Lý giải tại sao điện hạt nhân có vai trò lớn trong chuyển đổi năng lượng

    80
    • Hạt nhân – nguồn năng lượng không phát thải các-bon cung cấp 10% điện năng của thế giới.
    • Khi thế giới chuyển sang năng lượng sạch, hạt nhân có thể bù đắp sự bất ổn vốn có của năng lượng gió và mặt trời – nhưng cần có những đổi mới nhất định.
    • Một loại lò phản ứng mới, được phát triển tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN), có thể giúp vượt qua các rào cản chính liên quan đến năng lượng hạt nhân.

    Hành tinh này cần một hệ thống năng lượng mới có thể cấp điện bền vững, đáng tin cậy và liên tục. Hạt nhân là một trong những công nghệ năng lượng hiện có với mức phát thải khí nhà kính (GHG) thấp nhất, chỉ tạo ra tương đương 15 gram CO2 trên mỗi kWh, khi cân nhắc toàn bộ vòng đời nhà máy.

     

    Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), trong giai đoạn 1970-2013, việc sử dụng các nguồn năng lượng cacbon thấp đồng nghĩa là chúng ta đã tránh được 163 Gt khí thải CO2. Năng lượng hạt nhân đóng góp 41%, trong khi năng lượng mặt trời và gió chiếm 6%. Như nhiều phân tích độc lập đã chỉ ra, năng lượng hạt nhân là một điển hình cho những nguồn GHG thấp nhất trong vòng đời hoạt động có kết hợp các công nghệ phát điện.

    Nếu không có năng lượng hạt nhân, CO2 phát thải do sản xuất điện sẽ tệ hơn rất nhiều. (Ảnh: IEA)

     

    Nhà máy điện hạt nhân ngày nay cung cấp 10% điện năng của thế giới – toàn bộ đều không phát thải cacbon – gần gấp đôi lượng điện nhờ năng lượng mặt trời và gió. Để đáp ứng các mục tiêu năng lượng quan trọng trong Mục tiêu Phát triển bền vững của Liên hợp quốc (United Nations Sustainable Development Goals), Thỏa thuận Paris đã đặt ra một tham vọng cụ thể cho hạt nhân, nhắm mục tiêu vào năm 2050 sẽ tăng gấp đôi công suất lắp đặt hiện tại. Đối với ngành công nghiệp hạt nhân, thách thức cũng nhân đôi; do thay thế dần các nhà máy sắp hết hạn hoạt động và bổ sung các nhà máy mới vào đội hình hiện có. Tuy nhiên, cần thiết phải có các đổi mới nhất định.

     

    Thách thức và chi phí cho hỗn hợp năng lượng

     

    Quá trình khử cacbon đòi hỏi một đề xuất có tính thực tiễn hướng tới năm 2050 thay thế được 81% năng lượng hiện tại sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Vấn đề khó khăn chính là đưa ra hỗn hợp danh mục các loại năng lượng phù hợp, trong khi đó, các công nghệ vẫn còn “non nớt”, chưa đủ để làm nên chuyện trước năm 2050, chẳng hạn như không thể dựa vào năng lượng nhiệt hạch hoặc giải pháp thu giữ và lưu trữ cacbon. Các công nghệ cacbon thấp hiện đang được áp dụng là gió, mặt trời, thủy điện và hạt nhân. Loại bỏ hay hạn chế bất kỳ công nghệ nào trong số này sẽ phá đi những nỗ lực giảm thiểu chi phí và làm chậm quá trình giảm khí thải. Tuy vậy, khả năng tăng trưởng của các công  nghệ này đang bị hạn chế đáng kể.

     

    Những tiến bộ kỹ thuật của năng lượng mặt trời và gió không khắc phục được tính gián đoạn và các quy luật vật lý, khiến cho hiệu quả hoạt động của chúng bị giới hạn. Giải quyết vấn đề bằng các hệ thống lưu trữ năng lượng cũng không khả thi; trong tương lai gần, có lẽ sẽ chỉ sẵn có một lượng nhỏ điện lưu trữ với hiệu quả chi phí. Các loại pin hứa hẹn nhất đều dựa vào các kim loại như liti, coban và magiê đòi hỏi quá trình khai thác tốn nhiều năng lượng và về mặt lý thuyết, trữ lượng khai thác không thể đáp ứng nhu cầu toàn cầu.

     

    Điện hạt nhân – Không cacbon, không gián đoạn. Ảnh:  REUTERS/Dylan Martinez

     

    Đóng góp của năng lượng hạt nhân vào quá trình chuyển đổi năng lượng nằm ở khả năng “gánh vác” các chi phí hệ thống được tạo ra do tính gián đoạn của năng lượng tái tạo. Ngoài đảm bảo tính cân bằng lâu dài giữa cung và cầu, hạt nhân là nguồn cung chạy nền có thể cung cấp tính năng theo dõi tải trọng (load tracking), thích ứng nhanh chóng với các biến đổi theo mùa, hàng ngày và hàng giờ theo nhu cầu. Những yêu cầu này ngày càng trở nên quan trọng do sự thâm nhập của năng lượng tái tạo vào thị trường càng cao.

     

    Những người hoài nghi nhắm vào chi phí của hạt nhân: có nhiều ví dụ cho thấy các nhà máy hạt nhân vận hành vượt quá chi phí và thời gian đã định trước, và sự thật là chi phí cho điện gió và mặt trời đang ngày càng giảm. Nhưng khi xem xét tất cả các yếu tố và đo mức độ thâm nhập thị trường của một công nghệ cụ thể, những con số tương phản đã được đưa ra trong một phân tích về chi phí. Các nhà máy điện không tồn tại cô lập, mà tương tác với nhau và với khách hàng thông qua các hoạt động của lưới điện trong môi trường kinh tế, xã hội và tự nhiên xung quanh. Đó là lý do tại sao việc đánh giá tổng chi phí không chỉ bao gồm chi phí vốn, mà còn cả chi phí cho kết nối, mở rộng và gia cố lưới điện, chi phí kỹ thuật và chi phí tài chính tiêu tốn bởi tính gián đoạn, chi phí bảo đảm an ninh nguồn cung và các tác động của nó, tác động đến môi trường địa phương và toàn cầu.

     

    Một phân tích đã được thực hiện ở các quốc gia khác nhau để định lượng các chi phí liên quan đến mức độ thâm nhập của năng lượng tái tạo trong hỗn hợp năng lượng, bao gồm hạt nhân, mặt trời và gió. Vận hành nguồn tái tạo lên tới 10% tổng nguồn cấp điện sẽ tăng chi phí cho mỗi MWh từ 5% đến 50% tùy theo quốc gia, trong khi việc đáp ứng 30% nhu cầu có thể làm tăng chi phí từ 16% đến 180%. Sự khác biệt giữa các quốc gia quan trọng hơn sự khác biệt giữa các công nghệ. Bảng dưới đây đưa ra so sánh giữa hai thị trường khác nhau – Vương quốc Anh và Hoa Kỳ:

     

    Chi phí hệ thống lưới điện tại Anh và Mĩ (USD/MWh). Ảnh: OECD, NEA

     

    Cùng với tỷ lệ năng lượng tái tạo gia tăng, chi phí điện tăng là do tổng các loại chi phí cao hơn như chi phí đầu tư, chi phí cân bằng và đáp ứng nhu cầu trong dài hạn, chi phí bổ sung cho truyền tải và phân phối . Chi phí cân bằng (Balancing costs) cần thiết để đảm bảo hiệu suất hệ thống trên từng phút của cung và cầu, khi cung và cầu bất định. Chi phí thỏa đáng (Adequacy costs) phát sinh nhằm thỏa mãn nhu cầu mọi lúc, trong đó có tính đến những biến động thất thường của nhu cầu và nguồn cung. Đây là những chi phí cần thiết phục vụ cấp điện cho các bệnh viện trong bối cảnh đại dịch – ngay cả trong những ngày nhiều mây hoặc lặng gió.

     

    Ngày nay, ở những quốc gia hiện hữu các công nghệ điện điều chỉnh được theo nhu cầu (dispatchable technologies), các chi phí này bằng không; nhưng nếu loại bỏ công nghệ điều chỉnh cũ và bổ sung công nghệ điều chỉnh mới khi nguồn tái tạo thay đổi thất thường và không có sẵn, việc vận hành các nguồn này sẽ tạo ra đáng kể chi phí thỏa đáng. Kết hợp lượng lớn các nguồn năng lượng tái tạo là một vấn đề phức tạp ảnh hưởng đến cấu trúc, tài chính và phương thức hoạt động của hệ thống điện. Ở hầu hết các nước thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD), năng lượng gió và mặt trời có mức thuế cố định cho mỗi MWh đưa vào hệ thống điện bất kể giá thị trường. Việc xử lý phi đối xứng như vậy sẽ tách các nguồn tái tạo khỏi những tác động mà chúng gây ra cho giá thị trường. Điều này không phải để làm suy yếu chúng, mà để nổi bật thực tế là nếu không có đóng góp của hạt nhân, quá trình chuyển đổi năng lượng sẽ chậm hơn, tốn kém và có nguy cơ thất bại. Công khai minh bạch các chi phí hệ thống rất có ý nghĩa đối với các nhà đầu tư, khách hàng và những người ra quyết định.

     

    Tương lai của năng lượng hạt nhân

     

    Nhiều quốc gia đã cam kết tăng tỷ lệ điện sản xuất từ năng lượng hạt nhân, đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris. Tuy vậy, môi trường chính trị, kinh tế, và thiếu sự ủng hộ của công chúng khiến cho viễn cảnh hoàn thành các mục tiêu đầy tham vọng này trở nên vô cùng mờ mịt. Như ở trên đã trình bày chi tiết, chi phí điện hạt nhân – bao gồm tất cả các thông số – không phải là rào cản. Nhưng chất thải, an toàn và phổ biến hạt nhân vẫn là những chướng ngại vật cần được dọn dẹp để thúc đẩy triển khai công nghệ này.

     

    Ngày nay, một số doanh nghiệp đang đề xuất phương pháp công nghệ mới, sản xuất năng lượng phân hạch khác dựa trên sự kết hợp của máy gia tốc hạt và lò phản ứng cận tới hạn. Công nghệ này – được gọi là hệ thống điều khiển máy gia tốc (accelerator driven system), do CERN tiên phong vào những năm 1990 – nhằm mục đích giảm tuổi thọ của chất thải hạt nhân phóng xạ hiện có và sản xuất năng lượng không cacbon với giá cả phải chăng dưới 5 cent mỗi kWh. Công nghệ này an toàn hơn, có thể mở rộng qui mô, bền vững và chống lại vấn đề phổ biến hạt nhân. Sự đổi mới cốt lõi là sử dụng máy gia tốc proton, tạo ra nguồn nơtron cường độ cao, gây ra phản ứng phân hạch trong vùng hoạt. Tuy nhiên, ngay khi máy gia tốc dừng, phản ứng phân hạch cũng dừng lại. Mức độ cận tới hạn của vùng hoạt cho thấy tính năng an toàn nội tại; sự cố mất kiểm soát như ở Chernobyl là không thể xảy ra. Vì hệ thống được đề xuất được trang bị loại bỏ nhiệt thụ động, sự cố tan chảy hạt nhân như Fukushima hoặc Three-Mile cũng sẽ là không thể. Chất thải từ một nhà máy như vậy vừa giảm về lượng vừa có tuổi thọ ngắn hơn (khoảng 500 năm so với 300.000 năm) do phản ứng sử dụng nhiên liệu dựa trên thori thay vì urani. Hệ thống này cũng mang đến triển vọng sử dụng chất thải hạt nhân làm nhiên liệu, do đó làm giảm lượng phóng xạ trong kho chứa chất thải lớn hiện nay. Với nhiên liệu thori, plutoni được tạo ra không đáng kể, vì vậy loại bỏ nguyên tố thông dụng nhất dùng cho bom hạt nhân. IAEA tuyên bố, về bản chất, chu trình nhiên liệu của thori sẽ có khả năng chống lại vấn đề phổ biến vũ khí hạt nhân.

     

    Công nghệ hạt nhân được cải tiến và được minh chứng như trên có thể duy trì triển khai năng lượng tái tạo bền vững, cung cấp nguồn điện chạy nền ổn định và an ninh, cho phép đáp ứng các mục tiêu khử cacbon do Thỏa thuận Paris đặt ra.

     

    Biên dịch: Phạm Thị Thu Trang, Ban KH&QLKH