Tương lai của năng lượng tái tạo

Mặt trời

Việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện xảy ra theo hai cách—quang điện mặt trời (PV) hoặc năng lượng nhiệt mặt trời tập trung (CSP). Phương pháp phổ biến nhất, quang điện mặt trời, thu thập ánh sáng mặt trời bằng các tấm pin mặt trời, chuyển đổi nó thành năng lượng điện và lưu trữ trong pin để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.

Do giá nguyên liệu giảm và những tiến bộ trong quy trình lắp đặt, chi phí năng lượng mặt trời đã giảm gần 90% trong thập kỷ qua, khiến nó trở nên dễ tiếp cận và tiết kiệm chi phí hơn.1 Thúc đẩy điều này hơn nữa là thế hệ công nghệ quang điện mặt trời tiếp theo đang sản xuất nhẹ hơn và các tấm pin mặt trời linh hoạt, mạnh mẽ và hiệu quả hơn có thể tạo ra điện ngay cả trong thời gian ít ánh sáng mặt trời.

Việc sản xuất năng lượng mặt trời phụ thuộc vào hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) để phân phối nhất quán—vì vậy, khi công suất phát điện tăng lên, hệ thống lưu trữ phải theo kịp. Ví dụ, công nghệ pin dòng đang được cải tiến để hỗ trợ lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện. Là một dạng ESS chi phí thấp, đáng tin cậy và có thể mở rộng, pin dòng có thể chứa hàng trăm megawatt giờ điện trong một lần sạc. Điều này cho phép các công ty điện lực lưu trữ năng lượng lâu dài trong thời gian sản xuất thấp hoặc không sản xuất, giúp quản lý phụ tải và tạo ra lưới điện ổn định và linh hoạt.

Việc mở rộng khả năng của ESS ngày càng trở nên quan trọng đối vớikhử cacbonnhững nỗ lực và tương lai năng lượng sạch khi công suất năng lượng tái tạo mở rộng. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), chỉ riêng năm 2023, năng lượng tái tạo đã tăng công suất toàn cầu lên 50%, trong đó năng lượng mặt trời chiếm 3/4 công suất đó. Và trong giai đoạn từ 2023 đến 2028, công suất điện tái tạo dự kiến ​​sẽ tăng thêm 7.300 gigawatt với việc sử dụng năng lượng mặt trời và gió trên bờ dự kiến ​​sẽ tăng ít nhất gấp đôi so với mức hiện tại ở Ấn Độ, Brazil, Châu Âu và Mỹ cho đến năm 2028.2

Gió

Con người đã sử dụng năng lượng gió để tạo ra năng lượng cơ và điện trong nhiều thế hệ. Là nguồn năng lượng sạch, bền vững và tiết kiệm chi phí, năng lượng gió mang lại tiềm năng to lớn để tăng cường chuyển đổi năng lượng tái tạo trên toàn cầu với tác động tối thiểu đến hệ sinh thái. Dựa trên dự báo của IEA, sản lượng điện gió dự kiến ​​sẽ tăng hơn gấp đôi lên 350 gigawatt (GW) vào năm 20283 với thị trường năng lượng tái tạo của Trung Quốc tăng 66% chỉ trong năm 2023.4

Tua bin gió đã phát triển từ quy mô nhỏ, chẳng hạn như cối xay gió sử dụng trong gia đình, sang quy mô tiện ích cho các trang trại gió. Nhưng một số phát triển thú vị nhất trong công nghệ gió là sản xuất điện gió ngoài khơi, với nhiều dự án gió ngoài khơi hướng tới vùng nước sâu hơn. Các trang trại gió quy mô lớn đang được phát triển để khai thác sức gió mạnh hơn ngoài khơi nhằm tăng gấp đôi công suất điện gió ngoài khơi. Vào tháng 9 năm 2022, Nhà Trắng công bố kế hoạch triển khai 30 GW năng lượng gió ngoài khơi vào năm 2030. Sáng kiến ​​này nhằm cung cấp năng lượng sạch cho thêm 10 triệu ngôi nhà, giúp giảm chi phí năng lượng, hỗ trợ việc làm năng lượng sạch và giảm hơn nữa sự phụ thuộc của đất nước về nhiên liệu hóa thạch.5

Khi ngày càng có nhiều năng lượng sạch được tích hợp vào lưới điện, việc dự báo sản xuất năng lượng tái tạo trở nên quan trọng để quản lý nguồn cung cấp điện ổn định và linh hoạt.Dự báo năng lượng tái tạolà một giải pháp được xây dựng trênAI, cảm biến,học máy,dữ liệu không gian địa lý, phân tích nâng cao, dữ liệu thời tiết tốt nhất và hơn thế nữa để tạo ra dự báo chính xác, nhất quán cho các nguồn năng lượng tái tạo có thể thay đổi như gió. Dự báo chính xác hơn giúp các nhà khai thác tích hợp nhiều công nghệ năng lượng tái tạo hơn vào lưới điện. Họ cải thiện hiệu quả và độ tin cậy của nó bằng cách dự đoán tốt hơn thời điểm tăng hoặc giảm sản lượng, giảm chi phí vận hành. Ví dụ, Năng lượng Omegatăng cường sử dụng năng lượng tái tạo bằng cách cải thiện độ chính xác dự báo—15% cho gió và 30% cho năng lượng mặt trời. Những cải tiến này đã giúp tăng hiệu quả bảo trì và giảm thiểu chi phí vận hành.

Thủy điện

Hệ thống năng lượng thủy điện sử dụng chuyển động của nước bao gồm dòng chảy sông suối, năng lượng biển và thủy triều, hồ chứa và đập để quay tua-bin tạo ra điện. Theo IEA, thủy điện sẽ vẫn là nhà cung cấp năng lượng sạch lớn nhất cho đến năm 2030 với những công nghệ mới thú vị sắp ra mắt.6

Ví dụ, thủy điện quy mô nhỏ sử dụng lưới điện mini và lưới điện siêu nhỏ để cung cấp năng lượng tái tạo cho các khu vực nông thôn và khu vực nơi cơ sở hạ tầng lớn hơn (như đập) có thể không khả thi. Sử dụng máy bơm, tua-bin hoặc guồng nước để chuyển đổi dòng chảy tự nhiên của sông suối nhỏ thành điện năng, thủy điện quy mô nhỏ cung cấp nguồn năng lượng bền vững với tác động tối thiểu đến hệ sinh thái địa phương. Trong nhiều trường hợp, cộng đồng có thể kết nối vào lưới điện tập trung và bán lại lượng điện năng dư thừa được sản xuất.

Vào năm 2021, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) đã đặt ba tuabin làm bằng vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo mới ít bị ăn mòn và dễ tái chế hơn vật liệu truyền thống vào Sông Đông của Thành phố New York. Các tua-bin mới tạo ra cùng một lượng năng lượng trong cùng khoảng thời gian như các tua-bin tiền nhiệm nhưng không có hư hỏng cấu trúc rõ rệt.7 Thử nghiệm trong điều kiện khắc nghiệt vẫn cần thiết, nhưng vật liệu tái chế, chi phí thấp này có tiềm năng cách mạng hóa thị trường thủy điện nếu được chấp nhận để sử dụng rộng rãi.

Địa nhiệt

Các nhà máy điện địa nhiệt (quy mô lớn) và máy bơm nhiệt địa nhiệt (GHP) (quy mô nhỏ) chuyển đổi nhiệt từ bên trong Trái đất thành điện năng bằng hơi nước hoặc hydrocarbon. Năng lượng địa nhiệt từng phụ thuộc vào vị trí — đòi hỏi phải tiếp cận các hồ chứa địa nhiệt nằm sâu dưới lớp vỏ Trái đất. Nghiên cứu mới nhất đang giúp làm cho địa nhiệt trở nên bất khả tri hơn về vị trí.

Các hệ thống địa nhiệt nâng cao (EGS) mang lượng nước cần thiết từ bên dưới bề mặt Trái đất đến những nơi không có, cho phép sản xuất năng lượng địa nhiệt ở những nơi trên toàn cầu mà trước đây không thể thực hiện được. Và khi công nghệ ESG phát triển, việc khai thác nguồn nhiệt vô tận của Trái đất có khả năng cung cấp lượng năng lượng sạch, chi phí thấp vô hạn cho tất cả mọi người.

Sinh khối

Năng lượng sinh học được tạo ra từ sinh khối bao gồm các vật liệu hữu cơ như thực vật và tảo. Mặc dù sinh khối thường bị tranh cãi là thực sự có thể tái tạo được nhưng năng lượng sinh học ngày nay là nguồn năng lượng gần như không phát thải.

Sự phát triển về nhiên liệu sinh học bao gồm dầu diesel sinh học và ethanol sinh học đặc biệt thú vị. Các nhà nghiên cứu ở Úc đang khám phá việc chuyển đổi vật liệu hữu cơ thành nhiên liệu hàng không bền vững (SAF). Điều này có thể giúp giảm lượng khí thải carbon từ nhiên liệu máy bay lên tới 80%.8 Tại Hoa Kỳ, Văn phòng Công nghệ Năng lượng Sinh học (BETO) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đang phát triển công nghệ giúp giảm chi phí và tác động môi trường của việc sản xuất năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học đồng thời cải thiện chất lượng.9

Công nghệ hỗ trợ tương lai của năng lượng tái tạo

Nền kinh tế năng lượng sạch dựa vào các nguồn năng lượng tái tạo dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và khi ngày càng có nhiều nguồn năng lượng được đưa vào lưới điện, công nghệ giúp quản lý những rủi ro đó là rất quan trọng. Trí tuệ Môi trường của IBM có thể giúp các tổ chức tăng cường khả năng phục hồi và tính bền vững bằng cách dự đoán những gián đoạn tiềm ẩn và chủ động giảm thiểu rủi ro trong toàn bộ hoạt động và chuỗi cung ứng mở rộng.

1 Nhiên liệu hóa thạch 'trở nên lỗi thời' khi giá tấm pin mặt trời giảm mạnh(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), The Independent, ngày 27 tháng 9 năm 2023.

2 Việc mở rộng quy mô lớn năng lượng tái tạo mở ra cơ hội đạt được mục tiêu tăng gấp ba lần toàn cầu đặt ra tại COP28(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Cơ quan Năng lượng Quốc tế, ngày 11 tháng 1 năm 2024.

3Gió(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Cơ quan Năng lượng Quốc tế, ngày 11 tháng 7 năm 2023.

4Năng lượng tái tạo—Điện(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Cơ quan Năng lượng Quốc tế, tháng 1 năm 2024.

5Những hành động mới để mở rộng năng lượng gió ngoài khơi của Hoa Kỳ(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Nhà Trắng, ngày 15 tháng 9 năm 2022.

6Thủy điện(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Cơ quan Năng lượng Quốc tế, ngày 11 tháng 7 năm 2023.

710 thành tựu đáng kể về điện nước từ năm 2021(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, ngày 18 tháng 1 năm 2022.

8 Để tạo sức mạnh cho một tương lai được xây dựng cho cuộc sống(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Jet Zero Australia, truy cập ngày 11 tháng 1 năm 2024.

9Tài nguyên carbon tái tạo(liên kết nằm bên ngoài ibm.com), Văn phòng Tiết kiệm Năng lượng và Năng lượng Tái tạo, truy cập ngày 28 tháng 12 năm 2023.