Sự thực đằng sau chuyện “trả tiền để dân tiêu thụ điện”

Thỉnh thoảng, chúng ta lại nhìn thấy những mẩu tin về "giá điện âm", một tác dụng phụ đặc biệt của những nỗ lực có quy mô toàn cầu nằm tạo ra nguồn năng lượng sạch.

Lượng năng lượng được tạo ra tại các trang trại năng lượng mặt trời và bởi những tua-bin gió thay đổi dựa trên sự biến động của thời tiết. Những lưới điện chúng ta đã xây dựng chỉ có thể xử lý những mức năng lượng được dự đoán tại một địa điểm cho trước. Trong một vài trường hợp, khi có nhiều ánh sáng hoặc nhiều gió, những nguồn năng lượng tái tạo này sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn so với khả năng xử lý của lưới điện. Khi đó, nhà sản xuất sẽ phải trả tiền cho người dùng để họ tiêu thụ hết lượng điện dư thừa đó, nếu không lưới điện sẽ bị quá tải.

Khi ngày càng nhiều các cơ sở năng lượng tái tạo được xây dựng nhằm đạt được mục tiêu cắt giảm khí thải của thỏa thuận khí hậu Paris, những tình huống này sẽ xảy ra thường xuyên hơn. Nhiều công ty startup đã sớm nhìn thấy tương lai này đang đến rất gần. Họ tìm cách để kiếm tiền từ tình trạng dư thừa năng lượng sạch chắc chắn sẽ xảy ra.

Một ngày tháng 4 mát mẻ, phóng viên đã có buổi gặp gỡ với một trong những startup này, Electrochaea, tại một nhà máy xử lý nước thải ở Copenhagen, Đan Mạch. Electrochaea thu lượng CO2 thải ra trong quá trình làm sạch nước thải và chuyển hóa thành khí tự nhiên. Chỉ riêng việc này đã đủ ấn tượng; nếu muốn ngăn chặn quá trình ấm lên toàn cầu, chúng ta cần làm mọi việc có thể để ngăn khí CO2 đi vào khí quyển. Thế nhưng, Electrochaea còn tìm ra cách để cung cấp năng lượng cho cả công ty từ nguồn điện sạch dư thừa được tạo ra vào những ngày đặc biệt nhiều nắng gió, nếu không lượng điện này cũng sẽ bị để phí vì không có cách nào để dự trữ.

Nói cách khác, nếu quy mô được mở rộng, quy trình của Electrochaea có thể chính là câu trả lời cho một trong những vấn đề lớn nhất của thế kỷ 21: dự trữ năng lượng, trong khi vẫn góp phần vào cuộc chiến cắt giảm khí thải.

Nhà máy thử nghiệm của Electrochaea tại Copenhagen, ngay phía sau là nhà máy xử lý nước thải Biofos.

Vấn đề của những viên pin

Vấn đề lớn nhất của năng lượng gió và mặt trời là tính chất không ổn định. Có thể hôm nay gió rất mạnh, nhưng hôm sau lại lặng gió; hoặc thứ Hai thì nắng nóng nhưng đến thứ Ba trời lại âm u suốt cả ngày. Một số người cho rằng vấn đề này cũng dễ giải quyết, đó là dùng pin dự trữ năng lượng dư thừa để dùng khi cần đến sau này. Những người ủng hộ phương án này còn lập luận rằng, dù hiện tại số tiền bỏ ra cho một tấm pin đủ lớn để dự trữ năng lượng cho một gia đình nhỏ là khá nhiều, nhưng mức giá đó đang trên đà giảm và sẽ còn giảm nữa.

Trừ khi việc đó không đơn giản như vậy. Những loại pin hiện có trên thị trường cho những ứng dụng này chủ yếu là các tấm pin lithium-ion cỡ lớn. Loại pin này chỉ có thể lưu trữ năng lượng trong một thời gian nhất định, tối đa là vài tuần. Ngay khi nguồn sạc bị ngắt, năng lượng dự trữ bắt đầu bị thải dần.

Sẽ không có vấn đề nếu số pin đó được dùng cho những công việc đều đặn mỗi ngày. Rắc rối là ở chỗ, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người lại luôn thay đổi tùy thuộc vào từng mùa, khi thì phải huy động tối đa nguồn năng lượng hiện có, khi lại dùng hết rất ít. Nhu cầu năng lượng của thành phố Mumbai đạt đỉnh vào những ngày nắng nóng nhất của mùa hè, khi người dân ở đó phải bật điều hòa để có thể ‘tồn tại'. Trong khi đó, cao điểm nhu cầu năng lượng của London lại rơi vào những ngày lạnh nhất của mùa đông, khi người ta phải đốt khí tự nhiên để sưởi ấm nhà cửa và văn phòng làm việc.

Đỉnh nhu cầu năng lượng, dù là để sưởi ấm hay làm mát, đều gấp 20 lần số năng lượng được tiêu thụ bình quân trong một ngày. Ngày nay, chúng ta xúc nhiều than hơn hoặc bơm nhiều khí tự nhiên hơn vào các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch vào những ngày cao điểm này. Ở một số vùng, như thành phố Bridgeport bang Connecticut, những nhà máy nhiên liệu hóa thạch, thường là than, đóng cửa gần như suốt cả năm và chỉ hoạt động vào những ngày khi nhu cầu năng lượng lên đỉnh điểm. Rõ ràng, hình thức này sẽ không phù hợp với tương lai của năng lượng tái tạo.

Có hai cách để giải quyết vấn đề tích trữ năng lượng theo mùa, và cả hai đều cần đến một lượng đầu tư khủng về cơ sở hạ tầng: Cách thứ nhất, xây thật nhiều cánh đồng năng lượng mặt trời, hoặc thật nhiều tua-bin gió, để sản xuất được một lượng năng lượng cao gấp 20 lần nhu cầu sử dụng trung bình một ngày. Kết quả là: chúng ta sẽ có rất nhiều năng lượng dư thừa trong những ngày nhu cầu sử dụng không cao, nhưng ít nhất là có thể đáp ứng đủ nhu cầu cho những ngày cao điểm. Lựa chọn thứ hai là chuẩn bị thật nhiều pin để tích trữ đủ lượng điện, để dù không còn nguồn sạc vẫn có thể cung cấp cho lưới điện suốt những ngày cao điểm.

Ngay cả khi cả năng lượng tái tạo và phương tiện lưu trữ năng lượng có giá cả hợp lý để triển khai hai kế hoạch trên – dù hiện tại là chưa – thì vẫn còn một rào cản kinh tế không thể vượt qua: Hầu hết thời gian, những nhà máy năng lượng khổng lồ hay những khối pin khổng lồ này sẽ nằm im vô dụng, bởi vì nhu cầu cao điểm chỉ xảy ra vài lần mỗi năm. Không một chính phủ nào sẵn sàng tiêu tốn tiền bạc để xây dựng những thứ ít giá trị sử dụng như vậy.

Tích trữ bằng một cách khác

Ngoài pin, còn có những cách máy móc khác để tích trữ năng lượng. Bơm nước vào những hồ cao. Nén không khí bằng năng lượng dư thừa. Hay lưu trữ năng lượng dưới hình thức một chiếc đĩa xoay tròn ở tốc độ cao. Tuy nhiên, cũng giống như những khối pin, không cách nào trong số này có thể giúp tích trữ năng lượng theo mùa một cách hiệu quả.

Vẫn còn một lựa chọn cho vấn đề về sự khác biệt theo mùa, đó là trữ nhiệt năng dưới lòng đất. Hệ thống này hoạt động dựa trên một nguyên lý khá đơn giản: bất kể nhiệt độ trên mặt đất đang là bao nhiêu, ở độ sâu khoảng 15m, nhiệt độ ở hầu như tất cả mọi nơi trên Trái đất là như nhau, khoảng 10°C. Lớp đất của Trái đất có vai trò như một lớp cách nhiệt tự nhiên, và theo lý thuyết chúng ta có thể sử dụng lớp cách nhiệt đó để trữ năng lượng.

Đã có những dự án thử nghiệm thành công, khẳng định chúng ta có thể sử dụng lượng điện năng dư thừa từ những tấm pin năng lượng mặt trời để làm nóng sỏi, các vật liệu tải nhiệt, hoặc những khối nước đựng trong các bể chứa được đặt sâu trong lòng đất. Với lớp cách nhiệt đủ dày, nhiệt năng có thể được trữ trong nhiều tháng, cho đến khi những hộ gia đình gần đó cần đến, nguồn năng lượng này sẽ được cung cấp thông qua các ống và máy bơm nhiệt. (Chúng có thể được chuyển hóa để vận hành các máy điều hòa không khí, khi nhu cầu của người dùng là làm mát chứ không phải là sưởi ấm).

Có hai vấn đề khi mở rộng quy mô của hình thức này: Thứ nhất, việc xây dựng khá đắt đỏ. Ngay cả khi chi phí xây dựng và quản lý giảm xuống, nếu cách thành phố chưa có kế hoạch cho những hồ chứa trong lòng đất, thì việc tìm ra và đảm bảo an ninh cho khu vực này cũng rất tốn kém. Thứ hai, giải pháp này có thể chỉ phù hợp ở quy mô từng địa phương, bởi vì quá trình vận chuyển nhiệt thường có thất thoát. Do đó, càng đi xa khỏi địa điểm tích trữ, sẽ có càng nhiều thất thoát nhiệt năng để bạn phải xử lý.

Electrochaea mang đến một giải pháp khác, nơi năng lượng tái tạo có thể được trữ vô thời hạn và được truyền đi mà không hề bị thất thoát.

‘Vật liệu' màu xanh

Nếu bạn không thấy khó chịu vì ‘mùi hương' ở đây, thì những nhà máy xử lý nước thải thật hấp dẫn. Nhà máy tại Copenhagen tiếp nhận tất cả nước thải ra từ các toilet, phòng tắm, chậu rửa bát, từ đó tạo ra H2O sạch gần đến mức có thể uống ngay – chỉ cần thêm một bước nhỏ nữa, quản lý nhà máy đã chia sẻ như vậy. Nhưng bởi vì thành phố không thiếu nước, nên nhà máy sẽ bơm lượng nước sạch đó ra Biển Bắc.

Trước đó, nước thải đi qua hàng tá các bước xử lý khác nhau, trong đó có một công đoạn khi các chất hữu cơ lắng xuống đáy những thùng chứa lớn và mở. Lượng bùn giàu phân tử carbon này sau đó sẽ được chuyển vào một lò phản ứng sinh học đóng kín, nơi đây các vi khuẩn được thêm vào. Nếu quá trình này được thực hiện ngay tại các thùng chứa mở, khi đó vi khuẩn sẽ từ từ phân hủy các chất hữu cơ, sinh ra CO2. Tuy nhiên, bên trong lò phản ứng sinh học, nơi không có oxy, những loại vi khuẩn khác sẽ chiếm ưu thế hoạt động. Quá trình này giúp tạo ra methane, thành phần chính của khí tự nhiên.

Cơ sở này sau đó lấy lượng khí methane (và số bùn không thể bị phân hủy) và đốt trong một nhà máy điện sinh khối. "Chúng tôi tạo ra nhiều năng lượng hơn so với nhu cầu sử dụng cho việc làm sạch nước thải", Dines Thornberg, một quản lý tại Biofos, công ty vận hành nhà máy, cho biết.

Cổ khuẩn được nuôi cấy đặc biệt (Ảnh: Electrochaea)

Điều đó có thể đúng. Tuy nhiên, quá trình xử lý thực sự vẫn gây ô nhiễm, bởi hiện tượng thoái biến cấu trúc hóa học vẫn xảy ra và sản sinh ra khí CO2. Để giúp Đan Mạch đạt được những cam kết của quốc gia này đối với thỏa thuận khí hậu Paris, Biofos muốn cắt bỏ hoàn toàn lượng carbon mình tạo ra. Đó là lí do công ty đã đồng ý dành một phần không gian quý giá để Electrochaea xây dựng một nhà máy hóa học ở quy mô thử nghiệm. Nhà máy này có sứ mệnh hoàn thành nhiệm vụ mà những vi khuẩn của Biofos chưa thể làm, đó là chuyển hóa CO2 trong các lò phản ứng sinh học thành methane. Để làm được điều này, Electrochaea đã ‘nhờ cậy' đến cổ khuẩn.

Cổ khuẩn là dòng lâu đời nhất trong ba dạng sống vi khuẩn, ngoài ra còn có vi khuẩn và sinh vật nhân thực (bao gồm tất cả những sinh vật tiến hóa, gồm cả con người). Trong số những kỹ năng sinh tồn cổ đại của chúng, có một kỹ năng mà loài người chúng ta có thể tận dụng: đó là khả năng hấp thu CO2 một cách tự nhiên, và chuyển hóa thành methane.

Hầu hết các nhà khoa học đều tin rằng cuộc sống trên Trái đất được hình thành trong các khoang thủy nhiệt, được tạo ra bởi những ngọn núi lửa dưới nước. Nhiệt độ ở đây có thể lên đến 400°C, cao hơn nhiệt độ sôi của nước rất nhiều. Tuy nhiên, nước trong các khoang này không sôi và lượng khí ga được tạo ra ở đây – bao gồm carbon dioxide và hydrogen – không phát nổ nhờ vào áp lực khổng lồ của khối nước biển sâu hàng km phía trên. Một vài cổ khuẩn sống ở đây đã học cách để sử dụng CO2 như là thức ăn, kết hợp carbon từ CO2 với H2 để tạo ra methane (CH4). Con người lại làm ngược lại, tiêu thụ những thức ăn giàu carbon rồi kết hợp với Oxy và sản sinh ra CO2.

Nhà máy thử nghiệm của Electrochaea được xây dựng trên diện tích khoảng bằng một sân tennis. Cũng giống một nhà máy hóa học thông thường, nơi đây gồm hỗn hợp của những ống thép không gỉ, những cảm biến và van điều khiển. Tất cả các đường ống đều dẫn đến một lò phản ứng sinh học hình trụ cao khoảng 10m, có nhiệt độ 60°C và áp suất cao gấp 8 lần áp suất khí quyển. Từ một cửa sổ bằng kính nhỏ ở chân lò phản ứng, phóng viên có thể nhìn thấy những dải bong bóng màu sinh tố bơ. Đó chính là những cổ khuẩn độc quyền của Electrochaea, được nuôi cấy đặc biệt để kết hợp carbon dioxide và hydrogen nhằm tạo ra methane.

Lò phản ứng quy mô thử nghiệm của Electrochaea với những cổ khuẩn đang thực hiện nhiệm vụ tạo ra methane.

Các khí được bơm vào lò phản ứng từ hai nguồn. Nhà máy xử lý nước thải cung cấp một hỗn hợp gồm carbon dioxide và methane. Trong khi đó, hai máy điện phân cỡ xe container sử dụng năng lượng tái tạo để tách nước thành hydrogen và oxygen. Oxy sau đó được thả vào không khí, còn hydrogen được bơm vào lò phản ứng sinh học của Electrochaea.

Việc sử dụng vi khuẩn hiệu quả đến mức ngay khi hỗn hợp các khí đi từ đáy đến đỉnh lò, 99% các phân tử carbon dioxide và hydrogen đã kịp được chuyển hóa thành methane, nước và nhiệt. Lượng nhiệt đó rất hữu ích: giúp giữ cho nhiệt độ bên trong lò phản ứng luôn ổn định. Trong khi đó, khi những cổ khuẩn tiêu thụ CO2 và H2, chúng sẽ sinh sôi. Lượng cổ khuẩn dư thừa sẽ được thải ra ngoài nhờ lượng nước được tạo ra trong chính quá trình này.

Sản phẩm quý giá của phản ứng trên chính là methane. Thực tế, nó thậm chí còn quý hơn methane đặc trưng. Đó chính là "methane tái tạo" hay còn gọi là "methane sinh học" được tạo ra từ những nguồn nhiên liệu phi hóa thạch và không dùng đến chút năng lượng được tạo ra từ các nhiên liệu hóa thạch nào. Lượng methane này có thể được dùng để chạy các nồi hơi trong các hộ gia đình, cung cấp năng lượng cho các nhà máy, và thậm chí là cho xe ô tô hoặc xe bus. Nhiên liệu này sạch hơn than và dầu, tạo ra ít khí thải nhất. Việc dự trữ khí methane cũng rất dễ dàng. Thực ra, trên khắp Châu Âu, ở nhiều nơi đã có sẵn những bể chứa ngầm có kích thước lớn, được kết nối với nhau bằng những đường ống có thể vận chuyển khí gas một cách an toàn.

Khi hệ thống hoạt động hết công suất, các cổ khuẩn giúp tạo ra khoảng hơn 50 mét khối khí tự nhiên mỗi giờ. Cứ mỗi đơn vị năng lượng điện được sử dụng cho hệ thống, sẽ có khoảng 0,75 đơn vị năng lượng được tích trữ dưới dạng methane, theo Doris Hafenbradl, nhà khoa học chính của Electrochaea. Tỉ suất này không cao bằng con số gần 100% của pin lithium-ion. Tuy nhiên, không giống năng lượng được trữ trong pin, một khi methane được tạo ra nó có thể được trữ vô thời hạn vì sẽ không có quá trình thoái hóa tự nhiên nào xảy ra. Nếu được mở rộng quy mô, quy trình này có thể giúp giải quyết vấn đề tích trữ theo mùa của năng lượng tái tạo.

Nhà máy của Electrochaea không nhất thiết phải được đặt gần các trang trại năng lượng mặt trời hay các tua-bin gió, bởi vì năng lượng dư thừa được tạo ra có thể được lấy ở bất kỳ đâu từ lưới điện. Điểm hạn chế về vị trí đối với nhà máy này là nguồn CO2. Những nhà máy xử lý nước thải là một điểm đến phù hợp, và những nơi sản xuất ethanol (như nhà máy rượu bia) cũng vậy. Khí thải từ các nhà máy năng lượng cũng có thể dùng được, nhưng cần phải làm sạch sulfur và các chất cặn bã bởi những thứ này có thể gây hại cho cổ khuẩn.

Giải quyết vấn đề ở quy mô lớn

Nhà máy ở Copenhagen là một trong ba dự án mà Electrochaea đã triển khai thành công công nghệ của mình. Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ cũng có một công trình tại Boulder, Colorado. Cuối cùng là một dự án được tài trợ bởi Ủy ban châu Âu tại Solothurn, Thụy Sĩ. Sau cùng, mô hình kinh doanh cốt lõi của Electrochaea là cấp phép sử dụng công nghệ của mình. Hiện tại, Electrochaea đang mời chào một công ty năng lượng của Hungary khi công ty này muốn xây dựng một nhà máy có quy mô lớn gấp 10 lần nhà máy ở Copenhagen. Hãng xe Audi cũng bày tỏ sự quan tâm đến công nghệ của Electrochaea, xem đây là một cách để sử dụng methane sinh học trên những chiếc xe chạy bằng khí ga tự nhiên của mình.

Electrochaea là một thành viên đang trên đà phát triển của ngành công nghiệp chuyển đổi "năng lượng-thành-khí". Công ty năng lượng ITM và Hydrogenics tạo ra các máy điện phân để chuyển hóa năng lượng tái tạo dư thừa thành hydrogen có thể tích trữ. Tuy nhiên, hydrogen không được sử dụng rộng rãi như khí tự nhiên. Đó là lí do vì sao các công ty như Electrochaea, MicrobEnergy, và ETOGas đang đánh cược vào việc bước thêm một bước là chuyển hóa hydrogen thành methane. MicrobEnergy sử dụng vi khuẩn cho quá trình chuyển đổi này, cũng giống Electrochaea. ETOGas, một startup có sự hỗ trợ từ Hitachi, lại dùng chất xúc tác kim loại.

Bằng cách đó, những công ty này còn có thể có thêm một hình thức kinh doanh thứ hai: Vì tất cả các tiến trình đều cần đến carbon dioxide, họ có thể được "thuê" để xây dựng các hệ thống chuyển đổi năng-lượng-thành-khí của mình nhằm mục đích giảm thiểu phát thải CO2 tại các nhà xưởng sản xuất, bất kể những nơi này có dư thừa năng lượng tái tạo hay không.

Thật ra mà nói, công nghệ của Electrochaea là hấp-thu-carbon và tái chế - chứ không phải là tích trữ hay loại bỏ. Lượng methane tạo ra cuối cùng cũng bị đốt cháy, và quá trình đó thải carbon dioxide vào khí quyển. Nói cách khác, nó chỉ đơn giản là trì hoãn việc sản sinh ra khí nhà kính, chứ không phải loại bỏ hoàn toàn các khí này.

Dẫu vậy, cũng phải nói rằng có những giá trị nhất định trong việc trì hoãn phát thải khí nhà kính. Mỗi phân thử CO2 không được thải ra khí quyển ngay bây giờ, chính là một phân tử CO2 không hấp thụ và giữ lại sức nóng mặt trời trên Trái đất. Những công ty như Electrochaea có thể góp phần cứu hành tinh của chúng ta bằng cách thay đổi những cuộc tranh luận xung quanh carbon dioxide, từ việc coi CO2 là một phụ phẩm thành coi đó là một loại nguyên liệu.

Thu Trà

Theo Quartz