Trong nhiều thập kỷ, phản ứng tổng hợp đã được coi là nguồn điện sạch, dồi dào cuối cùng. Giờ đây, khi thế giới phải đối mặt với nhu cầu giảm phát thải carbon để ngăn chặn biến đổi khí hậu thảm khốc, việc biến năng lượng tổng hợp thương mại thành hiện thực trở nên quan trọng hơn.
Tín dụng: Pixabay/CC0 Public Domain
Trong một hệ thống điện do các nguồn năng lượng tái tạo biến đổi ít carbon (VRE) như năng lượng mặt trời và gió chi phối, các nguồn điện "cứng" là cần thiết để kích hoạt bất cứ khi nào nhu cầu vượt quá nguồn cung—ví dụ, khi mặt trời không chiếu sáng hoặc gió không thổi và các hệ thống lưu trữ năng lượng không đáp ứng được nhiệm vụ. Vai trò và giá trị tiềm năng của các nhà máy điện nhiệt hạch (FPP) trong một hệ thống điện tương lai như vậy là gì—một hệ thống không chỉ không phát thải carbon mà còn có khả năng đáp ứng nhu cầu điện toàn cầu tăng mạnh dự kiến trong những thập kỷ tới?
Làm việc cùng nhau trong một năm rưỡi, các nhà điều tra tại Sáng kiến Năng lượng MIT (MITEI) và Trung tâm Khoa học Plasma và Hợp nhất MIT (PSFC) đã hợp tác để trả lời câu hỏi đó. Họ phát hiện ra rằng tùy thuộc vào chi phí và hiệu suất trong tương lai, phản ứng tổng hợp có tiềm năng cực kỳ quan trọng đối với quá trình khử cacbon. Trong một số điều kiện, việc cung cấp FPP có thể giúp giảm chi phí khử cacbon toàn cầu hàng nghìn tỷ đô la.
Hơn 25 chuyên gia đã cùng nhau xem xét các yếu tố sẽ tác động đến việc triển khai FPP, bao gồm chi phí, chính sách khí hậu, đặc điểm hoạt động và các yếu tố khác. Họ trình bày những phát hiện của mình trong báo cáo mới có tựa đề "Vai trò của Năng lượng Nhiệt hạch trong Hệ thống Điện Không Carbon hóa".
"Hiện nay, năng lượng nhiệt hạch đang nhận được sự quan tâm lớn ở nhiều nơi—từ khu vực tư nhân đến chính phủ và công chúng nói chung", nhà nghiên cứu chính (PI) Robert C. Armstrong, cựu giám đốc MITEI và Giáo sư danh dự về Kỹ thuật Hóa học của Chevron cho biết. "Khi thực hiện nghiên cứu này, mục tiêu của chúng tôi là cung cấp một hướng dẫn cân bằng, dựa trên thực tế và dựa trên phân tích để giúp tất cả chúng ta hiểu được triển vọng của nhiệt hạch trong tương lai".
Theo đó, nghiên cứu áp dụng phương pháp tiếp cận đa ngành kết hợp mô hình kinh tế, mô hình lưới điện, phân tích kinh tế kỹ thuật và nhiều phương pháp khác để xem xét các yếu tố quan trọng có khả năng định hình việc triển khai và sử dụng năng lượng nhiệt hạch trong tương lai. Các nhà nghiên cứu từ MITEI cung cấp khả năng mô hình hóa hệ thống năng lượng, trong khi những người tham gia PSFC cung cấp chuyên môn về nhiệt hạch.
Công nghệ tổng hợp có thể phải mất một thập kỷ nữa mới có thể triển khai thương mại, do đó, công nghệ chi tiết và chi phí của các FPP thương mại trong tương lai vẫn chưa được biết đến tại thời điểm này. Do đó, nhóm nghiên cứu MIT tập trung vào việc xác định mức chi phí mà các nhà máy tổng hợp phải đạt được vào năm 2050 để đạt được sự thâm nhập thị trường mạnh mẽ và đóng góp đáng kể vào quá trình khử cacbon cho nguồn cung cấp điện toàn cầu trong nửa sau của thế kỷ.
Giá trị của việc có FPP trên lưới điện sẽ phụ thuộc vào các tùy chọn khác có sẵn, do đó, để thực hiện phân tích của mình, các nhà nghiên cứu cần ước tính chi phí và hiệu suất trong tương lai của các tùy chọn đó, bao gồm máy phát điện nhiên liệu hóa thạch thông thường, nhà máy điện phân hạch hạt nhân, máy phát điện VRE và công nghệ lưu trữ năng lượng, cũng như nhu cầu điện cho các khu vực cụ thể trên thế giới. Để tìm dữ liệu đáng tin cậy nhất, họ đã tìm kiếm tài liệu đã xuất bản cũng như kết quả của các phân tích MITEI và PSFC trước đây.
Nhìn chung, các phân tích cho thấy rằng trong khi nhu cầu công nghệ để khai thác năng lượng nhiệt hạch là rất lớn thì lợi ích kinh tế và môi trường tiềm tàng khi bổ sung công nghệ carbon thấp này vào danh mục các lựa chọn năng lượng của thế giới cũng rất lớn.
Có lẽ phát hiện đáng chú ý nhất là "giá trị xã hội" của việc có sẵn FPP thương mại.
"Để hạn chế sự nóng lên ở mức 1,5 độ C, thế giới cần đầu tư vào năng lượng gió, năng lượng mặt trời, lưu trữ, cơ sở hạ tầng lưới điện và mọi thứ khác cần thiết để khử cacbon cho hệ thống điện", Randall Field, giám đốc điều hành nghiên cứu về nhiệt hạch và giám đốc nghiên cứu của MITEI giải thích. "Chi phí cho nhiệm vụ đó có thể thấp hơn nhiều khi FPP có sẵn như một nguồn điện sạch và ổn định".
Hơn nữa, lợi ích thay đổi tùy thuộc vào chi phí của FPP. Ví dụ, giả sử chi phí xây dựng FPP là 8.000 đô la cho mỗi kilowatt (kW) vào năm 2050 và giảm xuống còn 4.300 đô la/kW vào năm 2100, thì chi phí toàn cầu để khử cacbon cho điện năng giảm 3,6 nghìn tỷ đô la. Nếu chi phí của FPP là 5.600 đô la/kW vào năm 2050 và giảm xuống còn 3.000 đô la/kW vào năm 2100, thì khoản tiết kiệm từ việc có các nhà máy nhiệt hạch sẽ là 8,7 nghìn tỷ đô la. (Những tính toán đó dựa trên sự khác biệt về tổng sản phẩm quốc nội toàn cầu và giả định tỷ lệ chiết khấu là 6 phần trăm. Giá trị không chiết khấu lớn hơn khoảng 20 lần.)
Mục tiêu của các phân tích khác là xác định quy mô triển khai trên toàn thế giới với chi phí FPP đã chọn. Một lần nữa, kết quả thật ấn tượng. Đối với kịch bản khử cacbon sâu, tổng thị phần toàn cầu về sản xuất điện từ phản ứng tổng hợp vào năm 2100 dao động từ dưới 10% nếu chi phí phản ứng tổng hợp cao đến hơn 50% nếu chi phí phản ứng tổng hợp thấp.
Các phân tích khác cho thấy quy mô và thời điểm triển khai phản ứng tổng hợp thay đổi ở các khu vực khác nhau trên thế giới. Có thể kỳ vọng phản ứng tổng hợp sớm sẽ diễn ra ở các quốc gia giàu có như các nước châu Âu và Hoa Kỳ, nơi có chính sách khử cacbon mạnh mẽ nhất. Nhưng một số địa điểm khác—ví dụ như Ấn Độ và lục địa châu Phi—sẽ có sự tăng trưởng lớn trong việc triển khai phản ứng tổng hợp vào nửa sau thế kỷ do nhu cầu về điện tăng mạnh trong thời gian đó.
"Ở Hoa Kỳ và Châu Âu, lượng tăng trưởng nhu cầu sẽ thấp, vì vậy sẽ là vấn đề chuyển từ nhiên liệu bẩn sang nhiệt hạch", Sergey Paltsev, phó giám đốc Trung tâm Khoa học và Chiến lược Bền vững MIT và là nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại MITEI giải thích. "Nhưng ở Ấn Độ và Châu Phi, ví dụ, nhu cầu điện tăng mạnh sẽ được đáp ứng bằng lượng nhiệt hạch đáng kể cùng với các nguồn năng lượng phát điện ít carbon khác vào cuối thế kỷ này".
Một loạt các phân tích tập trung vào chín tiểu vùng của Hoa Kỳ cho thấy tính khả dụng và chi phí của các công nghệ carbon thấp khác, cũng như mức độ hạn chế phát thải carbon chặt chẽ, có tác động lớn đến cách triển khai và sử dụng FPP. Trong một thế giới phi carbon, FPP sẽ có mức độ thâm nhập cao nhất ở những địa điểm có sự đa dạng, năng lực và chất lượng tài nguyên tái tạo kém, và giới hạn phát thải carbon sẽ có tác động lớn.
Ví dụ, các tiểu vùng Đại Tây Dương và Đông Nam có nguồn tài nguyên tái tạo thấp. Ở các tiểu vùng đó, gió chỉ có thể sản xuất một phần nhỏ lượng điện cần thiết, ngay cả khi xây dựng gió trên bờ tối đa. Do đó, cần có phản ứng tổng hợp ở các tiểu vùng đó, ngay cả khi các hạn chế về carbon tương đối dễ dãi và bất kỳ FPP nào khả dụng sẽ chạy trong phần lớn thời gian.
Ngược lại, tiểu vùng Trung tâm của Hoa Kỳ có nguồn tài nguyên tái tạo tuyệt vời, đặc biệt là gió. Do đó, phản ứng tổng hợp chỉ cạnh tranh ở tiểu vùng Trung tâm khi giới hạn phát thải carbon rất nghiêm ngặt và FPP thường chỉ được vận hành khi năng lượng tái tạo không đáp ứng được nhu cầu.
Một phân tích về hệ thống điện phục vụ các tiểu bang New England đã cung cấp những kết quả chi tiết đáng chú ý. Sử dụng một công cụ mô hình hóa được phát triển tại MITEI, nhóm nghiên cứu nhiệt hạch đã khám phá tác động của việc sử dụng các giả định khác nhau không chỉ về chi phí và giới hạn phát thải mà còn về các chi tiết như hạn chế sử dụng đất tiềm ẩn ảnh hưởng đến việc sử dụng các VRE cụ thể. Cách tiếp cận này cho phép họ tính toán chi phí FPP mà tại đó các đơn vị nhiệt hạch bắt đầu được lắp đặt.
Họ cũng có thể điều tra cách thức chi phí "ngưỡng" đó thay đổi theo những thay đổi trong giới hạn phát thải carbon. Phương pháp này thậm chí có thể cho thấy mức giá mà FPP bắt đầu thay thế các nguồn phát điện cụ thể khác. Trong một loạt các lần chạy, họ đã xác định được chi phí mà FPP sẽ bắt đầu thay thế điện gió ngoài khơi trên bệ nổi và điện mặt trời trên mái nhà.
"Nghiên cứu này là một đóng góp quan trọng cho thương mại hóa phản ứng tổng hợp vì nó cung cấp các mục tiêu kinh tế cho việc sử dụng phản ứng tổng hợp trong thị trường điện", Dennis G. Whyte, đồng PI của nghiên cứu phản ứng tổng hợp, cựu giám đốc PSFC và Giáo sư Kỹ thuật Hitachi America tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, lưu ý. "Nghiên cứu này định lượng tốt hơn những thách thức về thiết kế kỹ thuật đối với các nhà phát triển phản ứng tổng hợp liên quan đến giá cả, tính khả dụng và tính linh hoạt để đáp ứng nhu cầu thay đổi trong tương lai".
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng mặc dù các nhà máy điện phân hạch được đưa vào phân tích, nhưng họ không thực hiện so sánh "trực tiếp" giữa phân hạch và hợp hạch, vì có quá nhiều ẩn số. Hợp hạch và phân hạch hạt nhân đều là công nghệ tạo ra điện chắc chắn, ít carbon; nhưng không giống như phân hạch, hợp hạch không sử dụng vật liệu phân hạch làm nhiên liệu và không tạo ra chất thải nhiên liệu hạt nhân tồn tại lâu dài cần được quản lý.
Do đó, các yêu cầu về quy định đối với FPP sẽ rất khác so với các quy định đối với các nhà máy điện phân hạch hiện nay—nhưng chính xác thì chúng sẽ khác nhau như thế nào vẫn chưa rõ ràng. Tương tự như vậy, nhận thức của công chúng trong tương lai và sự chấp nhận của xã hội đối với từng công nghệ này không thể dự đoán được, nhưng có thể có ảnh hưởng lớn đến việc thế hệ công nghệ nào được sử dụng để đáp ứng nhu cầu trong tương lai.
Kết quả nghiên cứu truyền tải một số thông điệp về tương lai của phản ứng tổng hợp. Ví dụ, rõ ràng là quy định có thể là động lực chi phí lớn. Điều này sẽ thúc đẩy các công ty phản ứng tổng hợp giảm thiểu dấu chân pháp lý và môi trường của họ đối với nhiên liệu và vật liệu hoạt hóa. Nó cũng sẽ khuyến khích các chính phủ áp dụng các chính sách quản lý phù hợp và hiệu quả để tối đa hóa khả năng sử dụng năng lượng tổng hợp trong việc đạt được mục tiêu khử cacbon của họ.
Đối với các công ty phát triển công nghệ nhiệt hạch, thông điệp của nghiên cứu được nêu rõ trong báo cáo: "Nếu có thể đạt được các mục tiêu về chi phí và hiệu suất xác định trong báo cáo này, phân tích của chúng tôi cho thấy năng lượng nhiệt hạch có thể đóng vai trò chính trong việc đáp ứng nhu cầu điện trong tương lai và đạt được mục tiêu phát thải carbon ròng bằng 0 trên toàn cầu".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
