Giải chuyên đề học tập Vật lí 10 Cánh diều bài 3: Năng lượng tái tạo

I. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ NĂNG LƯỢNG KHÔNG KHÍ TÁI TẠO

Câu hỏi: Phát biểu nào dưới đây là phát biểu về nguồn năng lượng tái tạo?

a, Mất thời gian dài để hình thành

b. Hình thành nhờ sự phân hủy xác sinh vật trong vài tháng.

c. Hình thành nhờ sự phân hủy xác sinh vật qua hàng triệu năm.

d. Có nguy cơ cạn kiệt.

Phát biểu về nguồn năng lượng tái tạo: Hình thành nhờ sự phân hủy xác sinh vật trong vài tháng.

Vì dựa vào khái niệm nguồn năng lượng tái tạo được hình thành trong thời gian ngắn, từ các nguồn thiên nhiên.

Luyện tập: Từ các nguồn năng lượng ở hình 3.2, bạn hãy phân năng lượng ở Trái Đất thành hai dạng: năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo.

• Năng lượng tái tạo: Mặt Trời, Gió, Địa nhiệt, Thủy điện, Sinh khối.
• Năng lượng không tái tạo: Khí thiên nhiên (Khí đốt), Hạt nhân, Than đá, Dầu mỏ.

Luyện tập: Quan sát đồ thị hình 3.3 và nhận xét sự thay đổi tỉ trọng năng lượng điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo.

Với năng lượng điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo đều có tỉ trọng thấp hơn nhiều so với năng lượng điện sản xuất từ các nguồn năng lượng không tái tạo.

II. VAI TRÒ CỦA NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Câu hỏi: Tại sao phải khai thác nguồn năng lượng mới?

Khai thác nguồn năng lượng mới là xuất phát từ nhu cầu thực tế. Vì:

• Nguồn năng lượng không tái tạo có hạn. Trữ lượng than đá, dầu mỏ, khí đốt nhiều nhất cũng chỉ đủ cho loài người sử dụng tiết kiệm trong mấy trăm năm nữa.
• Nguồn năng lượng thủy điện ở các nước phát triển đã được khai thác triệt để.
• Sự phát triển của xã hội, dân số tăng trưởng, nhu cầu về năng lượng ngày càng cao, môi trường xấu đi, mà nguồn năng lượng ngày càng giảm đi.
• Phát triển các nguồn năng lượng mới đặc biệt là phát triển năng lượng tái tạo đang là xu thế toàn cầu và đóng vai trò rất quan trọng. Năng lượng tái tạo có trữ lượng dồi dào, đa dạng, ít gây tác hại đến môi trường, giúp giảm khí thải nhà kính, góp phần chống biến đổi khí hậu.

Vận dụng: Quan sát biểu đồ hình 3.4 và trả lời câu hỏi:

• Nguồn năng lượng tái tạo truyền thống được con người khai thác là gì?
• Nguồn năng lượng tái tạo nào mới được khai thác và chiếm tỉ trọng ngày càng lớn?

• Nguồn năng lượng tái tạo truyền thống được con người khai thác là: năng lượng nước, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời, năng lượng sinh khối.
• Nguồn năng lượng tái tạo mới được khai thác và chiếm tỉ trọng ngày càng lớn là: năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời.

III. KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1. Công nghệ thu năng lượng từ ánh sáng 

Câu hỏi: Năng lượng nhiệt của Mặt trời có vai trò gì trong hoạt động phơi nông sản, sản xuất muối?

Mặt Trời là nguồn năng lượng ánh sáng và năng lượng nhiệt tự nhiên cho hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người trong hàng trăm nghìn năm nay như phơi nông sản, làm muối.

• Làm bay hơi nước biển trong quá trình làm muối.
• Làm khô nông sản (phơi thóc, phơi nông sản,…).
• Diệt nấm mốc.

Vận dụng: Máy nước nóng năng lượng mặt trời (H.3.6) có chức năng gì và hoạt động như thế nào?

Chức năng: Đây là một thiết bị hoạt động dựa vào nguồn năng lượng mặt trời để tạo ra nhiệt, làm nóng nước, phục vụ nhu cầu sinh hoạt của gia đình như tắm giặt, nấu cơm, rửa bát…

Nguyên lí hoạt động: >Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý đối lưu nhiệt tự nhiên, khi có ánh nắng mặt trời các ống chân không có sẵn nước lạnh sẽ hấp thụ nhiệt và làm nóng nước nhanh mà không cần phải cắm điện như máy nước nóng gián tiếp hay máy nước nóng trực tiếp. Theo nguyên lý đối lưu nhiệt, nước nóng hơn có xu hướng di chuyển lên trên bồn nước và nước lạnh di chuyển xuống dưới ống chân không để được làm nóng. Quá trình làm nước nóng sẽ kết thúc khi nhiệt độ nước trong cả bình chứa và ống chân không bằng nhau.

2. Công nghệ thu năng lượng từ sức nước

Câu hỏi: Tại sao nói sức nước là năng nượng tái tạo và có nguồn gốc từ mặt trời?

• Năng lượng từ sức nước là năng lượng tái tạo vì nguồn nước gần như vô hạn, có thể tái tạo nhanh chóng
• Năng lượng từ sức nước có nguồn gốc từ Mặt Trời vì Mặt Trời là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất. Mặt Trời cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa học, trong đó có phản ứng tạo ra nước từ các phân tử Hidro và Oxi, đồng thời Mặt Trời còn làm nước bốc hơi, tham gia vào quá trình tạo ra mưa.

3. Công nghệ thu năng lượng từ sức gió

Luyện tập: Nhà máy thu điện khai thác thế năng của nước để tạo ra điện năng. Từ độ cao 120m, 1,5.105 kg nước được xả sau một giây, chảy xuống, làm quay cánh quạt của tua bin và tạo ra công suất điện 100MW. Hiệu suất của nhà máy điện này là bao nhiêu?

a, 5,6%

b, 43%

c, 57%

d, 68%

W_t= mgh = 1,5.10⁵.9,8.120 ≈ 174,6.10⁶

Công suất mà lượng nước trên tạo ra trong 1s là 

P= 176,4.10⁶ W

Ta có công suất điện có ích là P′ = 100 MW= 100.106

HIệu suất của máy phát điện là:

H = $\frac{P_{i}}{P_{tp}}$.100=$\frac{100.10^{6}}{174,6.10^{6}}$.100=57%

Câu hỏi: Tại sao nói sức gió là năng lượng tái tạo và có nguồn gốc từ Mặt trời?

Vì dựa vào khái niệm nguồn năng lượng tái tạo được hình thành trong thời gian ngắn, từ các nguồn thiên nhiên.

Năng lượng gió là năng lượng tái tạo là vì gió là sự chuyển động của không khí từ khu vực có áp suất cao đến khu vực có áp suất thấp. Trên thực tế, gió tồn tại là do mặt trời làm nóng bề mặt Trái Đất một cách không đều. Khi không khí nóng tăng lên, không khí mát hơn di chuyển vào để lấp đầy khoảng trống. Chỉ cần có nắng thì gió sẽ thổi. Và gió từ lâu đã đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng cho con người. 

Gió là nguồn năng lượng vô hạn nên nó được coi là năng lượng tái tạo.

4. Công nghệ thu năng lượng từ sinh khối động thực vật

Câu hỏi: Tại sao nói năng lượng dự trữ trong sinh khối có nguồn gốc từ mặt trời

Năng lượng sinh khối là những vật liệu liên quan đến thực vật và động vật. Sinh khối chứa năng lượng hóa học được lưu trữ từ Mặt Trời.

• Năng lượng dự trữ trong sinh khối động thực vật thông qua phản ứng quang hợp để tạo thành carbonhydrates. Sinh khối là các chất hữu cơ dễ phân hủy, bao gồm gỗ các cây nông nghiệp, cây thân thảo, …, chất thải hữu cơ.
• Năng lượng sinh khối có thể được đốt trực tiếp để lấy nhiệt hoặc chuyển đổi thành các dạng năng lượng nhiên liệu lỏng, rắn và khí tạo ra thông qua quá trình khác nhau.

Câu hỏi: Tại sao nói nhiên liệu hóa thạch có nguồn gốc từ sinh khối động thực vật?

Nhiên liệu hóa thạch là các loại nhiên liệu chứa một hàm lượng cacbon và hydrocacbon cao. Chúng được tạo thành bởi quá trình phân hủy kị khí của các sinh vật chết bị chôn vùi cách đây hơn 300 triệu năm. Cụ thể là thực vật phù du và động vật phù du lắng đọng xuống đáy biển (hồ) với số lượng lớn. Với điều kiện thiếu oxy và trải qua thời gian địa chất. Các hợp chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn vùi bên dưới các lớp trầm tích nặng. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao làm cho các vật chất hữu cơ bị biến đổi hóa học. Tạo thành các nhiên liệu hóa thạch.

Vận dụng: Việc đốt rơm rạ sau mỗi vụ mùa có tác dụng gì? Việc này gây hại như thế nào đến môi trường? Có cách nào sử dụng rơm rạ hiệu quả hơn không?

Tác dụng: 

Việc cải tạo đất bằng cách đốt rơm rạ đã có từ rất lâu trong kinh nghiệm canh tác của nông dân. Theo ngành nông nghiệp thì cách làm này giúp tiêu diệt một số loài côn trùng trú ẩn trên góc rạ, làm sạch mầm bệnh cho vụ sau, đồng thời cũng cung cấp một ít Kali cho đất và giải phóng nhanh mặt bằng đồng ruộng để trồng vụ mới.

Tác hại: Việc đốt đồng đã gây ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu.

Giải pháp thay thế:

• Vùi rơm rạ vào đất: Ngoài một số ưu điểm như diệt cỏ dại, côn trùng, nấm bệnh, duy trì nguồn cung cấp đạm cacbon trong đất với lợi ích lâu dài, cách làm này cũng có một số hạn chế như sau: Khi tưới ngập nước đồng ruộng phát sinh ra khí metan (CH4). Khí metan này gia tăng sẽ gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
• Dùng làm thức ăn gia súc, làm nấm, phủ đất trồng rau, màu: Phương pháp thay thế đốt rơm rạ là sử dụng rơm rạ làm thức ăn gia súc, dùng để phủ đất trồng rau, màu, làm nấm rơm… Rơm rạ còn được dùng để sản xuất ethanol và sản xuất giấy.

5. Công nghệ thu năng lượng từ nguồn địa nhiệt

Câu hỏi: Tại sao nói địa nhiệt là năng lượng tái tạo?

Địa nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất. Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái Đất, phần trên cùng của vỏ trái đất. Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ trái đất, nguồn nhiệt lượng liên tục từ lòng đất này được ước đoán tương đương với một khoảng năng lượng 42 triệu MW. Lòng đất thì vẫn tiếp tục nóng hằng tỷ năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận. Chính vì vậy địa nhiệt được liệt vào dạng năng lượng tái tạo.

Vận dụng: Quan sát hình 3.16 và dự đoán chất phát thải từ nhà máu điện địa nhiệt là chất gì? Tìm kiếm thông tin từ các nguồn tin cậy trên Internet để kiếm tra dự đoán của bạn.

Dự đoán: Chất phát thải từ nhà máy điện địa nhiệt là CO­2, H2S, CO, …

Kết quả: Chất lỏng được lấy ra từ Trái Đất sâu mang theo một hỗn hợp các khí, đặc biệt là carbon dioxide (CO2), hydrogen sulfide (H2S), metan (NH4) và amonia (NH3). Những chất gây ô nhiễm này góp phần gây ra hiện tượng nóng dần lên trên toàn cầu, mưa axit, và mùi độc hại nếu được giải phóng.

Vận dụng: 

Lập kế hoạch và thực hiện dự án: đề xuất biện pháp phát triển năng lượng tái tạo ở tình thành phố quê bạn từ nay đến 2045

Thảo luận các câu hỏi định hướng trong bối cảnh cụ thể của địa phương nói bạn sinh sống:

• Địa phương có những lợi thế, tiềm năng gì về phát triển năng lượng tái tạo?
• Địa phương đã áp dụng các công nghệ nào để thu năng lượng tái tạo? Các loại năng lượng tái tạo hiện nay đã đáp ứng nhu cầu sinh hoạt, sản xuất ở mức độ nào?
• Việc phát triển năng lượng tái tạo ở địa phương có thể gặp có khó khăn, thách thức nào?
• - Có thể đề xuất những biện pháp cụ thể nào nhằm phát triển hơn nữa năng lượng tái tạo ở địa phương?
• Các nhân, gia đình, nhà trường và cộng đồng bạn sinh sống có thể tham gia thực hiện các giải pháp này như thế nào?

Lưu ý:

* Cần phân tích sự vận dụng các kiến thức, kĩ năng vật lí để giải thích các biện pháp đặt ra.

* Nếu có một số kiến thức liên quan chưa được học, hãy tìm hiểu ở sách báo và các trang web tin cậy

Gợi ý câu trả lời

Ví dụ một số nơi có những lợi thế, phát triển năng lượng tái tạo:

• Phú Thọ, Quảng Bình, Quảng trị có tiềm năng năng lượng địa nhiệt lớn.
• Tây Nguyên, Nam bộ có tiềm năng năng lượng gió lớn.
• Vùng bắc vịnh Bắc Bộ, vùng ven biển Vũng Tàu – Cà Mau có tiềm năng năng lượng thủy triều lớn.
• Ninh Thu
• Ninh thuận – Bình Thuận có tiềm năng dòng chảy lớn
• Đồng bằng sông Cửu Long, Bắc Trung Bộ, Duyên hải miền Trung có tiềm năng năng lượng sinh khối lớn.
• Thành phố Hồ Chí Minh, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)… có tiềm năng năng lượng Mặt Trời lớn.

 Địa phương đã áp dụng các công nghệ tương ứng để thu năng lượng tái tạo:

• Đối với địa phương tiềm năng năng lượng gió sẽ sử dụng các tua – bin gió.
• Đối với địa phương tiềm năng năng lượng Mặt Trời sẽ lắp đặt các tấm pin mặt trời tùy theo quy mô sử dụng.
• Đối với địa phương tiềm năng năng lượng nước (dòng chảy, thủy triều, sóng) sẽ xây dựng các nhà máy thủy điện, phao hấp thụ điểm, bộ suy giảm bề mặt, cột nước dao động,…
• Đối với địa phương tiềm năng năng lượng sinh khối sẽ thu năng lượng bằng cách: đốt nhiệt sinh khối, khí hóa sinh khối, chuyển hóa chất lỏng sinh khối, phát điện bằng Biopower – Biomass.

Các loại năng lượng tái tạo hiện nay đã đáp ứng nhu cầu sinh hoạt, sản xuất. Theo Nghị quyết 55 đã đề ra mục tiêu: “Tỉ lệ các nguồn năng lượng tái tạo trong tổng cung năng lượng sơ cấp đạt khoảng 15 - 20% vào năm 2030; 25 - 30% vào năm 2045”; bảo đảm vững chắc an ninh năng lượng quốc gia, đáp ứng yêu cầu phát triển nền kinh tế nhanh và bền vững, bảo vệ môi trường sinh thái.