tạo ra được từ đá phiến. Thật khó để có ai tin ông vào thời điểm đó!

Mãi cho đến cuối những năm 1990 và đầu năm 2000, khái niệm của ông mới được chứng minh thành công bởi việc tách Hidro (hay còn gọi là phương pháp fracking) và khoan ngang mà sự phát triển của nó đã có từ những năm 1980. Thay vì việc thiếu khí đốt mà chúng ta đã sử dụng trong một thập kỷ trước, thì bây giờ có lẽ nước Mỹ chỉ còn giữ một nguồn cung đủ kéo dài hơn một thế kỷ nữa. Thật vậy, nước Mỹ đang là một trong những nhà xuất khẩu dầu mỏ khí đốt lớn nhất thế giới.

Các kỹ thuật mới đã được áp dụng cho Dầu thô cũng được áp dụng tương tự với Đá phiến dầu và cho ra các kết quả sau khi chuyển hóa. Vào năm 2008, nỗi sợ hãi của việc thiếu dầu thô đã trở nên lan rộng hơn. Năm 2015, chỉ sau 7 năm, sản lượng dầu của Mỹ đã tăng lên gấp đôi. Sự gia tăng đột biến này, kết hợp với nguồn cung gia tăng từ Ả Rập và I Rắc phần nhiều đã giải thích cho việc sụp đổ giá dầu hiện nay.

Năng lượng sạch xuất hiện

​

Nguồn gốc của cuộc cách mạng năng lượng thậm chí đã tiến xa hơn với một nghiên cứu đạt giải Nobel của Albert Einstein viết vào năm 1905 về “Hiệu ứng quang điện”[3]. Lý thuyết sâu sắc của Einstein đã phải mất khoảng nửa thế kỷ mới được áp dụng vào thực tế. Pin mặt trời đã phát triển nhanh chóng vào cuối những năm 1950 để cung ứng điện cho các vệ tinh Mỹ trong không gian cùng với của Liên Xô, nhưng những tấm pin này lại vô cùng đắt tiền.

Nhà hóa học Peter Varadi, một trong những nhà tiên phong, năm 1973, ông và người tị nạn Hungary, Joseph Lindmayer đã cho ra đời công ty có tên gọi Solarex ở Rockville, Md. Khi họ bắt đầu khởi nghiệp, hầu như không có một thị trường nào dành cho Pin quang điện. Dần dần những khách hàng mới xuất hiện và họ chủ yếu dùng cho ứng dụng trong việc điều khiển từ xa.

Nhưng có vẻ như kinh doanh từ năng lượng mặt trời không bao giờ chạm đến được quy mô lớn. Năng lượng mặt trời đem lại lợi nhuận, nhưng nó lại thiếu nguồn vốn, và đó là những gì mà hai tiến sĩ Varadi và LindMayer buộc phải ngừng kinh doanh vào năm 1983. Exxon, một công ty mới cũng ra khỏi ngành này vào năm 1984 bởi vì họ không nhìn thấy một thị trường rộng mở trong tương lại. Khởi đầu từ những năm 1990, các nhà kinh tế học đã gọi ngành năng lượng mặt trời là “một khu kinh doanh nghĩa địa cho những cái đầu ảo tưởng về môi trường”. Các doanh nghiệp về năng lượng mặt trời, nặng lượng gió đều phải chống chọi khốc liệt, và thập kỷ đó được người ta biết đến như là “thung lũng của thần chết”.

Năng lượng sạch quay trở lại

​

​

Đến đầu thế kỷ này, năng lượng mặt trời đã quay trở lại. Nguồn gốc của lý do nằm ở nước Đức. Với mục tiêu theo đuổi một tương lai ít lượng khí CO2, đất nước này đã cho ra đời “Energiewende” [4] (chuyển đổi năng lượng), một dự án sẽ cung cấp một khoản trợ cấp khổng lồ cho năng lượng tái tạo.

Lợi ích lớn nhất trong chính sách về năng lượng mặt trời của Đức hóa ra lại không phải là các doanh nghiệp Đức, mà đó chính là Trung Quốc. Các doanh nghiệp Trung Quốc đã nhanh chóng xây dựng các cơ sở sản xuất với giá thành thấp và bắt được thị trường Đức. Kết quả của việc dư công suất của các nhà máy Trung Quốc đã đẩy giá thành xuống thấp, và nó dẫn tới việc giảm giá Silic, một nguyên liệu không thể thiếu trong Pin mặt trời. Kết quả là giá của Pin mặt trời giảm giá mạnh đến 85% từ năm 2006. Chi phí lắp đặt theo đó cũng giảm xuống. Doanh số bán ra toàn cầu năm 2014 tăng gấp 70 lần so với năm 2003. Đến cuối năm trước, công suất lắp đặt của pin quang điện đã lên tới gần 200 GW (gigawatt).

Năng lượng mặt trời chỉ có ở những vùng có nắng và nóng. Thậm chí nó cần có những hệ thống lưu trữ dự phòng cho những ngày không thể sản sinh ra năng lượng. Tuy nhiên, ở một số vùng khác, năng lượng mặt trời không thể cạnh tranh với các năng lượng khác nếu như không có trợ cấp và các biện pháp khuyến khích. Có rất nhiều nỗ lức đang đi vào đổi mới công nghệ với mục đích cải thiện hiệu quả của pin và giảm chi phí lắp đặt. Và những cơ chế tài chính mới đang nổi lên để tạo thuận lợi cho việc áp dụng các công nghệ này.

“Năng lượng mặt trời đang lớn mạnh một cách tuyệt vời”, Tiến sĩ Varadi, người viết nên lịch sử của năng lượng mặt trời trong cuốn sách “Sun Above the Horizon” nói. “Những năng lượng như thế này đều cần có thời gian. Đá phiến dầu và khí phiến dầu đều đã có sẵn trên thị trường. Khi chúng bắt đầu, chúng còn thậm chí chẳng có thị trường tiêu thụ. Và các doanh nghiệp cần phải tối đa hóa sản xuất để đem lại giá thành thấp”.

Khoảng 6 năm qua, đóng góp của năng lượng mặt trời cho điện năng của toàn cầu đã tăng lên gấp 10 lần. Bây giờ nó đã tăng thêm 1% trong tổng điện năng của toàn thế giới, chiếm khoảng 0.2% tổng năng lượng toàn thế giới. Năng lượng mặt trời đang phát triển rất nhanh ở Mỹ và có thể chiếm gần 1% tổng hệ thống điện đến cuối năm nay. Lượng điện từ năng lượng tái tạo mới khác – gió – cũng đang chiếm tỷ lệ lớn hơn, khoảng 5% tổng điện tiêu năng của Mỹ.

Cũng giống năng lượng mặt trời, năng lượng từ gió cũng bắt đầu từ cuộc khủng hoảng năng lượng từ những năm 1970, điều này đã dẫn tới “Cơn sốt gió California” vào đầu những năm 1980. Các doanh nghiệp năng lượng đã được sản sinh ra nhờ vào sự kết hợp giữa Cối Xay Gió Đan Mạch với các khoản tín dụng thuế California và những chính sách về năng lượng.

Ngày nay, ngành năng lượng gió đang trên đà phát triển. Trong vài năm qua, những cải tiến sản xuất và những thiết kế mới đã góp phần đưa chi phí đi xuống, nhưng gió và năng lượng mặt trời vẫn cần nhiều biện pháp khuyến khích và trợ cấp để trở nên cạnh tranh hơn ở nhiều nơi. Gió có thể cung cấp 3.5% cho điện năng toàn thế giới. Dựa theo các tình huống được phát triển bởi IHS, năng lượng gió có thể đạt từ 9% đến 13% trong tổng năng lượng toàn cầu cho đến năm 2040.

Giải pháp nào cho năng lượng sạch?

Điều gì có thể tăng tốc độ phát triển cho năng lượng mặt trời và năng lượng từ gió? Sự phát triển của pin có thể lưu trữ những năng lượng tái tạo này trong những thời gian mà mặt trời không chiếu sáng hoặc gió không thổi. Có rất nhiều khoản đầu tư và nỗ lực đang cùng nhau đối đầu với những thách thức. Trong khi đó, những cải tiến và Pin đã có tác động lớn đến giao thông vận tải với sự xuất hiện của xe hơi điện.

Hơn một thế kỷ trước, Thomas Edison đã đổ một số tiền đáng kể vào việc cố gắng tạo ra xe hơi chạy bằng điện. Ông đã hoàn toàn bị thuyết phục và ông đã nói rằng “Sẽ có nhiều điện được bán cho xe hơi điện hơn là dùng cho việc chiếu sáng”. Nhưng trong cuộc đua đó, ông đã thua Henry Ford với mẫu Telsa. Việc giới thiệu mẫu Telsa vào năm 2012 đã gây ấn tượng đến hội chợ khoa học kỹ thuật. Nhưng các mẫu pin ion Liti (Li) có thể sạc được nhằm cung cấp năng lượng cho xe điện lại có nguồn gốc phát minh từ phòng thí nghiệm Exxon trong suốt thời kỳ khủng hoảng năng lượng vào những năm 1970, lúc mà con người chúng ta nghĩ rằng dầu thô sẽ không còn nữa.

M.Stanley Whittingham, nhà khoa học dẫn đầu về các dự án đã viết trên tờ báo khoa học năm 1976, rằng mục đích của việc phát triển pin là “để cho các động cơ đẩy của xe điện, đồng thời giúp cho việc lưu trữ để sử dụng vào những lúc cao điểm và dùng lưu trữ cho cả năng lượng mặt trời”. Tuy nhiên, giá dầu lại đi xuống và “linh kiện bằng điện” không bao giờ có cơ hội xuất hiện.

Pin Liti bị suy yếu trong việc thương mại hóa chỉ cho đến khi Sony bắt đầu sử dụng công nghệ này vào những năm 1990 để cung cấp năng lượng cho các máy quay video, và rồi thì Pin Litin cũng bắt đầu phủ rộng cho các sản phẩm xách tay nhỏ, bao gồm cả máy tính và điện thoại smartphone. Tesla đã mang Pin Liti trở lại với mục đích ban đầu của việc hình thành “xe điện” và đưa nó vào chu trình của mình.

Một ranh giới khác khiến cho sự đổi mới năng lượng không được lưu tâm đến đó là bởi vì nó ít có các sự cố nghiêm trọng và thiếu tầm nhìn: để sử dụng năng lượng hiệu quả hơn thì chúng ta cần phải sử dụng nó tiết kiệm hơn. Tuy nhiên ranh giới này vẫn còn rất lớn.

Mỹ đang có khoảng trên 2,5 lần năng lượng hiệu quả hơn so với việc sử dụng vào những năm 1970, khi mà cuộc khủng hoảng dầu trở thành vấn đề chính trị của quốc gia. Nhưng vẫn rất nhiều lỗ hổng trong hệ thống này. Bằng việc kết hợp công nghệ thông tin, Internet và các công cụ giám sát kiểm soát tinh vi, rất nhiều những tòa nhà lớn có thể cắt giảm tổng lượng điện tới 30% hoặc nhiều hơn thế.

Cải tiến nào tiếp theo sẽ tạo sức mạnh cho cuộc cách mạng tới trong nền văn minh nhân loại? Nó có thể là một năng lượng mới nào đấy, có thể là thứ mà Bill Gates kiến nghị, thứ mà chúng ta không thể nhìn thấy rõ ràng. Nhưng khi bước đột phá xảy đến, cơ hội để nó được thực hiện sẽ mất đến 20, 30 hoặc 40 năm. Hoặc thậm chí là lâu hơn nữa.

Theo WSJ
nhipcautre0904 dịch​

[1] Data-driven efficiency: một hệ thống kiểm soát năng lượng, giúp năng lượng của toàn công ty/tòa nhà sử dụng hiệu quả.
[2] Năng lượng tái tạo: Năng lượng sạch, có thể tự tái tạo mà không cạn kiệt (gió, mặt trời).
[3] Hiệu ứng quang điện: Hiện tượng điện- lượng tử trong đó các điện tử thoát khỏi nguyên tử sau khi hấp thụ năng lượng trong các photon ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích và bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng này do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra và được Albert Einstein giải thích thành công.
[4]Energiewende: một dự án chuyển đổi năng lượng của Đức sang đầu tư các năng lượng tái tạo được.