Công nghệ năng lượng ngày càng hiện đại góp phần tạo nên nhận thức tốt hơn cho con người về sự phát triển bền vững.

Có rất nhiều đổi mới đang định hình lĩnh vực năng lượng tái tạo ngày nay. Nhiều ngành công nghiệp đang dần thay đổi và tập trung vào việc tạo ra môi trường bền vững hơn, từ năng lượng mặt trời, lưu trữ năng lượng, xe điện đến máy bơm nhiệt cải tiến, công nghệ hydro, lưới điện thông minh và nhiều lựa chọn thay thế khác cho than, dầu và khí đốt.

Với sự phát triển của năng lượng tái tạo, con người có thể chuyển hướng tới sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Bài viết này đề cập đến những đổi mới lâu dài, hình thành nên một tương lai mới của năng lượng, sạch sẽ và bền vững hơn.

Năng lượng bền vững là gì?

Năng lượng bền vững được hiểu là dạng năng lượng được tiêu thụ với tỷ lệ không đáng kể so với nguồn cung của nó. Đồng thời, ảnh hưởng phụ do nguồn năng lượng này mang lại, đặc biệt là ảnh hưởng xấu đến môi trường và con người, có thể kiểm soát, quản lý được.

Hệ thống năng lượng bền vững phục vụ cho nhu cầu con người ở hiện tại nhưng không ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu của con người trong tương lai. Những năng lượng được coi là bền vững hiện nay đến từ các nguồn: Nước, sóng, thủy triều, gió, mặt trời, địa nhiệt, sinh học,...

Công nghệ góp phần đẩy mạnh ngành năng lượng bền vững, được thiết kế để cải thiện hiệu quả tạo và sử dụng năng lượng, mang lại những bước tiến đáng kể.

Những đổi mới bền vững nào sẽ biến đổi ngành năng lượng?

Với sự phát triển của Trí tuệ nhân tạo (AI - Artificial Intelligence), quá trình chuyển đổi của sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM), tự động hóa (automation) và một số công nghệ khác sẽ hướng tới một tương lai sạch hơn.

Quá trình này có thể dễ dàng hơn nhờ vào nhiều tiến bộ giúp kiểm soát và giám sát cơ sở hạ tầng, cũng như cải thiện môi trường bằng cách thay thế thiết bị cũ bằng các giải pháp mới hơn, tốt hơn.

Tiến bộ khoa học công nghệ cho phép dễ dàng theo dõi, đo lường những chỉ số cần thiết, tạo cơ hội cho cả thế giới xây dựng một môi trường bền vững hơn. Dưới đây là một số xu hướng đang hình thành nên ngành năng lượng bền vững trong tương lai.

1. Tàu chạy bằng năng lượng mặt trời

Thomas A. Edison, một trong những nhà phát minh vĩ đại nhất trong lĩnh vực sản xuất điện, cho biết: “Tôi sẽ đầu tư tiền vào mặt trời và năng lượng mặt trời. Đó là một nguồn sức mạnh! Tôi hy vọng chúng ta không phải đợi đến khi hết dầu và than rồi mới giải quyết vấn đề đó.” Điều này đã phần nào chứng tỏ tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời. 

Mặc dù là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất nhưng năng lượng mặt trời vẫn chưa được tận dụng tối ưu bằng nhiên liệu hóa thạch. 

Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) ước tính 29% điện năng trên thế giới được tạo ra bởi năng lượng tái tạo. Trong khi đó, vượt qua năng lượng sinh học, năng lượng mặt trời là công nghệ điện tái tạo lớn thứ ba sau thủy điện và gió trên bờ.

Nhiều người đồng tình với Edison và cố gắng tìm thêm cách sử dụng nguồn năng lượng này, chẳng hạn như tàu chạy bằng năng lượng mặt trời. Phương thức vận chuyển này có thể chạy cả ngày mà không cần sạc lại.

Ví dụ, tàu Energy Observer khởi hành vào năm 2017 từ Saint-Malo có chiều dài 30m và có chiều ngang 12m, tốc độ tối đa có thể lên đến 14 hải lý/giờ với 200 tấm pin năng lượng mặt trời được trang bị phía trên tàu.

Tàu Energy Observer có khả năng vận hành nhờ năng lượng mặt trời, nước hoặc hoặc căng buồm lên khi cần - Ảnh: Internet

2. Tấm pin mặt trời từ rác thải thực phẩm

Có những cải tiến liên tục trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, bao gồm những tấm pin mặt trời được làm từ rác thải thực phẩm.

Vật liệu mang tính cách mạng này được tạo ra bằng cách sử dụng các hạt phát sáng từ trái cây và rau củ bỏ đi. Nó được thiết kế bởi một sinh viên kỹ thuật, Carvey Ehren R. Maigue. Với ý tưởng của mình, Carvey Ehren đã chiến thắng Giải thưởng James Dyson - Giải thưởng thiết kế quốc tế tôn vinh và truyền cảm hứng cho những thế hệ kỹ sư tiếp theo.

3. Năng lượng gió không cánh

Cùng với sự phát triển của công nghệ mới, ngày càng có nhiều giải pháp tiên tiến hơn cho nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như tua-bin gió.

Mọi người đều biết hoặc ít nhất đã từng nhìn thấy các loại tuabin gió phổ biến có kích thước rất lớn. Nhưng có thể ít ai biết đến và trông thấy thiết kế tuabin gió thế hệ mới, không cần cánh quay.

Vortex Bladeless, một công ty khởi nghiệp ở Tây Ban Nha, đã đưa ra ý tưởng cho thiết kế này. Một thanh đàn hồi cố định tuabin không cánh cao 3 mét theo phương thẳng đứng xuống đất. Nó được chế tạo để lắc lư hoặc dao động trong phạm vi tốc độ gió và sự rung động này sẽ tạo ra năng lượng.

Tua-bin không cánh có thể được sử dụng ở khu vực đô thị hoặc khu dân cư, nơi không có quá nhiều không gian dư thừa. Do đó, không cần lựa chọn những khu vực quá rộng lớn để xây dựng chúng như trang trại gió thông thường.

4. Pin thủy tinh Lithium

Tầm quan trọng của pin trong quá trình chuyển đổi năng lượng tái tạo là rất lớn. Pin Lithium-ion là phát minh của John Goodenough, một giáo sư và nhà vật lý thể rắn người Mỹ.

Goodenough vốn được mệnh danh là “cha đẻ của pin Lithium-ion”. Ông đã đoạt giải Nobel Hóa học cho phát minh này. Không dừng lại ở đó, ông cũng đóng góp nhiều công sức vào việc phát triển loại pin Lithium-thủy tinh (Lithium-glass) có công suất tăng theo tuổi tác và có mật độ năng lượng cao gấp đôi so với pin Lithium-ion.

Những loại pin này có tuổi thọ cao hơn nhiều so với pin thông thường. Chúng cũng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn, sạc nhanh hơn, chi phí thấp hơn, an toàn hơn (không bắt lửa) và có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn theo thời gian.

5. Lốp xe “tự phục hồi”

Goodyear, một trong những công ty lốp xe lớn nhất thế giới hiện nay, đang phát triển một ý tưởng sáng tạo cho xe điện nhằm giảm thời gian thay lốp. Thương hiệu này đã tiết lộ ý tưởng “lốp tự phục hồi mang tính cách mạng, có thể thích ứng và thay đổi để đáp ứng nhu cầu di chuyển của từng cá nhân”.

Hãy tưởng tượng một chiếc lốp có thể tự điều chỉnh phù hợp với hoàn cảnh thời tiết, điều kiện đường sá hoặc cách người lái muốn di chuyển. Cải tiến mới này của Goodyear sử dụng hợp chất hoa lốp (gai lốp) có khả năng phân hủy sinh học, được bổ sung bằng các nang đặc biệt cực bền.

6. Cây năng lượng mặt trời

Thay vì chặt cây để lấy năng lượng, tại sao không trồng thêm? Đó là câu hỏi được đặt ra khi muốn xây dựng một môi trường xanh, bền vững.

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật VTT của Phần Lan đã tạo ra nguyên mẫu cây thu thập năng lượng mặt trời, động năng và nhiệt năng từ môi trường xung quanh, trong nhà hoặc ngoài trời.

Loại cây này có thể lưu trữ năng lượng và chuyển đổi thành điện năng để cung cấp cho thiết bị nhỏ như bóng đèn LED, máy tạo độ ẩm, nhiệt kế và điện thoại di động. Cây thu hoạch năng lượng nhân tạo có thể được nhân rộng vô tận, đặt trong vườn và các khung cảnh tự nhiên khác.

Cây năng lượng mặt trời có thể được trồng trong các khuôn viên có diện tích không quá lớn - Ảnh: Internet

7. Máy bay điện

Một trong những hoạt động thải ra môi trường nhiều carbon nhất của con người là di chuyển bằng đường hàng không.

Cùng với các tấm pin mặt trời từ rác thải thực phẩm đã đề cập phía trên, chất thải “ướt” như thực phẩm thối rữa và nước thải cũng có thể được sử dụng làm năng lượng cho máy bay. Trong tương lai, máy bay có thể sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải, chẳng hạn như gỗ và rác thải sinh hoạt phản ứng với hóa chất xúc tác.

Tác động đến khí hậu của loại nhiên liệu này sẽ ít hơn so với nhiên liệu truyền thống vì nó có nguồn gốc từ thực vật, hấp thụ carbon dioxide trong khí quyển. Theo Tạp chí Popular Mechanics, lượng chất thải ướt hiện nay có thể sử dụng được để thay thế 20% tổng lượng nhiên liệu hàng không, đồng thời loại bỏ chúng khỏi các chu trình chôn lấp, hạn chế thải ra khí mê-tan. 

8. Năng lượng mặt trời 3.0

Chúng ta thường nghe nói về các cuộc cách mạng công nghiệp, như Công nghiệp 5.0, tập trung vào sự hợp tác giữa con người và robot, nhưng bạn bao giờ nghe về năng lượng mặt trời 3.0 - cuộc cách mạng trong ngành năng lượng mặt trời chưa?

Đây là bước đổi mới trong công nghệ năng lượng mặt trời. Có hai loại pin mặt trời chính được sử dụng cho năng lượng mặt trời. Pin mặt trời giúp thu thập các photon từ mặt trời. Chúng gây ra phản ứng điện hóa tạo ra điện.

Một loại pin mặt trời chính khác là pin màng mỏng. Loại pin này sử dụng perovskites, một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể tương tự như khoáng vật oxit titan canxi. 

Perovskites đại diện cho thế hệ năng lượng mặt trời tiếp theo, được gọi là năng lượng mặt trời 3.0. Pin màng mỏng sử dụng perovskites, tạo thành từ các lớp vật liệu quang điện được nhúng trên đế làm bằng thủy tinh, kim loại hoặc nhựa.

Vấn đề điển hình với pin mặt trời là chúng có hiệu suất dưới 30%. Pin mặt trời bán dẫn silicon thường chỉ đạt hiệu suất 20-25%. Trong khi đó, sử dụng perovskites có thể tăng hiệu quả và cung cấp nhiều năng lượng hơn cho điện năng.

9. Ống nano carbon

Sinh viên đến từ Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) đã phát hiện ra một loại vật liệu cải tiến, bao gồm các ống nano carbon, có thể tạo ra điện bằng cách hấp thụ năng lượng từ môi trường xung quanh.

Hạt carbon nhỏ tạo ra dòng điện bằng cách phản ứng với chất lỏng xung quanh chúng. Theo kết quả nghiên cứu, chất lỏng, một dung môi hữu cơ, kéo electron ra khỏi các hạt và tạo ra dòng điện có thể được sử dụng để vận hành robot hoặc tạo ra phản ứng hóa học có kích thước micro hoặc nano.

10. Tòa nhà tự làm mát

Những tòa nhà xanh cho thấy chúng là một phần thiết yếu của thiết kế đô thị, nhằm nỗ lực giảm thiểu biến đổi khí hậu cũng như tiêu thụ ít năng lượng và nước hơn. Vậy còn những tòa nhà không cần điều hòa để hạ nhiệt thì sao? 

Trong tự nhiên, mối tạo ra những gò đất cao chót vót, được thông gió bằng mạng lưới đường hầm phức tạp. Kiến trúc sư người Zimbabwe, Mick Pearce đã sử dụng phương pháp mô phỏng sinh học, tạo ra một hệ thống làm mát tự nhiên nhờ vào thiên nhiên bằng cách mô hình hóa sự sáng tạo của loài mối.

Kết quả cho thấy kiến ​​trúc này tận dụng không khí làm mát vào ban đêm và tận dụng nhiệt vào ban ngày để đạt được 90% khả năng kiểm soát khí hậu thụ động.

Trung tâm Eastgate ở Zimbabwe, tòa nhà tự làm mát đầu tiên trên thế giới, luôn được giữ ở 27 độ C nhờ hệ thống thông khí và làm mát hoàn toàn tự nhiên - Ảnh: Internet

Kết luận

Một số cải tiến bền vững nêu trên có thể biến ngành năng lượng thành ngành công nghiệp xanh vì các vật liệu được sử dụng hợp lý, tạo ra sự cân bằng giữa con người và thiên nhiên. 

Tính bền vững buộc con người phải xem xét những gì chúng ta đang sử dụng, tái sử dụng và tìm ra tiềm năng trong chất thải thực phẩm hoặc tận dụng những yếu tố sẵn có từ thiên nhiên.

Sự phát triển không ngừng của nhiều công nghệ khác nhau hỗ trợ và thúc đẩy nhau. Do đó, số hóa có thể làm cho ngành năng lượng sạch hơn bằng cách giúp con người khám phá thêm những giải pháp bền vững hơn cho ngành năng lượng.

Số hóa đang ngày càng phát triển và dường như là một phần không thể tách rời trong cuộc sống. Với sự hỗ trợ của công nghệ, năng lượng được số hóa và bền vững sẽ tiếp nối ngành công nghiệp năng lượng tương lai.

Nguồn tham khảo:

https://knowhow.distrelec.com/sustainability/top-10-innovative-technologies-in-sustainable-energy-sector/