Công nghệ sản xuất cồn khô

PHẦN I: TỔNG QUAN 1. NHU CẦU VỀ NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ CỦA VIỆT NAM 1.1. Nhu cầu về năng lượng trên thế giới Từ đầu tháng 8/2005 đến nay, giá dầu mỏ trên thị trường thế giới liên tục leo thang, gây nên các cơn “bão giá”, ảnh hưởng đến tăng trưởng kinh tế toàn cầu nói chung, các quốc gia nói riêng. Báo cáo Triển vọng Năng lượng Thế giới 2005, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cho biết nhu cầu dầu mỏ trên toàn cầu sẽ tăng 50% vào năm 2030, cao hơn 5,5 tỷ tấn so với mức tiêu thụ hiện nay. Các nguồn năng lượng trên thế giới đủ đáp ứng nhu cầu tăng này nhưng cần phải đầu tư thêm 17 nghìn tỷ USD nữa để có thể tăng cường khai thác và chuyển nguồn năng lượng này ra thị trường tiêu dùng. Nhập khẩu dầu mỏ từ Trung Đông và Bắc Phi (MENA) sẽ tăng lên, nhưng tăng như thế nào còn phụ thuộc vào các nước Trung Đông và những nước nhập khẩu dầu mỏ lớn như Trung Quốc (báo cáo năng lượng mới nhất của Trung Quốc cho biết, đến năm 2020 đất nước đông dân nhất này sẽ thiếu hụt khoảng 200 triệu tấn dầu mỏ) và Ấn Độ. Theo IEA, Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển khác chiếm trên 60% trong mức tăng nói trên. Trong khu vực MENA, nhu cầu về năng lượng tăng cao chủ yếu do dân số gia tăng, kinh tế tiếp tục tăng trưởng và tình trạng trợ giá năng lượng nặng nề. Từ nay đến năm 2030, nhu cầu về dầu mỏ trong khu vực này sẽ tăng gấp hơn 2 lần. Sản lượng dầu mỏ ở khu vực này sẽ tăng 75% vào năm 2030 và sản lượng gas tự nhiên sẽ tăng gấp 3 lần, theo đó xuất khẩu gas sẽ tăng lên. Tỷ trọng của Bắc Phi và Trung Đông trong sản xuất dầu toàn cầu cũng sẽ tăng từ mức 35% hiện nay lên 44% vào năm 2030. Tuy nhiên, để đạt được kết quả này thì các nước MENA cần phải đầu tư thêm trung bình là 56 tỷ USD/năm vào việc cơ cấu lại nguồn năng lượng. Theo dự báo của Fatih Birol, chuyên gia kinh tế trưởng của cơ quan năng lượng Quốc tế, lượng tiêu thụ khí đốt trên thế giới có thể tăng ở mức trung bình hằng năm là 2,3%, thậm chí gấp đôi con số này từ nay đến năm 2030, tức lên đến 4.900 tỉ mét khối. Sự tăng trưởng này cao hơn năng lượng thủy điện (1,8%), xăng dầu (1,6%), than (1,5%) và hạt nhân (0,4%). Trong bối cảnh giá dầu thế giới liên tục leo thang, việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng thay thế rẻ hơn đang được các nước đặc biệt quan tâm. Đó là nguồn năng lượng có thể tái sinh và không gây ô nhiễm môi trường, như thủy điện, nhiệt điện, khí thiên nhiên hóa lỏng, năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, pin nhiên liệu, năng lượng hạt nhân và năng lượng sinh học… Trong tương lai gần thì hai nguồn năng lượng có nhiều tiềm năng phát triển là điện hạt nhân và năng lượng gió. Theo cơ quan năng lượng Quốc tế (IEA), ngoài các nguồn năng lượng thay thế truyền thống như thủy điện và nhiệt điện thế giới sẽ tăng cường sử dụng năng lượng hạt nhân trong bối cảnh giá dầu ngày càng tăng cao. Các nước trên thế giới sẽ đầu tư hơn 200 tỷ USD để phát triển các nhà máy điện hạt nhân vào năm 2030. Các nhà máy điện hạt nhân mới sẽ cung cấp 200 GW (gigawatt) trong tổng số 4800 GW điện cần tăng thêm của thế giới vào năm 2030, trong đó Châu Âu cần thêm 40 GW điện hạt nhân. Sản lượng điện hạt nhân ở Châu Á sẽ tăng thêm 8% trong mười năm tới. Cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) cho biết, thế giới hiện nay có 440 nhà máy điện hạt nhân và 24 nhà máy đang được xây dựng. Với giá dầu cao như hiện nay, giá điện hạt nhân rẻ hơn rất nhiều và sử dụng điện hạt nhân đang trở thành hướng ưu tiên của nhiều nước. Số liệu của hiệp hội năng lượng gió của Anh (BWEA) cho thấy, năm 2004, tiến độ xây dựng nhà máy phát điện chạy bằng sức gió ở Anh đã đạt mức kỉ lục với tổng công suất 253 MW. Dự kiến điện gió sẽ chiếm tới 2/3 (8000 MW) tổng sản lượng điện tái sinh ở Anh vào năm 2010, đủ cung cấp cho sáu triệu hộ gia đình. Anh cũng xây dựng nhà máy điện chạy bằng sức gió lớn nhất thế giới trên biển Bắc, sau khi hoàn thành có khoảng 200 turbin với tổng công suất 1000MW. Anh hiện dẫn đầu Châu Âu về phát triển điện gió và sứ Wales của anh với 20 nhà máy điện chạy bằng sức gió trên đất liền. Đan Mạch hiện đang dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng điện năng làm từ sức gió, sản xuất được 3.200 MW trong năm 2003 trên tổng số 8.300 MW sản lượng điện từ gió của toàn cầu. Với dân số 5,4 triệu người, Đan Mạch cũng là nước dẫn đầu về tiêu thụ điện năng làm từ gió, với khoảng 21% tổng điện năng được làm từ gió, so với tỉ lệ bình quân trên toàn cầu là 0,5%, (AFP 15-8-2004). 1.1Nhu cầu sử dụng năng lượng tại Đức Sản xuất điện tại Đức (GWh)   Năm  Tổng số lượng điện tiêu dùng  Tổng số năng lượng tái tạo  Tỷ lệ năng lượng tái tạo (in %)  Sức nước  Sức gió  Sinh khối  Quang điện  Địa nhiệt   1990  550.700  17.045  3,1  15.579,7  43,1  1.422  0,6    1991  539.600  15.142  2,8  13.551,7  140  1.450  0,7    1992  532.800  17.975  3,4  16.152,8  275,2  1.545  1,5    1993  527.900  18.280  3,5  16.264,3  443  1.570  2,8    1994  530.800  20.233  3,8  17.449,1  909,2  1.870  4,2    1995  541.600  21.923  4,0  18.335  1.563  2.020  5,3    1996  547.400  20.392  3,7  16.151,0  2.031,9  2.203  6,1    1997  549.900  21.249  3,9  15.793  2.966  2.479  11    1998  556.700  24.569  4,4  17.264,0  4.489,0  2.800  15,6    1999  557.300  28.275  5,1  19.707,6  5.528,3  3.020  19,1    2000  576.400  35.399  6,1  21.700  9.500  4.129  70    2001  580.500  36.480  6,3  19.800  11.500  5.065  115    2002  581.700  42.697  7,3  20.200  15.900  6.417  180    2003   44.697  7,7  18.700  18.500  6.909  255    2004   55.756  9,6  20.900  25.000  9.356  500  0,4   Ở châu Á, Nhật Bản là nước đi tiên phong tìm các nguồn năng lượng mới. Thực hiện chỉ tiêu của Nghị định thư Kyoto về môi trường, Nhật Bản đã phát triển loại nhiên liệu “xanh” ít khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Đây là hỗn hợp xăng và ethanol sinh học được sử dụng thay thế các nhiên liệu hoá thạch. Loại nhiên liệu này sẽ được bán tại các trạm nhiên liệu đặc biệt vào đầu năm 2008 và dự kiến chiếm 10% nguồn nhiên liệu cung cấp cho ôtô ở Nhật Bản vào năm 2010. Bên cạnh đó, Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia ở tỉnh Ibaraki (Nhật Bản) đã hoàn tất việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời lớn nhất nước này gồm khoảng 5.600 tấm pin năng lượng mặt trời gắn trên các mái nhà với tổng diện tích là 6.500m2 và 221 máy biến thế, có thể cung cấp khoảng 1 triệu Kwh/năm. Indonesia và Malaysia đang tập trung phát triển sản xuất, tinh chế dầu cọ thô thành dầu diesel sinh học, cũng như khuyến khích các công ty đầu tư trồng cây cọ dầu để tăng sản lượng dầu cọ và dầu diesel sinh học. Malaysia hiện đứng đầu thế giới về sản xuất dầu cọ, với sản lượng 13,9 triệu tấn năm 2004. Chế biến dầu diezel sinh học từ nguồn nguyên liệu dồi dào này sẽ đáp ứng nhu cầu nhiên liệu trong nước và xuất khẩu Năng lượng địa nhiệt được coi là nguồn năng lượng sạch với lượng carbon dioxide thấp hơn 90% so với sản xuất điện từ dầu lửa. Tập đoàn Mỹ Chevron Texaco đang đàm phán với hai nhà sản xuất và cung cấp điện của Indonesia là PT Pertamina và PLN về việc xây dựng nhà máy địa nhiệt điện thứ ba thế giới là Darajat III, ở phía Tây đảo Java, Indonesia Với khoảng 500 núi lửa, Indonesia đang sở hữu một nguồn cung cấp địa nhiệt khổng lồ và có thể khai thác để đáp ứng nhu cầu về điện của đất nước. 1.2. Nhu cầu sử dụng năng lượng ở Việt Nam: Cùng với sự phát triển không ngừng của đất nước thì nhu cầu sử dụng năng lượng cũng ngày càng gia tăng. Các thành phố tiêu thụ một khối lượng điện năng rất lớn cho mục đích thắp sáng ở các đường phố, các công viên và các toà nhà. Thêm vào đó là nguồn năng lượng truyền thống (than, dầu, khí..) sắp cạn kiệt, nguồn cung cấp biến động về giá cả chịu ảnh hưởng của chính trị. Việt Nam đang phải đương đầu với nhu cầu năng lượng lớn chưa từng thấy. Trước tình hình đó, nước ta đã đưa ra kế hoạch sử dụng và tiết kiệm năng lượng một cách thận trọng vì mức cung hiện nay sẽ không đáp ứng được nhu cầu. Mặc dù mức độ tiêu thụ điện năng cho mục đích thắp sáng trên các đường phố và các nơi công cộng chỉ vào khoảng 291 GWh, tức là khoảng 1% tổng mức tiêu thụ năng lượng, song mức độ tiêu thụ năng lượng hàng năm đang gia tăng nhanh chóng (20% ở các khu đô thị và 10% ở các vùng nông thôn). Nếu không có biện pháp hạn chế đáng kể thì mức độ tiêu thụ năng lượng cho mục đích này vào năm 2013 sẽ tăng hơn 5 lần lên tới 1.624 GWh. Do đó việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang là mối quan tâm của các nhà lãnh đạo. Dự kiến, Việt Nam sẽ phấn đấu để tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện năng tới năm 2010 và 6% vào năm 2030. Tỷ lệ này thấp hơn so với Thái Lan (8-9% tới năm 2020). Các đề tài nghiên cứu đang được tiến hành cho thấy Việt Nam có thể phát triển mạnh nguồn năng lượng tái tạo, đó là thuỷ điện nhỏ, gió, mặt trời và sinh khối (biomass). 1.2.1. Thuỷ điện nhỏ và phong điện Từ lâu, thuỷ điện nhỏ đã được sử dụng ở Việt Nam nhằm giải quyết nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình và cộng đồng nhỏ, chủ yếu là vùng trung du miền núi. Thuỷ điện nhỏ có sức cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác do điện, từ đó có giá thành cạnh tranh, trung bình khoảng 4 cent (600 đồng)/KWh. Ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm thuỷ điện nhỏ với tổng công suất lắp đặt là 300MW, phục vụ hơn 1 triệu người tại 20 tỉnh. Trong số 113 trạm thuỷ điện nhỏ, công suất từ 100KW-10MW, chỉ còn 44 trạm đang hoạt động. Con số 300MW quả là quá nhỏ bé so với tiềm năng của thuỷ điện nhỏ ở Việt Nam là 2.000MW, tương đương với công suất của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình. Một loại năng lượng tái tạo nữa là gió. Theo thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức gió hiện nay trên thế giới tăng liên tục, năm 1994 là 3.527,5MW; năm 1997 là 7.500MW và hiện nay là trên 10.000MW... Sử dụng nguồn điện bằng sức gió không lo hết nhiên liệu hay cạn kiệt nguồn nước như thủy điện và nhiệt điện, đặc biệt là không gây những tác động đáng kể đến môi trường. Mặc dù Việt Nam không có nhiều tiềm năng gió như các nước châu Âu song so với Đông Nam Á thì lại có tiềm năng tốt nhất. 1.2.2.Một số cột gió phát điện. Tiềm năng xây dựng phong điện ở Việt Nam từ nay tới năm 2030 là 400 MW. Cho tới nay, Việt Nam đã xây dựng xong và đang vận hành một cột gió phát điện công suất 850 KW ở Bạch Long Vĩ. Ngoài ra, Trung tâm năng lượng tái tạo và thiết bị nhiệt (RECTARE), ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã lắp đặt trên 800 cột gió ở hơn 40 tỉnh thành, tập trung nhiều nhất gần Nha Trang (135 cột đang hoạt động). Nha Trang cũng là nơi có một trong hai làng gió duy nhất ở Việt Nam. Việc xây dựng các cột gió ở làng này do Bộ khoa học và công nghệ cùng với Hiệp hội Việt Nam-Thuỵ Sĩ tài trợ. Ngôi làng gió thứ hai nằm ở Cần Giờ nơi 50 cột gió đã được lắp đặt thông qua sự hỗ trợ của Pháp. Tuy nhiên, đa số các cột gió nói trên có công suất thấp, chỉ sử dụng cho hộ gia đình và ít thành công do không được bảo quãn tốt. Hiện còn có dự án xây dựng 20 cột gió với tổng công suất 15MW tại khu bờ biển bán đảo Phương Mai, Thành phố Quy Nhơn và một phần huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định. Viện Năng lượng đang chuẩn bị nghiên cứu khả thi xây dựng các trang trại gió quy mô lớn, một trong số đó là trang trại 20 MW ở Khánh Hoà. Tổng công ty điện lực Việt Nam dự định tài trợ để xây dựng một trang trại nữa với công suất 20 MW, cũng ở Khánh Hoà. Giá phong điện hiện ở vào khoảng 7-8cent (800 đồng/kWh). 1.2.3. Sinh khối và mặt trời Ngoài phong điện, tiềm năng sinh khối trong phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam cũng khá lớn. Lợi thế to lớn của sinh khối so với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió và mặt trời là có thể dự trữ và sử dụng khi cần, đồng thời luôn ổn định, tình hình cấp điện không bị thất thường. Nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam là trấu, bã mía, sắn, ngô, quả có dầu, gỗ, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp. Theo nghiên cứu của Bộ Công nghiệp, tiềm năng sinh khối từ mía, bã mía là 200-250MW trong khí chấu có tiềm năng tối đa là 100MW. Hiện cả nước có khoảng 43 nhà máy mía đường trong đó 33 nhà máy sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất lắp đặt 130MW. Ngoại trừ mía đường, các nguồn sinh khối khác vẫn chưa được khai thác để sản xuất điện. Một số nhà đầu tư nước ngoài đã chuẩn bị các nghiên cứu khả thi về sử dụng rác sinh học đô thị để sản xuất điện, mặc dù vậy chưa có một nhà máy sinh khối thương mại nào ở Việt Nam. Chính phủ đang đàm phán với các nhà đầu tư Anh, Mỹ để ký một hợp đồng BOT trị giá 106 triệu đôla để xây dựng một nhà máy sinh khối tại TP Hồ Chí Minh. Dự án này sẽ xây dựng một nhà máy xử lý 1.500-3.000 tấn rác mỗi ngày, sản xuất 15MW điện và 480.000 tấnNPK/năm. Nguồn khí sinh học (biogas) từ bãi rác chôn lấp, phân động vật, phụ phẩm nông nghiệp hiện mới chỉ được ứng dụng trong đun nấu. Lý do đây là nguồn phân tán, khó sản xuất điện. Ước tính cả nước có chừng 35.000 hầm khí biogas phục vụ đun nấu gia đình với sản lượng 500-1.000m3 khí/năm cho mỗi hầm. Tiềm năng lý thuyết của biogas ở Việt Nam là khoảng 10 tỷ m3/năm (1m3 khí tương đương 0,5 kg dầu). Hiện tại đang có một số thử nghiệm dùng biogas để phát điện. Theo nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường, nếu mỗi ngày chạy 1 máy phát (công suất 1-2kw) trong thời gian 2 tiếng thì cần phải nuôi 20 con lợn. Giá thành của khí sinh học ở vào khoảng 6cent/kwh, tương đương 800 đồng. 1.2.4. Một nhà máy năng lượng sinh học. Việt Nam hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời. Tính trung bình toàn quốc thì năng lượng bức xạ mặt trời là 4-5kWh/m2 mỗi ngày. Tiềm năng điện mặt trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam và vùng Tây Bắc. Vùng Đông Bắc trong đó có Đồng bằng sông Hồng có tiềm năng kém nhất. Do giá thành còn cao (60cent hay 8000 đồng cho 1kWh) nên điện mặt trời chưa được dùng rộng rãi. Hiện mới chỉ có 5 hệ thống điện mặt trời lớn, trong đó có hệ thống ở Gia Lai, với tổng công suất 100kWp (công suất cực đại khi có độ nắng cực đại). Chính phủ cũng đã đầu tư để xây dựng 100 hệ thống điện mặt trời gia đinh và 200 hệ thống điện mặt trời cộng đồng cho cư dân ở các vùng đảo Đông Bắc với tổng công suất là 25kWp. 400 hệ thống pin mặt trời gia đình nữa do Mỹ tài trợ đã được xây dựng cho các cộng đồng ở Tiền Giang và Trà Vinh với tổng công suất 14kWp. 2. CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của cuộc sống, đóng góp một phần vào sự phát triển cũng như an ninh quân sự của quốc gia. Nổi bật là các ngành công nghiệp điện, dầu mỏ… Năng lượng không những được sử dụng trong sản xuất mà còn được sử dụng nhiều trong cuộc sống hàng ngày của mỗi người, mỗi gia đình mà trước hết là làm chất đốt sinh hoạt. Trước đây khi trình độ khoa học kỹ thuật chưa phát triển, nền kinh tế còn nghèo nàn thì nhiều nước vẫn sử dụng củi đốt để đun nước và nấu nước. Vào nửa thế kỉ XIX vẫn còn nhiều xe, tàu chạy bằng hơi nước. Tàu hỏa dùng than như một dạng nhiên liệu để cho động cơ hoạt động. Còn ở nước ta do có nhiều vùng còn thiếu củi đun mà rừng bị chặt phá, cây không kịp phát triển. Hằng năm ở nước ta hàng vạn hecta rừng bị tàn phá. Vùng đồng bằng sông Hồng sau mỗi vụ thu hoạch, rơm rạ được sử dụng làm chất đốt sinh hoạt, do đó trâu bò thiếu thức ăn trong mùa đông nên chăn nuôi không phát triển tốt, ruộng thiếu màu mỡ do thiếu chất hữu cơ. Rõ ràng nếu không giải quyết được vần đề chất đốt sinh hoạt sẽ có nhiều hậu quả xấu như: độ che phủ mặt đất thấp, quá trình rửa trôi và bào mòn đất diễn ra mạnh, nguồn nước cạn kiệt, sông suối cạn dòng, thiếu nước, cảnh quan môi trường trở nên khô cằn, nghèo nàn, độ màu mỡ của đất giảm sút… Những dẫn chứng trên cho thấy vấn đề năng lượng là một vấn đề quan trọng có liên quan đến nhiều lĩnh vực khác. Vì vậy giải quyết được vấn đề năng lượng là việc cấp thiết đối với hầu hết mọi người, mọi quốc gia trên thế giới. Muốn giải quyết vấn đề chất đốt phải tiến hành trên nhiều mặt: tạo nguồn chất đốt, sử dụng nhiều loại chất đốt, sử dụng hợp lí và tiết kiệm… Cho đến ngày nay thì nhu cầu về năng lượng cũng đang là một nhu cầu thiết yếu. Nếu như trong sản xuất không có điện và dầu đốt thì các nhà máy không thể hoạt động, nền kinh tế sẽ bị ảnh hưởng mạnh. Còn trong sinh hoạt hàng ngày của mỗi người dân nếu như không có điện sẽ trở nên khó khăn hơn, nếu như giảm thiếu xăng thì vấn đề càng trở nên khó khăn hơn. Mọi sinh hoạt cũng như họat động sản xuất sẽ bị ảnh hưởng kéo theo đó là sự không ổn định về chính trị. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, bằng tài năng của mình con người đã khám phá ra nhiều nguồn năng lượng khác nhau mà phụ thuộc vào mục đích sử dụng, người ta sẽ sử dụng những dạng năng lượng khác nhau. Và tùy vào mục đích và phạm vi sử dụng mà tầm quan trọng của từng loại năng lượng sẽ được đánh giá cụ thể cũng như mức độ khai thác sẽ khác nhau. Ngày nay, có nhiều dạng năng lượng khác nhau như điện năng, hóa năng, nhiệt năng, quang năng, thủy năng và năng lượng đi từ gió… Đặc biệt điện năng và nhiệt năng được sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất cũng như trong sinh hoạt. 2.1. Quang năng Quang năng là một dạng năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Nguồn năng lượng này được coi như là vô tận. Nếu chúng ta biết khai thác và sử dụng dạng năng lượng này thì rất tốt vì ta không phải lo sợ nguồn năng lượng này sẽ cạn kiệt. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và vô tận. Tuy nhiên nguồn năng lượng này có những nhược điểm cơ bản là phân tán và không liên tục (không thu được ban đêm và lúc trời mưa) và phụ thuộc vào khí hậu. Riêng lãnh thổ nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nhưng do chịu ảnh hưởng của gió mùa nên về mùa xuân có nhiều mây trên vùng trời các tỉnh phía Bắc. Do đó tổng số giờ nắng và tổng lượng bức xạ ở các tỉnh phía Bắc thấp hơn ở các tỉnh phía Nam. Từ Nghệ Tĩnh trở ra có từ 1700 đến 1690 giờ nắng/năm và tổng lượng bức xạ từ 125 đến 100 kcal/cm2.năm nhưng từ Đà Nẵng trở vào có từ 2000 đến 2500 giờ nắng/năm với tổng lượng bức xạ trên 125 đến 175 kcal/cm2.năm. Người ta cũng có thể thu năng lượng mặt trời để phục vụ đời sống ở quy mô nhỏ (gia đình) bao gồm: Chuyển bức xạ mặt trời sang nhiệt năng để để đun nước, sấy nóng hải sản, chưng cất nước. Chuyển bức xạ mặt trời sang nhiên liệu thực vật (trồng cây lấy củi) nhờ quá trình quang hợp. Chuyển bức xạ mặt trời sang điện năng nhờ các pin quang điện (pin mặt trời). Các thiết bị chuyển hóa quang- nhiệt đều dựa theo 1 trong 2 nguyên lý sau: Nguyên lý 1: hội tụ bức xạ tại tiêu điểm. Các thiết bị dùng nguyên lí hội tụ có 2 loại: Loại dùng gương cầu lõm có dạng parabol, mặt trong có độ phản xạ cao. Nhờ vậy bức xạ trập trung tại tiêu điểm có nhiệt độ từ vài trăm độ đến trên 30000 C. Người ta đã đưa vào sản xuất và ứng dụng một bếp kiểu này nhưng không thuận lợi cho người tiêu dùng vì phải đun nấu ở ngaòi trời nắng. Tuy nhiên đối với một đoàn người đi qua sa mạc thì dùng loại bếp này vùa thuận lợi vùa tiết kiệm nhiên liệu. Loại dùng gương hình lòng máng dài, cong dạng parabol, mặt phản xạ phía trong hội tụ bức xạ trên đườc tiêu cự, tại đó người ta đặt một ống nước dài cho nước chảy ra và nước được đun nóng. Nguyên lý 2: là nguyên lý bẫy nhiệt nhờ “hiệu ứng lồng kính”. Bộ phận thu nhiệt là một hộp gần mặt trên dùng vật liệu trong suất như kính hoặc nhựa tổng hợp bằng kim loại được bôi đen (dùng sơn đen trộn mồ hóng để tạo mặt đen không bóng mờ) 2.1.1. Ứng dụng trong đời sống Chúng ta đã quá quen thuộc với dạng năng lượng lấy từ ánh sáng mặt trời. Ta thường sử dụng năng lượng này dưới dạng nhiệt để đun nước, phơi đậu, sấy nóng hải sản... Trong trường hợp sấy nóng hải sản, muốn có không khí này để sấy ta cho không khí đi qua hộp thu nhiệt. Ở đó không khí được sấy nóng rồi vào buồng đặt sản phẩm cần sấy, và sau đó không khí thoát ra ngoài mang theo hơi ẩm của vật cần sấy. Trong việc ứng dụng năng lượng để đun nước người ta cũng chế tạo hai thiết bị được làm từ vật liệu dễ kiếm, cách chế tạo đơn giản. Đó là: thiết bị với calecto phẳng (hộp đun nước mặt trời); thiết bị với calecto trụ (máng đun nước mặt trời) – calecto hội tụ. 2.1.2 Ứng dụng trong công nghiệp và sản xuất Ngày nay các nhà khoa học đang đi theo xu hướng mới là sử dụng nguồn năng lượng vô tận đi từ mặt trời. Đây là một hướng mới để khắc phục sự thiếu hụt năng lượng xăng dầu. Các trạm điện năng lượng mặt trời. Các chuyên gia kỹ thuật của hãng Fuji (Nhật Bản) đã thiết kế và chế tạo thành công một trạm điện dùng năng lượng mặt trời. Trạm điện này có tổng công suất là 150Kw. Nó có thể cung cấp điện đủ dùng cho 700 người. Loại trạm điện này phù hợp với các nước ĐNA là những nước có nhiều ngày nắng trong năm. Tuy nhiên như đã giới thiệu ở trên thì loại năng lượng này vẫn chưa được khai thác và sử dụng phổ biến do sự không ổn định của nó. Dạng năng lượng này chỉ được sử dụng ở một số lĩnh vực riêng biệt và mang tính giới hạn mà thôi. 2.1.2.1. Khử trùng nước bằng hệ thống quang điện Các nhà nghiên cứu Anh đã phát triển một hệ thống hóa quang điện mới để làm sạch và khử trùng nước. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy hệ thống này có hiệu quả trong việc loại bỏ các mầm bệnh dai dẳng như các bào tử cryptosporidium và các hợp chất hữu cơ như nitrophenol. Các nhà nghiên cứu tại đại học Newcastle đã thành lập một công ty để phát triển và chào bán công nghệ này. Hệ thống này dựa trên các tính chất quang xúc tác của titan đioxit (TiO2). Khi tia tử ngoại (UV) có bước sóng nhỏ hơn 400 nanômét chiếu tới các hạt TiO2 thì sẽ kích thích tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, có khả năng tạo ra các gốc hyđroxyl (OH) có hoạt tính oxy hóa  cao. Thông thường, 96% điện tích tạo ra từ sự kích thích bởi tia UV sẽ lại kết hợp lại. Các nhà nghiên cứu đã khắc phục vấn đề này bằng cách đưa vào một điện trường nhỏ. Thay vì sử dụng các hạt TiO2 khó thu hồi từ nước, họ đã tạo ra một lớp phủ TiO2 trên một điện cực. Khi có điện cực đối phù hợp và tia UV với bước sóng thích hợp, các điện tử và các lỗ trống sẽ tăng tốc đi theo các hướng ngược chiều dưới tác dụng của điện trường. Việc này làm tăng đáng kể quá trình quang hóa và tạo ra đủ các gốc OH để oxy hóa các chất gây ô nhiễm trong nước. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống này để trình diễn khử trùng nước có  vi khuẩn cryptosporidium parvum và eschericchia coli. Hệ thống cũng loại bỏ có hiệu quả các nitrophenol có trong nước. Việc sử dụng quang xúc tác TiO2 là vấn đề đáng được quan tâm cho xử lý nước uống và nước thải, nhưng một phương pháp phân phối phù hợp đối với TiO2 vẫn còn chưa được phát triển để có thể áp dụng thương mại. Sự phát triển hệ thống hóa quang điện tại đại học Newcastle là một bước đi lớn để công nghệ này có thể cạnh tranh với các quy trình xử lý nước hiện nay, ví dụ sử dụng các màng lọc và cacbon hoạt tính. Công nghệ này sẽ có nhiều ứng dụng trong xử lý nước thành phố, bao gồm loại bỏ các chất hữu cơ như thuốc trừ sâu và các dược phẩm, cũng như trong các quá trình khử trùng. 2.2. Phần quang năng Máy tính điện tử bỏ túi dùng năng lượng mặt trời. Máy tính điện tử bỏ túi sử dụng vi mạch cỡ lớn LSI và màn hiện số bằng tinh thể lỏng là những linh kiện tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép dùng năng lượng pin mặt trời làm nguồn nuôi nó. Pin mặt trời là nguồn biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời bằng điện năng. Pin mặt trời được cấu tạo từ lớp tiếp giáp bán dẫn p-n; được ép giữa các điện cực kim loại. Ánh sáng đập vào nó tạo nên các điện tử mang điện tích âm và lỗ trống mang điện tích dương tự do.Các điện tích này dưới tác động của điện trường tạo nên bởi sự khuếch tán điện tử giữa hai mặt tiếp giáp của hai loại chất bán dẫn sẽ chuyển động về hai hướng khác nhau và tạo nên dòng điện nuôi vật tiêu thụ. Pin quang điện biến đổi năng lượng Mặt Trời thành điện năng đã được chế tạo từ nhiều thập kỷ nay, nhưng chỉ được sử dụng hạn chế khi khó cấp điện theo cách thông thường, ví dụ các biển báo trên đường và các phao hiệu xa bờ. Yếu tố chính ở đây là vấn đề kinh tế, do chi phí sản xuất pin quang điện truyền thống bằng vật liệu silic khá cao. Vừa qua, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Georgia (Mỹ) đã phát triển một loại pin quang điện mới mà trong tương lai có khả năng thay đổi tình hình này. Giáo sư Bernard Kippelen, trưởng nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu sử dụng pentaxen làm môi chất để biến đổi năng lượng Mặt Trời thành điện năng. Pentaxen là một hợp chất hyđrocacbon có thể tạo thành một màng tinh thể, trong đó các phân tử tập hợp theo các mẫu đều đặn. Điều này làm cho nó dẫn điện tốt hơn các hợp chất hữu cơ khác đã được thử nghiệm đối với những ứng dụng quang điện. Nếu độ dẫn điện tốt hơn được kết hợp với chi phí sản xuất thấp và dễ sử dụng, thì vật liệu này sẽ có nhiều triển vọng. Trong một bài báo trên Tạp chí Applied Physics Letters ngày 29/10/2004, các nhà nghiên cứu đã mô tả các thử nghiệm loại màng hữu cơ được sản xuất từ pentaxen kết hợp với cacbon dạng C60. Nhóm nghiên cứu này có thể biến đổi năng lượng Mặt Trời thành điện năng đạt hiệu suất 2,7%; trong những thử nghiệm chưa được công bố sau đó, họ đã chứng minh hiệu suất chuyển hóa năng lượng đạt 3,4% và tin rằng trong tương lai gần sẽ đạt hiệu suất 5%. Các loại pin quang điện thương mại sử dụng các tinh thể silic đạt hiệu suất 12 - 15%, nhưng chi phí sản xuất và vận hành cao, chi phí sản xuất điện khoảng 20 - 40 cent/ 1 kWh trong khi đó chi phí cho điện năng sinh ra từ các nhà máy điện truyền thống chỉ vào khoảng 8 - 12 cent/1kWh. Kippelen cho biết, sự phát triển pin quang điện màng mỏng hữu cơ là chưa đủ để có thể đánh giá các chi phí của quá trình sản xuất điện. Nhưng các loại pin quang điện bằng vật liệu màng mỏng hữu cơ có thể được sản xuất dễ dàng, do đó làm giảm đáng kể chi phí và thu hẹp khoảng cách với giá điện sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Kippelen tin tưởng rằng, những tính chất độc đáo của sản phẩm sẽ cho phép nó được dùng trong những ứng dụng mà pin silic không phù hợp. Trong khi pin silic cứng và tương đối dày với 100 micron bề ngang thì pin quang điện màng mỏng hữu cơ lại nhẹ, dẻo và có chiều dày nhỏ hơn 1 micron. điều này có thể mở ra các thị trường mới cho năng lượng Mặt Trời, có thể cấp điện cho các thiết bị điện tử nhỏ như thẻ ghi nhận dạng tần số vô tuyến, máy nghe MP3 và máy tính xách tay. Kippelen cho rằng, trong 5 năm nữa pin quang điện hữu cơ vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi nhưng có thể có những ứng dụng phù hợp trong vòng 2 năm tới. Tuy nhiên, pin quang điện màng mỏng hữu cơ cần được triển khai trong quy mô lớn hơn nhiều thì mới đem lại cải thiện lớn về môi trường vì các thiết bị điện tử nhỏ chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng tiêu hao năng lượng. 2.3. Hóa năng Ngày nay có nhiều dạng năng lượng được sử dụng phổ biến, một số khác được sử dụng ít hơn nhưng không thể thiếu được. Một trong số đó là năng lượng hóa học. Pin và ăcqui sử dụng phản ứng hóa học để chuyển thành điện năng. Có các loại pin khô, pin kiềm. Ăcqui là các nguồn điện hóa có khả năng nạp lại. Khi nạp lượng điện năng biến thành hóa năng khi phóng thì ngược lại. Có các loại ăcqui kiềm và ăcqui axit. Một loại pin hoạt động trong môi trường kiềm: pin nhiên liệu không màng mới. Các nhà khoa học của đại học Illinois tại Urbana - Champaign, Mỹ đã chế tạo  một loại pin nhiên liệu không màng kiểu mới có thể hoạt động trong môi trường kiềm. Paul Kenis, người tham gia dự án cho biết, cho đến nay, các pin nhiên liệu không màng chỉ có thể hoạt động trong môi trường axit, tuy trong môi trường kiềm động lực phản ứng hóa học tốt hơn và hiệu quả cao hơn. Thay vì sử dụng một màng để ngăn cách chất oxy hóa và nhiên liệu, hệ thống mới sử dụng một rãnh hình chữ Y cỡ micro. Các chất lỏng chảy qua các rãnh rất nhỏ này mà không tạo xoáy. Điều này có nghĩa là, chúng không trộn lẫn và không cần lớp ngăn vật lý để tách các dòng nhiên liệu và chất oxy hóa chảy giữa các điện cực phủ chất xúc tác. Trong quá trình phản ứng, các proton và electron (được giải phóng từ hyđro do các phản ứng ở anôt) khuếch tán qua mặt phân cách của 2 chất lỏng để tới catôt. Ở các pin nhiên liệu thông thường, nhiên liệu và chất oxy hóa được ngăn cách bằng một màng vật lý. Màng này có thể không cho các ion hyđroxit đi qua với tốc độ đủ lớn (ở các pin nhiên liệu có tính axit) và có thể bị tắc do cacbonat tạo thành. Kenis cho biết, loại pin mới này phù hợp để dùng cho máy tính xách tay đòi hỏi công suất 20 - 40W. Hóa năng còn được sử dụng ở các dạng khác nhau như ánh sáng hay nhiệt phát ra từ các phản ứng hóa học. Trong thực tế có nhiều phản ứng sinh nhiệt rất lớn, người ta có thể tận dụng nguồn nhiệt này vào các mục đích khác 2.4. Điện năng Trong thế giới công nghiệp hiện đại hiện nay, nhu cầu năng lượng điện ngày càng tăng. Trong các xưởng sản xuất hầu như đều sử dụng năng lượng điện. Điện giúp cho máy móc hoat động. Hầu hết các thiết bị điện đều sử dụng nguồn điện xoay chiều biến đổi theo dạng hình sin. Đối với các máy móc hoạt động với công suất lớn thường sử dụng nguồn điện lớn hơn nguồn điện sinh hoạt, khoảng 380V. Các thiết bị sinh hoạt hàng ngày cũng như trong sản xuất đa số đều là các thiết bị điện. Nếu như không có điện thì các thiết bị này đều không họat động. Chính vì vậy mà điện trở thành nguồn năng lượng khá quan trọng và quen thuộc đối với mọi người, mọi nhà. Có hai nguồn điện chính: nguồn điện một chiều và nguồn điện xoay chiều. 2.5. Năng lượng sinh học Năng lượng sinh học là một dạng năng lượng khá mới mẽ. Có nhiều loại năng lượng sinh học khác nhau nhưng chủ yếu dùng để đốt như khí sinh vật, điezen sinh học, xăng sinh học, ethanol sinh học… Còn có một loại năng lượng khác không dùng để đốt mà là tạo ra nguồn điện đó là pin nhiên liệu sinh học. 2.5.1. Khí sinh vật Khí sinh vật là sản phẩm của quá trình lên men phân động vật và cá phế liệu nông nghiệp. Thành phần chủ yếu gồm khoảng 60% khí metan và 40% là CO2. Quá trình lên men bao gồm 3 giai đoạn: + Giai đoạn 1: dưới tác dụng của các enzym thủy phân các chất hữu cơ phân tử lớn được phân giải thành các chất hữu cơ phân tử nhỏ (axit béo, amin). + Giai đoạn 2: dưới tác dụng của các vi khuẩn phân giải các chất hữu cơ phân tử nhỏ thành các axit béo dễ bay hơi. + Giai đoạn 3: Các axit béo dễ bay hơi được chuyển hóa thành khí metn và khí cacbonic nhờ các vi khuẩn sinh metan Giai đoạn 2 và 3 xảy ra trong môi trường không có khí oxi (kị khí). Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí là nhiệt độ, tỷ số C/N, độ pH, thời gian ủ. Khí sinh vật này chủ yếu dùng ở qui mô gia đình. Có nhiều thiết bị khác nhau dùng khí sinh vật như bếp đun, đèn thắp sáng. Người ta còn dùng các túi biogas để sản xuất khí sinh vật. + Bếp đun dùng khí sinh vật: loại bếp đun dùng khí sinh vật ở gia đình có công suất tiêu thụ KSV từ 380 đến 450 lít/giờ. Hiệu suất nhiệt từ 50-55% + Đèn thắp sáng dùng khí sinh vật: phát quang theo nguyên lý của đèn “măng xông” nghĩa là phải có mạng lưới chụp ngoài vòi phun. Loại đèn đơn giản dùng trong gia đình có độ sáng tương đương với bóng đèn điện 60W, tiêu thụ khoảng 110-115 lít KSV/ giờ, áp suất khí từ 7,5-8,0cm cột nước (áp suất thấp hơn thì ánh sáng yếu, áp suất cao quá có thể làm cháy mạng măng xông chụp ngoài. + Túi biogas: là túi sản xuất khí sinh vật được bán ở dạng thương phẩm. Người mua chỉ việc mang túi về tự nạp phân vào theo quy trình hướng dẫn, sau một vài ngày sẽ có khí đun nóng được hoặc thắp sáng. Thể tích túi từ 1,5m3 đến 2m3. Với nhiệt độ môi trường khoảng 350C túi sẽ sản ra một lượng khí tối đa đủ nung nấu cho một gia đình 4-5 người không phải mua thêm củi hoặc dầu hỏa. 2.5.2. Pin nhiên liệu sinh học Trong Hội nghị hóa học quốc gia lần thứ 225 của Hội hóa học Mỹ, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Saint Louis đã công bố phát minh về một loại pin nhiên liệu sinh học mới, chạy bằng cồn và các enzym. Sự ra đời loại pin này sẽ thay thế loại pin nạp điện mà hiện nay chúng ta đang sử dụng trong điện thoại di động, máy tính xách tay. Với loại pin này, thay vì việc nạp điện, người sử dụng chỉ cần tiếp cho pin vài mililit rượu. Nhiên liệu sinh học đã bắt đầu được nghiên cứu từ nửa thế kỷ nay, nhưng công nghệ này mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu, chưa có khả năng ứng dụng vào thực tế. Không giống như pin thông thường sử dụng các kim loại quý làm xúc tác cho phản ứng sinh năng lượng, loại pin này sử dụng enzym - các phân tử sinh học có thể thấy trong cơ thể sống, giúp đẩy nhanh các phản ứng sinh hóa trong cơ thể. Theo GS. TS Hóa học Shelley Minteer tại Đại học Saint Louis “trong điều kiện nhất định, enzym có thể duy trì hoạt động trong một thời gian dài. Nó tạo ra môi trường thích hợp trong pin nhiên liệu mà các nhà khoa học đã phải tập trung nghiên cứu trong nhiều năm nay để tạo ra”. Các enzym rất nhạy cảm với sự thay đổi pH và thậm chí cả ánh sáng. Chỉ cần các yếu tố trên thay đổi nhẹ so với điều kiện chuẩn thì enzym sẽ không hoạt đông, lượng điện tạo ra sẽ rất ít. Việc đảm bảo điều kiện để các enzym hoạt động hiệu quả chính là điểm khó khăn nhất và cũng là mấu chốt trong việc nghiên cứu pin nhiên liệu sinh học. Cách tiếp cận điển hình nhất để giải quyết vấn đề trên là gắn chúng vào các điện cực, nhưng chúng có xu hướng phân hủy quá nhanh nên khó có thể sử dụng. Minteer và cộng sự đã phủ lên điện cực một loại polyme có các lỗ xốp mixen được điều chỉnh đặc biệt cho phù hợp. Trong các lỗ rỗng này enzym có thể tìm thấy môi trường lý tưởng để phát triển mạnh. Enzym có tất cả những gì cần có để hoạt động trong một thời gian rất dài thay vì chúng phải biến đổi theo điều kiện sống như chúng vẫn làm. Nhiều nghiên cứu trước đây về pin nhiên liệu sinh học đã đạt được thời gian sử dụng của pin là vài ngày nhưng công nghệ mới này cho phép enzym hoạt động vài tuần với sự giảm năng lượng không đáng kể mà không cần nạp điện. Hầu hết các pin nhiên liệu sinh học sử dụng metanol làm nhiên liệu nhưng ở đây các nhà khoa học đã chọn sử dụng etanol làm nhiên liệu vì nó hỗ trợ hoạt động của nhiều loại enzym. Etanol là hóa chất phổ biến và rẻ, có thể sản xuất từ ngũ cốc. Nó cũng ít bay hơi hơn hyđro - nhiên liệu mà đang có tiềm năng lớn để sử dụng cho ô tô. Minteer và cộng sự đã tập trung trong việc áp dụng ở quy mô nhỏ với loại pin đầu tiên có đường kính chỉ khoảng 5cm2 - bằng một con tem bưu điện. Họ đã thử nghiệm 40 - 50 pin etanol này và thấy rằng chúng có thể chạy với nhiên liệu là rượu vodka, rượu trắng và bia. Tuy phải vài năm nữa mới có thể đưa ra những ứng dụng thực tế, nhưng kết quả trên cho thấy tính ứng dụng cao của pin nhiên liệu sinh học và giúp cho các nghiên cứu trên lý thuyết chuyển hướng sang các công nghệ thực dụng hơn. 2.6. Năng lượng cơ học Năng lượng cơ học là một dạng năng lượng tương đối đơn giản. Trong hầu hết mọi sinh vật đều tiềm tàng một năng lượng cơ học, đôi khi gọi là nội năng. Trong quá trình sống và phát triển của các loài sinh vật cần có quá trình trao đổi chất và năng lượng với môi trường bên ngoài. Sinh vật tiếp nhận năng lượng từ bên ngoài rồi trải qua các quá trình hoạt động hay vận động lại phát ra năng lượng. Trong cuộc sống hằng ngày con người thường chạy, nhảy hay làm bất cứ chuyện gì có thể sinh công cơ học. Năng lượng từ các quá trình đó gọi là năng lượng cơ học. hay các dạng đòn bẩy, ròng rọc cũng là một dạng năng lượng cơ học mà chúng ta thường dùng trong cuộc sống hàng ngày. Con người dùng dạng này để giảm bớt sự nặng nhọc trong công việc. Còn nhiều quá trình khác đều dùng năng lượng cơ học như hoạt động hàng ngày của con người như đạp xe, mang vác, bơi lội và tất cả đều sử dụng năng lượng dự trữ của cơ thể. Năng lượng cơ học là một dạng năng lượng tuy đơn giản nhưng lại được sử dụng thông dụng nhất trong cuộc sống hàng ngày. Trong cuộc sống hàng ngày, trong sản xuất không ai lại không vận động làm việc, di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Các hoạt động này đều tiêu hao năng lượng dù nhiều hay ít. Mỗi ngày người làm việc bình thường tiêu hao từ 2500-4000 kcal. Nếu thật sự tính cho toàn bộ số người trên thế giới thì năng lượng này thật sự đáng kể. Nếu tính một năm thì con người phải tiêu hao nguồn năng lượng từ cơ thể rất lớn và không thua các nguồn năng lượng khác. Ngày nay để tận dụng dạng năng lượng này, các nhà khoa học đã chế tạo ra một vật dụng mới sử dụng năng lượng của con người khi đi bộ để nạp điện đó là: ba lô nạp điện. Vậy ba lô nạp điện là gì? Các nhà nghiên cứu tại đại học Pennsylvanya (Mỹ) đã phát triển một loại balô có thể chuyển đổi năng lượng cơ học khi đi bộ thành điện năng để nạp, cấp điện cho các dụng cụ cầm tay như điện thoại di động và kính nhìn đêm. Chiếc balô mới gồm một khung cứng treo một tải trọng dưới các lò xo đặt theo chiều thẳng đứng. Khi ta đi bộ, hông chuyển động lên xuống trong phạm vi từ 4 đến 7 cm. Cơ cấu của balô khiến cho khối tải trọng của balô chuyển động tách rời với cơ thể, do đó tạo ra năng lượng cơ học khi tải trọng này di chuyển lên xuống. Năng lượng cơ học này được dùng để truyền động cho một máy phát điện nhỏ lắp trên khung. Khi mang tải trọng từ 20 đến 38 kg, những người thử nghiệm balô có thể tạo ra năng lượng 7,4 W, đủ để cấp điện đồng thời cho một số dụng cụ nhỏ. Năng lượng được tạo ra lớn gấp 300 lần năng lượng của một dụng cụ tạo năng lượng khác đặt trong giày, sử dụng năng lượng của bước đi. Lượng điện được tạo ra phụ thuộc vào trọng lượng của balô và tốc độ đi bộ. Điện năng có thể được sử dụng cho các pin có thể nạp lại, rất thích hợp cho các vùng hẻo lánh. Trong khi đó thì đeo balô có cơ cấu treo lò xo cũng dễ chịu hơn nhiều so với đeo balô thông thường, vì lò xo làm giảm sức nặng của tải trọng và dẫn đến giảm cường độ lực tối đa. Do đó, đeo balô kiểu lò xo này giúp cho người ta đi bộ dễ hơn. Ứng dụng tên đã chứng minh tính chính xác và tính hữu ích của định luật: “Năng lượng không tự nhiên sinh ra mà cũng không tự nhiên mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác”. Con người đã biết tiếp thu những kinh nghiệm này để phát minh ra nhiều thiết bị máy móc sử dụng lại các nguồn năng lượng tưởng chừng như vô ích thành một nguồn năng lượng khác hữu ích. Nâng cao được hiệu quả sử dụng năng lượng. 2.7. Năng lượng sử dụng dưới dạng nhiệt Năng lượng được sử dụng dưới dạng nhiệt hầu như khá phổ biến trong sản xuất cũng như trong sinh hoạt. Năng lượng nhiệt được dùng với nhiều mục đích khác nhau như đun nấu, sưởi ấm, cung cấp nhiệt để làm kim loại nóng chảy. Đa số các nhiên liệu đều có nguồn gốc từ thực vật. Một số khi sử dụng còn ở hình dạng thực vật như cũ như rơm, trấu. Một số khác thì biến sang dạng khác như than, khí sinh vật, các sản phẩm đi từ dầu mỏ và cồn. Lúc trước khi không có nhiều năng lượng như bây giờ người ta thường sử dụng chất đốt thực vật để đun nấu như củi, mùn cưa, rơm rạ… Ngày nay nhu cầu về cuộc sống của con người tăng cao kéo theo nhu cầu về năng lượng cũng tăng. Người ta cần có nguồn năng lượng có thể phục vụ cho sản xuất. Các nhà khoa hoc, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nhiều nguồn nhiên liệu mới đáp ứng nhu cầu này. Đó là than đá, cồn và các dạng nhiên liệu từ dầu mỏ. Chất đốt thực vật được sử dụng với số lượng ít dần. Tuy nhiên ở những vùng quê xa xôi hay những gia đình không có thu nhập khá giả thì người ta vẫn còn sử dụng chất đốt thực vật. Chất đốt thực vậy tuy ít sử dụng ở dạng nhiên liêu nhưng vẫn được sử dụng ở dạng khác. Chúng vẫn hữu ích cho nông nghiệp như rơm rạ được dùng để tủ giống trồng… Than đá là một dạng nhiên liệu hóa thạch được dùng để đun nấu, có nhiệt trị cao nhưng không được sử dụng nhiều trong gia đình do khó khăn trong việc tạo nguồn cháy ban đầu. Nhưng than đá vẫn được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Các nhà máy nhiệt điện thường sử dụng than để đun nước, làm nước bốc hơi và hơi sẽ làm quay tua bin tạo ra điện. Nước ta có nhiều mỏ than nhưng mỏ than lớn nhất là ở Quảng Ninh được xem như nguồn “vàng đen” của nước ta. Và than đá hiện nay là một trong những ngành công nghiệp giữ vị trí chủ đạo ở Trung Quốc. Ngành công nghiệp hóa dầu Trung Quốc (TQ) đang trở lại với than đá. Trong những năm đầu của thế kỷ 20 những sản phẩm hóa dầu công nghiệp đầu tiên trên thế giới đã được sản xuất từ than đá. Nhưng đến những năm bốn mươi của thế kỷ này than đá đã phải dần lùi bước khi các nhà sản xuất tìm đến các nguồn nguyên liệu rẻ hơn: dầu thô và khí thiên nhiên. Từ đó đến nay thế giới đã được chứng kiến một kỷ nguyên mới: thời đại phát triển nhảy vọt của hóa học. Hàng triệu tấn các sản phẩm hóa học được tổng hợp từ những nguồn nguyên liệu dầu khí đã làm thay đổi một cách cơ bản cuộc sống của con người trên khắp hành tinh của chúng ta. Nhưng những năm gần đây giá dầu thô đã không ngừng tăng nhanh đến chóng mặt do nhu cầu về dầu mỏ tăng đột biến mà nguồn cung lại có hạn. Mặt khác, tình hình chính trị ở một số quốc gia đóng vai trò chủ đạo trong việc cung cấp dầu thô trên thế giới lại luôn luôn không ổn định. Tất cả những yếu tố trên đã buộc các nước phải nghĩ đến an ninh năng lượng cũng như sự phát triển kinh tế ổn định của đất nước mình. Điều này lại càng quan trọng với TQ, một đất nước có 1,3 tỉ dân với nhu cầu về dầu mỏ chỉ sau Mỹ (cách đây hai năm vị trí số 2 của Nhật Bản đã bị TQ “chiếm lĩnh”). Những yếu tố này đã khiến các nhà đầu tư TQ quay lại với nguồn nguyên liệu truyền thống và dồi dào của mình, đặc biệt là ở vùng Tây Bắc và khu vực Nội Mông, những nơi có nhiều mỏ than, mỏ muối ăn nhưng gặp nhiều khó khăn về vận chuyển, lưu thông. Tại khu vực này đã có nhiều dự án đã và đang được các nhà đầu tư bỏ vốn triển khai. Đó là những dự án sản xuất metanol, PVC (muội than - đất đèn - axetylen - VCM - PVC). Có những dự án với vốn đầu tư lên đến hơn 1 tỉ USD như dự án sản xuất olefin từ than đá của tập đoàn khai thác than lớn nhất TQ - Tập đoàn Shenhua - liên doanh với các công ty của Thượng Hải và Hồng Kông tại khu vực Nội Mông. Dự án này bao gồm 3 giai đoạn: Khí hóa than đá để được khí tổng hip. Tổng hợp metanol. Từ metanol sản xuất ra olefin. Nhiều dự án tương tự cũng đang được triển khai ở nhiều cấp độ khác nhau. Riêng về sản phẩm PVC thì tổng cộng có tới gần 30 nhà máy sản xuất PVC đi từ đất đèn với công suất tổng cộng hơn 2,1 triệu tấn/ năm, bằng một nửa tổng sản lượng PVC của TQ (hơn 4 triệu tấn/năm). Về tính kinh tế, các dự án trên trở nên có hiệu quả rõ ràng nhất khi được triển khai ngay tại khu vực mỏ than. Nếu chủ đầu tư đồng thời là chủ dự án thì hiệu quả càng cao. Một yếu tố quyết định nữa là nguồn cung cấp điện năng. Nếu dự án được triển khai ở những nơi có điện năng dồi dào thì tính kinh tế lại càng hấp dẫn. Theo số liệu từ các dự án của TQ, giá PVC đi từ than đá thấp hơn từ 3 - 4% so với giá PVC đi từ etylen. Còn theo một số nhà phân tích phương Tây thì olefin sản xuất từ than đá có sức cạnh tranh tương đương với olefin ở những vùng có khí thiên nhiên giá rẻ (như vùng Trung Đông).  2.7 Sản xuất và tiêu thụ dầu của Mỹ - Trung Quốc - Nhật Bản: Nước  Trữ lượng (Tỉ thùng)  Sản xuất (thùng/ngày)  Tiêu thụ (thùng/ngày)  Xuất khẩu (thùng/ngày)  Nhập khẩu (thùng/ngày)   Mỹ Trung Quốc Nhật Bản  22,45 (2002 17,74 (2004) 29,29 (2002)  7,8 (2004) 3,4 (2003) 0,017 (2001)  20,5 (2004) 6,6 (2004) 5,4 (2004)  - 0,43 (2002) 0,093 (2001)  - 2,41 (2002) 5,45 (2001)   Các loại nhiên liệu đi từ cồn là những nhiên liệu khá mới mẻ. Trước đây người ta chỉ biết tới cồn như một dạng dung môi. Do những nhu cầu về năng lượng các nhà khoa học đã nghiên cứu và sử dụng cồn như một dạng nhiên liệu. Cồn được dùng để đốt cháy gián tiếp như đèn cồn. Cồn được dùng làm nhiên liệu cho xe hơi và được sử dụng khá phổ biến ở Braxin. Trong khi các nước khác trên thế giới đang lo về sự không ổn định của nguồn năng lượng dầu mỏ thì ở Braxin những chiếc xe hơi vẫn bình thản lướt trên những đường phố bằng cồn nhiên liệu. Cồn còn được dùng pha vào xăng để làm xăng sinh học, hay kết hợp với những chất khác để tạo ra những nhiên liệu mới an toàn cho vận chuyển, bảo quản, và sử dụng với cồn dạng gel và cồn khô. Nhìn chung, vấn đề sử dụng cồn như một dạng nhiên liệu không chỉ mang tính chất riêng lẻ ở bất kì nước nào hay ở khu vực nào đang lan rộng trên toàn thế giới bởi tính ưu việt của loại nhiên liệu này mà đến ngày nay con người mới dần dần khám phá ra và sử dụng nó có hiệu quả hơn. Các nhiên liệu đi từ dầu mỏ hiện nay được sử dụng phổ biến nhất. Như xăng dùng cho các động cơ, nhiên liệu phản lực, diezen, dầu hỏa, nhiên liệu đốt lò, và khí hóa lỏng. Nhiên liệu xăng nói riêng và các sản phẩm dầu mỏ nói chung đã trở thành vị trí chủ đạo trong các loại năng lượng. Có liên quan đến vấn đề kinh tế, an ninh chính trị của các quốc gia. Vấn đề năng lượng và nhất là năng lượng dầu mỏ đã trở nên cần thiết trong các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của người dân ở hầu hết các quốc gia. Vì vậy mà hầu hết các cuộc chiến tranh ngày nay xuất phát từ vấn đề năng lượng, đặc biệt là dầu mỏ. Các sản phẩm dầu mỏ được ứng dụng nhiều trong đời sống để làm nhiên liệu như dầu hỏa, khí hóa lỏng. Còn các khí mêtan, etan có áp suất hơi quá cao không thể hóa lỏng được thì được sử dụng ở quy mô công nghiệp dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy phát điện... 2.8 Năng lượng từ gió và đất 2.8.1 Năng lượng từ gió Từ xưa người ta đã biết đến gió. Gió là một nguồn năng lượng tự nhiên. Trong điều kiện bình thường gió như một nguồc làm mát tự nhiên. Gió là do không khí chuyển động từ vùng có khí áp cao sang vùng có khí áp thấp. Độ chênh lệch khí áp giữa hai vùng càng lớn thì gió càng mạnh và ngược lại. Nếu khí áp giữa hai vùng như nhau, không có sự chênh lệch thì không có gió.    Người ta có thể lợi dụng sức gió để bơm nước cho các nhà cao tầng. Thiết bị được dùng là động cơ gió trục ngang có nhiều cánh, quay chậm để để kéo bơm pittông đưa nước lên cao. Động cơ gió trục ngang này thường được đặt trên cao vì gió trên cao thổi mạnh hơn dưới thấp. Người ta còn lợi dụng sức gió để tạo ra dòng điện bằng phong điện nhỏ dùng cho gia đình. Đây là máy phát điện mini hoạt động nhờ tuabin gió chạy bằng sức gió. Đây là loại phong điện cực nhỏ phát ra dòng điện. Gió - nguồn năng lượng không bao giờ cạn Nếu khai thác triệt để năng lượng gió, một nguồn nhiện liệu sạch, kinh tế, chúng ta sẽ đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng năng lượng ngày một gia tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu dầu khí đang khan hiếm. Từ cuối thập niên 1920, người Mỹ đã sử dụng những cối xay gió nhỏ để cung cấp điện cho những khu vực nông thôn. Nhưng chỉ sau một thời gian ngắn, đến thập niên 1930 cối xay gió được sử dụng ngày càng ít, và nay chỉ còn lại một số ít trong các trang trại ở miền Tây nước Mỹ. Đến những năm 1970, cuộc khủng hoảng dầu hỏa làm thay đổi bức tranh toàn cảnh năng lượng trên thế giới, tạo nên một thị trường mới mở ra cho các nguồn năng lượng thay thế, và những cối xay gió cơ học tạo điện năng từ gió đã trở lại. Cối xay gió cơ học ngày càng được xây dựng kỹ thuật hơn với những cánh quạt được chế tạo từ sợi thủy tinh hoặc những vật liệu có sức chịu đựng tốt. Trước khi bước vào khai thác năng lượng gió, câu hỏi đầu tiên chính là: có thể lấy từ gió bao nhiêu năng lượng? Có hai cơ sở cơ bản để đánh giá: hiệu quả và công suất. Hiệu quả (tức năng lực hữu ích mà chúng ta có thể lấy được từ nguồn năng lượng): có thể chuyển từ 30 - 40% động lực của gió thành điện năng (để tiện so sánh: có thể chuyển hóa từ 30-35% hóa chất trong than đá thành điện năng). Công suất (phần điện năng máy có thể cung cấp được): một máy điện từ gió có công suất 100%, có thể hoạt động suốt ngày và lúc nào cũng đầy năng lượng, tỉ lệ ở than đá là 75% nếu như hoạt động cả ngày lẫn đêm và suốt năm. Trước đây, một máy phát điện từ gió thông thường có thể sản xuất từ 1,5 - 4 triệu kWh điện mỗi năm, đủ để cung cấp điện cho 150 - 400 hộ mỗi năm. Ở Mỹ, các máy phát điện năng từ gió có thể cung cấp 10 tỷ kWh mỗi năm. Năng lượng gió đáp ứng được 0,1% nhu cầu năng lượng cho cả nước, một con số rất nhỏ. Mười năm trước, Mỹ còn là “vua” sử dụng năng lượng gió khi sản xuất đến 90% sản lượng điện từ gió của toàn thế giới. Đến năm 1996 sản lượng này giảm 30%. Thế nhưng gần đây, do chi phí đầu tư khai thác nguồn năng lượng từ gió bắt đầu giảm và kỹ thuật được cải tiến nên gió lại trở thành một trong những nguồn năng lượng  mới tạo ra điện có sức cạnh tranh nhiều nhất trong một số khía cạnh.
  2.8.1 Mô hình cối xay gió cơ học tạo điện năng từ gió   Nhìn trên phương diện kinh tế, gió là một tài nguyên dồi dào có sẵn trong tự nhiên và không có “biên giới”. Ta có thể xây dựng máy phát điện từ gió không tốn nhiều tiền bằng chi phí xây dựng máy phát điện từ những nguồn năng lượng khác. Máy phát điện từ gió có thể dễ dàng bổ sung máy phát điện thông thường khi nhu cầu dùng điện của người dân tăng lên. Mặt khác, chi phí sản xuất điện từ gió đã giảm đột ngột trong hai thập niên qua nhờ các kỹ thuật hạ thấp chi phí đầu tư. Trên góc độ môi trường: gió là một nguồn nguyên liệu sạch, không làm ô nhiễm không khí và nước khi tạo điện năng. Điện năng làm từ gió còn rất sạch, có khả năng giảm đáng kể lượng khí CO2 thải ra môi trường. Một nghiên cứu mới của Bộ Năng lượng Mỹ vừa công bố cho biết trong năm 2003 ngành năng lượng có tốc độ phát triển nhanh nhất không phải nhiệt điện hay năng lượng nguyên tử, mà là gió. Bằng cớ là trong khoảng thời gian từ năm 2000 - 2003, năng lượng gió tăng trưởng 159% ở Mỹ và 87% ở châu Âu (Nguồn: dịch vụ đánh giá của Standard and Poor), qua mặt tất cả các nguồn năng lượng khác về tốc độ tăng trưởng. Đan Mạch hiện đang dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng điện năng làm từ sức gió. Ngành công nghiệp điện năng từ gió của Đan Mạch tạo công ăn việc làm cho 20.000 người, sản xuất được 3.200 MW trong năm 2003 trên tổng số 8.300MW sản lượng điện từ gió của toàn cầu. Với dân số 5,4 triệu người, Đan Mạch cũng là nước dẫn đầu về tiêu thụ điện năng làm từ gió, với khoảng 21% tổng điện năng được làm từ gió, so với tỉ lệ bình quân trên toàn cầu là 0,5%, (AFP 15-8-2004).