Đẩy lùi phát thải CO2 và giải pháp điện hạt nhân tiên tiến [Kỳ 1]

KỲ 1: THÁCH THỨC VỀ KỸ THUẬT VÀ KINH TẾ

Trong số các quốc gia châu Âu, nước Đức là một trường hợp thú vị điển hình cho sự bất thường về chính sách năng lượng. Chúng ta hãy cùng nhìn vào chính sách năng lượng của Đức để xem liệu sự lựa chọn này có thực sự hiệu quả. 

Thủ tướng Đức Angela Merkel (CDU) lấy một tập tài liệu màu xanh lá cây từ cặp của bà khi bắt đầu vòng tư vấn của chính phủ liên quan đến dự luật về năng lượng tái tạo tại văn phòng Thủ tướng ở Berlin, Đức, ngày 31/5/2016. (Ảnh: AFP/Maurizio Gambarini/dpa).

Nước Đức có thật sự “xanh”?

Điều bất thường của chính sách năng lượng là ở chỗ, nếu tin phát thải CO2 của con người đang hủy hoại hành tinh, thì chúng ta lẽ ra phải tăng cường quy mô năng lượng hạt nhân càng nhanh càng tốt, nhưng rút cục lại đi đến quyết định loại bỏ chúng. Tuy nhiên, chính phủ Đức đã cam kết đạt được những mục tiêu về biến đổi khí hậu bằng quyết định đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân, chậm nhất vào là năm 2022.

Hiện nay, trên 35% lượng điện tiêu thụ hàng năm của Đức từ các nguồn gió và mặt trời. Có trên 30.000 tua bin gió, với tổng công suất lắp đặt gần 60 GW đã được xây dựng; khoảng 1,7 triệu giàn lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, với công suất lắp đặt là 46 GW. Điều này có vẻ rất ấn tượng.

Tuy vậy, hầu như lượng điện thực tế sản xuất được chỉ bằng một phần nhỏ của công suất lắp đặt được công bố. Tệ hơn, vào những ngày thời tiết xấu, công suất lắp đặt có thể giảm xuống gần như bằng không.

Ví dụ, năm 2016 nước này đã chứng kiến 52 đêm không có gió. Ngay cả khi tính đến những ngày thời tiết tốt hơn, sản lượng điện trung bình từ năng lượng gió và mặt trời ở Đức chỉ bằng khoảng 17% công suất lắp đặt.

Do đó, để đảm bảo năng lượng cơ bản ổn định và lấp đầy các thiếu hụt do máy phát điện gió, mặt trời biến động, Đức buộc phải dựa vào:

1/ Các nhà máy điện than và khí đốt tự nhiên.

2/ Một số các nhà máy hạt nhân còn lại, dự kiến đóng cửa vào năm 2022; và đáng chú ý nhất là:

3/ Nhập khẩu điện từ các quốc gia châu Âu khác.

Hầu hết điện nhập khẩu từ Pháp, nơi có khoảng 75% điện hạt nhân và từ Thụy Điển, nơi 40% điện năng là điện hạt nhân. Vào những ngày thời tiết xấu, Đức khó có thể xoay xở nếu không có một phần năng lượng hạt nhân mà mọi người cứ coi là “đáng sợ” này.

Khi đẹp trời, Đức vượt toàn bộ các nước còn lại của châu Âu với nguồn điện dư thừa từ các cơ sở năng lượng mặt trời và gió, thường ở mức bán phá giá, hoặc thậm chí là giá âm. Theo cách này, Đức đã biến một lượng lớn các nguồn năng lượng tái tạo biến động khôn lường thành một vấn đề của toàn châu Âu.

Tuy nhiên, ngay cả khi vấn đề thương mại điện châu Âu phát triển mạnh, Đức còn lâu mới có thể đóng cửa các nhà máy điện than và khí đốt. Cơ quan Năng lượng Đức (DENA) đã công bố một kịch bản dài hạn cho sản xuất điện ở Đức, dựa trên giả định rằng: Nguồn tái tạo sẽ chiếm 80% tổng lượng điện tiêu thụ vào năm 2050.

DENA kết luận rằng, để đảm bảo cung cấp điện ổn định, Đức vẫn cần duy trì 61 gigawatt công suất nhà máy điện thông thường trong dự trữ và cho một phần còn lại của sản xuất phụ tải. Hệ thống lưu trữ điện sẽ chỉ cung cấp 9% công suất dự trữ vào năm 2050.

Mặc dù, ở khía cạnh nào đó, vì sự mở rộng của năng lượng tái tạo, công suất điện thông thường chỉ có thể giảm đi 14% cho đến năm 2030 và tối đa là 37% vào năm 2050.

Với cam kết của Chính phủ, về việc đóng cửa năng lượng hạt nhân ở Đức, điều này có nghĩa là sẽ còn lại một lượng lớn công suất điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch và gây phát thải CO2. Đồng thời, quyết định chính trị đã được đưa ra nhằm loại bỏ các nhà máy điện than mà đến nay đã và đang sản xuất tỷ lệ điện lớn nhất tại Đức. Điều đó về cơ bản dẫn đến dầu mỏ (dầu nóng) và khí đốt tự nhiên trở thành nhiên liệu thực tế cho năng lượng dự phòng. Khí tự nhiên sẽ chiếm vị trí đầu tiên, vì nó tạo ra lượng khí CO2 ít hơn khoảng 50% cho mỗi kWh điện so với các nhà máy chạy bằng than, hoặc dầu.

Trong bối cảnh này, người ta có thể đánh giá cao mối quan tâm của Chính phủ Đức để đảm bảo nguồn cung cấp khí đốt tự nhiên lâu dài với giá ổn định. Do đó, Chính phủ cũng nhấn mạnh vào dự án North Stream 2 để xây dựng một hệ thống đường ống khí đốt tự nhiên ngoài khơi từ Nga đến Đức.

Có thể nói, tin tốt là trong phần lớn thời gian, các nhà máy dự phòng sẽ chỉ hoạt động với một phần công suất lắp đặt, thậm chí không hoạt động trong những ngày thời tiết tốt. Bằng cách đó, chúng sẽ giải phóng ít khí CO2 hơn vào khí quyển.

Những thách thức về kỹ thuật và kinh tế

Những thông tin này rất tốt cho môi trường nhưng không phải là cách hiệu quả để sử dụng thiết bị, cơ sở hạ tầng và nhân lực - và không hấp dẫn lắm đối với các nhà đầu tư. Ngoài ra, điều đó vẫn còn xa “giấc mơ xanh” của một hệ thống năng lượng không phát thải CO2.

Việc giữ gìn sự ổn định của lưới điện ở Đức, đồng thời tích hợp hàng chục ngàn nguồn năng lượng biến động được phân phối trên toàn quốc là một thách thức lớn về kỹ thuật. Điều đó có nghĩa là tổ chức lại phần lớn hệ thống truyền tải và phân phối điện, được thiết kế, xây dựng để hoạt động trong một chế độ hoàn toàn khác. Cạnh đó là xây dựng hàng ngàn km đường dây điện cao thế mới, bao gồm bốn đường dây truyền tải đường dài dự kiến cần thiết để di chuyển điện từ phía Bắc lộng gió đến phía Tây công nghiệp và phía Nam của đất nước. Từ đó, làm tăng thêm chi phí thực tế (có hệ thống) trong việc cung cấp điện cho đất nước.

Theo một nghiên cứu năm 2014 của Bộ Năng lượng bang Bavaria, các nhà máy lưu trữ điện không phải là một giải pháp khả thi về mặt kinh tế. Đã có nhiều thảo luận và nghiên cứu liên quan đến các cách khác để lưu trữ điện. Về mặt lý thuyết, người ta có thể sử dụng năng lượng dư thừa để sản xuất hydro, lưu trữ bằng cách nào đó và sau đó sử dụng pin nhiên liệu để sản xuất ra điện trở lại từ hydro. Tuy nhiên, điều này sẽ đắt hơn rất nhiều so với cách lưu trữ sử dụng cho bơm nước tại các thủy điện tích năng và với tổn thất lớn hơn nhiều.

Tốt hơn nhiều là khai thác các nguồn tài nguyên hồ chứa nước hiện có ở Na Uy và Thụy Điển - nơi công suất của các nhà máy lưu trữ điện có thể được mở rộng đáng kể và các nhà máy mới được xây dựng với chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, để thực thi giải pháp này sẽ cần vận chuyển một lượng điện lớn trên quãng đường dài qua lại giữa Đức và các quốc gia đó, trong khi các đường dây trên không, cũng như cáp điện ngầm cao thế chưa được xây dựng. Tất nhiên, không ai muốn trả tiền cho khoản đầu tư này.

Do chi phí cao và những trở ngại khác trong việc tạo ra các hệ thống lưu trữ điện lớn, không có gì đáng ngạc nhiên khi công suất lưu trữ điện của Đức hiện nay chiếm chưa đến 2% tổng sản lượng điện.

Những bài học nhãn tiền

Không còn nghi ngờ gì nữa, việc cố gắng chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo làm nền tảng của hệ thống năng lượng của Đức - Angela Merkelf nổi tiếng với kế hoạch Energiewende đã làm giảm đáng kể hiệu quả kinh tế của đất nước. Giá điện liên tục tăng, cũng như thuế và phí, phản ánh chi phí thực sự của các chính sách của chính phủ. Ngoài ra, còn có một cuộc tranh luận liên quan đến sự ổn định trong tương lai của lưới điện.

Merkel và những thành viên khác trong Chính phủ thường lập luận rằng: Một kế hoạch Energiewende thành công sẽ đặt Đức vào một vị trí độc nhất để xuất khẩu bí quyết và công nghệ cho “sự chuyển đổi xanh” đang diễn ra của nền kinh tế thế giới. Thu nhập tăng từ xuất khẩu công nghệ xanh được cho là để bù đắp chi phí của kế hoạch “Energiewende”. Tính toán này giả định các quốc gia khác sẽ lựa chọn đi theo tấm gương người Đức trong việc sắp xếp lại cơ cấu năng lượng.

Trong khi đó, sự kháng cự đang gia tăng bên trong chính nước Đức, khi các tổ chức môi trường địa phương, cũng như người dân đang bước đầu ngăn chặn việc xây dựng các tua bin gió, đường dây truyền tải, nhà máy điện bơm và các dự án năng lượng tái tạo khác.

Một nguồn cung điện được cho là an toàn với môi trường đã dẫn đến một nhận thức ngày càng tăng ở Đức: Việc duy trì sự phụ thuộc vào năng lượng tái tạo hoàn toàn không thân thiện với môi trường. Bản thân hệ tư tưởng bảo vệ môi trường đang đi vào mâu thuẫn với chính nó. Việc gia tăng quy mô của các dự án năng lượng gió đã hủy diệt cảnh quan thiên nhiên chưa từng thấy với 30.000 tua bin gió khổng lồ. Người ta không muốn sống gần các tua bin gió, vì tiếng ồn khó chịu và có thể phát ra hạ âm nguy hiểm, làm xáo trộn các hiệu ứng quang học, các báo cáo về hỏa hoạn, các cánh tua bin bị gãy bay trong không khí, ném băng... và những con chim bị chết.

Ở Đức, áp lực chính trị đã tăng lên, dẫn đến quy định tăng mức tối thiểu hợp pháp về khoảng cách giữa các tua bin gió và các ngôi nhà xung quanh lên 1 hoặc thậm chí 1,5 km. Điều này làm giảm đáng kể lợi ích của các công trường xây dựng. Các cuộc biểu tình và các vụ kiện đã khiến việc xây dựng các tua bin gió mới ở Đức gần như bế tắc.

Năng lượng mặt trời đã gặp phải không ít sự phản đối, và không còn nghi ngờ gì nữa vì chỉ có một vài trang trại năng lượng mặt trời lớn được xây dựng ở nước này. Hầu hết công suất hiện tại đến từ pin mặt trời gắn trên mái nhà, đặc biệt là trên các ngôi nhà tư, nơi mà các pin mặt trời đã trở nên khá phổ biến.

Vấn đề lớn là làm thế nào để lưu trữ điện, phần điện được tạo ra ban ngày và biến đổi theo độ che phủ mây. Cho đến nay, tương đối ít chủ sở hữu các ngôi nhà sẵn sàng trả tiền cho pin và các thiết bị lưu trữ khác. Thay vào đó, điện dư được đưa lên lưới điện với giá được bao cấp.

Các dự án cho các trạm lưu trữ điện sử dụng máy bơm và cho các đường truyền mới đã gặp phải những phản ứng mạnh mẽ cho thấy có rất ít cơ hội để thực hiện các mục tiêu ban đầu của kế hoạch “Energiewende”.

Một câu hỏi đặt ra là: Liệu có hợp lý không khi từ bỏ mô hình hệ thống điện ổn định dựa trên các nguồn hoạt động liên tục đã được thử nghiệm và chứng minh, chiếm tỷ lệ lớn tải trọng cơ bản trên lưới điện quốc gia?

Qua trường hợp của Đức có thể rút ra bài học rõ ràng là: Nếu muốn có một nguồn cung cấp điện ổn định, an toàn thì chúng ta cần nguồn dự trữ, hoặc nguồn điện dự phòng có thể được kích hoạt trong thời gian ngắn để lấp đầy được những thiếu hụt do sản lượng điện từ gió và mặt trời nhu cầu điện gia tăng.

Khi một quốc gia đưa ra quyết định tạo ra càng nhiều điện từ gió và mặt trời thì đồng thời họ phải tính đến công suất dự phòng. Vào những ngày thời tiết xấu, các nguồn dự phòng này phải có khả năng cung cấp tới 100% nhu cầu điện của quốc gia. Vào những ngày thời tiết thuận lợi, các nguồn dự phòng sẽ được sử dụng ít hơn, hoặc thậm chí được tắt đi, nhằm giảm công suất của chúng. Điều này rõ ràng là thiếu tính kinh tế.

Tốt hơn hết là nên hạn chế năng lượng gió và mặt trời ở mức tương đối tối thiểu, và thay vào đó dựa vào các nguồn năng lượng không dao động có thể điều khiển được với hệ số công suất cao, để đáp ứng các yêu cầu về tải trọng cơ bản trên lưới điện quốc gia điều chỉnh tổng sản lượng theo nhu cầu khác nhau. Điều này tương ứng với thực tiễn trên toàn thế giới trước bối cảnh gần đây, việc xây dựng các công trình năng lượng tái tạo ngày một gia tăng.

Về lý thuyết, đối với năng lượng gió và mặt trời, việc dự phòng lý tưởng sẽ là dự trữ điện dư thừa được sản xuất khi mặt trời chiếu sáng, gió thổi mạnh, và đưa nó trở lại lưới điện khi cần thiết. Tuy nhiên, rất khó khăn và tốn kém để dự trữ được điện.

Cho đến nay, giải pháp hiệu quả nhất hiện có để lưu trữ năng lượng điện dư thừa là sử dụng nó để bơm nước đẩy vào hồ chứa. Đến khi cần điện cho nước chảy trở lại thông qua một máy phát tua bin sẽ lại tạo ra điện. Quá trình này làm mất đi khoảng 25% năng lượng. Đương nhiên, chi phí xây dựng và vận hành các nhà máy lưu trữ điện như vậy sẽ thêm vào chi phí thực sự khi cung cấp điện. Thêm vào đó, việc lắp đặt các nhà máy lưu trữ này sử dụng một lượng lớn diện tích đất.

Do vậy, nếu chúng ta muốn toàn bộ hệ thống điện phần lớn không có CO2, thì lựa chọn duy nhất khả dụng là năng lượng hạt nhân./.

(Đón đọc kỳ tới...)

BIÊN DỊCH: NGUYỄN THỊ THU HÀ - VINATOM (NGUỒN: ASIATIMES.COM)