Thế giới bây giờ mà không có điện thì chắc chắn sẽ bị tê liệt và mọi sự bị ngưng trệ. Nhưng điện từ đâu ra và đuợc truyền tới các nhà máy hay nhà riêng ra sao? Trong bài này tôi nói về những phương cách sản xuất điện và vấn đề lưu trữ điện.
Hệ thống cung cấp điện
Hệ thống cung cấp điện trong một nước thường bao gồm những nhà máy phát điện, mạng đường dây điện, những trạm biến điện và cuối cùng là người tiêu dùng, những cơ sở kỹ nghệ và thương mại. Hệ thống này được gọi là mạng lưới điện.
Những phương pháp sản xuất điện:
Điện năng được coi là nguồn năng lượng thứ cấp vì điện được sinh ra từ những nguồn năng lượng chính như là than đá, hơi đốt thiên nhiên, nguyên tử năng, năng lượng mặt trời hay năng lượng gió. Sau đây là những phương cách chính để biến đổi những dạng năng lượng khác thành điện năng.
1-Phương pháp điện cơ
Năm 1831, khoa học gia người Anh, ông Michael Faraday khám phá ra rằng nếu một thỏi nam châm di chuyển trong một cuộn dây kim loại thì sẽ sinh ra một luồng điện trong cuộn dây đó. Nguyên tắc điện từ (electromagnetic) của ông Faraday được áp dụng trong các máy phát điện.
Máy phát điện gồm có những cuộn dây kim loại được cách điện (insulated wire). Những cuộn dây này làm thành một ống rỗng. Ở giữa là một trục xoay làm bằng nam châm. Khi trục xoay này quay thì sẽ phát sinh ra điện trong những cuộn dây kim loại. Mỗi dây có một luồng điện nhỏ, tổng hợp tất cả các luồng điện trong cả cuộn dây thành một luồng điện lớn hơn.
Nguyên tắc của ông Faraday tuy là phát minh từ thế kỷ thứ 19 nhưng đến nay vẫn được dùng trong hầu hết những máy phát điện trên thế giới. Máy phát điện loại này được gọi là máy phát điện điện cơ (electromechanic generator) do máy biến động năng (kinetic energy) thành điện năng.
2-Phương pháp điện hóa
Biến đổi hóa năng (chemical energy) trực tiếp thành điện năng như là trong những pin điện được gọi là phương cách điện hóa (electrochemical). Vì sự hạn chế của kỹ thuật đương thời phương cách này được dùng trong những thiết bị nhỏ như điện thoại di động và xe hơi điện. Đang có nhiều nỗ lực để cải tiến phương pháp này để dùng trong một quy mô rộng lớn hơn.
Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect) là hiện tượng biến đổi ánh sáng trực tiếp thành điện. Hiệu ứng này được dùng trong những hệ thống biến ánh sáng mặt trời (solar energy) thành điện năng. Dùng năng lượng mặt trời là một phương cách rất tốt để sản xuất điện vì hoàn toàn không thải những chất độc hại ra ngoài không khí như nhiều phương cách khác. Tuy nhiên phương cách này chưa được phổ biến vì giá thành còn khá đắt và nhiều trở ngại kỹ thuật khác.
Những nhà máy phát điện
Nhà máy phát điện là những nhà máy biến đổi năng lượng từ một dạng khác sang dạng điện năng. Có nhiều loại nhà máy phát điện.
1-Nhà máy dùng nhiên liệu hóa thạch
Những nhà máy dùng nhiên liệu hóa thạch như than đá hay khí đốt thiên nhiên đều dùng phương pháp điện cơ. Nhiên liệu như than đá dùng tăng nhiệt độ của nước lên rất cao dưới một áp suất lớn. Hơi nước thoát ra sẽ đẩy tua bin quay. Tua bin được nối với trục quay của máy phát điện và do đó phát sinh ra điện.
Vì sự tiện dụng nên loại nhà máy phát điện này phổ thông nhất trên thế giới. Theo wikipedia thì 41% tổng số điện lực được phát sinh từ than đá và 20% từ hơi đốt thiên nhiên. Tuy nhiên những nhà máy này thải ra nhiều chất rất có hại cho môi trường. Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đang cố gắng phát triển những phương pháp khác nhằm giảm thiểu việc dùng nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện.
2-Nhà máy thủy điện
Nhà máy thủy điện dùng sức nước rơi từ trên cao xuống để quay tua bin. Tua bin được nối với trục quay của máy phát điện. Khi tua bin quay thì sẽ phát ra điện. Thủy điện là một loại năng lượng sạch và tái tạo được, nhưng thường phải xây đập ngăn nước. Đập làm cản trở sự lưu thông của dòng nước và có thể làm thay đổi môi trường của dòng sông.
3-Nhà máy điện nguyên tử
Nguyên tắc của nhà máy điện nguyên tử cũng như những nhà máy điện dùng nhiên liệu hóa thạch nghĩa là làm nóng nước để quay tua bin và sinh ra điện. Chỉ khác ở chỗ nhà máy điện nguyên tử dùng nguồn năng lượng dồi dào của nguyên tử để làm nóng nước.
Nhà máy điện nguyên tử không phun khí độc hại ra ngoài không khí. Nhưng nếu những việc không may xảy ra như động đất, sóng thần hay khủng bố thì có thể làm cả vùng chung quanh bị phóng xạ. Hơn nữa việc tồn trữ chất liệu phóng xạ thải ra cũng là một vấn đề nan giải.
Vấn đề lưu trữ điện năng
Thí dụ nhà bạn dùng pin mặt trời (solar panel), ban ngày mặt trời chiếu vào và sinh ra điện. Nhưng ban ngày mọi người lo đi làm và đi học, không có nhà nên dùng điện ít. Buổi chiều mọi người về nhà mới cần dùng nhiều điện nhưng lúc ấy mặt trời đã lặn, không sinh ra điện. Như vậy điện phát sinh ra ban ngày cần được lưu trữ để dùng ban đêm.
Muốn sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo được như năng lượng mặt trời hay năng lượng gió người ta phải tìm cách lưu trữ điện năng trên một quy mô rộng lớn và không đắt tiền.
Điện năng là một dòng chảy năng lượng với vận tốc rất cao, gần bằng vận tốc ánh sáng. Khi bạn không dùng đến nữa thì điện sẽ biến mất trong tích tắc. Do đó lưu trữ điện là một vấn đề khó giải quyết. Trên nguyên tắc thì có thể dùng vòng siêu dẫn (superconducting ring) để lưu trữ điện một cách trực tiếp. Nhưng phương cách này không thực tế vì quá đắt.
Hiện tại muốn lưu trữ điện người ta phải biến đổi điện năng thành ra một dạng năng lượng khác rồi khi cần thì lại biến đổi ngược lại.
Phương cách dễ nhất là biến đổi điện năng thành hóa năng, thí dụ pin nạp lại được. Nhưng pin điện thì có nhiều khuyết điểm: đắt tiền, chỉ chứa được số lượng nhỏ và nguy hiểm. Chắc bạn cũng còn nhớ vụ Samsung phải thu hồi máy Note 7 vì pin trong đó có thể bốc cháy. Đang có nhiều nghiên cứu và phát triển nhiều phương pháp để lưu trữ điện năng trên một quy mô lớn như sau đây.
1-Bơm nước lên
Điện dư thừa dùng để bơm nước từ một bể chứa nước dưới thấp lên một bể chứa nước trên cao. Khi nào cần thì để nước từ trên cao chảy xuống làm quay tua bin và sinh ra điện. Phương pháp này đang được dùng nhiều nhất ở Hoa Kỳ cũng như trên thế giới, tuy nhiên vẫn cần phải nghiên cứu và phát triển để hiệu quả hơn.
2-Nén hơi
Điện dư thừa được dùng để nén khí và để vào một bình chứa lớn. Khi nào cần thì dùng khí nén để quay tua bin và sinh ra điện.
3-Bánh đà (flywheel)
Điện dư thừa được dùng để quay bánh đà. Khi nào cần thì bánh đà đang quay với vận tốc cao được dùng để quay tua bin và sinh ra điện. Vì sự cọ sát, bánh đà tự nhiên sẽ từ từ quay chậm lại nên phương cách này chỉ lưu trữ điện được trong vòng 15 phút.
Cũng còn nhiều phương thức khác để lưu trữ điện như lưu trữ năng lượng bằng từ trường siêu dẫn (superconducting magnetic energy storage) hay bộ tụ điện điện hóa (electrochemical capacitor). Nhưng chưa có một sự đột phá đáng kể nào trong các phương pháp đó. (Hà Dương Cự)
—————-
Nguồn tài liệu:
https://www.epa.gov
https://www.eia.gov
https://en.wikipedia.org
