Nguồn năng lượng là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Chuyển đổi và lưu trữ năng lượng

Quá trình chuyển đổi năng lượng sơ cấp thành năng lượng thứ cấp thường dựa trên thiết bị như tua-bin hơi nước, tua-bin khí, pin quang điện (PV), tế bào nhiên liệu (fuel cell) và động cơ đốt trong. Ví dụ, tua-bin hơi nước trong nhà máy nhiệt điện đốt than sử dụng hơi ở áp suất cao để quay trục, tạo ra điện thông qua máy phát. Trong hệ thống pin mặt trời, photon kích thích electron trong vật liệu bán dẫn, sinh ra dòng điện một chiều, sau đó chuyển thành xoay chiều qua bộ biến tần (inverter).

Lưu trữ năng lượng là bước then chốt để cân bằng cung cầu và giảm thiểu dao động từ nguồn tái tạo. Các công nghệ phổ biến gồm pin lithium-ion, ắc quy chì, lưu trữ thủy điện bơm (pumped hydro storage), hydrogen xanh và siêu tụ điện. Pin lithium-ion cung cấp mật độ năng lượng cao và hiệu suất chuyển đổi >90%, phù hợp cho lưu trữ quy mô nhỏ và di động. Pumped hydro storage trữ nước ở độ cao, khi cần phát điện sẽ xả nước qua tua-bin, hiệu suất tổng thể ~70–80%.

• Pin lithium-ion: hiệu suất cao, tuổi thọ ~10 năm, chi phí giảm nhanh.
• Pumped hydro: công suất lớn (MW–GW), hỗ trợ lưới điện ổn định.
• Hydrogen xanh: điện phân nước, lưu trữ dưới dạng khí hoặc lỏng, tiềm năng lâu dài.

Đơn vị và đo lường năng lượng

Đơn vị cơ bản để đo năng lượng là joule (J), được định nghĩa là công cần thiết để di chuyển một newton lực quãng đường một mét. Trong thực tiễn, kilowatt-giờ (kWh) phổ biến cho hóa đơn điện lực, tương đương 3,6×106 J. Đối với ngành dầu khí, đơn vị thường dùng là thùng dầu quy đổi (boe – barrel of oil equivalent) hoặc triệu BTU (MMBtu).

Công suất là tốc độ tiêu thụ hoặc sản xuất năng lượng, đơn vị watt (W) bằng J/s. Các thang đo lớn hơn gồm kilowatt (kW), megawatt (MW), gigawatt (GW) và terawatt (TW). Ví dụ, một tổ máy điện có công suất 500 MW chạy liên tục một giờ sẽ tạo ra 500 MWh điện.

• 1 kWh = 3.6×106 J
• 1 MMBtu ≈ 1.055×109 J
• 1 boe ≈ 5.8×106 BTU

$E = P \times t$

với \(E\) là năng lượng (J), \(P\) công suất (W), \(t\) thời gian (s).

Nhu cầu và tiêu thụ năng lượng toàn cầu

Theo số liệu của International Energy Agency (IEA), tổng năng lượng sơ cấp tiêu thụ toàn cầu năm 2023 đạt ~640 EJ, phân bổ 80% từ nhiên liệu hóa thạch, 11% từ năng lượng tái tạo và 5% từ hạt nhân. Tiêu thụ năng lượng gia tăng do kinh tế phát triển, dân số tăng và đô thị hóa, đặc biệt tại các nền kinh tế mới nổi châu Á và châu Phi.

Ngành công nghiệp và giao thông chiếm ~55% tổng tiêu thụ. Nhu cầu điện (electricity demand) tăng trung bình 3% mỗi năm, thúc đẩy đầu tư vào phát triển lưới điện thông minh và năng lượng tái tạo. Trong khi đó, hiệu suất năng lượng (energy intensity) – tỷ lệ tiêu thụ năng lượng trên GDP – đã cải thiện nhưng chưa đủ nhanh để bù đắp mức tăng của nhu cầu.

• Tốc độ tăng nhu cầu điện: ~3%/năm (IEA iea.org).
• % năng lượng tái tạo trong điện: tăng từ 25% (2010) lên 30% (2023).
• Hiệu suất năng lượng toàn cầu cải thiện 1%/năm.

Tác động môi trường

Sử dụng nguồn hóa thạch phát thải khoảng 33 Gt CO₂ mỗi năm, tương đương gần 90% tổng phát thải CO₂ do năng lượng IPCC. Khí methane (CH₄) từ khai thác và vận chuyển khí tự nhiên cũng góp phần lớn vào hiệu ứng nhà kính do tiềm năng ấm lên toàn cầu cao gấp 28–36 lần CO₂ trong chu kỳ 100 năm.

Ô nhiễm không khí từ đốt than và dầu mỏ sinh ra bụi mịn (PM2.5), NOₓ, SOₓ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, gây 4,2 triệu ca tử vong sớm mỗi năm (WHO who.int). Việc định vị các quy chuẩn khí thải, thuế carbon, tín chỉ carbon là công cụ chính sách để hạn chế và chuyển dịch sang các nguồn sạch hơn.

• Phát thải CO₂ từ năng lượng: ~33 Gt/năm.
• Số ca tử vong do ô nhiễm: ~4.2 triệu/năm.
• Thuế carbon trung bình toàn cầu: 5–10 USD/tCO₂.

Xu hướng phát triển tương lai

Chuyển dịch năng lượng (energy transition) hướng tới Net-Zero năm 2050, với mục tiêu giảm 45% phát thải CO₂ đến 2030. Công nghệ then chốt gồm điện gió ngoài khơi (offshore wind), pin lưu trữ quy mô lớn, hydrogen xanh và thu giữ – lưu trữ carbon (CCS). Sự tích hợp giữa lưới điện thông minh (smart grid), IoT và blockchain hỗ trợ quản lý, thanh toán và tối ưu hóa nhu cầu theo thời gian thực.

Tương lai năng lượng cá nhân hóa (prosumer energy) với hệ thống PV tại gia kèm lưu trữ, cho phép người tiêu dùng vừa sản xuất vừa tiêu thụ và bán điện dư lên lưới. Mô hình “microgrid” và “virtual power plant” kết nối hàng ngàn tòa nhà và nhà máy nhỏ, tạo nguồn cung phân tán, giảm tổn thất truyền tải và nâng cao độ bền hệ thống.

• Offshore wind: công suất mục tiêu 380 GW đến 2030 (Global Wind Energy Council).
• Green hydrogen: giảm chi phí sản xuất xuống <2 USD/kg.
• CCS: thu giữ 90% CO₂ từ nhiệt điện và công nghiệp nặng.

Danh sách tài liệu tham khảo

1. International Energy Agency. “Key World Energy Statistics 2024.” IEA. iea.org
2. U.S. Energy Information Administration. “Energy Explained.” EIA. eia.gov
3. BP. “Statistical Review of World Energy 2024.” BP. bp.com
4. Intergovernmental Panel on Climate Change. “AR6 Climate Change 2021: The Physical Science Basis.” IPCC. ipcc.ch
5. World Health Organization. “Air Pollution.” WHO. who.int
6. U.S. Department of Energy. “Smart Grid.” DOE. energy.gov

Chuyển đổi và lưu trữ năng lượng

Quá trình chuyển đổi năng lượng sơ cấp thành năng lượng thứ cấp dựa trên các thiết bị và công nghệ đặc thù. Trong nhà máy nhiệt điện, hơi nước áp suất cao phát sinh từ quá trình đốt than hoặc khí tự nhiên được dẫn qua tua-bin hơi nước, làm quay trục phát điện. Đối với pin quang điện (PV), photon từ ánh sáng mặt trời kích thích electron trong tấm bán dẫn, tạo ra dòng điện một chiều, sau đó qua bộ biến tần (inverter) chuyển thành điện xoay chiều cấp lên lưới.

Lưu trữ năng lượng ngày càng quan trọng để cân bằng cung cầu, đặc biệt với nguồn tái tạo biến động. Công nghệ lưu trữ chủ yếu gồm pin lithium-ion, ắc quy chì, lưu trữ thủy điện bơm (pumped hydro storage) và hydrogen xanh. Pin lithium-ion có hiệu suất nạp – xả >90% và tuổi thọ ~10 năm, phù hợp hệ thống gia đình và công nghiệp nhỏ. Pumped hydro storage lưu trữ nước ở độ cao, hiệu suất tổng thể ~70–80%, thích hợp quy mô lớn.

• Pin Li-ion: mật độ năng lượng cao, thời gian phản hồi nhanh, chi phí giảm mạnh.
• Pumped hydro: công suất MW–GW, hỗ trợ điều tiết tải cực tốt nhưng yêu cầu địa hình đặc thù.
• Hydrogen xanh: sản xuất từ điện tái tạo qua điện phân, lưu trữ lâu dài, ứng dụng trong công nghiệp và giao thông.

Đơn vị và đo lường năng lượng

Năng lượng được đo bằng joule (J) trong Hệ SI; 1 joule tương ứng công thực hiện khi một newton lực di chuyển vật 1 mét. Trong thực tế, kilowatt-giờ (kWh) phổ biến cho hoá đơn điện, 1 kWh = 3,6×106 J. Ngành dầu khí dùng barrel of oil equivalent (boe) và triệu BTU (MMBtu): 1 boe ≈ 5,8×106 BTU, 1 MMBtu ≈ 1,055×109 J.

Công suất (power) là tốc độ tiêu thụ hoặc sản xuất năng lượng, đơn vị watt (W) = J/s. Công suất lớn dùng kilowatt (kW), megawatt (MW) và gigawatt (GW). Công thức cơ bản liên hệ năng lượng (E), công suất (P) và thời gian (t): $E = P \times t$

• 1 kWh = 3,6×106 J
• 1 boe ≈ 5,8×106 BTU
• 1 MMBtu ≈ 1,055×109 J

Nhu cầu và tiêu thụ năng lượng toàn cầu

Theo báo cáo của International Energy Agency (IEA), tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp toàn cầu năm 2023 khoảng 640 exajoule (EJ), trong đó nhiên liệu hóa thạch chiếm 80%, năng lượng tái tạo 11% và hạt nhân 5%. Khu vực châu Á tiêu thụ ~48% tổng năng lượng, Bắc Mỹ 25%, châu Âu 22% và các khu vực khác 5%.

Ngành công nghiệp và giao thông là hai lĩnh vực tiêu thụ nhiều năng lượng nhất, chiếm ~55%. Nhu cầu điện tăng trung bình 3% mỗi năm, thúc đẩy phát triển lưới điện thông minh (smart grid) và tích hợp cao với nguồn tái tạo. Mặc dù hiệu suất năng lượng (energy intensity) đã cải thiện ~1%/năm, tổng lượng phát thải CO₂ vẫn tăng do nhu cầu ngày càng lớn.

Tác động môi trường

Đốt nhiên liệu hóa thạch phát thải ~33 gigaton CO₂ mỗi năm, chiếm ~90% tổng phát thải CO₂ do năng lượng (IPCC). Methane (CH₄) từ khai thác khí tự nhiên có tiềm năng ấm lên toàn cầu gấp 28–36 lần CO₂ trong chu kỳ 100 năm. Ô nhiễm không khí từ đốt than và dầu sinh ra bụi mịn (PM2.5), NOₓ, SOₓ, gây khoảng 4,2 triệu ca tử vong sớm mỗi năm (WHO).

• Phát thải CO₂: ~33 Gt/năm.
• Tử vong sớm do PM2.5: ~4,2 triệu/năm.
• Thuế carbon trung bình: 5–10 USD/tCO₂.

Chính sách kiểm soát bao gồm thuế carbon, tín chỉ carbon và tiêu chuẩn phát thải nghiêm ngặt. Thỏa thuận Paris 2015 đặt mục tiêu giữ nhiệt độ toàn cầu tăng dưới 2 °C so với tiền công nghiệp, khuyến khích chuyển dịch nhanh sang năng lượng sạch.

Xu hướng phát triển tương lai

Energy transition hướng tới Net-Zero 2050 đặt trọng tâm vào điện gió ngoài khơi, thủy điện bơm, pin lưu trữ quy mô lớn và hydrogen xanh. Offshore wind dự kiến đạt 380 GW công suất đến 2030 (GWEC). Hydrogen xanh giảm chi phí sản xuất xuống dưới 2 USD/kg sẽ hỗ trợ công nghiệp nặng và giao thông.

Lưới điện thông minh kết hợp IoT, blockchain và AI cho phép tối ưu hóa phân phối, thanh toán peer-to-peer giữa prosumer (nhà sản xuất-tiêu dùng). Microgrid và virtual power plant kết nối hàng ngàn nguồn phân tán, nâng cao độ bền hệ thống và giảm tổn thất truyền tải.

• Offshore wind: 380 GW đến 2030 (GWEC).
• Green hydrogen: <2 USD/kg chi phí sản xuất.
• CCS: thu giữ 90% CO₂ từ công nghiệp.
• Smart grid: điều phối theo thời gian thực, quản lý cầu linh hoạt.

Danh sách tài liệu tham khảo

1. International Energy Agency. “Key World Energy Statistics 2024.” IEA. iea.org
2. U.S. Energy Information Administration. “Energy Explained.” EIA. eia.gov
3. Intergovernmental Panel on Climate Change. “AR6 Climate Change 2021: The Physical Science Basis.” IPCC. ipcc.ch
4. World Health Organization. “Air Pollution.” WHO. who.int
5. Global Wind Energy Council. “Global Offshore Wind Report 2023.” GWEC. gwec.net
6. U.S. Department of Energy. “Smart Grid.” DOE. energy.gov