Bài 13. Sử dụng năng lượng

I. Vòng năng lượng trên Trái Đất

- Mỗi giây, Mặt Trời phát ra năng lượng khoảng 3,8.10²⁶ J và một phần trong số đó truyền tới Trái Đất.

- Ngoài năng lượng chủ yếu do Mặt Trời truyền tới, Trái Đất còn có nguồn năng lượng của riêng nó, đó là năng lượng địa nhiệt, năng lượng từ thuỷ triều và năng lượng nhiên liệu hạt nhân.

- Các quá trình tự nhiên và nhân tạo trên Trái Đất đều cần có năng lượng và đều có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Sự chuyển hoá này thường lặp đi, lặp lại.

Vòng tuần hoàn của nước

- Khoảng 23% năng lượng mặt trời chiếu xuống Trái Đất tạo nên vòng tuần hoàn của nước.

- Năng lượng mặt trời làm nóng và bốc hơi nước ở các sông, hồ, biển và đại dương.

- Hơi nước trong những dòng không khí, khi gặp điều kiện thuận lợi ngưng tụ và rơi xuống tạo thành những cơn mưa.

- Nước mưa theo các mạch nước ngầm hoặc các dòng chảy sông, suối lại đổ về đại dương. Có thể thấy, năng lượng trong vòng tuần hoàn của nước đến từ Mặt Trời.

Vòng tuần hoàn của carbon

- Vòng tuần hoàn của carbon (hay chu trình carbon) là quá trình trao đổi nguyên tố carbon giữa sinh vật, khí quyển, thủy quyển và thạch quyển.

- Nhờ quá trình quang hợp, thực vật trên mặt đất và trong đại dương hấp thụ CO₂ trong khí quyển và chuyển hoá năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng hoá học dự trữ trong chất hữu cơ.

- Động vật, chuyển hoá năng lượng tích lũy trong chất hữu cơ thành năng lượng nhiệt để duy trì nhiệt độ cơ thể và năng lượng cơ học trong các hoạt động vận động.

- Khi sinh vật bị vùi lấp, các hợp chất của carbon bị phân hủy thành muối carbonate và nhiên liệu hoá thạch - nguồn dự trữ năng lượng hoá học khổng lồ trong lòng đất.

- Nhiên liệu hoá thạch được sử dụng trong đa dạng các hoạt động sản xuất và sinh hoạt, chuyển hoá năng lượng hoá học thành năng lượng nhiệt. Thông qua các quá trình hô hấp của sinh vật, đốt nhiên liệu hoá thạch của con người, khí CO₂ lại được giải phóng vào bầu khí quyển.

- Như vậy, năng lượng trong vòng tuần hoàn carbon đến từ Mặt Trời. Từ các phân tích trên, có thể thấy phần lớn năng lượng trên Trái Đất đến từ Mặt Trời.

1. Nguồn gốc và đặc điểm của năng lượng hóa thạch

Nguồn gốc

- Than mỏ, dầu mỏ, khí thiên nhiên và khí mỏ dầu là các nhiên liệu hoá thạch được hình thành qua các quá trình biến đổi địa chất trong hàng trăm triệu năm.

- Khi đốt cháy các nhiên liệu này tạo ra năng lượng nhiệt. Năng lượng hoá thạch được dự trữ trong nhiên liệu hoá thạch.

Đặc điểm

- Người ta có thể sử dụng năng lượng hoá thạch trực tiếp bằng cách đốt cháy nhiên liệu hoá thạch.

- Năng lượng hoá thạch chiếm tỉ lệ cao nhất trong các dạng năng lượng được con người sử dụng hiện nay.

- Nhiên liệu hóa thạch có ưu điểm dễ sử dụng, chi phí khai thác và giá thành không quá cao. Tuy nhiên sử dụng nhiên liệu hoá thạch có một số hạn chế sau:

+ Nhiên liệu hoá thạch cần hàng trăm triệu năm để hình thành, trong khi đó, với mức độ tiêu thụ như hiện tại thì chỉ khoảng từ 50 đến 100 năm nữa nguồn nhiên liệu này sẽ cạn kiệt.

+ Đốt cháy nhiên liệu hoá thạch sẽ sinh ra các chất độc hại và phát thải khí nhà kính quá mức làm Trái Đất nóng lên, gây ra biến đổi khí hậu với quy mô toàn cầu.

2. Khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Than mỏ

- Trước kia, than mỏ được dùng chủ yếu để đun nấu, sưởi ấm, vận hành động cơ hơi nước, đầu máy xe lửa. Hiện nay, than mỏ được sử dụng làm nhiên liệu trong công nghiệp nhiệt điện, luyện kim, hoá chất.

- Ưu điểm của than mỏ là có trữ lượng lớn, dễ sử dụng, chi phí khai thác và giá thành không quá cao.

- Hai hình thức khai thác than mỏ phổ biến là lộ thiên và hầm lò.

+ Hình thức khai thác lộ thiên áp dụng cho những mỏ than nằm gần bề mặt mặt đất. Chi phí khai thác và vận chuyển của hình thức này không cao. Tuy vậy, hiện nay than mỏ chủ yếu được khai thác dưới các hầm lò do số lượng than mỏ ở bề mặt ngày càng cạn kiệt.

+ Hình thức khai thác hầm lò yêu cầu áp dụng các công nghệ khai thác với chi phí tăng lên.

- Nhược điểm của việc khai thác than mỏ là tạo ra lượng lớn bụi than, nước thải chứa kim loại nặng gây ô nhiễm đất, nước. Khi đốt than mỏ phát thải các loại khí độc như SO₂, CO, NO₂,... và bụi mịn gây ô nhiễm môi trường và gây hại cho phối, tim và hệ thần kinh của con người.

Dầu mỏ

- Dầu mỏ còn gọi là dầu thô, qua quá trình chế biến tạo ra nhiều nhiên liệu như khí hoá lỏng, xăng, dầu,...

- Để khai thác dầu mỏ, đầu tiên phải thăm dò, tìm hiểu vị trí mỏ dầu, sau đó khoan những lỗ khoan xuống mỏ dầu rồi dùng ống dẫn để hút nhiên liệu vào một bể chứa riêng.

- Một số mỏ dầu nằm trên đất liền và tương đối gần bề mặt nhưng cũng có những mỏ dầu nằm dưới đáy biến.

- Việc thăm dò và khai thác những mỏ dầu này kéo theo chi phí cao hơn trong đất liền rất nhiều.

- Dầu mỏ có ưu điểm là trữ lượng dồi dào, từ dầu thô có thể chế biến ra nhiều loại nhiên liệu và sản phẩm dẫn xuất, sử dụng trong đa dạng các ngành khác nhau như giao thông vận tải, nông nghiệp, dược phẩm, dệt may,...

- Tuy vậy, việc khai thác, chế biến và sử dụng dầu mỏ có những nhược điểm sau đây:

+ Các phương tiện giao thông vận tải sử dụng xăng, dầu đều phát thải khí độc hại như carbon monoxide, hydrocarbon, nitrogen oxide và bụi mịn. Chế biến dầu có thể gây ô nhiễm dầu, phát tán kim loại nặng.

+ Thăm dò ngoài khơi và khai thác dầu làm xáo trộn môi trường biển. Những sự cố tràn dầu đã làm hư hại nghiêm trọng hệ sinh thái tự nhiên.

Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu

- Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu là hỗn hợp chất khí cháy được, thường tìm thấy ở các mỏ khí hoặc cùng với các mỏ dầu, được sử dụng để làm nhiên liệu.

- Để khai thác khí, sau khi thăm dò, tìm vị trí, người ta khoan các giếng khai thác để lấy khí từ mỏ. Các giếng được khoan sâu xuống các tầng đất chứa khí và được kết nối với hệ thống ống dẫn để chuyển khí ra khỏi mỏ.

- Sau đó, khí được xử lí để đạt được chất lượng và áp suất yêu cầu trước khi được phân phối đến các điểm tiêu thụ khác nhau.

- Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu có ưu điểm là có hiệu suất cháy cao, khi đốt thải ra ít khí carbon dioxide hơn các loại nhiên liệu hoá thạch khác.

- Tuy vậy, quá trình khai thác, lưu trữ, vận chuyển, sử dụng khí thiên nhiên và khí mỏ dầu có nhược điểm là phát thải khí độc CO và khí methane - khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh.

- Khi khí thiên nhiên và khí mỏ dầu bị rò rỉ có thể gây cháy nổ rất nguy hiểm, thiệt hại tài sản và cả tính mạng con người.

- Giá của các nhiên liệu phụ thuộc vào chi phí khai thác và vận chuyển.

- Than mỏ khai thác bằng hình thức lộ thiên thường có giá thấp hơn than khai thác hầm lò.

- Tương tự như vậy, giá dầu thô, khí thiên nhiên và khí mỏ dầu được khai thác ở các mỏ trong đất liền sẽ thấp hơn giá của những nhiên liệu đó được khai thác ở các mỏ ngoài đại dương.