Sản xuất năng lượng là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Khái niệm sản xuất năng lượng

Sản xuất năng lượng là quá trình chuyển đổi các dạng năng lượng sơ cấp như nhiên liệu hóa thạch, năng lượng tái tạo hoặc phân hạch hạt nhân thành điện năng, nhiệt năng hoặc cơ năng phù hợp với nhu cầu công nghiệp và dân dụng. Quá trình này bao gồm một chuỗi chuyển đổi vật lý và hóa học, trong đó nguyên liệu đầu vào (fuel) trải qua các phản ứng đốt cháy hoặc phân tách để giải phóng nhiệt hoặc kích thích chuyển động cơ học.

Trong sản xuất điện, năng lượng tiềm ẩn trong nguyên liệu được chuyển thành nhiệt năng, sau đó sinh hơi hoặc đốt khí để quay tua-bin và máy phát điện. Đối với sản xuất nhiệt, nhiên liệu được đốt trực tiếp trong lò hơi hoặc lò nung để sinh nhiệt phục vụ sấy, nung chảy hoặc sưởi ấm. Cơ năng thường được khai thác qua tuabin gió hoặc tuabin thủy lực, tận dụng luồng khí hoặc dòng chảy nước để tạo chuyển động quay.

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (%) phản ánh tỷ lệ giữa công suất đầu ra và năng lượng đầu vào, được tính theo công thức:

• $η = \frac{E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}} \times 100\%$
• Giới hạn lý thuyết Carnot cho chu trình nhiệt: $η_{Carnot} = 1 - \frac{T_{\text{cold}}}{T_{\text{hot}}}$.

Lịch sử và phát triển

Thế kỷ 18 đánh dấu giai đoạn đầu của sản xuất năng lượng với máy hơi nước của James Watt, tận dụng hơi nước sinh ra từ đốt củi hoặc than để vận hành máy công cụ. Cuộc Cách mạng Công nghiệp sau đó lan rộng các hệ thống tua-bin hơi nước công suất lớn, mở đường cho phát triển đường sắt, nhà máy dệt và khai thác mỏ.

Đến đầu thế kỷ 20, công nghệ điện khí hóa xuất hiện với nhà máy thủy điện đầu tiên tại Niagara, Hoa Kỳ (1895), tạo nguồn điện ổn định cho đô thị và công nghiệp. Giữa thế kỷ 20, điện hạt nhân ra đời với lò phản ứng đầu tiên tại Obninsk, Liên Xô (1954), cung cấp lượng lớn điện năng mà không phát thải CO₂ trực tiếp.

Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 chứng kiến sự bùng nổ năng lượng tái tạo: tua-bin gió hiện đại, pin mặt trời quang điện và công nghệ đốt rác thải sinh khối. Các báo cáo của International Energy Agency (IEA) hàng năm tổng hợp dữ liệu và xu hướng toàn cầu về năng lượng tái tạo và tiêu thụ nhiên liệu truyền thống – xem thêm tại IEA Renewables 2024.

Các nguồn năng lượng sơ cấp

Các nguồn năng lượng sơ cấp bao gồm nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ, khí tự nhiên), năng lượng tái tạo (thủy điện, gió, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối) và năng lượng hạt nhân. Mỗi loại có đặc tính khác nhau về tính sẵn có, công suất, hiệu suất chuyển đổi và tác động môi trường.

• Hóa thạch: than đá chiếm 27 % sản lượng điện toàn cầu, khí tự nhiên chiếm 23 %, dầu mỏ chủ yếu cho nhiệt và giao thông.
• Tái tạo: thủy điện 16 %, điện gió và mặt trời kết hợp 12 %, địa nhiệt và sinh khối chiếm phần nhỏ nhưng tăng trưởng nhanh.
• Hạt nhân: chiếm 10 % điện toàn cầu, không phát thải khí nhà kính ngay tại điểm vận hành nhưng phát sinh chất thải phóng xạ.

Sử dụng kết hợp đa dạng nguồn năng lượng giúp tăng độ ổn định lưới điện và giảm phát thải khí nhà kính theo khuyến nghị của U.S. Department of Energy – xem thêm tại DOE Energy Basics.

Phương pháp chuyển đổi năng lượng

Phương pháp chuyển đổi chính bao gồm đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi để sinh hơi nước, dẫn qua tua-bin hơi nước và máy phát điện. Trong tua-bin khí, hỗn hợp khí tự nhiên và không khí được đốt cháy trực tiếp, sinh áp suất cao tác động lên cánh tua-bin.

Pin mặt trời quang điện chuyển photon trực tiếp thành điện thông qua lớp bán dẫn, không cần bộ phận chuyển đổi cơ học. Đối với tua-bin gió và thủy điện, luồng khí hoặc dòng chảy nước tác động cơ học lên cánh tua-bin, tạo mô-men quay kết nối với máy phát điện.

Phương pháp	Nguyên lý	Hiệu suất điển hình
Điện than/khí	Đốt cháy → hơi nước → tua-bin	35 – 45 %
Điện hạt nhân	Phân hạch → nhiệt → hơi nước	30 – 40 %
Điện mặt trời PV	Photon → điện	15 – 22 %
Điện gió	Luồng gió → tua-bin	30 – 50 %

Công nghệ sản xuất điện chủ đạo

Nhà máy nhiệt điện đốt than và khí vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu phát điện toàn cầu nhờ hạ tầng lưới hiện hữu và chi phí đầu tư thấp. Quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi sinh hơi ở áp suất cao, dẫn qua tua-bin hơi nước kết nối với máy phát điện, đạt hiệu suất thực tế khoảng 35–45 %.

Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo truyền thống, vận hành dựa trên chênh lệch cao độ để tạo áp suất nước tác động vào cánh tua-bin. Nhà máy thủy điện lớn có thể cung cấp nguồn công suất ổn định hàng chục GW và chi phí vận hành rất thấp sau khi hoàn thành xây dựng.

• Nhiệt điện than/khí: ưu điểm công suất lớn, khắc phục phụ tải.
• Thủy điện: độ trễ nhanh, tích năng hồ chứa.
• Điện gió, mặt trời: triển khai linh hoạt, giảm phát thải carbon.

Hiệu suất và chỉ số kỹ thuật

Hiệu suất chuyển đổi của các công nghệ điện phản ánh tỷ lệ công suất điện (E_out) so với năng lượng đầu vào (E_in). Chu trình Carnot giới hạn hiệu suất lý thuyết cho tua-bin nhiệt:

$η_{Carnot} = 1 - \frac{T_{\text{cold}}}{T_{\text{hot}}}$

Trong thực tế, hiệu suất tua-bin khí kết hợp (combined cycle) có thể đạt 60 %, còn tua-bin hơi đơn lẻ thường khoảng 40 %. Hiệu suất pin mặt trời PV điển hình 15–22 %, tuabin gió đạt 30–50 %.

Công nghệ	Hiệu suất lý thuyết	Hiệu suất thực tế
Chu trình Carnot	~70 %	N/A
Chu trình kết hợp (CCGT)	N/A	55–60 %
Điện PV	N/A	15–22 %
Điện gió	N/A	30–50 %

Tác động môi trường

Sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch dẫn đến phát thải khí nhà kính CO₂, CH₄ với khối lượng hàng tỷ tấn mỗi năm, là nguyên nhân chính của biến đổi khí hậu. Nhiệt điện cũng phát sinh khí SO₂, NOₓ và hạt bụi mịn, làm suy giảm chất lượng không khí và gây hại cho sức khỏe cộng đồng.

Thủy điện, dù không phát thải trực tiếp, có thể gây ngập lụt diện rộng, thay đổi dòng chảy tự nhiên và ảnh hưởng hệ sinh thái thủy sinh. Điện gió và mặt trời yêu cầu diện tích đất lớn, vật liệu lắp đặt cần khai thác kim loại hiếm và sản xuất tấm pin, có thể phát sinh chất thải trong chu kỳ cuối đời.

• CO₂ và CH₄: biến đổi khí hậu.
• SO₂, NOₓ, PM2.5: ô nhiễm không khí.
• Ảnh hưởng thủy sinh: thay đổi dòng chảy, độ trong nước.

Kinh tế và chính sách

Chi phí đầu tư (CAPEX) và vận hành (OPEX) của mỗi công nghệ rất khác nhau: nhiệt điện thường có CAPEX thấp nhưng OPEX cao do giá nhiên liệu, trong khi điện tái tạo có CAPEX cao ban đầu và OPEX thấp. Công cụ hỗ trợ như tín chỉ carbon, cơ chế đấu giá năng lượng tái tạo (auctions) và trợ giá FIT (feed-in tariff) giúp cân bằng tài chính cho nhà đầu tư.

Chính sách thuế, tín dụng thuế đầu tư (ITC) và khấu hao nhanh cho năng lượng tái tạo đang được nhiều quốc gia áp dụng để thúc đẩy giảm phát thải. Lưới thông minh (smart grid) với hệ thống quản lý tải (demand response) và lưu trữ năng lượng cũng là yếu tố quyết định để tích hợp nguồn tái tạo biến đổi.

• Cơ chế carbon pricing: ETS, thuế CO₂.
• Trợ giá FIT và auction cho PV, gió.
• Hỗ trợ R&D công nghệ lưu trữ và smart grid.

Xu hướng và công nghệ tương lai

Nhiên liệu hydro xanh (sản xuất bằng điện tái tạo) được kỳ vọng trở thành nguồn năng lượng đa dụng, đặc biệt cho công nghiệp nặng và giao thông. Công nghệ pin nhiệt điện xuyên nhiệt độ cao (thermophotovoltaic) và tua-bin siêu tới hạn (USC) cho nhiệt điện than có thể nâng hiệu suất lên trên 50 %.

Tandem cell đa tiếp giáp (perovskite-Si, GaAs-Si) đang trong giai đoạn thử nghiệm phòng thí nghiệm với hiệu suất mẫu đạt hơn 30 %. Bên cạnh hiệu suất, tính ổn định và chu kỳ tái chế vật liệu, nhất là perovskite không chì, là thách thức lớn trước khi thương mại hóa.

• H₂ xanh và lưu trữ hóa học.
• Pin thể rắn (solid-state) và flow battery cho lưu trữ quy mô lưới.
• Intelligent grid with AI and IoT for real-time balancing.

Thách thức và giải pháp

Việc nâng cấp hạ tầng lưới điện để tích hợp tỷ lệ cao nguồn tái tạo đòi hỏi đầu tư lớn cho đường dây truyền tải, trạm biến áp và công nghệ thông minh. Biến đổi phụ tải nhanh do gió và mặt trời thay đổi đột ngột yêu cầu hệ thống lưu trữ hoặc điều chỉnh tải tức thì.

Giảm chi phí sản xuất hydro xanh cần đẩy mạnh công nghệ điện phân hiệu suất cao và hạ giá điện tái tạo. Đồng thời, phát triển vật liệu không độc hại, tái chế viên pin và module quang điện cuối đời sẽ giảm áp lực môi trường cho chuỗi cung ứng năng lượng tuần hoàn.

• Đầu tư lưới truyền tải và smart grid.
• Phát triển công nghệ điện phân hiệu quả.
• Chu trình tái chế module PV và pin lithium.

Danh sách tài liệu tham khảo

1. International Energy Agency. “Renewables 2024.” https://www.iea.org/reports/renewables-2024.
2. U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. “Energy Basics.” https://www.energy.gov/eere/energybasics/energy-basics.
3. REN21. “Renewables Global Status Report 2024.” https://www.ren21.net/reports/global-status-report/.
4. Intergovernmental Panel on Climate Change. “Sixth Assessment Report (AR6).” https://www.ipcc.ch/report/ar6/.
5. World Energy Council. “World Energy Resources 2023.” https://www.worldenergy.org/publications/2023/world-energy-resources-2023.