Sử dụng năng lượng SVIP

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 riêng của nó, đó là năng lượng địa nhiệt, năng lượng từ thủy triều và năng lượng từ 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 hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Sự chuyển hóa 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. 

Như vậy, ở giai đoạn đầu của vòng năng lượng theo vòng tuần hoàn của nước, cần lấy năng lượng từ Mặt Trời để chuyển hóa thành năng lượng từ gió, năng lượng từ dòng chảy, năng lượng từ sóng biển, từ dòng biển trên Trái Đất.

Vòng tuần hoàn của carbon

Trong tự nhiên, nguyên tố carbon ở dạng khí CO₂ đi vào thực vật rồi biến đổi và sau đó được phát thải trở lại bầu khí quyển cũng chủ yếu ở dạng khí CO₂. Quá trình này được thực hiện nhờ vòng tuần hoàn của carbon (hay chu trình carbon).

Thực vật hấp thụ CO₂ trong khí quyển. Nhờ quá trình quang hợp, chúng tổng hợp chất hữu cơ từ nước và CO₂, đồng thời chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học tích lũy trong chất hữu cơ đó. Động vật ăn thực vật và chuyển hóa một phần năng lượng này thành năng lượng nhiệt để duy trì nhiệt độ cơ thể và năng lượng cơ học trong các hoạt động vận động. 

Xác sinh vật bị vùi lấp trong các điều kiện địa chất đặc biệt, trải qua hàng trăm triệu năm, hình thành nên nhiên liệu hóa thạch - nguồn dự trữ năng lượng hóa học khổng lồ. Thông qua các quá trình hô hấp của sinh vật, đốt nhiên liệu hóa 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.

❓Em có biết

Các nghiên cứu đã chỉ ra tỉ lệ sử dụng năng lượng mặt trời cùng với năng lượng của Trái Đất cho các quá trình biến đổi cơ bản được mô tả trong sơ đồ sau:

II. Năng lượng hóa thạch

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

Nguồn gốc

Năng lượng hóa thạch được tạo ra từ các nhiên liệu hóa thạch, bao gồm than mỏ, dầu mỏ, khí mỏ dầu và khí thiên nhiên thông 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 hóa thạch được dự trữ trong nhiên liệu hóa thạch.

Đặc điểm

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

Năng lượng hóa 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, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch có một số hạn chế sau:

• Trái Đất mất hàng triệu năm để tạo ra các nguồn nhiên liệu đó, trong khi tốc độ tiêu thụ của con người lại rất nhanh khiến nguồn nhiên liệu này ngày càng trở nên cạn kiệt.
• Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra chất thải rắn, phát thải các khí CO₂, CO, NO₂, NO, SO₂,... gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và ô nhiễm môi trường, gây hiệu ứng nhà kính trên Trái Đất.
• Làm tan băng ở các địa cực, gây biến đổi khí hậu toàn cầu, khiến nước biển dâng, hạn hán, thiên tai, lũ lụt xảy ra với cường độ ngày càng tăng, góp phần phá hủy hệ sinh thái và sự sống trên Trái Đất.

2. Khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Than mỏ

Hiện nay, than mỏ được sử dụng làm nhiên liệu trong công nghiệp nhiệt điện, luyện kim, hóa chất,...

Hai hình thức khai thác than mỏ phổ biến là lộ thiên và hầm lò. Hình thức khai thác lộ thiên áp dụng cho mỏ than nằm gần bề mặt đất với chi phí khai thác và vận chuyển không cao. 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 này yêu cầu áp dụng các công nghệ khai thác với chi phí cao hơn.

Ưu điểm: 

• Có trữ lượng lớn.
• Dễ sử dụng, chi phí khai thác và giá thành không quá cao.

Nhược điểm:

• 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; gây hại cho phổi, tim và hệ thần kinh của con người.

Dầu mỏ

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

Để khai thác 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.

Ưu điểm:

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

Nhược điểm:

• 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 gây ảnh hưởng 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 được 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.

Ưu điểm:

• Hiệu suất cháy cao, khi đốt thải ra ít khí carbon dioxide hơn các loại nhiên liệu hóa thạch khác. 

Nhược điểm:

• Quá trình khai thác, lưu trữ, vận chuyển, sử dụng khí thiên nhiên và khí mỏ dầu phát thải khí độc CO và khí methane - khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh.
• Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu bị rò rỉ có thể gây cháy nổ rất nguy hiểm, gây thiệt hại về tài sản và cả tính mạng con người.

1. Phần lớn năng lượng trên Trái Đất đến từ Mặt Trời.

2. Năng lượng hóa thạch dễ sử dụng, chi phí khai thác không quá cao nhưng đang dần cạn kiệt.

3. Đốt cháy nhiên liệu hóa 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.

4. Giá nhiên liệu hóa thạch phụ thuộc vào chi phí khai thác và vận chuyển.