[Vui lòng đăng ký trang Youtube của Pacific Group tại
https://www.youtube.com/channel/UCAxje1GxiUpZD6MEcR0f5Jg/videos
Chúng tôi có các buổi chia sẻ về kinh doanh thực tế hàng tuần]
Các tấm pin mặt trời trong không gian có thể cung cấp năng lượng cho cuộc đua net zero?
Chính phủ Anh đang cân nhắc một dự án trị giá 16 tỷ bảng Anh để đưa một nhà máy năng lượng mặt trời vào không gian. Mặc dù nghe có vẻ lạ hơn tiểu thuyết, nhưng thực tế không phải vậy.
Trong truyện ngắn Reason năm 1941 của mình, nhà khoa học viễn tưởng Isaac Asimov đã mô tả một thế giới trong đó con người thu hoạch năng lượng mặt trời từ không gian. Các tấm pin mặt trời quay quanh quỹ đạo khổng lồ truyền năng lượng tái tạo trở lại Trái đất thông qua sóng vô tuyến. Bây giờ, 80 năm sau, tầm nhìn tương lai của Asimov có thể trở thành hiện thực.
Vào tháng 3 năm 2022, Bộ trưởng Khoa học của Vương quốc Anh, George Freeman, tiết lộ rằng chính phủ đang cân nhắc về đề xuất trị giá 16 tỷ bảng Anh để xây dựng một nhà máy điện mặt trời trong không gian, với năng lượng mặt trời dựa trên không gian (SBSP, thường được viết tắt là SSP) là một trong những công nghệ trong Danh mục Đổi mới Net Zero của chính phủ.
Frazer-Nash dự đoán có chỗ trên quỹ đạo cho các vệ tinh năng lượng mặt trời để cung cấp hơn 100% nhu cầu năng lượng dự kiến của thế giới vào năm 2050. (Ảnh của Nasa qua Wikimedia Commons)
Một báo cáo cho các nhà chức trách Vương quốc Anh của công ty tư vấn Frazer-Nash gần đây đã mô tả năng lượng mặt trời trên không gian là “rõ ràng, phong phú và có thể thực hiện được về mặt kỹ thuật” vào năm 2040 và phân tích của Hoa Kỳ vào tháng 11 năm 2021 đã gọi nó là “một mũi tên khác trong vòng rung để đối phó với sự thay đổi thời tiết địa phương” .
Nhưng liệu công nghệ tương lai này có bao giờ thực sự vượt qua được lĩnh vực khoa học viễn tưởng hay không và nếu vậy, liệu công nghệ đó có kịp đóng vai trò quan trọng trong cuộc chạy đua đến con số không vào năm 2050?
Điện mặt trời 24/7
Hệ thống SSP về cơ bản là một tàu vũ trụ khổng lồ được trang bị một loạt các tấm pin mặt trời. Như trong tưởng tượng của Asimov, các tấm pin tạo ra điện được truyền không dây đến Trái đất bằng sóng vô tuyến tần số cao. Một ăng-ten trên mặt đất, một 'trực tràng', được sử dụng để chuyển đổi sóng vô tuyến thành điện, sau đó được chuyển đến lưới điện. Một trạm SSP trên quỹ đạo được mặt trời chiếu sáng 24/24, tạo ra điện liên tục. Điều này mang lại lợi thế rõ ràng so với năng lượng tái tạo dựa trên Trái đất, chỉ tạo ra điện khi gió thổi và mặt trời chiếu sáng.
“Với nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng gần 50% vào năm 2050, năng lượng mặt trời đặt trên không gian có thể là chìa khóa để giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong ngành năng lượng thế giới và giải quyết sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu”, Jovana Radulovic, người đứng đầu bộ phận cơ khí của Đại học Portsmouth và kỹ thuật thiết kế, đã viết trong một bài xã luận gần đây.
Mặc dù không phải là một công nghệ mới, nhưng những đột phá gần đây đã đưa SSP đến gần hơn với thực tế. Cho đến thập kỷ trước, công nghệ này bị coi là không kinh tế, chủ yếu là do chi phí phóng vệ tinh quá lớn. Martin Soltau, giám đốc kinh doanh không gian tại Frazer-Nash và là chủ tịch của Sáng kiến Năng lượng Không gian (SEI) có trụ sở tại Anh cho biết: “Nhưng đã có một sự thay đổi căn bản. “SpaceX đã chứng minh tên lửa có thể tái sử dụng và chi phí phóng đã giảm 90%”.
Trên hết, một số thiết kế vệ tinh bảng điều khiển năng lượng mặt trời mới nhất là siêu mô-đun - và do đó phù hợp để sản xuất hàng loạt - giảm đáng kể chi phí của phần cứng. Các công nghệ liên quan như robot tự động và lắp ráp trong không gian cũng đã phát triển đáng kể.
Soltau nói: “Bao trùm lên tất cả những điều đó là tính cấp thiết ngày càng tăng của số không ròng và nhận ra rằng nó thực sự sẽ cực kỳ khó đạt được với các công nghệ hiện tại. “Tất cả những vấn đề đó đồng thời xuất hiện, gây ra mối quan tâm mới đối với năng lượng mặt trời trên không gian.”
Năng lượng sạch tối ưu
Về mặt của nó, năng lượng mặt trời dựa trên không gian là công nghệ năng lượng sạch tối ưu. Theo báo cáo của Frazer-Nash, vẫn có chỗ trên quỹ đạo cho các vệ tinh năng lượng mặt trời để cung cấp hơn 100% nhu cầu năng lượng dự kiến của thế giới vào năm 2050. Nó sẽ tích hợp tốt với các công nghệ gián đoạn như gió và năng lượng mặt trời trên mặt đất vì nó có thể thay đổi được - nói cách khác, nó có thể đáp ứng nhanh chóng nhu cầu thay đổi do sản lượng khác nhau của các nguồn năng lượng không liên tục.
SSP sẽ có tác động môi trường tương đối ít vì Frazer-Nash dự đoán cơ sở hạ tầng mặt đất của họ sẽ chỉ chiếm 8% không gian của một trang trại gió thông thường cho cùng một sản lượng - và nó cũng có thể được neo đậu ngoài khơi. Vệ tinh điện mặt trời CASSIOPeiA trị giá 12,75 tỷ bảng Anh (16 tỷ USD), một thiết kế nguyên mẫu về năng lượng mặt trời vệ tinh do công ty kỹ thuật International Electric của Anh phát triển, sử dụng công nghệ năng lượng mặt trời tập trung, có nghĩa là nó cần một phần sáu nghìn diện tích quang điện của một trang trại năng lượng mặt trời trên cạn. Soltau nói: “Điều này đang thay đổi cuộc chơi đối với tác động môi trường, sử dụng khoáng chất đất hiếm và chi phí hệ thống.
Một đánh giá vòng đời gần đây của Đại học Strathclyde đã tính toán SSP sẽ có lượng khí thải carbon là 24 gCO2 mỗi kilowatt-giờ, bằng khoảng một nửa so với năng lượng mặt trời trên cạn. Theo Frazer-Nash, nó cũng sẽ tương đối an toàn và bảo mật; một đường lên được mã hóa sẽ đảm bảo kiểm soát an toàn và định hướng chính xác, và cường độ đỉnh của chùm sóng vô tuyến sẽ chỉ bằng một phần tư so với ánh nắng giữa trưa.
Có lẽ quan trọng nhất, nó
Nên cạnh tranh về chi phí với các nguồn năng lượng khác, với Frazer-Nash dự báo chi phí điện năng được điều chỉnh là 26 bảng Anh / megawatt-giờ (MWh), bằng khoảng một phần ba chi phí năng lượng hạt nhân và rẻ hơn cả gió và năng lượng mặt trời trên cạn. Trên thực tế, SEI ước tính chi phí phát triển để triển khai hệ thống CASSIOPeiA sẽ gần 10 tỷ bảng Anh, với chi phí vốn của mỗi trạm SSP 2GW ước tính khoảng 3,6 tỷ bảng Anh - khoảng 1/4 chi phí của một nhà máy điện hạt nhân.
Soltau nói: “Khi được triển khai, nó [năng lượng mặt trời dựa trên không gian] sẽ giảm đáng kể hóa đơn năng lượng và cung cấp an ninh năng lượng cho các hộ gia đình và ngành công nghiệp.
Cuộc đua không gian toàn cầu mới
Một loạt các quốc gia công nghiệp phát triển đang khám phá tiềm năng của công nghệ này. Tại Mỹ, Dự án Điện Mặt trời Không gian đang phát triển các tế bào năng lượng mặt trời hiệu suất cao cũng như một hệ thống chuyển đổi và truyền tải điện được tối ưu hóa để sử dụng trong không gian. Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ cũng đã thử nghiệm một mô-đun năng lượng mặt trời và hệ thống chuyển đổi năng lượng trong không gian vào năm 2020.
Soltau cho biết: “Quân đội Hoa Kỳ đã phát triển 'mô-đun bánh mì kẹp' là một trong những yếu tố cốt lõi của vệ tinh năng lượng mặt trời". “Họ đã hoàn thành các cuộc biểu tình chiếu tia công suất lên đến 1kW và trên một khoảng cách hàng dặm. Một bài báo thử nghiệm nhỏ hiện đang bay trong không gian trên phi cơ X-37B [một tàu vũ trụ tái nhập cảnh được thiết kế để hoạt động trong quỹ đạo trái đất thấp] và các cuộc trình diễn về tia điện từ không gian được lên kế hoạch cho năm 2025. "
Trong khi đó, Trung Quốc gần đây đã công bố tiến độ xây dựng trạm năng lượng mặt trời không gian Bishan và đặt mục tiêu có một hệ thống hoạt động vào năm 2035. Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã thiết kế một hệ thống có tên Omega, có thể cung cấp 2GW điện cho lưới điện của quốc gia vào năm 2050.
Cơ quan vũ trụ của Nhật Bản cũng đang nghiên cứu một hệ thống và đang lên kế hoạch cho một cuộc trình diễn truyền sức mạnh từ không gian vào năm 2025. “Nhật Bản có lẽ là quốc gia dẫn đầu thế giới về truyền tia điện, với một chương trình do chính phủ lãnh đạo và một chính sách quốc gia được tuyên bố để phát triển công nghệ, ”Soltau nói.
Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đang tìm cách tài trợ cho các dự án SSP và ở Anh, hệ thống điện trên không gian trị giá 16 tỷ bảng được đề xuất đã được coi là một khái niệm khả thi dựa trên nghiên cứu Frazer-Nash gần đây. Nếu được đưa vào vận hành, dự án dự kiến sẽ bắt đầu với các thử nghiệm nhỏ, với mục đích thiết lập một trạm SSP hoạt động vào năm 2040. Theo Soltau, giả định hoạt động là Vương quốc Anh sẽ có 15 vệ tinh năng lượng mặt trời vào năm 2050, mỗi vệ tinh cung cấp 2GW vào lưới điện. Mặc dù đây là một lượng điện năng đáng kể - để sản xuất 2GW với các tấm pin mặt trời trên Trái đất, bạn sẽ cần hơn sáu triệu tấm trong số đó - con số này rất khiêm tốn so với công suất phát điện hiện tại của Vương quốc Anh, là khoảng 76GW.
Radulovic của Portsmouth cho biết: “Với chi phí ban đầu rất cao và lợi tức đầu tư chậm, dự án sẽ cần nguồn lực đáng kể của chính phủ cũng như các khoản đầu tư từ các công ty tư nhân. “Nhưng khi công nghệ tiến bộ, chi phí phóng và chế tạo không gian sẽ giảm dần và quy mô của dự án sẽ cho phép sản xuất hàng loạt, điều này sẽ làm giảm chi phí.”
Bộ Kinh doanh, Năng lượng & Chiến lược Công nghiệp của Vương quốc Anh nói với Energy Monitor rằng sau báo cáo của Frazer-Nash, họ đang phát triển một chương trình đổi mới quy mô nhỏ 'không hối tiếc' để hỗ trợ phát triển các công nghệ quan trọng liên quan đến SSP, nhưng điều đó cũng có phạm vi rộng hơn. các ứng dụng trên mặt đất để chúng có thể đóng góp vào tham vọng không có mạng lưới của Vương quốc Anh cho dù SSP có cất cánh hay không.
Ngoài ra còn có một số công ty tư nhân thực hiện nghiên cứu quy mô nhỏ và nghiên cứu khái niệm. Sáng kiến Năng lượng Không gian được thành lập gần đây với mục đích phát triển một cách tiếp cận thương mại đối với năng lượng mặt trời dựa trên không gian. Nó tập hợp 50 tổ chức trong các lĩnh vực năng lượng, không gian và tài chính, bao gồm Airbus, Thales, CGI, Bộ Thương mại Vương quốc Anh, Đại học Hoàng gia London và Đại học Cambridge. Soltau cho biết: “Chúng tôi vừa thành lập công ty Space Solar Limited để dẫn đầu một chương trình phát triển năng lượng mặt trời dựa trên không gian, được hỗ trợ bởi các thành viên SEI.
"Điều ngu ngốc nhất từng có"
Nhưng công nghệ không phải là không có thách thức của nó. Trên thực tế, vào năm 2012, Elon Musk - người điều hành cả lĩnh vực năng lượng mặt trời và kinh doanh không gian - đã gọi SSP là “điều ngu ngốc nhất từng có”. Trọng lượng của các tấm pin mặt trời được xác định là một thách thức ban đầu, nhưng điều đó đã được giải quyết nhờ sự phát triển của các loại pin mặt trời siêu nhẹ. Radulovic cho biết: “Năng lượng mặt trời trên không gian được coi là khả thi về mặt kỹ thuật chủ yếu nhờ những tiến bộ trong công nghệ quan trọng bao gồm pin mặt trời trọng lượng nhẹ, truyền tải điện không dây và robot không gian,” Radulovic nói.
Một trạm SSP dựa trên thiết kế mô-đun, bao gồm một số lượng lớn các mô-đun được lắp ráp trên quỹ đạo bởi rô-bốt. Tuy nhiên, việc vận chuyển tất cả các yếu tố này vào không gian rất khó khăn, tốn kém và sẽ gây tổn hại đến môi trường, theo Radulovic. Việc lắp ráp dù chỉ một trạm năng lượng mặt trời trên không gian cũng sẽ đòi hỏi nhiều lần phóng tàu con thoi. “Mặc dù năng lượng mặt trời trên không gian được thiết kế để giảm lượng khí CO2,
Radulovic cho biết: n phát thải trong thời gian dài, có lượng khí thải đáng kể liên quan đến các vụ phóng vào không gian.
Mặc dù các công ty như SpaceX đang nghiên cứu chế tạo các tàu con thoi có thể tái sử dụng, nhưng công nghệ này vẫn chưa có tính thương mại và một trạm SSP đang hoạt động sẽ phải đối mặt với một số thách thức thực tế. Các tấm pin mặt trời sẽ dễ bị hư hại do các mảnh vỡ không gian và nếu không có lá chắn của bầu khí quyển Trái đất, sẽ có thể bị suy thoái với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các tấm pin trên mặt đất do bức xạ mặt trời cường độ cao.
Hiệu quả của việc truyền tải điện không dây cũng đã được đặt ra. Radulovic cho biết: Việc truyền năng lượng qua những khoảng cách lớn như vậy là vô cùng khó khăn và dựa trên công nghệ hiện tại, “chỉ một phần nhỏ năng lượng mặt trời thu thập được sẽ đến được Trái đất”. Soltau, tuy nhiên, cho rằng hiệu suất của hệ thống là khoảng 60%. Ông nói: “Hiệu quả không phải là thước đo hiệu suất chính khi nhiên liệu (mặt trời) là miễn phí và dồi dào.
Trong thời gian cho số không ròng?
Nhiều người ủng hộ tổ chức này tin rằng năng lượng mặt trời đặt trong không gian có thể đóng một vai trò không thể thiếu trong tham vọng của thế giới nhằm đạt mức phát thải khí nhà kính ròng bằng 0 vào năm 2050. Sáng kiến Năng lượng Không gian đã tạo ra một kế hoạch phát triển 12 năm sẽ chứng kiến các hệ thống đầu tiên được triển khai vào năm 2035 , với vài gigawatt năng lực sản xuất được bổ sung hàng năm sau đó. Vào giữa những năm 2040, Soltau tin rằng Vương quốc Anh có thể thu được 25% sản lượng điện từ không gian - một tỷ lệ sản xuất mà ông tin rằng cũng có thể nhân rộng cho các quốc gia khác.
Brian Ryan, phó chủ tịch phụ trách sáng tạo của công ty tiện ích National Grid của Vương quốc Anh, gần đây đã nói với tạp chí Week: “Đó là một chút ít ở ngoài đó, nhưng nó không phải là quá xa. “Tôi nghĩ rằng chúng ta sẽ thấy năng lượng mặt trời trên không gian đóng một vai trò to lớn trong hệ sinh thái năng lượng của chúng ta trong 20 năm tới ... Tiềm năng là không giới hạn.”
Soltau so sánh với phản ứng tổng hợp hạt nhân, một công nghệ năng lượng sạch trong tương lai rất được thèm muốn khác đã nhận được mức đầu tư và sự chú ý đáng kể vì tiềm năng khử cacbon trong hệ thống năng lượng của thế giới. Ông chỉ ra rằng trong khi các nhà nghiên cứu nhiệt hạch vẫn đang khám phá các cách để làm cho vật lý của công nghệ này hoạt động, thì với năng lượng mặt trời trên không gian "chúng ta không cần bất kỳ đột phá nào trong hiểu biết về vật lý hoặc công nghệ vật liệu hoặc hiệu suất của thành phần - đó là lý do tại sao chúng tôi đã có thể cùng nhau đưa ra lộ trình 12 năm để phát triển một hệ thống năng lượng mặt trời dựa trên không gian hoạt động ”.
Những người khác ít truyền giáo hơn. Radulovic cho biết liệu SSP có thể giúp chúng tôi đạt được số không ròng vào năm 2050 hay không “vẫn còn phải xem”. Theo quan điểm của bà, các công nghệ khác, chẳng hạn như lưu trữ năng lượng đa dạng và linh hoạt, hydro và tăng trưởng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, được hiểu rõ hơn và dễ thực hiện hơn.
Tuy nhiên, bất chấp những thách thức của công nghệ và các ý kiến khác nhau về tốc độ mở rộng quy mô của nó, hầu hết đều đồng ý rằng năng lượng mặt trời trên không gian có khả năng đóng một vai trò trong việc cung cấp năng lượng toàn cầu trong tương lai. Vì điều đó, chúng tôi có những người như ông Asimov để cảm ơn.
