Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất trên thế giới, sản xuất lượng năng lượng gấp hơn hai lần so với năng lượng gió và gấp hơn bốn lần so với năng lượng mặt trời. Và việc bơm nước lên đồi, hay còn gọi là "thủy điện tích năng", chiếm hơn 90% tổng dung lượng lưu trữ năng lượng của thế giới.
Nhưng bất chấp tác động to lớn của thủy điện, chúng ta lại ít nghe nói về nó ở Mỹ. Trong khi vài thập kỷ qua chứng kiến giá điện gió và điện mặt trời giảm mạnh và nguồn cung tăng vọt, sản lượng thủy điện trong nước vẫn tương đối ổn định, vì quốc gia này đã xây dựng các nhà máy thủy điện ở những vị trí địa lý lý tưởng nhất.
Trên bình diện quốc tế, câu chuyện lại khác. Trung Quốc đã thúc đẩy sự phát triển kinh tế bằng cách xây dựng hàng nghìn đập thủy điện mới, thường là những công trình khổng lồ, trong vài thập kỷ qua. Châu Phi, Ấn Độ và các quốc gia khác ở châu Á và Thái Bình Dương cũng đang chuẩn bị làm điều tương tự.
Tuy nhiên, việc mở rộng mà không có sự giám sát môi trường nghiêm ngặt có thể dẫn đến nhiều vấn đề, vì các đập và hồ chứa làm xáo trộn hệ sinh thái sông ngòi và môi trường sống xung quanh, và các nghiên cứu gần đây cho thấy các hồ chứa có thể phát thải nhiều khí carbon dioxide và methane hơn so với nhận định trước đây. Thêm vào đó, hạn hán do biến đổi khí hậu đang khiến thủy điện trở thành nguồn năng lượng kém tin cậy hơn, khi các đập ở miền Tây nước Mỹ đã mất đi một lượng đáng kể công suất phát điện.
“Trong một năm bình thường, đập Hoover sẽ sản xuất khoảng 4,5 tỷ kilowatt giờ điện,” ông Mark Cook, Giám đốc của đập Hoover nổi tiếng, cho biết. “Với tình trạng hồ hiện tại, con số thực tế chỉ khoảng 3,5 tỷ kilowatt giờ.”
Tuy nhiên, các chuyên gia cho rằng thủy điện đóng vai trò quan trọng trong tương lai sử dụng 100% năng lượng tái tạo, vì vậy việc học cách giảm thiểu những thách thức này là điều cần thiết.
Thủy điện trong nước
Năm 2021, thủy điện chiếm khoảng 6% tổng sản lượng điện quy mô lớn tại Mỹ và 32% tổng sản lượng điện từ nguồn năng lượng tái tạo. Trong nước, đây là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất cho đến năm 2019, khi bị năng lượng gió vượt qua.
Mỹ dự kiến sẽ không chứng kiến nhiều sự tăng trưởng về thủy điện trong thập kỷ tới, một phần là do quy trình cấp phép và phê duyệt khá khắt khe.
“Quá trình cấp phép tốn hàng chục triệu đô la và nhiều năm nỗ lực. Và đối với một số cơ sở, đặc biệt là một số cơ sở nhỏ hơn, họ đơn giản là không có đủ tiền hoặc thời gian,” ông Malcolm Woolf, Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành của Hiệp hội Thủy điện Quốc gia, cho biết. Ông ước tính có hàng chục cơ quan khác nhau tham gia vào việc cấp phép hoặc gia hạn giấy phép cho một nhà máy thủy điện duy nhất. Ông nói rằng quá trình này mất nhiều thời gian hơn cả việc cấp phép cho một nhà máy điện hạt nhân.
Do tuổi đời trung bình của các nhà máy thủy điện ở Mỹ là hơn 60 năm, nên nhiều nhà máy sẽ cần được cấp phép lại trong thời gian tới.
“Vì vậy, chúng ta có thể phải đối mặt với hàng loạt vụ thu hồi giấy phép, điều này thật trớ trêu khi chúng ta đang cố gắng tăng cường lượng điện năng sản xuất linh hoạt, không phát thải carbon ở nước ta”, Woolf nói.
Tuy nhiên, Bộ Năng lượng cho biết vẫn có tiềm năng tăng trưởng trong nước thông qua việc nâng cấp các nhà máy cũ và bổ sung công suất cho các đập thủy điện hiện có.
“Chúng ta có 90.000 đập nước ở đất nước này, hầu hết được xây dựng để kiểm soát lũ lụt, tưới tiêu, trữ nước và phục vụ mục đích giải trí. Chỉ có 3% trong số những đập nước đó thực sự được sử dụng để phát điện”, ông Woolf cho biết.
Sự phát triển trong lĩnh vực này cũng phụ thuộc vào việc mở rộng thủy điện tích năng, một phương thức đang được chú trọng để "củng cố" nguồn năng lượng tái tạo, lưu trữ năng lượng dư thừa để sử dụng khi trời không có nắng và gió không thổi.
Khi một nhà máy tích năng phát điện, nó hoạt động giống như một nhà máy thủy điện thông thường: Nước chảy từ hồ chứa phía trên xuống hồ chứa phía dưới, làm quay tuabin phát điện trên đường đi. Điểm khác biệt là nhà máy tích năng có thể nạp lại năng lượng, sử dụng điện từ lưới điện để bơm nước từ phía dưới lên hồ chứa phía trên, từ đó tích trữ năng lượng tiềm năng có thể được giải phóng khi cần thiết.
Mặc dù hiện nay hệ thống tích năng thủy điện có công suất phát điện khoảng 22 gigawatt, nhưng đã có hơn 60 gigawatt các dự án đang được đề xuất và đang trong giai đoạn phát triển. Con số này chỉ đứng thứ hai sau Trung Quốc.
Trong những năm gần đây, số lượng đơn xin cấp phép và giấy phép cho các hệ thống tích trữ năng lượng bằng bơm đã tăng lên đáng kể, và các công nghệ mới đang được xem xét. Những công nghệ này bao gồm các cơ sở “vòng kín”, trong đó không có hồ chứa nào được kết nối với nguồn nước bên ngoài, hoặc các cơ sở nhỏ hơn sử dụng bể chứa thay vì hồ chứa. Cả hai phương pháp này đều có khả năng gây ít tác động hơn đến môi trường xung quanh.
Khí thải và hạn hán
Việc xây đập trên sông hoặc tạo ra các hồ chứa mới có thể cản trở sự di cư của cá và phá hủy các hệ sinh thái và môi trường sống xung quanh. Trong lịch sử, các đập và hồ chứa thậm chí đã khiến hàng chục triệu người phải di dời, thường là các cộng đồng bản địa hoặc nông thôn.
Những tác hại này được thừa nhận rộng rãi. Nhưng một thách thức mới — khí thải từ các hồ chứa — hiện đang thu hút sự chú ý ngày càng tăng.
“Điều mà mọi người không nhận ra là những hồ chứa này thực sự phát thải rất nhiều khí carbon dioxide và methane vào khí quyển, cả hai đều là khí nhà kính mạnh”, Ilissa Ocko, nhà khoa học khí hậu cấp cao tại Quỹ Bảo vệ Môi trường, cho biết.
Khí thải này đến từ sự phân hủy của thảm thực vật và các chất hữu cơ khác, chúng bị phân hủy và giải phóng khí metan khi một khu vực bị ngập lụt tạo thành hồ chứa. “Thông thường, khí metan đó sau đó chuyển hóa thành carbon dioxide, nhưng cần có oxy để quá trình này diễn ra. Và nếu nước thực sự rất ấm, thì các lớp đáy sẽ bị thiếu oxy”, Ocko nói, có nghĩa là khí metan sau đó được giải phóng vào khí quyển.
Khi nói đến việc làm nóng trái đất, khí metan có khả năng gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn CO2 hơn 80 lần trong 20 năm đầu tiên sau khi thải ra. Cho đến nay, nghiên cứu cho thấy các khu vực nóng hơn trên thế giới, như Ấn Độ và châu Phi, có xu hướng có nhiều nhà máy gây ô nhiễm hơn, trong khi Ocko cho biết các hồ chứa ở Trung Quốc và Mỹ không phải là mối lo ngại đặc biệt. Nhưng Ocko nói rằng cần phải có một phương pháp đo lường lượng khí thải hiệu quả hơn.
“Và sau đó bạn có thể có đủ loại biện pháp khuyến khích để giảm thiểu nó, hoặc các quy định từ các cơ quan khác nhau để đảm bảo rằng bạn không thải ra quá nhiều,” Ocko nói.
Một vấn đề lớn khác đối với thủy điện là hạn hán do biến đổi khí hậu gây ra. Các hồ chứa nông tạo ra ít điện năng hơn, và điều này đặc biệt đáng lo ngại ở miền Tây nước Mỹ, nơi đã trải qua thời kỳ khô hạn nhất kéo dài 22 năm trong 1.200 năm qua.
Khi các hồ chứa như hồ Powell, nguồn cung cấp nước cho đập Glen Canyon, và hồ Mead, nguồn cung cấp nước cho đập Hoover, sản xuất ít điện hơn, nhiên liệu hóa thạch đang bù đắp sự thiếu hụt. Một nghiên cứu cho thấy từ năm 2001 đến năm 2015, thêm 100 triệu tấn khí carbon dioxide đã được thải ra trên 11 tiểu bang ở miền Tây do sự chuyển dịch khỏi thủy điện gây ra bởi hạn hán. Trong giai đoạn khó khăn đặc biệt đối với California từ năm 2012 đến năm 2016, một nghiên cứu khác ước tính rằng việc mất đi sản lượng thủy điện đã gây thiệt hại cho tiểu bang 2,45 tỷ đô la.
Lần đầu tiên trong lịch sử, tình trạng thiếu nước đã được tuyên bố tại hồ Mead, dẫn đến việc cắt giảm phân bổ nước ở Arizona, Nevada và Mexico. Mực nước hiện ở mức 1.047 feet (khoảng 322 mét) và dự kiến sẽ tiếp tục giảm, do Cục Quản lý Tài nguyên Nước (Bureau of Reclamation) đã thực hiện bước đi chưa từng có tiền lệ là giữ lại nước tại hồ Powell, nằm ở thượng nguồn hồ Mead, để đập Glen Canyon có thể tiếp tục sản xuất điện. Nếu mực nước hồ Mead giảm xuống dưới 950 feet (khoảng 342 mét), nó sẽ không còn phát điện được nữa.
Tương lai của thủy điện
Việc hiện đại hóa cơ sở hạ tầng thủy điện hiện có có thể tăng hiệu quả và bù đắp một phần tổn thất do hạn hán gây ra, cũng như đảm bảo các nhà máy có thể hoạt động trong nhiều thập kỷ tới.
Từ nay đến năm 2030, 127 tỷ đô la sẽ được chi cho việc hiện đại hóa các nhà máy thủy điện cũ trên toàn cầu. Con số này chiếm gần một phần tư tổng đầu tư thủy điện toàn cầu và gần 90% đầu tư tại châu Âu và Bắc Mỹ.
Tại đập Hoover, điều đó có nghĩa là cải tiến một số tuabin để hoạt động hiệu quả hơn ở độ cao thấp hơn, lắp đặt các cửa van nhỏ hơn để kiểm soát dòng nước vào tuabin và bơm khí nén vào tuabin để tăng hiệu suất.
Nhưng ở những nơi khác trên thế giới, phần lớn vốn đầu tư đang đổ vào các nhà máy mới. Các dự án lớn thuộc sở hữu nhà nước ở châu Á và châu Phi dự kiến sẽ chiếm hơn 75% công suất thủy điện mới đến năm 2030. Tuy nhiên, một số người lo ngại về tác động của các dự án này đối với môi trường.
“Theo ý kiến khiêm tốn của tôi, chúng được xây dựng quá mức cần thiết. Chúng được xây dựng với công suất khổng lồ không cần thiết,” Shannon Ames, Giám đốc điều hành của Viện Thủy điện Tác động Thấp cho biết, “Chúng có thể được xây dựng theo kiểu thủy điện dòng chảy tự nhiên và chỉ cần thiết kế khác đi.”
Các nhà máy thủy điện dòng chảy tự nhiên không có hồ chứa, do đó ít tác động đến môi trường hơn, nhưng chúng không thể sản xuất điện theo yêu cầu vì sản lượng phụ thuộc vào lưu lượng nước theo mùa. Thủy điện dòng chảy tự nhiên dự kiến sẽ chiếm khoảng 13% tổng công suất bổ sung trong thập kỷ này, trong khi thủy điện truyền thống sẽ chiếm 56% và thủy điện tích năng chiếm 29%.
Nhưng nhìn chung, tốc độ tăng trưởng thủy điện đang chậm lại và dự kiến sẽ giảm khoảng 23% đến năm 2030. Việc đảo ngược xu hướng này phần lớn phụ thuộc vào việc đơn giản hóa các quy trình quản lý và cấp phép, cũng như thiết lập các tiêu chuẩn bền vững cao và các chương trình đo lường khí thải để đảm bảo sự chấp nhận của cộng đồng. Thời gian phát triển ngắn hơn sẽ giúp các nhà phát triển có được các thỏa thuận mua bán điện, từ đó khuyến khích đầu tư vì lợi nhuận sẽ được đảm bảo.
“Một phần lý do khiến năng lượng thủy điện đôi khi không hấp dẫn bằng năng lượng mặt trời và gió là vì thời gian hoạt động của các cơ sở này khác nhau. Ví dụ, một nhà máy điện gió và mặt trời thường được xem là dự án 20 năm,” Ames nói, “Mặt khác, thủy điện được cấp phép và vận hành trong 50 năm. Và nhiều nhà máy đã hoạt động được 100 năm… Nhưng thị trường vốn của chúng ta không nhất thiết đánh giá cao lợi nhuận dài hạn như vậy.”
Ông Woolf cho rằng, việc tìm ra các biện pháp khuyến khích phù hợp cho phát triển thủy điện và hệ thống tích năng, đồng thời đảm bảo thực hiện một cách bền vững, sẽ đóng vai trò then chốt trong việc giúp thế giới giảm dần sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
“Chúng tôi không nhận được nhiều sự chú ý như một số công nghệ khác. Nhưng tôi nghĩ mọi người ngày càng nhận ra rằng không thể có lưới điện đáng tin cậy nếu thiếu thủy điện.”
Thời gian đăng bài: 14/7/2022
