tiểu luận môn năng lượng môi trương

Đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đậpnước làm quay một tuốc bin nước và máy phát điện.. Nguồn: GE Hydro & FWEE http://www.fwee.org/- Dưới tác dụng

1 TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN

1.1 Thuỷ điện là gì?

Nước luôn luôn di chuyển trong một vòng tuần hoàn toàn cầu Nuớc bốc hơi từsông hồ và biển, tạo thành mây, đất lại thẩm thấu nước mưa hoặc tuyết để trở thànhnước ngầm hoặc rơi về sông hồ, sông hồ lại chảy ra biển Người ta có thể "khai thác"sức mạnh dòng chảy của nước, chuyển động năng và thế năng của dòng chảy thànhđiện năng Dạng chuyển đổi năng lượng này được gọi là thủy điện

Đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đậpnước làm quay một tuốc bin nước và máy phát điện Kiểu ít được biết đến hơn là sửdụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đậpnước như năng lượng thuỷ triều Thuỷ điện là nguồn năng lượng có thể hồi phục Nănglượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độcao giữa nguồn và dòng chảy ra Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với ápsuất Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được

cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock).

Chu kỳ tuần hoàn nước (hydrologic cycle).

Chu kỳ tuần hoàn nước là dòng chuyển động liên tục của nước từ đại dương,song hồ bốc hơi vào không khí hoặc thấm vào đất, rồi từ đó lại quay trở lại sông hồ vàđại dương, tạo thành một chu trình kín Mặt trời hun nóng bề mặt trái đất khiến nướcbốc hơi Hơi nước bốc lên tầng khí quyển, hạ nhiệt và ngưng tụ lại thành giọt lỏng.Các giọt này tụ lại với nhau, phát triển rộng ra cho đến khi trở nên quá nặng và rơi lạixuống mặt đất dưới dạng mưa, tuyết Nước được giữ tạm thời ở các hồ, các tảng băng,dưới lòng đất hoặc ở những sinh vật sống Từ đó, nước có thể di chuyển từ nơi nàysang nơi khác dưới dạng các dòng chảy, suối, song ngòi để trở lại đại dương, hoặcđược hấp thụ bởi cây cối và động vật hoặc bốc hơi trực tiếp trở lại khí quyển Thuỷđiện là dạng khai thác năng lượng của dòng di chuyển của nước từ đất liền trở về đạidương

(Nguồn: USGS).

1.2 Một số đặc điểm của thuỷ điện

Sơ đồ minh hoạ cơ cấu của một cơ sơ thuỷ điện.

(Nguồn: GE Hydro & FWEE http://www.fwee.org/)

- Dưới tác dụng của trọng lực, nước đổ từ trên cao xuống thấp (thế năng) sẽ làmquay các lưỡi turbin

- Các lưỡi turbin này được kết nối với một bộ máy phát điện

- Điện tạo ra từ các turbin quay được đưa qua trạm biến thế và kết nối vào mạngluới phân phối điện

Đường truyền: các đường truyền tải điện về các trạm biến thế (hạ áp) địa phương để

từ đó phân phối điện sinh hoạt đến các hộ gia đình hoặc cơ sơ sản xuất

 Các dạng nhà máy thuỷ điện phổ biến

- Dạng thuỷ điện hồ trữ

a/ Một đập thuỷ điện trên song Columbia, tiểu bang Washington, Hoa Kỳ (trái)

b/ Thuỷ điện chuyển hướng dòng chảy – Đập thuỷ điện Faraday chuyển hướng một phần của song Clackamas (Oregan, Hoa Kỳ) vào kênh dẫn dài gần 1km vào hồ trữ Faraday (phải).

( Nguồn: http://www.portlandgeneral.com/)

- Thuỷ điện dạng bơm

Bồn trũng thượng lưu (trái) và bồn trũng hạ lưu của dự án thuỷ điện trên

sông Our (Luxembourg).

(Nguồn: www.luxembourg.co.uk).

1.3 Tầm quan trọng của thuỷ điện:

Ngày nay thủy điện đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng thứ nhì sau nănglượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên), chiếm gần 1/5 tổng lượng điện năngsản xuất trên toàn cầu Cho đến năm 1999, theo thống kê của cơ quan năng lượng quốc

tế (IAEA), năm nước dẫn đầu về khai thác thủy điện là Hoa Kỳ (11%), Canada (9%),Trung Quốc (9%), Brazil (8%), và Nga (6%) Na Uy sản xuất toàn bộ lượng điện củamình bằng sức nước, trong khi Iceland sản xuất tới 83% nhu cầu của họ(2004), Áo sản xuất 67% số điện quốc gia bằng sức nước (hơn 70% nhu cầu của họ).Canada là nước sản xuất điện từ năng lượng nước lớn nhất thế giới và lượng điện nàychiếm hơn 70% tổng lượng sản xuất của họ

Ngoài một số nước có nhiều tiềm năng thuỷ điện, năng lực nước cũng thườngđược dùng để đáp ứng cho giờ cao điểm bởi vì có thể tích trữ nó vào giờ thấp điểm

(trên thực tế các hồ chứa thuỷ điện bằng bơm – pumped-storage hydroelectric reservoir - thỉnh thoảng được dùng để tích trữ điện được sản xuất bởi các nhà máy

nhiệt điện để dành sử dụng vào giờ cao điểm) Thuỷ điện không phải là một sự lựachọn chủ chốt tại các nước phát triển bởi vì đa số các địa điểm chính tại các nước đó

có tiềm năng khai thác thuỷ điện theo cách đó đã bị khai thác rồi hay không thể khaithác được vì các lý do khác như môi trường

1.4 Ưu nhược điểm của loại năng lượng này

- Các trạm thủy điện nhỏ và cực nhỏ có thể đáp ứng được nhu cầu điện năng tạivùng sâu vùng xa với mức tác động lên môi trường nhỏ nhất.

Về mặt kinh tế xã hội, thủy điện ngày càng phổ biến vì:

- Thủy năng là nguồn năng lượng độc lập, luôn rất dồi dào và đáng tin cậy

- Công nghệ thủy điện đã phát triển ổn định, với mức giá cả phải chăng và lợi tức

đã được xác định rõ (costs and benefits)

- Các nhà máy thủy điện nằm trong số nhà máy năng lượng có hiệu suất cao nhất,với tuổi thọ có thể lên đến hơn 100 năm

- Thủy điện có thể đáp ứng nhanh chóng (hầu như tức thời) với sự thay đổi nhucầu về điện

- Ngoài khả năng sản xuất điện, thủy năng còn có vai trò quan trọng trong việcquản lý nguồn nước, kiểm soát lũ lụt, và các dạng giải trí du lịch (thác nước)

Lợi ích lớn nhất của thuỷ điện là hạn chế được giá thành nhiên liệu Các nhàmáy thuỷ điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khíthiên nhiên hay than đá, và không cần phải nhập nhiên liệu Các nhà máy thuỷ điệncũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số nhà máy thuỷ điện đang hoạtđộng hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước Chi phí nhân công cũngthấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khivận hành thông thường

Các nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng bơm hiện là công cụ đáng chú ý nhất đểtích trữ năng lượng về tính hữu dụng, cho phép phát điện ở mức thấp vào giờ thấpđiểm (điều này xảy ra bởi vì các nhà máy nhiệt điện không thể dừng lại hoàn toàn hàngngày) để tích nước sau đó cho chảy ra để phát điện vào giờ cao điểm hàng ngày Việcvận hành cách nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng bơm cải thiện hệ số tải điện của hệthống phát điện

Những hồ chứa được xây dựng cùng với các nhà máy thuỷ điện thường lànhững địa điểm thư giãn tuyệt vời cho các môn thể thao nước, và trở thành điểm thuhút khách du lịch Các đập đa chức năng được xây dựng để tưới tiêu, kiểm soát lũ, haygiải trí, có thể xây thêm một nhà máy thuỷ điện với giá thành thấp, tạo nguồn thu hữuích trong việc điều hành đập

1.4.2 Nhược điểm:

* Thủy điện chưa hẳn là nguồn năng lượng sạch: Ngày càng có nhiều bằng chứng khoahọc cho thấy các hồ chứa thủy điện, đặc biệt là ở khu vực nhiệt đới, là nguồn phát thảikhí nhà kính đáng kể Các nhà khoa học của Viện nghiên cứu Không gian Quốc giaBrazil đã ước tính rằng các đập lớn của thế giới phát thải 104 triệu m3 tấn khí methanmỗi năm từ mặt hồ chứa, tuốcbin, đập tràn và hạ nguồn đập Từ đó nghiên cứu đã kếtluận rằng, đập thủy điện chịu trách nhiệm khoảng 4% tác động do con người gây ra đốivới biến đổi khí hậu

* Thủy điện không phải nguồn năng lượng rẻ: Sản xuất thủy điện chỉ rẻ khi đập đãđược vận hành vì chi phí xây đập rất cao và thời gian cần thiết để hoàn thành côngtrình rất dài Theo tính toán của Ủy ban Đập Thế giới, trung bình chi phí xây dựng mỗicon đập vượt 56% so với dự toán Đặc biệt, năng suất thiết kế của đập thường cao hơnnăng lượng thực tế mà đập sản xuất được Vì vậy, khi biến đổi khí hậu đang ngày càngkhiến khô hạn tăng về tần suất và mức độ thì thủy điện không thể là nguồn năng lượnggiá rẻ (International Rivers 2008)

* Đập thủy điện không thể kiểm soát lũ hiệu quả: Đập có thể cắt lũ theo quy luậtnhưng thường thất bại trước những cơn lũ lớn, bất thường Khi có lũ lớn, tác độngthường lớn hơn trường hợp không có đập, nhất là khi các nhà vận hành hồ chứa cho xả

lũ bất ngờ khi có lũ vượt quá khả năng chứa của đập hoặc xảy ra sự cố vỡ đập Đặcbiệt, biến đổi khí hậu đang làm tăng tính khắc nghiệt của lũ cùng với các rủi ro lớn hơncho an toàn đập (International Rivers 2008)

* Tính toàn vẹn và đa dạng hệ sinh thái: Các dự án thủy điện sẽ có khả năng gây ngậplụt xung quanh các hồ chứa, chuyển đổi phần lớn diện tích lưu vực hạ lưu sông thành

hồ chứa với khả năng gây ra biến động nhanh và đáng kể mực nước dưới hạ lưu; gây

ra sự suy giảm rất lớn về vận chuyển trầm tích và gây gián đoạn các mùa sinh thá thủyvăn Các dự án dòng chính sẽ dẫn đến những tổn thất vĩnh viễn về đa dạng sinh vậtdưới nước và trên cạn có tầm quan trọng quốc tế Một phần diện tích đất ngập nướcnằm trong dòng chảy của sông khai thác thủy điện sẽ bị mất và một số loài quan trọng

sẽ bị tuyệt chủng

* Xã hội, sinh kế và lối sống: Thủy điện được xây dựng chắc chắn ảnh hưởng bất lợiđến hàng triệu người sống ven sông, với sinh kế dựa vào các nguồn tài nguyên thiênnhiên của sông Sinh kế của hàng triệu người chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp và

gián tiếp Trong số này, một phần sẽ phải chịu tác động trực tiếp từ các dự án thủyđiện vì mất nhà cửa, đất đai và buộc phải tái định cư Một số khác sống trong các vùng

hồ chứa, các địa điểm xây đập và ngay phía hạ lưu của các con đập dòng chính sẽ chịurủi ro lớn nhất

* Xung đột khu vực: Từ các tác động được xác định trên đây, khi đưa vào thi công vàvận hành, các dự án phát triển được đề xuất có khả năng gây ra những tác động xuyênbiên giới và gây căng thẳng quốc tế trong vùng hạ lưu sông diễn ra thủy điện

Trên thực tế, việc sử dụng nước tích trữ thỉnh thoảng khá phức tạp bởi vì yêucầu tưới tiêu có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức cao nhất.Những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức bổ sung nướckhông thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng Nếu yêu cầu về mức nước bổ sung tốithiểu không đủ, có thể gây ra giảm hiệu suất và việc lắp đặt một turbine nhỏ cho dòngchảy đó là không kinh tế

Những nhà môi trường đã bày tỏ lo ngại rằng các dự án nhà máy thuỷ điện lớn

có thể phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái xung quanh Trên thực tế, các nghiên cứu

đã cho thấy rằng các đập nước dọc theo bờ biển Đại Tây Dươngvà Thái BìnhDương của Bắc Mỹ đã làm giảm lượng cá hồi vì chúng ngăn cản đường bơi ngượcdòng của cá hồi để đẻ trứng, thậm chí ngay khi đa số các đập đó đã lắp đặt thang lêncho cá Cá hồi non cũng bị ngăn cản khi chúng bơi ra biển bởi vì chúng phải chui quacác turbine Điều này dẫn tới việc một số vùng phải chuyển cá hồi con xuôi dòng ởmột số khoảng thời gian trong năm Các thiết kế turbine và các nhà máy thuỷ điện cólợi cho sự cân bằng sinh tháivẫn còn đang được nghiên cứu

Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường của dòngsông bên dưới Thứ nhất, nước sau khi ra khỏi turbine thường chứa rất ít cặn lơ lửng,

có thể gây ra tình trạng xói sạch lòng sông và làm sạt lở bờ sông Thứ hai, vì cácturbine thường mở không liên tục, có thể quan sát thấy sự thay đổi nhanh chóng và bấtthường của dòng chảy Tại Grand Canyon, sự biến đổi dòng chảy theo chu kỳ của nó

bị cho là nguyên nhân gây nên tình trạng xói mòn cồn cát ngầm Lượng oxy hoàtan trong nước có thể thay đổi so với trước đó Cuối cùng, nước chảy ra từ turbine lạnhhơn nước trước khi chảy vào đập, điều này có thể làm thay đổi số lượng cân bằng của

hệ động vật, gồm cả việc gây hại tới một số loài Các hồ chứa của các nhà máy thuỷđiện ở các vùng nhiệt đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbondioxide Điều này bởi vì các xác thực vật mới bị lũ quét và các vùng tái bị lũ bị trànngập nước, mục nát trong một môi trường kỵ khí và tạo thành methane, một khígây hiệu ứng nhà kính mạnh Methane bay vào khí quyển khí nước được xả từ đập đểlàm quay turbine Theo bản báo cáo của Uỷ ban Đập nước Thế giới (WCD), ở nơi nàođập nước lớn so với công suất phát điện (ít hơn 100 watt trên mỗi km2 diện tích bềmặt) và không có việc phá rừng trong vùng được tiến hành trước khi thi công đậpnước, khí gas gây hiệu ứng nhà kính phát ra từ đập có thể cao hơn những nhà máynhiệt điện thông thường Ở các hồ chứa phương bắc Canada và Bắc Âu, sự phát sinhkhí nhà kính tiêu biểu chỉ là 2 đến 8% so với bất kỳ một nhà máy nhiệt điện nào.

Một cái hại nữa của các đập thuỷ điện là việc tái định cư dân chúng sống trongvùng hồ chứa Trong nhiều trường hợp không một khoản bồi thường nào có thể bù đắpđược sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hoá gắn liền với địa điểm đó vì chúng có giátrị tinh thần đối với họ Hơn nữa, về mặt lịch sử và văn hoá các địa điểm quan trọng cóthể bị biến mất, như dự án Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập Clyde ở New Zealand vàđập Ilisu ở đông nam Thổ Nhĩ Kỳ

Một số dự án thuỷ điện cũng sử dụng các kênh, thường để đổi hướng dòng sôngtới độ dốc nhỏ hơn nhằm tăng áp suất có được Trong một số trường hợp, toàn bộ dòngsông có thể bị đổi hướng để trơ lại lòng sông cạn Những ví dụ như vậy có thể thấytại Sông Tekapo và Sông Pukaki

Những người tới giải trí tại các hồ chứa nước hay vùng xả nước của nhà máythuỷ điện có nguy cơ gặp nguy hiểm do sự thay đổi mực nước, và cần thận trọng vớihoạt động nhận nước và điều khiển đập tràn của nhà máy

Ví dụ: Việc xây đập tại vị trí địa lý không hợp lý có thể gây ra những thảm hoạ như

vụ Đập Vajont tại Ý, gây ra cái chết của 2001 người năm 1963

1.5 Các nhà máy thuỷ điện lớn trên thế giới:

Tổ hợp La Grande tại Québec, Canada, là hệ thống nhà máy thuỷ điện lớn nhấtthế giới Bốn tổ máy phát điện của tổ hợp này có tổng công suất 16.021 MW Chỉriêng nhà máy Robert Bourassa có công suất 5.616 MW Tổ máy thứ chín (Eastmain-1) hiện đang được xây dựng và sẽ cung cấp thêm 480 MW Một dự án khác trên Sông

Rupert, hiện đang trải qua quá trình đánh giá môi trường, sẽ có thêm hai tổ máy vớitổng công suất 888 MW.

Mọi người cho rằng Nhà máy thuỷ điện cổ nhất Hoa Kỳ nằm tại Claverack Creek, ở

Stottville, NY 11721 Chiếc tuốc bin, do Morgan Smith sản xuất, được hoàn thànhnăm 1869 và lắp đặt 2 năm sau đó Đây là việc lắp đặt một trong những bánh xe nước

sớm nhất trong lịch sử Hoa Kỳ Ngày nay nó thuộc sở hữu của Edison Hydro

1 Itaipú Brasil/Paraguay 1984/1991/2003 14,000MW 93.4 TW-hours

3 Grand Coulee Hoa Kỳ 1942/1980 6,809 MW 22.6 TW-hours

4 Sayano

23.6 hours

7 Yaciretá Argentina/Paraguay 1998 4,050 MW 19.1 TW-hours

8 Iron Gates Romania/Serbia 1970 2,280 MW 11.3

TW-hours

Các nhà máy trên được xếp hạng theo công suất tối đa

Biểu đồ sản lượng tiềm năng tại các châu lục trên thế giới

(Nguồn: WEC, 1999).

1.6 Các nước có công suất thuỷ điện lớn trên thế giới

STT Quốc gia Công suất (GWh) Đã lắp đặt (MW)

Đây là những số liệu của năm 1999 và gồm cả những nhà máy thuỷ điện tích năng

2 VẤN ĐỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN

2.1 Trên thế giới:

Trên toàn bề mặt Trái Đất, tổng lượng nước hấp thụ bằng lượng nước quay trở lạikhí quyển thông qua quá trình bốc hơi Trên đất liền, lượng hấp thu vượt quá lượng

nước bốc hơi Tuy nhiên sự chênh lệch này được bù trừ bởi lượng nước sông (và nướcngầm) đổ lại ra biển Ngoài đại dương, quá trình ngược lại diễn ra Tiềm năng thủyđiện được đánh giá dựa theo khối lượng và độ dài quãng đường chảy của nước sông(nước ngầm) ra biển

Tuy nhiên, một điểm cần chú ý là các quá trình hấp thu, bốc hơi và nước sông đổ

ra biển (runoff) không được phân bố đồng đều trên các lục địa khác nhau Ví dụ nhưgiá trị trung bình của độ hấp thu, bốc hơi và nước sông đổ ra biển tại Nam Mỹ lớn gấphai lần các lục địa còn lại, hoặc Châu Á là lục địa có các tổng lượng nước sông đổ rabiển lớn nhất

Tiềm năng năng lượng thủy điện được đánh giá dựa vào khối lượng nước sông đổ

ra biển, khoảng cách và độ cao trước khi chúng đổ ra biển Chính do tổng lượng nướcsông đổ ra biển không được phân bố đồng đều trên các lục địa, việc tính toán giá trị lýthuyết tiềm năng thủy điện dựa vào giá trị trung bình của độ cao địa hình dẫn đến sai

số lớn Sự dao động theo mùa của lượng nước sông đổ ra biển cũng tác động đến tiềmnăng lý thuyết

Giá trị ước tính tiềm năng trên thế giới dao động trong khoảng 36.000-44.000TWh Tuy nhiên giá trị này lớn hơn rất nhiều so với khả năng khai thác lý thuyết theocác tính toán kỹ thuật, và giá trị thật sự của tiềm năng còn nhỏ hơn nhiều lần Sự bất

ổn về tiềm năng kinh tế tăng lên cao khi tính đến các yếu tố như hạn chế về địa chất vàcác yếu tố về môi trường và môi sinh

Do đó, tuy rằng với nguyên lý kỹ thuật tương đối đơn giản, thủy điện đôi lúc làmột nguồn tài nguyên tương đối rất khó tiên đoán Việc đánh giá tiềm năng thủy điệnngày càng đòi hỏi yêu cầu một loạt các khảo sát chi tiết Đây là một vấn đề mà cácnước đang phát triển cần chú trọng hơn khi đánh giá phân tích trong kế hoạch từ ngắnhạn đến dài hạn

Theo thống kê của World Energy Council (WEC) vào năm 2001, thủy điện cungcấp 19% (~2.650 TWh/năm) sản lượng điện toàn cầu Theo tính toán của WEC và các

dữ liệu khác, tiềm năng thủy điện có tính khả thi kỹ thuật đạt đến 14.400 TWh/năm,trong đó 8.000 TWh/năm được xem là hoàn toàn có khả năng khai triển mang lại lợitức kinh tế Cũng theo số liệu năm 2001 thì tổng công suất lắp đặt thủy điện toàn cầu

là 692 GW và các dự án đang khai triển đạt công suất lắp đặt 100 GW Vậy là so với