Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch

Năng lượng hóa thạch được hình thành từ các sinh vật đã chết và bị chôn vùi cách đây hơn 300 triệu năm, qua quá trình phân hủy thiếu oxy. Các nhiên liệu này có hàm lượng carbon và hydrocarbon rất cao.

Các loại nhiên liệu hóa thạch có thể dao động từ các chất dễ bay hơi với tỷ lệ carbonthấp như khí methane và dầu mỏ, đến các chất không bay hơi hoàn toàn như than đá. Methane thường xuất hiện trong các mỏ hydrocarbon, có thể độc lập hoặc kết hợp với dầu mỏ, hoặc dưới dạng methane clathrates. Chúng được hình thành từ các phần còn lại của thực vật và động vật đã bị hóa thạch qua hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ cao trong lòng đất. Lý thuyết về sự hình thành của các loại nhiên liệu này được Georg Agricola đề xuất lần đầu vào năm 1556 và sau đó được mở rộng bởi Mikhail Lomonosov vào thế kỷ 18.

Theo ước tính của Cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA) năm 2006, nguồn năng lượng nguyên thủy toàn cầu gồm 36,8% từ dầu mỏ, 26,6% từ than (bao gồm than nâu và than đá), và 22,9% từ khí tự nhiên, chiếm tổng cộng 86% sản lượng nhiên liệu nguyên thủy trên toàn thế giới. Các nguồn năng lượng không phải hóa thạch bao gồm thủy điện (6,3%), năng lượng hạt nhân (6,0%), và năng lượng từ địa nhiệt, mặt trời, gió, gỗ, và tái chế chất thải chiếm 0,9%. Tăng trưởng tiêu thụ năng lượng toàn cầu khoảng 2,3% mỗi năm.

Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên không thể tái tạo vì quá trình hình thành chúng trên Trái Đất kéo dài hàng triệu năm, trong khi mức tiêu thụ hiện tại nhanh hơn tốc độ tái tạo. Việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang dấy lên mối lo ngại về môi trường. Để giải quyết vấn đề gia tăng nhu cầu năng lượng, thế giới đang chuyển hướng sang các nguồn năng lượng tái tạo.

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch thải ra khoảng 21,3 tỷ tấn carbon dioxide mỗi năm. Tuy nhiên, các quá trình tự nhiên có thể hấp thu khoảng một nửa lượng khí thải này, dẫn đến hàm lượng carbon dioxide trong khí quyển tăng thêm 10,65 tỷ tấn hàng năm (một tấn carbon tương đương 3,7 tấn carbon dioxide). Carbon dioxide là một khí nhà kính quan trọng, góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu và làm tăng nhiệt độ trung bình của Trái Đất.

Nguồn gốc

Nhiên liệu hóa thạch hình thành từ sự phân hủy thiếu oxy của các sinh vật như thực vật và động vật phù du, lắng đọng dưới đáy biển (hoặc hồ) qua hàng triệu năm. Các hợp chất hữu cơ này sau đó trộn với bùn và bị chôn vùi dưới lớp trầm tích dày. Dưới áp suất và nhiệt độ cao, các hợp chất hữu cơ chuyển hóa thành kerogen dạng sáp, tìm thấy trong đá phiến sét dầu. Khi kerogen bị nung ở nhiệt độ cao, nó sẽ chuyển thành hydrocarbon lỏng và khí qua quá trình phát sinh ngược.

Ngược lại, thực vật sống trên cạn thường tạo thành than. Một số mỏ than có niên đại từ kỷ Phấn trắng đã được xác định.

Các ví dụ so sánh tương đối:

• 1 lít xăng tương đương với khoảng 23,5 tấn vật chất hữu cơ cổ đã lắng đọng dưới đáy biển.
• Khối lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong năm 1997 tương đương với lượng thực vật hóa thạch phát triển trong 422 năm trên bề mặt Trái Đất và các đại dương cổ.

Tầm quan trọng

Nhiên liệu hóa thạch đóng vai trò rất quan trọng vì chúng có thể được sử dụng làm chất đốt (bị oxy hóa thành carbon dioxide và nước) để tạo ra năng lượng. Sử dụng than làm nhiên liệu đã có từ rất lâu trong lịch sử, đặc biệt là để nấu chảy quặng kim loại. Các hydrocarbon bán rắn từng được dùng làm chất đốt trong thời cổ đại, nhưng chủ yếu được sử dụng làm chất chống thấm và ướp xác. Việc khai thác dầu mỏ để thay thế dầu động vật (như dầu cá) cho các loại đèn dầu bắt đầu từ thế kỷ 19.

Trước đây, khí thiên nhiên thường bị đốt bỏ trên các giàn khoan dầu và bị coi là sản phẩm phụ không cần thiết trong quá trình khai thác dầu mỏ. Hiện tại, khí thiên nhiên đã trở thành một tài nguyên quý giá và được đánh giá cao.

Dầu thô nặng, còn gọi là dầu cát, có độ nhớt cao hơn dầu thô thông thường. Dầu cát là bitumen kết hợp với cát và sét, là một nguồn nhiên liệu hóa thạch quan trọng. Phiến sét dầu và các loại đá tương tự chứa kerogen, một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ cao phân tử, có thể chuyển hóa thành dầu thô khi bị nhiệt phân. Những vật liệu này vẫn chưa được khai thác rộng rãi. Chúng được sử dụng trong các động cơ đốt trong, nhà máy điện và nhiều mục đích khác.

Trước nửa sau thế kỷ 18, năng lượng cho ngành công nghiệp chủ yếu đến từ cối xay gió, cối xay nước để nghiền bột mì, xẻ gỗ, bơm nước và đốt gỗ hoặc than bùn để cung cấp nhiệt. Sự phát triển sử dụng nhiên liệu hóa thạch bắt đầu với than, sau đó là dầu hỏa để vận hành động cơ hơi nước, góp phần to lớn vào cuộc cách mạng công nghiệp. Cùng thời điểm, khí đốt từ khí thiên nhiên và khí than cũng được áp dụng rộng rãi. Sự phát minh ra động cơ đốt trong và việc lắp đặt nó trong ô tô và xe tải đã làm gia tăng nhu cầu xăng và dầu diesel, hai loại sản phẩm chưng cất từ nhiên liệu hóa thạch. Các phương tiện vận tải khác như đường sắt và hàng không cũng phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, cùng với các nhà máy điện và công nghiệp hóa dầu. Hắc ín, sản phẩm còn lại từ quá trình chiết tách dầu, cũng được sử dụng làm vật liệu trải đường.

Hạn chế và nguyên liệu thay thế

Các nguồn năng lượng thay thế bao gồm năng lượng hạt nhân, thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều và địa nhiệt.

Các mức cấp và lưu lượng

Mức cấp của nguồn năng lượng chính là lượng dự trữ trong lòng đất, trong khi lưu lượng là sản lượng khai thác. Nguồn năng lượng hóa thạch gốc cacbon đóng vai trò quan trọng nhất, với dầu mỏ, than và khí tự nhiên chiếm 79,6% tổng sản lượng năng lượng chính vào năm 2002 (tương đương 34,9 + 23,5 + 21,2 triệu tấn dầu quy đổi).

Mức cấp (dự trữ đã được xác định)

• Dầu mỏ: 1.184 đến 1.342 tỷ thùng (ước tính cho giai đoạn 2007-2009)
• Khí: 6.254-6.436 nghìn tỷ ft³ (177 - 182 nghìn tỷ m³) tương đương 1.138-1.171 tỷ thùng dầu quy đổi (BBOE) cho giai đoạn 2007-2009 (hệ số chuyển đổi 0,182)
• Than: 997,748 tỷ tấn Mỹ hoặc 904,957 tỷ tấn, tương đương 4.416 BBOE (2005), tính theo công thức 997.748 * 0,907186 * 4,879

Lưu lượng (sản lượng tiêu thụ hàng năm) năm 2007

• Dầu mỏ: 85,896 triệu thùng/ngày
• Khí: 104,425 nghìn tỷ ft³ (2,957 nghìn tỷ m³), tương đương 19 BBOE
• Than: 6,743 tỷ tấn Mỹ, chuyển đổi thành 29,85 BBOE

Số năm khai thác còn lại dựa trên lượng dự trữ tối đa được xác định (theo Oil & Gas Journal, World Oil)

• Dầu mỏ: 1.342 tỷ thùng dự trữ / (85,896 triệu thùng/ngày * 365 ngày) = 43 năm
• Khí: 1.171 BBOE / 19 BBOE = 60 năm
• Than: 4.416 BBOE / 29,85 BBOE = 148 năm

Phương pháp tính toán này giả định rằng sản lượng khai thác sẽ giữ mức ổn định trong các năm tới và toàn bộ lượng dự trữ đã xác định có thể được khai thác hoàn toàn. Tuy nhiên, thực tế cho thấy tiêu thụ từ ba nguồn năng lượng này đang gia tăng mỗi năm, thậm chí là tăng nhanh chóng, với đường cong sản lượng khai thác theo hình chuông (giống phân phối chuẩn). Ở một số thời điểm, sản lượng khai thác tại khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu sẽ đạt đỉnh và sau đó giảm xuống cho đến khi khai thác không còn hiệu quả hoặc không thể tiếp tục. Quy luật này được Hubbert đề xuất trong lý thuyết đỉnh điểm Hubbert về dầu khí. Lưu ý rằng các ước tính dự trữ đã xác định không bao gồm dự trữ chiến lược, mà tổng dự trữ chiến lược toàn cầu là hơn 4,1 tỷ thùng.

Các điểm nêu trên làm nổi bật sự cân bằng năng lượng toàn cầu. Điều này giúp hiểu rõ tỷ lệ dự trữ so với tiêu thụ hàng năm (R/C) theo từng khu vực và quốc gia. Ví dụ, chính sách năng lượng của Vương quốc Anh cho biết tỷ lệ R/C của châu Âu là 3,0, một con số thấp hơn nhiều so với mức chuẩn toàn cầu. Điều này chỉ ra rằng châu Âu có thể gặp nguy cơ về năng lượng. Các nguồn năng lượng thay thế đang trở thành chủ đề tranh luận cấp bách toàn cầu.

Tác động môi trường

Tại Hoa Kỳ, hơn 90% khí nhà kính thải ra môi trường xuất phát từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch cũng phát sinh các chất ô nhiễm không khí khác như oxit nitơ, lưu huỳnh dioxide, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và kim loại nặng.

Theo Bộ Môi trường Canada:

'Ngành công nghiệp điện lực là một trong những ngành đóng góp lớn nhất vào các vấn đề ô nhiễm không khí. Sản xuất điện thải ra một khối lượng đáng kể oxit nitơ và dioxide lưu huỳnh tại Canada, gây ra hiện tượng sương mù, mưa acid và hình thành các hạt mịn. Ngành này cũng là nguồn phát thải thủy ngân công nghiệp lớn nhất tại Canada, khó kiểm soát. Các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch còn phát thải dioxide cacbon, một yếu tố chính trong biến đổi khí hậu. Thêm vào đó, ngành điện lực ảnh hưởng lớn đến nước, môi trường sống và các loài sinh vật. Các đập và đường truyền tải điện cũng tác động mạnh mẽ đến nguồn nước và sự đa dạng sinh học.'

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch sinh ra các acid như sulfuric, carbonic và nitric, có khả năng tạo mưa acid và làm tổn hại các vùng tự nhiên. Các tượng điêu khắc bằng cẩm thạch và đá vôi cũng bị ăn mòn bởi acid hòa tan cacbonat calci.

Nhiên liệu hóa thạch chứa các chất phóng xạ như urani và thori, và khi đốt chúng, các chất này được phát tán vào khí quyển. Vào năm 2000, khoảng 12.000 tấn thori và 5.000 tấn urani đã được thải ra từ việc đốt than. Ước tính rằng trong năm 1982, lượng phóng xạ thải ra từ việc đốt than tại Hoa Kỳ gấp 155 lần so với lượng phóng xạ phát tán từ sự cố Three Mile Island.

Việc đốt than cũng sản sinh ra một khối lượng lớn xỉ luyện kim và tro bay, được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chiếm khoảng 40% sản lượng của Hoa Kỳ.

Khai thác, xử lý và phân phối nhiên liệu hóa thạch tạo ra nhiều vấn đề môi trường. Các phương pháp khai thác than đá như khai thác lộ thiên, khai thác từ trên xuống và khai thác dạng dải đều có tác động tiêu cực đến môi trường, trong khi khai thác dầu khí ngoài khơi gây nguy cơ cho hệ sinh thái biển. Các nhà máy lọc dầu cũng góp phần vào ô nhiễm nước và không khí. Việc vận chuyển than thường sử dụng đầu máy xe lửa chạy bằng diesel, trong khi dầu thô được chuyển bằng tàu dầu, làm gia tăng lượng nhiên liệu hóa thạch tiêu thụ.

Các quy định môi trường nhằm giảm thiểu phát thải bao gồm yêu cầu cụ thể (về chất thải hoặc công nghệ), khuyến khích kinh tế và các chương trình tự nguyện.

Một ví dụ về các quy định môi trường ở Hoa Kỳ là 'EPA đã thiết lập chính sách giảm phát thải thủy ngân từ hoạt động hàng không. Theo quy định năm 2005, các nhà máy điện sử dụng than phải giảm phát thải đến 70% vào năm 2018.'

Trong kinh tế học, ô nhiễm từ nhiên liệu hóa thạch được xem là chi phí bên ngoài tiêu cực. Việc áp dụng thuế giúp làm rõ chi phí xã hội của ô nhiễm, làm tăng giá nhiên liệu để giảm nhu cầu và lượng chất gây ô nhiễm, đồng thời tạo quỹ để phục hồi môi trường.

• Loại bỏ phương tiện giao thông chạy bằng nhiên liệu hóa thạch
• Dầu khí phi sinh học cho rằng dầu mỏ không phải là nhiên liệu hóa thạch
• Các nhà xuất khẩu nhiên liệu hóa thạch
• Nhiên liệu gốc cacbon
• Xỉ tảng
• Dự trữ dầu
• Dầu khí

Liên kết ngoài

• 'Khủng hoảng năng lượng đang đến gần?' Lưu trữ ngày 27 tháng 11 năm 2020 tại Wayback Machine - bài viết của James L. Williams từ WTRG Economics và A. F. Alhajji từ Đại học Bắc Ohio
• 'Năng lượng trong tương lai' Lưu trữ ngày 1 tháng 12 năm 2007 tại Wayback Machine - Michael Parfit (National Geographic)
• 'Hỗ trợ nhiên liệu hóa thạch của liên bang và phát thải khí nhà kính' Lưu trữ ngày 11 tháng 10 năm 2008 tại Wayback Machine
• Hỗ trợ nhiên liệu hóa thạch tại châu Âu Lưu trữ ngày 29 tháng 11 năm 2008 tại Wayback Machine