5 Loại Năng Lượng Tái Tạo Chính: Nguyên Tắc, Chi Phí, Hiệu Suất và Hướng Dẫn Sử Dụng Tại Nhà

Năm loại năng lượng tái tạo chính được sử dụng chủ yếu cho sản xuất điện bao gồm: Năng lượng thủy điện, Năng lượng gió, Năng lượng mặt trời, Năng lượng sinh khối (năng lượng sinh khối/nhiên liệu sinh học) và Năng lượng địa nhiệt.

Năm 2023, năng lượng tái tạo chiếm gần 30% trong tổng sản lượng điện toàn cầu. Trong số đó, thủy điện chiếm 47%, điện gió 26%, năng lượng mặt trời 18%, năng lượng sinh học 8% và năng lượng địa nhiệt 1%.

Trung Quốc chiếm 32% trong tổng sản lượng điện tái tạo toàn cầu, tiếp theo là Hoa Kỳ (11%), Brazil (7,0%), Canada (4,7%) và Ấn Độ (4,3%).

Đến năm 2030, sản lượng điện tái tạo toàn cầu dự kiến sẽ đạt 17.000 TWh (60 EJ), tăng gần 90% so với năm 2023. Đến thời điểm đó, năng lượng tái tạo sẽ chiếm 46% trong tổng sản lượng điện toàn cầu, trong đó điện gió và điện mặt trời PV chiếm 30%.

Bài viết này cung cấp phân tích chi tiết về các nguyên lý sản xuất điện, phân bố toàn cầu, hiệu suất công nghệ, mức chi phí và xu hướng tương lai của năm loại năng lượng tái tạo này, đồng thời đưa ra các khuyến nghị rõ ràng cho các hộ gia đình thành thị và nông thôn trong việc lựa chọn hệ thống năng lượng tái tạo phù hợp.

Năng lượng thủy điện

Tính đến năm 2023, thủy điện chiếm 47% của sản lượng điện tái tạo toàn cầu.

Thủy điện là phương pháp sản xuất điện bằng cách khai thác năng lượng tiềm năng và động năng của dòng nước chảy để vận hành tuabin. Các loại phổ biến bao gồm thủy điện đập, thủy điện chuyển hướng và thủy điện thủy triều.

Năng lượng thủy điện gần như không phát thải carbon và gây ra ít ô nhiễm trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, việc xây dựng các đập lớn có thể gây ra sự gián đoạn sinh thái (chẳng hạn như cản trở di cư của cá và ngập lụt vùng đất ngập nước) và có thể dẫn đến việc di dời dân cư.

Lắp đặt hệ thống thủy điện tại nhà đòi hỏi nguồn nước ổn định và liên tục (với độ cao và lưu lượng đủ), và phải tuân thủ các quy định về quản lý nước, khiến việc này trở nên rất không thực tế đối với hầu hết các hộ gia đình.

Năm 2023, phạm vi chi phí cho các dự án thủy điện quy mô nhỏ và lớn từ giai đoạn xây dựng đến vận hành là từ USD 2.820–18.700/kW, với các dự án lớn thường có chi phí cao hơn.

Hiệu suất sản xuất điện

Các hệ thống thủy điện hiện đại có hiệu suất cao, với hiệu suất đạt tới 90% hoặc cao hơn. So với năng lượng mặt trời (khoảng 20%) và năng lượng gió (khoảng 30%), thủy điện có hiệu suất đáng kể.

Phân phối toàn cầu và tiềm năng phát triển trong tương lai của năng lượng thủy điện

Tính đến năm 2023, Trung Quốc nắm giữ 29–31% Với tổng công suất thủy điện toàn cầu, sản xuất 1.245–1.303 TWh, khiến nó trở thành nhà sản xuất thủy điện lớn nhất thế giới. Tiếp theo là Brazil, Canada và Hoa Kỳ – tất cả đều là những quốc gia giàu tài nguyên nước.

Mặc dù công suất thủy điện toàn cầu tiếp tục tăng, nhưng tốc độ tăng trưởng đã chậm lại. Các dự báo cho thấy tăng trưởng trong thập kỷ 2020 sẽ là gần 25% chậm hơn so với tốc độ tăng trưởng được ghi nhận trong thập kỷ trước.

Năng lượng gió

Tính đến năm 2023, năng lượng gió chiếm khoảng 28% trong tổng sản lượng điện tái tạo toàn cầu. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng gió để quay cánh tuabin, qua hộp số tăng tốc độ quay, từ đó kích hoạt máy phát điện để sản xuất điện.

Các loại trang trại gió phổ biến bao gồm trang trại gió trên đất liền và trang trại gió ngoài khơi. Trang trại gió trên đất liền thường được đặt ở các khu vực bằng phẳng hoặc cao ráo, trong khi trang trại gió ngoài khơi được lắp đặt trên biển, nơi tốc độ gió thường mạnh hơn và ổn định hơn.

Năng lượng gió gần như không phát thải trong quá trình vận hành và được coi là một trong những nguồn năng lượng sạch nhất. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số lo ngại về tác động thị giác, ảnh hưởng đến đường di cư của chim và tiếng ồn. Về vấn đề tiếng ồn, nhiều người hiểu lầm hoặc coi thường nó, nhưng trên thực tế, Một trang trại gió hoạt động ở khoảng cách từ 750 đến 1000 feet không tạo ra tiếng ồn lớn hơn tiếng ồn của tủ lạnh nhà bếp hoặc một phòng tương đối yên tĩnh..

Tuabin gió thương mại có công suất dao động từ các đơn vị dân dụng nhỏ khoảng 5 kW đến các tuabin quy mô công nghiệp lên đến 5 MW. Các tuabin dân dụng nhỏ có giá chỉ vài trăm bảng Anh, trong khi các tuabin công nghiệp có thể có giá hàng triệu đô la. Năm 2023, chi phí điện bình quân (LCOE) cho điện gió trên đất liền dao động từ USD 1.300–2.500/kW, tùy thuộc vào vị trí và quy mô.

Tuabin gió thường được sử dụng trong các môi trường công nghiệp; đối với mục đích dân dụng, việc lắp đặt tuabin gió nhỏ trên mái nhà là khả thi nhưng phụ thuộc vào chính sách quy hoạch địa phương và điều kiện gió.

Hiệu suất sản xuất điện

Công nghệ điện gió hiện nay cho phép sản xuất điện bắt đầu ở tốc độ gió khoảng 2,68 mét mỗi giây. Hiệu suất chuyển đổi thường dao động từ 20% đến 40%, thấp hơn đáng kể so với thủy điện nhưng cao hơn so với năng lượng mặt trời.

Phân phối toàn cầu và tiềm năng phát triển trong tương lai của năng lượng gió

Theo dữ liệu từ Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) và Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC), tính đến năm 2023, Trung Quốc chiếm 39% Trong tổng công suất gió lắp đặt toàn cầu, quốc gia này sở hữu công suất gió trên đất liền lớn nhất thế giới và vượt qua Vương quốc Anh về công suất gió ngoài khơi. Các quốc gia lớn khác bao gồm Hoa Kỳ, Đức và Ấn Độ.

Dự báo đến năm 2030, ngành năng lượng gió sẽ đạt tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 8,81%, với công suất lắp đặt năng lượng gió toàn cầu tăng thêm 981 GW.

Năng lượng mặt trời

Tính đến năm 2023, năng lượng mặt trời chiếm khoảng 15% trong tổng sản lượng điện tái tạo toàn cầu. Nhờ chi phí giảm nhanh chóng, khả năng triển khai linh hoạt và phát thải gần như bằng không trong quá trình vận hành, năng lượng mặt trời đã trở thành công nghệ năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất.

Nguyên lý hoạt động của năng lượng mặt trời dựa trên việc các photon từ ánh sáng mặt trời kích thích các electron trong các tấm pin mặt trời—chủ yếu được làm từ các vật liệu bán dẫn như silicon—giải phóng các electron để di chuyển theo hướng nhất định dưới tác dụng của trường điện, tạo ra dòng điện được chuyển đổi bởi một... biến tần đổi thành dòng điện xoay chiều để sử dụng trong gia đình hoặc hệ thống điện lưới.

Mặc dù việc sản xuất tấm pin mặt trời tạo ra dấu chân carbon, nhưng lượng điện sạch được tạo ra bởi mỗi tấm pin trong suốt vòng đời của nó bù đắp hoàn toàn cho điều này.

Hệ thống quang điện (PV) đã trở nên phổ biến nhờ vào việc lắp đặt dễ dàng và chi phí linh kiện giảm dần. Năm 2023, hệ thống PV quy mô công nghiệp có giá trung bình khoảng USD 800–1.200 mỗi kW, trong khi hệ thống dân dụng có giá cao hơn một chút.

Hiệu suất sản xuất điện

Tấm pin mặt trời thương mại thông thường đạt hiệu suất từ 18% đến 22%, với các sản phẩm hiệu suất cao vượt quá 25%, và một số nhà phát triển đã đạt được gần 40%. Mặc dù hiệu suất của năng lượng mặt trời thấp hơn nhiều so với các nguồn năng lượng tái tạo khác, nhưng sự tiện lợi và chi phí thấp của nó khiến nó trở thành lựa chọn ưa thích của người dùng hộ gia đình.

Phân phối toàn cầu và tiềm năng phát triển trong tương lai của năng lượng mặt trời

Trung Quốc dẫn đầu cả về sản xuất và lắp đặt tấm pin mặt trời, tiếp theo là Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức và Ấn Độ. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự đoán năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn điện lớn nhất thế giới vào năm 2050.

Trong giai đoạn từ 2024 đến 2030, năng lượng mặt trời PV dự kiến sẽ chiếm 80% trong tổng tăng trưởng công suất năng lượng tái tạo toàn cầu, được thúc đẩy bởi các trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn mới và sự gia tăng lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà thương mại và dân dụng. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), sản lượng điện từ năng lượng mặt trời PV sẽ vượt qua thủy điện vào năm 2029, trở thành Nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất.

Năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt khai thác nhiệt độ bên trong Trái Đất để sản xuất điện hoặc sưởi ấm. Các giếng được khoan để tiếp cận nước nóng hoặc hơi nước dưới lòng đất, giúp vận hành tuabin sản xuất điện hoặc được sử dụng cho hệ thống sưởi ấm của các tòa nhà.

Hệ thống bơm nhiệt nguồn đất địa nhiệt nông hoạt động mà không phát thải bụi, chất thải hoặc CO2 và không yêu cầu lò hơi, tháp làm mát hoặc kho chứa nhiên liệu, khiến chúng trở thành giải pháp sưởi ấm và làm mát thân thiện với môi trường hiện có sẵn.

Mặc dù năng lượng địa nhiệt tạo ra một lượng nhỏ các chất ô nhiễm không khí và nước, nhưng lượng khí thải CO2 của nó chỉ bằng khoảng 1/35 so với các nhà máy điện chạy than.

Phát triển năng lượng địa nhiệt đòi hỏi phải tiến hành thăm dò địa chất và khoan thăm dò quy mô lớn, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu cao. Ngoài ra, sự phân bố không đồng đều của tài nguyên địa nhiệt và các thách thức kỹ thuật cũng làm tăng chi phí. Năm 2023, chi phí của hệ thống bơm nhiệt nguồn đất là USD 4.589, cao hơn gần USD 1.200 so với năm 2022.

Hiệu suất sản xuất điện

Hiệu suất phát điện địa nhiệt thường dao động từ 10% đến 20%, tùy thuộc vào nhiệt độ và công nghệ.

Phân phối toàn cầu và tiềm năng phát triển trong tương lai của năng lượng địa nhiệt

Nguồn tài nguyên địa nhiệt chủ yếu tập trung dọc theo các biên giới của các mảng kiến tạo như Vành đai Lửa Thái Bình Dương và các dải địa nhiệt Địa Trung Hải–Himalaya. Các quốc gia hàng đầu trong phát triển địa nhiệt bao gồm Hoa Kỳ, Indonesia, Philippines, Thổ Nhĩ Kỳ và New Zealand.

Sự tiến bộ công nghệ đã mở ra những triển vọng mới cho năng lượng địa nhiệt, có thể khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên trên toàn cầu và trong các doanh nghiệp. Khi công nghệ ngày càng phát triển và chi phí dự án giảm xuống, năng lượng địa nhiệt có thể đáp ứng lên đến Tăng trưởng nhu cầu điện toàn cầu đạt 15% vào năm 2050.

Năng lượng sinh khối

Năng lượng sinh khối được sản xuất từ phế phẩm nông nghiệp, gỗ và chất thải hữu cơ, và có thể được sử dụng cho sưởi ấm, sản xuất điện hoặc sản xuất nhiên liệu sinh học. Nếu được quản lý đúng cách, sinh khối được coi là trung tính carbon vì CO₂ được thải ra trong quá trình đốt cháy sẽ được cây cối hấp thụ.

Hệ thống bơm nhiệt nguồn đất địa nhiệt nông hoạt động mà không phát thải bụi, chất thải hoặc CO2 và không yêu cầu lò hơi, tháp làm mát hoặc kho chứa nhiên liệu, khiến chúng trở thành giải pháp sưởi ấm và làm mát thân thiện với môi trường hiện có sẵn.

Từ góc độ chi phí, biomass không phải là nguồn năng lượng rẻ. Năm 2022, chi phí lắp đặt trung bình toàn cầu là USD 2.162 mỗi kW, chỉ thấp hơn vài trăm đô la so với thủy điện.

Năng lượng sinh khối cũng tương đối đắt đỏ tại Hoa Kỳ, nơi đốt trực tiếp là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất nhiệt từ năng lượng sinh khối. Chi phí lắp đặt cho các nhà máy điện sinh khối quy mô nhỏ dao động từ 3.000 đến 4.000 USD mỗi kW.

Hiệu suất sản xuất điện

Việc đốt chung biomass với các loại nhiên liệu khác đạt hiệu suất lên đến 45%, khiến đây trở thành phương pháp sản xuất điện từ biomass hiệu quả về chi phí nhất.

Đến năm 2050, tỷ trọng của biomass trong sản xuất điện có thể tăng từ mức hiện tại là 1,31 TP3T lên khoảng 31 TP3T–51 TP3T (IEA ETP, 2006), tùy thuộc vào các giả định.

So với tiềm năng tổng lượng sinh khối ước tính (từ 10% đến 20% nguồn năng lượng sơ cấp vào năm 2050), đóng góp của điện năng từ sinh khối là tương đối nhỏ, nhưng sinh khối cũng có giá trị trong sản xuất nhiên liệu sưởi ấm và nhiên liệu vận tải.

Câu hỏi thường gặp về Năng lượng tái tạo

Các hệ thống năng lượng tái tạo nào mà các hộ gia đình có thể lắp đặt?

• Nhà ở đô thị/nông thônHệ thống quang điện mặt trời (PV), có thể tích hợp máy bơm nhiệt nguồn đất.
• Nhà ở nông thôn/nông trạiHệ thống quang điện (PV) hoặc kết hợp giữa hệ thống quang điện (PV) và lò hơi sinh khối.
• Vùng cao nguyên/Vùng núi xa xôiƯu tiên hệ thống năng lượng mặt trời (PV), với thủy điện là một lựa chọn nếu điều kiện cho phép.

Nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất là gì??

Hiện nay, thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất trên thế giới, chiếm gần 50% sản lượng điện tái tạo toàn cầu, với hiệu suất vượt quá 90%. Một số tổ chức dự đoán rằng đến năm 2029, năng lượng mặt trời sẽ vượt qua thủy điện để trở thành nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất thế giới.

Tại sao việc sử dụng năng lượng tái tạo lại quan trọng??

• Giảm phát thải carbon và giảm thiểu biến đổi khí hậu.
• Đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng bền vững mà không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
• Tăng cường độc lập năng lượng.
• Giảm chi phí vận hành dài hạn.

Năng lượng tái tạo đang nhanh chóng thay đổi bức tranh năng lượng toàn cầu. Dù là thủy điện có hiệu suất cao, năng lượng gió và mặt trời đang phát triển mạnh mẽ, hay năng lượng sinh khối và địa nhiệt có thể điều chỉnh, mỗi công nghệ đều có những ưu điểm và thách thức riêng. Sự chuyển đổi này đang tác động đến mọi khía cạnh của cuộc sống - từ cấp độ toàn cầu đến hộ gia đình, từ chính sách đến công nghệ.

Đối với người dùng hộ gia đình, việc lựa chọn hệ thống năng lượng tái tạo phù hợp không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng lâu dài mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Thập kỷ tới là giai đoạn quan trọng; tận dụng các chính sách khuyến khích, sự phát triển công nghệ và xu hướng giảm chi phí sẽ là cơ hội tốt nhất để chuyển sang lối sống ít carbon.