Điện gió, mặt trời, hạt nhân: Phát thải các bon thấp ‘đến không ngờ’

Tiến sĩ Gunnar Luderer - nhà phân tích hệ thống năng lượng tại Viện Nghiên cứu Tác động Khí hậu Potsdam (PIK) của Đức và là trưởng dự án nghiên cứu, lý giải “có lo ngại là việc đạt được các mục tiêu về khí hậu sẽ khó hơn nhiều so với đề xuất từ các mô hình kịch bản năng lượng, vì quá trình sản xuất ra tua bin gió và pin mặt trời cũng cần đến năng lượng và phát ra khí thải”.

Ông Luderer đã trao đổi với Tạp chí Carbon Brief rằng: “Phát hiện quan trọng nhất [trong nghiên cứu của chúng tôi] là sự mở rộng các cơ sở sản xuất năng lượng gió, mặt trời… kèm phát thải suốt vòng đời nhỏ hơn nhiều so với lượng khí thải từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hiện có, trước khi có thể dừng hoạt động những nhà máy này”.

Khoản nợ các bon

Những người chỉ trích thi thoảng lại tranh luận là năng lượng hạt nhân, gió, hoặc mặt trời đều tiềm ẩn lượng khí thải các bon từ quá trình sản xuất và xây dựng. Họ coi đây là “khoản nợ các bon” lớn mà các loại năng lượng trên phải “gánh” và trả hết thì mới được tính là có khả năng cắt giảm khí thải trong suốt thời gian tồn tại.

Các nhà máy sản xuất pin mặt trời tiêu tốn lượng lớn điện năng mà thông thường từ những nhà máy nhiệt điện than ở Trung Quốc. Các tua bin gió và nhà máy hạt nhân cần rất nhiều thép và bê tông, và các máy ly tâm tách nhiên liệu hạt nhân cũng ngốn khoản tiền điện lớn.

Tuy nhiên, các nguồn điện phi các bon không phải là những nguồn duy nhất tiềm ẩn vết carbon và vết năng lượng gián tiếp (indirect carbon and energy footprint).

Với các nhà máy điện than, điện khí, năng lượng và phát thải suốt vòng đời vận hành từ máy móc khai thác và vận chuyển nhiên liệu. Lượng khí thải còn phát ra đáng kể từ sự rò rỉ khí mê tan tại các đường ống, đầu giếng khoan, hoặc mỏ than. Lượng phát thải suốt vòng đời vẫn còn tiếp tục, ngay cả khi các nhà máy này có công nghệ thu giữ và lưu trữ các bon (CCS) thì không thể thu được 100% lượng khí thải.

Hơn nữa, việc tiêu thụ năng lượng gián tiếp và lượng khí thải của mỗi loại hình công nghệ sẽ thay đổi theo thời gian, tùy thuộc vào thay đổi nguồn nhiên liệu, những tiến bộ trong sản xuất và sự phát triển của nguồn cung cấp điện toàn cầu.

Nghiên cứu mới của tác giả liên hệ thứ nhất Michaja Pehl và cộng sự (trong đó có TS. Gunnar Luderer - tác giả liên hệ thứ hai), đo lường một cách toàn diện việc sử dụng năng lượng và phát thải khí nhà kính trong vòng đời hoạt động của các nguồn điện khác nhau, từ nay đến năm 2050. Sau đó, họ so sánh những vết các bon tiềm ẩn trong một thế giới cắt giảm khí thải phù hợp với mục tiêu giới hạn nhiệt độ tăng toàn cầu dưới 2 độ C, hay còn gọi là thế giới 2C (2C world) và một thế giới ngừng các hành động xa hơn để đối phó với biến đổi khí hậu.

Năng lượng biểu hiện (Embodied energy)

Năng lượng biểu hiện (embodied energy) thường được tính theo tỷ lệ phần trăm, giúp hình dung về tổng năng lượng cần thiết khi xây dựng các trạm phát điện, cung cấp nhiên liệu và các đầu vào khác cần thiết để vận hành các trạm này. Nó nghịch đảo với hoàn vốn đầu tư năng lượng (energy return on investment - EROI). EROI là tỷ lệ giữa tổng năng lượng đầu ra của một nhà máy điện trong suốt thời gian tồn tại và tổng năng lượng được đầu tư vào nhà máy để phát ra nguồn điện có thể sử dụng được (theo Sciencedirect).

Nghiên cứu cho thấy, để sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch, thủy điện và năng lượng sinh học sẽ cần đến năng lượng biểu hiện cao hơn đáng kể so với phát điện từ năng lượng hạt nhân, gió và mặt trời. Ví dụ, với nhà máy nhiệt điện than, năng lượng biểu hiện là 11% - tức là năng lượng đầu vào cần thiết để xây dựng và cung cấp nhiên liệu cho nhà máy được bù đắp bằng 11% tổng năng lượng đầu ra (Xem biểu đồ dưới đây). Nói cách khác, 1 đơn vị năng lượng đầu tư vào điện than sẽ tạo ra 9 đơn vị điện, hay EROI là 9:1.

Theo cách đó thì điện hạt nhân làm tốt gấp đôi so với điện than, khi chỉ cần 5% tổng năng lượng đầu ra đã đủ bù đắp cho năng lượng đầu vào phục vụ xây dựng và cấp nhiên liệu, tương đương với EROI là 20:1. Điện gió và điện mặt trời thậm chí còn cho kết quả tốt hơn nữa - với lần lượt là 2% và 4%, tương đương EROI là 44:1 và 26:1.

Biểu đồ cho thấy “năng lượng biểu hiện” vào năm 2050, tính theo tỷ lệ phần trăm sản xuất điện từ các nguồn khác nhau trong suốt vòng đời hoạt động. Theo nghiên cứu của Michaja Pehl, chỉ số “năng lượng biểu hiện” của điện mặt trời mới thay đổi đáng kể trong năm 2050, tăng từ khoảng 4 -10%. (Nguồn: Pehl và cộng sự).

Chia sẻ với Carbon Brief - đồng tác giả nghiên cứu, Edgar Hertwich cho biết: “Tôi vẫn còn kinh ngạc về mức độ sử dụng năng lượng biểu hiện của năng lượng mặt trời, gió và hạt nhân so với những loại hình năng lượng khác”. Ông là giáo sư nghiên cứu tính bền vững công nghiệp tại Trường Nghiên cứu Môi trường và Lâm nghiệp Yale (Hoa Kỳ). Ông cũng đưa ra dữ liệu phát thải trong suốt vòng đời sản xuất điện của các nguồn khác nhau trong báo cáo đánh giá mới nhất có tên là AR5 của Ủy ban Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC).

Đầu năm nay, Quỹ Chính sách về Nóng lên Toàn cầu (Global Warming Policy Foundation - GWPF) đã tung ra các phát hiện của họ từ một nghiên cứu năm 2013, với các kết luận rất khác về năng lượng biểu hiện và EROI. Trái ngược với nghiên cứu mới đây, nghiên cứu này chỉ ra: Điện hạt nhân và điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch có EROI tốt hơn nhiều so với các nguồn tái tạo.

Nghiên cứu này từng bị bác bỏ, bởi lúc đó, người ta cho rằng: Các tác giả đã mắc phải “lỗi nghiêm trọng về phương pháp luận… do vậy, công trình nghiên cứu của họ là không có căn cứ”. Công trình này của GWPF sau đó đã được Jonathan Ford, biên tập viên của Financial Times đề cập đến nhắc lại trong một bài báo về quan điểm của GWPF liên quan đến sử dụng thép của tua bin gió so với các nhà máy điện khí ga.

Trong một nghiên cứu khác, được công bố vào năm 2013, giáo sư Hertwich và cộng sự đã đưa ra cái nhìn rộng hơn về các nguồn tài nguyên thiên nhiên cần thiết cho phát điện từ gió, mặt trời, khí ga và các nhiên liệu khác. Nghiên cứu cho thấy, điện tái tạo giảm thiểu được tất cả các dạng ô nhiễm. Tuy nhiên, để có được lợi ích này, cần đánh đổi một số lượng lớn hơn và đa dạng các loại nguyên liệu thô, từ sắt đến đồng và xi măng. Do đó, nghiên cứu kết luận: Có thể đáp ứng những yêu cầu này, nhưng không phải là không đáng kể so với tốc độ sản xuất các vật liệu này trong hiện tại.

Ví dụ, lượng sắt được sản xuất trên toàn cầu trong một năm sẽ đủ để xây dựng tất cả cơ sở tạo ra công suất điện các bon thấp cần thiết đến năm 2050.

Phát thải trong suốt vòng đời của các nguồn điện

Nghiên cứu của ông Pehl và cộng sự sử dụng các con số về năng lượng biểu hiện để tìm ra lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trong toàn bộ vòng đời hoạt động của các nguồn điện khác nhau. Kết quả là vết các bon của điện hạt nhân, gió và mặt trời thấp hơn nhiều so với điện than và khí ga có sử dụng CCS, hay thủy điện, hoặc năng lượng sinh học (Xem biểu đồ dưới đây).

Biểu đồ cho thấy lượng phát thải nhà kính trực tiếp và gián tiếp để tạo ra một đơn vị điện từ các nhiên liệu khác nhau theo vòng đời vận hành, ở thế giới 2C vào năm 2050 (các thanh màu). Màu sắc khác nhau thể hiện lượng khí thải phát sinh theo nguồn. Nguồn: Pehl và cộng sự.

Lưu ý rằng, biểu đồ trên cho thấy các số liệu về thế giới 2C vào năm 2050, khi nguồn cung cấp điện toàn cầu phần lớn đã khử các bon. Điều này làm giảm thiểu tác động của phát thải gián tiếp tùy thuộc vào nguồn điện sử dụng (chẳng hạn như tại nhà máy sản xuất pin mặt trời, hoặc địa điểm chứa nhiên liệu hạt nhân). Biểu đồ cũng tính đến những tiến bộ công nghệ, đặc biệt quan trọng đối với năng lượng mặt trời khi các quy trình sản xuất trở nên hiệu quả hơn. Vì vậy, nhiều giá trị vết các bon tại đây thấp hơn giá trị tương ứng trong AR5 của IPCC, do AR5 không tính đến những thay đổi theo thời gian.

Ông Luderer chia sẻ: Thế mạnh mấu chốt trong phương pháp tiếp cận của chúng tôi là tính đến toàn bộ những thay đổi của hệ thống năng lượng trong tương lai. Ví dụ, việc sản xuất các mô-đun điện mặt trời sẽ càng ngày càng cần ít năng lượng hơn, do tiến bộ công nghệ và chuyển hướng sang các biến thể công nghệ tăng cường tiết kiệm năng lượng. Đồng thời, những nỗ lực giảm thiểu biến đổi khí hậu trên toàn cầu sẽ làm giảm lượng khí thải CO2 và thép đầu vào trên một đơn vị điện, hạn chế hơn nữa việc phát thải khí nhà kính trong vòng đời nhà máy. Các nghiên cứu trước đó của IPCC đã không xét đến những thay đổi trong tương lai này, điều đó dẫn đến những đòi hỏi thái quá về mức tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính gián tiếp (indirect greenhouse gas emissions) đối với một số công nghệ các bon thấp.

Nghiên cứu cho thấy, mỗi kilowatt giờ điện được tạo ra trong suốt vòng đời của một nhà máy hạt nhân, cơ sở điện mặt trời, điện gió có lượng khí thải lần lượt tương đương 4 gam CO2 (gCO2e / kWh), 6gCO2e / kWh và 4gCO2e / kWh.

Ngược lại, than CCS (109g), khí CCS (78g), thủy điện (97g) và năng lượng sinh học (98g) có lượng phát thải tương đối cao, so với mục tiêu trung bình toàn cầu cho thế giới 2C là 15gCO2e/kWh vào năm 2050. Mặc dù có CCS, nhưng số liệu về lượng khí thải liên quan của các nhà máy vẫn bị nâng lên vì hai lý do.

Thứ nhất: Phát thải vẫn tiếp diễn trong quá trình khai thác than, hoặc khai thác khí ga.

Thứ hai: Nghiên cứu giả định CCS chỉ thu được 90% CO2 của nhà máy điện. Tỷ lệ thu hồi cao hơn sẽ tốn kém hơn và vẫn không loại bỏ lượng phát thải khi khai thác, tương đương 23-42gCO2e/kWh - vẫn cao hơn nhiều so với số liệu của hạt nhân, gió, hoặc mặt trời như trên đã trình bày.

Đối với thủy điện, nghiên cứu chỉ ra vết các bon biến động với phần lớn lượng khí thải trong vòng đời hoạt động do các chất hữu cơ bị thối rữa khi ngập trong đập. Do đó, nên tránh một số vị trí nhất định, đặc biệt là các đập nông ở các khu vực thời tiết ấm áp và có sự thay đổi lớn về mực nước.

Với năng lượng sinh học, vết các bon cũng biến động và bất định, tùy thuộc vào nguồn sinh khối là từ nguồn như thế nào và có liên quan đến chuyển đổi đất có trữ lượng các bon cao như rừng hay không.

Các phát hiện trong nghiên cứu đề cao năng lượng hạt nhân, gió và mặt trời, tại điểm so sánh chi phí về năng lượng sinh học, thủy điện và CCS. “Không có cái gọi là ‘than sạch’ thực sự - ông Luderer nêu trong một thông cáo báo chí, điều này khiến người ta ngày càng thiếu hợp lý nếu còn hy vọng nó giữ một vai trò nào đó trong một tương lai thân thiện với khí hậu, ngay cả có sự hỗ trợ của CCS.

Tuy nhiên, chúng ta không thể loại bỏ hoàn toàn những nguồn này. Ông Pehl nói với Carbon Brief: “Không có ‘thuốc chữa bách bệnh’ cho quá trình chuyển đổi năng lượng này. Than và khí ga CCS sẽ có thể đóng một vai trò nào đó ở một số vùng nhất định không sẵn gió và năng lượng mặt trời, tuy nhiên tỷ trọng của chúng trong tổng thể năng lượng sẽ nhỏ hơn nhiều so với năng lượng tái tạo”.

Lưu ý rằng, các số liệu trung bình tính trên toàn cầu trong biểu đồ ở trên chưa thể hiện rõ biến địa lý đối với một số nguồn điện, đặc biệt là thủy điện và năng lượng mặt trời.

Công nghệ năng lượng mặt trời hiệu quả nhất ở vị trí nhiều nắng nhất có vết các bon là 3gCO2/kWh, thấp hơn khoảng 7 lần so với nơi có công nghệ và điều kiện phát điện mặt trời tệ nhất (21gCO2/kWh). Tuy nhiên, ngay cả ở vị trí cuối thì vết các bon của năng lượng mặt trời vẫn rất thấp so với các nguồn khác.

Kết luận

Trái ngược với tuyên bố của một số người có quan điểm khác, nghiên cứu trên Nature Energy cho thấy, lượng khí thải tiềm ẩn do xây dựng tua bin gió, tấm pin mặt trời hoặc nhà máy hạt nhân là rất thấp so với mức khí thải khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

“Một số ý kiến chỉ trích cho rằng, việc có thể đi kèm với lượng khí thải nhà kính tiềm ẩn cao sẽ làm mất đi lợi ích giảm thiểu biến đổi khí hậu của năng lượng tái tạo. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, điều ngược lại là đúng” - ông Luderer khẳng định trong thông cáo báo chí.

Trên thực tế, lượng phát thải gián tiếp tính trong vòng đời hoạt động theo con đường hướng đến thế giới 2C sẽ thấp hơn nhiều so với một thế giới không theo đuổi chính sách khí hậu và có rò rỉ khí mê-tan đáng kể trong quá trình khai thác than và khí ga.

Trong bài nghiên cứu có viết: “Lượng phát thải khí nhà kính gián tiếp phát sinh do mở rộng quy mô năng lượng gió, mặt trời và hạt nhân cũng vẫn rất nhỏ so với các nguồn phát thải khác và do đó không cản trở việc chuyển đổi sang cung cấp nguồn điện thân thiện với khí hậu”.

Đáng chú lý là mặc dù nhỏ, lượng khí thải gián tiếp này có thể trở nên tương đối đáng kể theo thời gian, trong khi lượng khí thải trực tiếp từ ống khói nhà máy điện giảm về 0. Giáo sư Hertwich cho rằng: “Nếu muốn đạt được lượng khí thải bằng 0, thì đây tiếp tục là một phần thử thách cần vượt qua”./.

BIÊN DỊCH: PHẠM THỊ THU TRANG - VINATOM