Hầu như tất cả các nguồn năng lượng
mà con người hiện nay đang sử dụng xét cho cùng đều xuất phát hay có liên
quan tới mặt trời (chỉ trừ năng lượng nguyên tử, địa nhiệt và các nhà máy phát điện
hoạt động bằng năng lượng thuỷ triều).
Người ta chia ra thành 2 nhóm năng lượng chính :
- Năng lượng từ những nguồn năng lượng được sinh ra từ quá trình
hoá thạch như dầu hay khí đốt
- Năng lượng mới mang tính tái tạo từ những nguồn năng lượng
như Mặt trời, Gió, Hợp chất hữu cơ và nhiệt năng của trái đất.
Các nguồn năng lượng được tạo ra từ
quá trình hoá thạch chính là năng lượng mặt trời được biến đổi, lưu trữ trong các
hợp chất hữu cơ. Ngược lại ở các nguồn năng lượng mới mang tính tại tạo thì năng
lượng mặt trời được sử dụng dưới rất nhiều hình thức khác nhau. Hiện nay có những
khả năng sử dụng năng lượng mới mang tính tái tạo như sau:
- Năng lượng mặt trời
- Năng lượng gió
- Thuỷ điện hay năng lượng từ sức nước
- Địa nhiệt
- Năng lượng từ các hợp chất hữu cơ
Hiện nay mức tiêu thụ năng lượng trên
thế giới tổng cộng là
1,07
x 1011 MWh.
Trong đó mức tiêu thụ điện năng là
1,87 x 109 MWh
Chiếm khoảng 17% mức năng lượng tiêu
thụ tổng cộng.
Có thể thấy rằng trong những năm tiếp
theo thì mức tiêu thụ năng lượng tổng cộng nói chung cũng như mức tiêu thụ điện
năng nói riêng sẽ tăng lên rất mạnh trên phạm vi toàn thế giới.
1.2 Năng
lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng
được tạo ra từ các phát ứng hạt nhân của mặt trời. Năng lượng này có thể thu được
dưới dạng bức xạ điện từ chiếu xuống trái đất.
Ở biên
giới khí quyển thì cường độ (Công suất) của bức xạ mặt trời có giá trị là 1,367
kW/m². Nếu các tia bức xạ mặt trời chiếu vuông góc tới một mặt phẳng trên bề mặt
trái đất thì cường độ bức xạ chỉ còn vào khoảng 1 kW/m².
Thông qua các tia bức xạ mặt trời
có thể thu được 1 mức năng lượng hàng giờ là
1,74 x 1011 MWh
trên trái đất.
Hay nói cách khác là trái đất nhận
một công suất là 1,74 x 1011 MW.
Năng lượng mặt trời này dùng chủ yếu
để làm ấm bầu khí quyển, trái đất và nước. Chỉ có khoảng 1 - 2 % năng lượng mặt
trời được biến thành năng lượng gió. Và khoảng 0,02 – 0, 03 % năng lượng mặt trời
được sử dụng để tạo ra các hợp chất hữu cơ.
1.2.1 Quang
điện
Quang điện là hiện tượng biến các
chùm tia bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ vào hiệu ứng quang điện trong các tế
bào quang điện. Cách tạo điện năng này hoàn toàn không gây ra tiếng ồn và không
gây ra sự toả hơi hay mùi.
Tế bào quang điện có cầu tạo từ rất
nhiều lớp mỏng được chế tạo từ vật liệu bán dẫn
Vật liệu cơ bản của tế bào quang điện
là Silic.
Lượng tử ánh sáng mặt trời chiếu
lên tế bào quang điện và kích thích các electron tự do thoát ra khỏi vật liệu bán
dẫn. Các electron tự do này sẽ được dẫn theo một kênh dẫn đặc biệt và sẽ tạo ra
được dòng điện.
1.2.2 Nhiệt
năng từ mặt trời
Nhiệt năng từ mặt trời sẽ được dùng
để làm nóng nước được chứa trong các bộ thu nhiệt mặt trời đặc biệt. Nước được làm
nóng trong các bộ thu nhiệt mặt trời này có thể sử dụng cho sinh hoạt hay
cho sưởi ấm.
Để làm nóng nước cho sinh hoạt thì
với các điều kiện khí hâu ở Đức thì trung bình các thiết bị thu nhiệt cần phải có
một diện tích thu nhiệt vào khoảng 1,5 – 2,0 m2/ 1 người. Đối với các thiết bị thu nhiệt dùng cho sưởi ấm thì
diện tích thu nhiệt phải lớn hơn từ 2 đến 3 lần.
1.3 Năng
lượng gió
Năng lượng gió chính là động năng
của khối không khí trong khí quyển.
Động năng này xuất hiện do sự bức
xạ không đều của mặt trời lên trái đất. Do sự bức xạ không đều này mà sự làm ấm
khác nhau của khí quyển, nước và mặt đất sẽ bị tác động.
Do sự khác nhau về áp suất và nhiệt
độ cũng như quá trình quay của trái đất, khối không khí sẽ chuyển động và sẽ tạo
ra những dòng không khí khác nhau vào các thời gian khác nhau trong năm.
Có thể sử dụng động năng của khối
không khí chuyển đông này của các thiết bị phát điện sử dụng năng lượng gió
hay các máy chạy bằng sức gió.
1.4 Thuỷ
năng
Thuỷ năng chính là khai thác năng
lượng của dòng nước chảy. Năng lượng của dòng nước chảy với sự giúp đỡ của những
máy móc rất khác nhau sẽ được biến đổi thành năng lượng cơ học. Trước kia năng lượng
cơ học này thường được sử dụng trực tiếp. Tuy nhiên ngay này năng lượng cơ học này
thường được biến đổi tiếp thành điện năng.
Với sự trợ giúp của năng lượng mặt
trời, nước sẽ bay hơi và chuyển đến các vùng cao dưới dạng các cơn mưa. Và khi chảy
từ những vùng cao này trở lại về biển, thì thế năng sẽ được biến thành động năng
và năng lượng này có thể sử dụng được.
Việc sử dụng thuỷ năng có thể được
thực hiện với các thiết bị bánh xe nước đơn giản hay nhưng tuốc bin hiện đại.
Công suất tạo ra được sẽ phụ thuộc
vào độ cao của thác cũng như phụ thuộc vào thể tích nước chảy qua.
1.5 Địa
nhiệt
Địa nhiệt hay còn gọi là nhiệt năng
của trái đất là năng lượng lưu trữ dưới dạng nhiệt năng nằm ở dưới bề mặt của lớp
vỏ trái đất.
Khái niệm địa nhiệt mô tả quá trình
khai thác nhiệt năng tự nhiên này và biến nó thành các dạng năng lượng cần thiết
khác.
Khả năng khai thác sử dụng năng lượng
từ địa nhiệt tuỳ vào những vùng khác nhau cũng sẽ rất khác nhau. Ví dụ ở những vùng
có núi lửa đang hoạt động việc khai thác sử dụng rất đơn giản, trong khi ở những
khu vực khác cần phải khoan sâu tới hàng nghìn mét để có thể khai thác được nhiệt
năng này.
Ở những
lớp đất phía trên (Độ sâu 20 m tính từ bề mặt trái đất) thì địa nhiệt được xác định
là phụ thuộc chủ yếu vào bức xạ của mặt trời.
Ở những
lớp đất sâu hơn do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhân trái đất và lớp bề mặt trái
đất, nhiệt năng của trái đất sẽ được truyền từ phía sâu ra ngoài. Ở Đức thì cường
độ truyền nhiệt năng này vào khoảng 60 - 80 mW/m².
Sự nóng lên sẽ phụ thuộc vào độ sâu
và có giá trị vào khoảng 3 °C / 100 m chiều sâu.
Địa nhiệt được sử dụng chủ yếu
cho mục đích sưởi ấm.
Để sưởi ấm các ngôi nhà thì nước ngầm
có nhiệt độ từ 8 – 100C
từ độ sâu tới 30 m sẽ được sử dụng. Nước ngầm này sẽ được xử lý tới nhiệt độ sưởi
ấm nhờ vào một bơm nhiệt.
Trong trường hợp cần lượng nhiệt năng
lớn để cung cấp cho cả một vùng nào đó thì phải thực hiện khoan các lỗ với chiều
sâu hàng nghìn mét.
Ngoài ra cũng cần phải thực hiện các
lỗ khoan như vậy trong trường hợp muốn dùng nhiệt năng của trái đất để làm bay hơi
nước dùng cho các tuốc bin hơi nước nhằm tạo ra điện năng.
1.6 Năng lượng mang tính tái tạo
từ các hợp chất hữu cơ
1.6.1 Khái quát
Hợp chất hữu cơ được tạo ra thông
qua sự quang hợp ở các thực vật. Như vậy hợp chất hữu cơ xuất hiện thông qua sự
biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành năng lượng.
Có thể khai thác sử dụng hợp chất
hữu cơ từ những lĩnh vực sau đây:
- Các sản phẩm thực vật từ nông nghiệp
hay lâm nghiệp
- Các sản phẩm chất thải như ngũ cốc,
rơm, gỗ, vỏ bào từ nông nghiệp hay lâm nghiệp
- Các chất thải ví dụ như chất thải từ quá trình chế tạo các sản
phẩm thực phẩm hay các chất thải được thu thập khác
Các chất thải sinh học có thể được
sử dụng bằng 2 cách khác nhau để tạo ra năng lượng tuỳ thuộc vào hàm lượng xenlulo:
- Tạo ra năng lượng bằng cách đốt
- Tạo ra năng lượng bằng cách lên men
1.6.2 Sự cháy của các hợp chất hữu
cơ
Khoảng 80% chất hữu cơ sẵn có hiện
nay có cấu tạo từ gỗ và những chất hữu cơ này sẽ được đốt nhằm tạo ra năng lượng.
Năng lượng tạo ra được từ quá trình
đốt cháy này được sử dụng cho các nhu cầu sưởi ấm hoặc tạo ra điện nặng.
Quá trình đốt cháy về bản chất chính
là sự oxy hoá hợp chất các bon trong hợp chất hữu cơ thành CO2. Quá trình oxy hoá này sẽ giải phóng nhiệt năng.
Ở quá
trình sản xuất điện năng từ các hợp chất hữu cơ thì nhiệt năng được giải phóng từ
quá trình oxy hoá này sẽ dùng để tạo ra hơi nước tư nước chứa trong các bình chứa.
Hơi nước này sẽ được dẫn vào các tuốc bin chạy bằng hơi nước để tạo ra điện năng.
1.6.3 Sự
lên men các hợp chất hữu cơ.
Sự lên men các hợp chất hữu cơ là
sự phân huỷ của các vật liệu hữu cơ với hàm lượng xenlulo thấp nhờ vào các vi sinh
vật trong điều kiện không có oxy và có sự cung cấp nhiệt năng. Quá trình lên men
này sẽ tạo ra các khí sinh học. Khí sinh học có cấu tạo từ Methan (Chiếm 60 -70
%) và CO2 (Chiếm 30 – 40 %). Khí sinh học
này có thể được đốt cháy để cung cấp nhiệt năng hoặc dùng để chạy các động cơ nhằm
tạo ra điện năng.
Các hợp chất hữu cơ dùng cho việc
lên men chủ yếu là các sản phẩm từ nông nghiệp như ngũ cốc hay các chất thải như
chất thải từ sinh hoạt hàng ngày hoặc là phân dưới dạng lỏng.
Quá trình lên men diễn ra theo 3 mức:
Thuỷ phân, Tạo thành axid acetic và tạo thành methan.
Các phần chất thải hữu cơ còn lại
sau quá trình lên men này có thể được tái sử dụng làm phân bón trong nông nghiệp.
1.6.4 Sự
biến thành dầu của các hợp chất hữu cơ
Các sản phẩm nông nghiệp có chứa hàm
lượng dầu thực vật lớn như đậu nành, cây cải dầu có thể được ép để tạo ra dâu thực
vật. Dầu thực vật nay có thể dung để chạy các động cơ nhằm tạo ra năng lượng