Phát triển năng lượng tái tạo và vật liệu mới là xu hướng tất yếu

Buổi đối thoại trực tuyến, với chủ đề “Năng lượng tái tạo và vật liệu mới cho tương lai”, diễn ra ngày 12/11, đã thu hút sự tham gia của các diễn giả nổi tiếng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời và khoa học vật liệu.

Tại buổi đối thoại, do Quỹ VinFuture tổ chức, các diễn giả đã cho thấy bước chuyển của nhân loại từ chỗ phụ thuộc mọi thứ hoàn toàn vào thiên nhiên, đến chỗ tận dụng các nguồn tái tạo để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của mình.

GS Nguyễn Thục Quyên của Đại học California, Santa Barbara (UCSB), Mỹ, cho biết phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, như năng lượng điện mặt trời, gió và địa nhiệt, được xem là xu hướng tất yếu, trong đó nổi bật nhất là năng lượng mặt trời, hay còn gọi là quang điện.

Trước đây, con người sử dụng các nguồn nhiên liệu sẵn có trong tự nhiên như than, củi, dầu… làm chất đốt cho mục đích đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng.

Cùng với thời gian, dân số thế giới tăng nhanh dẫn đến nhu cầu năng lượng cũng cao hơn. Lúc này, các nguồn năng lượng sẵn có đó đã không còn đủ để đáp ứng nhu cầu tăng vọt của con người.

Với tri thức khoa học, tiến bộ kỹ thuật, con người đã biết cách biến các nguồn lực tự nhiên như nước, gió, ánh sáng mặt trời… thành điện năng phục vụ các nhu cầu của đời sống.

Kể từ khi điện được tạo ra, nguồn năng lượng này thực sự đã làm thay đổi cuộc sống con người theo hướng hiện đại, tiện nghi hơn, với sự xuất hiện và phát triển của rất nhiều các thiết bị sử dụng điện như TV, tủ lạnh, lò vi sóng, điện thoại, máy tính…

Song song với đó, điện năng cũng tạo ra nhiều vấn đề, trong đó nổi cộm là biến đổi khí hậu (BĐKH).

BĐKH là sự thay đổi của khí hậu, được biểu hiện thông qua sự ấm lên toàn cầu, băng tan, và nước biển dâng. Trước đây BĐKH diễn ra trong một khoảng thời gian dài do tác động của các điều kiện tự nhiên. Tuy nhiên thời gian gần đây, cùng với sự bùng nổ dân số thế giới, BĐKH xảy ra do tác động của các hoạt động của con người như việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất điện năng (như nhiệt điện than), giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp, thải ra môi trường khí nhà kính (ví dụ như khí CO2).

Để ứng phó với BĐKH, chúng ta phải đạt được mục tiêu đến năm 2050, phần lớn điện năng được tiêu thụ phải đến từ các nguồn không phát thải carbon như phong điện, địa nhiệt điện, quang điện. Trong đó năng lượng mặt trời, hay quang điện, là nguồn năng lượng không phát thải carbon lớn nhất, với 100.000 tỷ tỷ Watt (Terawatt).

Cùng về chủ đề năng lượng, TS Corey Hoven, nhà sáng lập và CTO của công ty công nghệ Next Energy Technologies, cho biết, các tòa nhà “ngốn” nhiều năng lượng hơn ngành công nghiệp và giao thông vận tải. Đến năm 2060, diện tích mặt sàn xây dựng trên toàn cầu sẽ tăng gấp đôi, tương đương với việc một thành phố New York được xây dựng thêm trên trái đất cứ mỗi 34 ngày trong vòng 40 năm tới.

Các tòa nhà thải ra khí nhà kính theo 2 cách: Phát thải carbon từ quá trình sản xuất các loại vật liệu như thép, xi măng và sắt được sử dụng để xây dựng các tòa nhà; và phát thải carbon xảy ra trong quá trình vận hành, bao gồm việc tiêu tốn năng lượng để thắp sáng, sưởi ấm và làm mát các tòa nhà.

Như vậy, chính bản thân các tòa nhà là nguồn phát thải khí nhà kính khổng lồ gây ra BĐKH. Và với tốc độ xây dựng kể trên, BĐKH sẽ ngày càng trầm trọng nếu không có biện pháp nào được thực hiện để thay đổi tình hình.

Điều cần thiết cho việc giảm thiểu biến đổi khí hậu là phải tìm cách làm cho các tòa nhà trở nên hiệu quả năng lượng hơn (energy efficient), nghĩa là sử dụng ít năng lượng hơn theo cách hiệu quả hơn.

Trong bối cảnh đó, công ty của TS Hoven - Next Energy Technologies - đã thương mại hóa thành công phát minh về cửa sổ thông minh (photovoltaic window) tạo ra điện năng cho các tòa nhà cao tầng tận dụng nguồn năng lượng mặt trời.

Loại cửa sổ này sử dụng kính quang điện (PV), hoạt động giống như các tấm pin mặt trời thường được nhìn thấy trên mái nhà, nhưng những tấm kính thì trong suốt.

Kính quang điện của Next Energy Technologies vượt trội hơn với lớp vật liệu phát điện mỏng hơn gấp 10 lần so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng. Ngoài ra, các tế bào quang điện được gắn vào mỗi tấm cửa sổ là các thiết kế nhỏ nhất hiện nay, với kích thước nhỏ hơn ¼ một hạt gạo. Tuy nhỏ như vậy nhưng những tế bào quang điện này lại có thể phát sinh lượng điện nhiều gấp 10 lần (kể cả trong điều kiện ánh sáng nhân tạo) so với các tế bào quang điện hiện có.

Buổi đối thoại còn có sự tham gia của GS Konstantin (Kostya) Sergeevich Novoselov, người được trao giải Nobel Vật lý năm 2010 khi mới 36 tuổi với sự “tình cờ” phát hiện ra cách phân lập graphene, một loại vật liệu cho tương lai.

Graphene nhận được nhiều sự quan tâm vì vật liệu này có những đặc tính vật lý đáng chú ý và những ứng dụng tiềm năng mà những đặc tính này mang lại cho tương lai.

Graphene là một lớp các nguyên tử carbon được xắp xếp thành mạng lục giác hai chiều (mạng hình tổ ong). Đây là loại vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt như dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, có độ cứng rất lớn (gấp hàng trăm lần so với thép) và nó gần như trong suốt. Bởi vậy, vật liệu này đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, linh kiện bán dẫn chủ động transistor, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp…

Mặc dù các nhà khoa học biết đến tồn tại của graphene tinh thể hai chiều với độ dày bằng một lớp nguyên tử carbon, nhưng chưa ai tìm ra cách chiết xuất nó từ than chì (graphite).

Phải đến năm 2004, GS Novoselov cùng với đồng nghiệp của mình tại Đại học Manchester là Giáo sư Andre Geim mới tìm ra cách phân lập graphene.

Tuy nhiên, thách thức chính khi sản xuất và ứng dụng vật liệu graphene, theo TS Hoven, là quá trình phân lập không hề dễ dàng và rất tốn kém. Đó là lý do tại sao mặc dù vật liệu graphene có rất nhiều ưu điểm, nhưng nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi.

Minh Đức – Phạm Thu Thanh