Xây dựng một trang trại năng lượng mặt trời khổng lồ ở Sahara và cung cấp năng lượng cho thế giới? Thay vào đó, đây là cách có thể làm tổn thương khí hậu
Những sa mạc bị cấm nhất trên thế giới có thể là những nơi tốt nhất trên Trái đất để thu hoạch năng lượng mặt trời, đây là nguồn năng lượng sạch và dồi dào nhất mà chúng ta có.
Các sa mạc rộng rãi, tương đối bằng phẳng, giàu silicon - nguyên liệu thô cho chất bán dẫn tạo ra pin mặt trời - và không bao giờ thiếu ánh sáng mặt trời. Trên thực tế, 10 nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất trên thế giới đều nằm ở sa mạc hoặc vùng khô hạn.
Các nhà nghiên cứu tưởng tượng rằng có thể biến sa mạc lớn nhất thế giới, Sahara, thành một trang trại năng lượng mặt trời khổng lồ, có khả năng đáp ứng gấp bốn lần nhu cầu năng lượng hiện tại của thế giới. Các bản thiết kế đã được vạch ra cho các dự án ở Tunisia và Maroc sẽ cung cấp điện cho hàng triệu hộ gia đình ở châu Âu.
Trong khi bề mặt đen của các tấm pin mặt trời hấp thụ hầu hết ánh sáng mặt trời chiếu tới chúng, chỉ có khoảng 15% năng lượng tới đó được chuyển đổi thành điện năng; phần còn lại được trả lại môi trường dưới dạng nhiệt. Các tấm pin thường tối hơn nhiều so với mặt đất mà chúng bao phủ, do đó, một lượng lớn pin mặt trời sẽ hấp thụ rất nhiều năng lượng bổ sung và phát ra dưới dạng nhiệt, ảnh hưởng đến khí hậu.
Nếu những tác động này chỉ mang tính cục bộ, chúng có thể không thành vấn đề trong một sa mạc thưa thớt dân cư và cằn cỗi. Nhưng quy mô của các công trình lắp đặt cần thiết để làm giảm nhu cầu năng lượng hóa thạch của thế giới sẽ rất lớn, bao phủ hàng nghìn km vuông. Nhiệt tái phát ra từ một khu vực có kích thước này sẽ được phân phối lại bởi dòng không khí trong khí quyển, có ảnh hưởng khu vực và thậm chí toàn cầu đối với khí hậu.
Việc lắp đặt trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn có thể tạo ra điều kiện ẩm ướt hơn và sa mạc Sahara cũng xanh hơn
Một nghiên cứu năm 2018 đã sử dụng mô hình khí hậu để mô phỏng tác động của albedo thấp hơn trên bề mặt đất của sa mạc do lắp đặt các trang trại năng lượng mặt trời lớn. Albedo là thước đo mức độ phản xạ ánh sáng mặt trời của các bề mặt. Ví dụ, cát phản chiếu nhiều hơn so với một tấm pin mặt trời và do đó có albedo cao hơn.
Mô hình tiết lộ rằng khi kích thước của trang trại năng lượng mặt trời đạt 20% tổng diện tích của Sahara, nó sẽ kích hoạt một vòng phản hồi. Nhiệt tỏa ra từ các tấm pin mặt trời tối hơn (so với đất sa mạc phản chiếu cao) tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa đất liền và các đại dương xung quanh, cuối cùng làm giảm áp suất không khí bề mặt và khiến không khí ẩm tăng lên và ngưng tụ thành những giọt mưa. Với lượng mưa gió mùa nhiều hơn, thực vật phát triển và sa mạc phản xạ ít năng lượng của mặt trời hơn, vì thảm thực vật hấp thụ ánh sáng tốt hơn cát và đất. Với sự hiện diện của nhiều thực vật hơn, lượng nước bốc hơi nhiều hơn, tạo ra môi trường ẩm ướt hơn khiến thực vật lan rộng.
Viễn cảnh này có vẻ huyền ảo, nhưng các nghiên cứu cho thấy rằng một vòng lặp phản hồi tương tự đã giữ cho phần lớn màu xanh của Sahara trong Thời kỳ ẩm ướt châu Phi, chỉ kết thúc 5.000 năm trước.
Vì vậy, một trang trại năng lượng mặt trời khổng lồ có thể tạo ra năng lượng dồi dào để đáp ứng nhu cầu toàn cầu và đồng thời biến một trong những môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái đất thành một ốc đảo có thể sinh sống được.
Nghe có vẻ hoàn hảo, phải không? Không hẳn.
Trong một nghiên cứu gần đây, chúng tôi đã sử dụng mô hình hệ thống Trái đất tiên tiến để kiểm tra chặt chẽ cách các trang trại năng lượng mặt trời ở Sahara tương tác với khí hậu. Mô hình của chúng tôi tính đến những phản hồi phức tạp giữa các lĩnh vực tương tác của khí hậu thế giới - khí quyển, đại dương và đất liền và các hệ sinh thái của nó. Nó cho thấy có thể có những tác động không mong muốn ở những vùng xa xôi của đất liền và đại dương bù đắp cho bất kỳ lợi ích nào của khu vực đối với chính Sahara.
Hậu quả của một Sahara ấm hơn, xanh hơn sẽ được cảm nhận trên khắp thế giới, từ hạn hán ở Amazon đến mất nước biển ở Bắc Cực
Việc bao phủ 20% Sahara với các trang trại năng lượng mặt trời làm tăng nhiệt độ địa phương trong sa mạc lên 1,5 ° C theo mô hình của chúng tôi. Ở độ phủ 50 phần trăm, nhiệt độ tăng là 2,5 ° C. Sự nóng lên này cuối cùng sẽ lan rộng trên toàn cầu bởi bầu khí quyển và chuyển động của đại dương, làm tăng nhiệt độ trung bình của thế giới thêm 0,16 ° C với mức độ bao phủ 20 phần trăm và 0,39 ° C với mức độ che phủ 50 phần trăm.
Tuy nhiên, sự thay đổi nhiệt độ toàn cầu không đồng đều - các vùng cực sẽ ấm hơn các vùng nhiệt đới, làm tăng lượng băng biển ở Bắc Cực. Điều này có thể làm tăng tốc độ ấm hơn nữa, vì băng biển tan chảy làm lộ ra vùng nước sẫm màu hấp thụ nhiều năng lượng mặt trời hơn.
Nguồn nhiệt mới khổng lồ này ở Sahara sẽ tổ chức lại lưu thông không khí và đại dương trên toàn cầu, ảnh hưởng đến các kiểu lượng mưa trên khắp thế giới. Dải mưa lớn hẹp ở vùng nhiệt đới, chiếm hơn 30% lượng mưa toàn cầu và hỗ trợ các khu rừng nhiệt đới ở lưu vực sông Amazon và Congo, dịch chuyển về phía bắc trong mô phỏng của chúng tôi.
Đối với khu vực Amazon, điều này gây ra hạn hán vì lượng ẩm từ đại dương ít hơn. Gần như cùng một lượng mưa bổ sung đổ xuống Sahara do hiệu ứng làm tối bề mặt của các tấm pin mặt trời bị mất khỏi Amazon. Mô hình này cũng dự đoán các xoáy thuận nhiệt đới thường xuyên hơn đổ bộ vào các bờ biển Bắc Mỹ và Đông Á.
Nhiệt độ toàn cầu, lượng mưa và gió bề mặt thay đổi trong mô phỏng với 20 và 50 phần trăm độ phủ của bảng điều khiển năng lượng mặt trời của Sahara.
Lu và cộng sự. (2021), Tác giả cung cấp
Một số quy trình quan trọng vẫn còn thiếu trong mô hình của chúng tôi, chẳng hạn như bụi thổi từ các sa mạc lớn. Bụi ở Sahara, mang theo gió, là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng quan trọng cho Amazon và Đại Tây Dương.
Vì vậy, một Sahara xanh hơn có thể có tác động toàn cầu thậm chí còn lớn hơn các mô phỏng của chúng tôi đã đề xuất.
Chúng tôi chỉ mới bắt đầu hiểu những hậu quả tiềm ẩn của việc thiết lập các trang trại năng lượng mặt trời khổng lồ trên các sa mạc trên thế giới. Các giải pháp như thế này có thể giúp xã hội chuyển đổi từ năng lượng hóa thạch, nhưng các nghiên cứu về hệ thống Trái đất như của chúng tôi nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét nhiều phản ứng kết hợp của bầu khí quyển, đại dương và bề mặt đất khi xem xét lợi ích và rủi ro của chúng.
Bài viết này được xuất bản lại từ The Conversation theo giấy phép Creative Commons.
Hãy xem bài học TED-Ed này và tìm hiểu về trở ngại lớn nhất của năng lượng mặt trời và cách các nhà khoa học đang cố gắng giải quyết nó:
GIỚI THIỆU VỀ TÁC GIẢ
Tiến sĩ Benjamin Smith là một nhà sinh thái học và người điều chỉnh hệ sinh thái, người quan tâm đến vai trò của các quá trình dân số và cộng đồng trong động lực cấu trúc và chức năng của các loại hệ sinh thái chính trên thế giới, hoặc quần xã sinh vật. Ông đã phát triển các công cụ được sử dụng rộng rãi để khám phá các phản ứng của thảm thực vật và hệ sinh thái đối với các tác nhân như biến đổi khí hậu, tăng nồng độ CO2 và sử dụng đất. Smith là giáo sư kiêm Giám đốc Nghiên cứu tại Viện Môi trường Hawkesbury, một viện nghiên cứu của Đại học Western Sydney, Úc.
Tiến sĩ Zhengyao Lu hiện là Nghiên cứu viên tại Khoa Địa lý Vật lý và Khoa học Hệ sinh thái tại Đại học Lund ở Thụy Điển. Ông nhận bằng Tiến sĩ Khí tượng học năm 2017 tại Khoa Khí quyển và Đại dương của Đại học Bắc Kinh. Nghiên cứu của ông liên quan đến phản hồi về khí hậu trên nhiều phạm vi thời gian, đặc biệt tập trung vào phản hồi khí quyển đại dương, chẳng hạn như El Niño-Dao động phương Nam và phản hồi khí quyển-hệ sinh thái trên cạn, với việc áp dụng mô hình hệ thống Trái đất, mô hình khí hậu và thảm thực vật động mô phỏng mô hình.
