Trường Đại Học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh
  
Bài Tập Lớn
Môn Môi Trường Và Con Người
Đề Tài:
CÔNG NGHỆ XANH VÀ NĂNG LƯỢNG SẠCH
HẠT NHÂN, ĐỊA NHIỆT, FUEL CELL

Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh
Các thành viên của nhóm:
1. Lê Quốc Trí G1003578
2. Trương Quốc Dũng 51100649
3. Phạm Võ Trọng Ân 51200154
4. Tăng Kiến An 51200024
5. Phạm Đăng Khoa 81201717
6. Hồ Thanh Lâm 81201835
7. Nguyễn Tuấn Anh 81200095
8. Lê Đức Toàn 81203913 1

MỤC LỤC
I. Công nghệ xanh và năng lượng sạch: 2
1. Công nghệ xanh: 2
2. Năng lượng sạch: 2

nghệ cũ trở thành công nghệ xanh để bảo vệ môi trường chung cho thế giới.
Mục tiêu của chiều hướng giải quyết vần đề qua khái niệm công nghệ xanh gồm
nhiều lãnh vực căn bản liệt kê như sau:
- Phát triển bền vững bằng những công nghệ thân thiện với môi trường (friendly),
không làm tổn hại đền nguồn tài nguyên thiên nhiên hay ảnh hưởng nguy hại đến những
thế hệ tương lai.
- Tạo dựng một chu trình kín trong sản xuất, nghĩa là phế phẩm của một quy trình sẽ
là nguyên liệu của một quy trình sản xuất khác.
- Giảm thiểu tối đa phế thải độc hại và tăng cường khả năng tái tạo sản phẩm cũ
thành nguyên liệu mới.
- Trong nông nghiệp, sáng tạo công nghệ mới thay vì sư dụng phân bón và hoá chất.
- Một trong những lãnh vực quan trọng nhất cần phải nêu ra là lãnh vực năng lượng.
Công nghệ xanh đòi hỏi cần phải sử dụng năng lượng hợp lý hoặc giảm thiểu hầu bảo vệ
mội trường thiên nhiên.
- Hóa học xanh cũng là một yếu tố quan trọng góp phần vào việc giải quyết công
nghệ xanh.

2) Năng lượng sạch:
Là nguồn năng lượng không có chất thải hoặc có chất thải nhưng không gây ô
nhiễm bầu không khí và ô nhiễm nguồn nước hoặc không ảnh hưởng tới môi trường
sống của con người và hệ sinh thái. Ví dụ như điện, gió, năng lượng mặt trời là những
nguồn năng lượng sạch.
II. Ứng dụng cộng nghệ xanh và năng lượng sạch:
1) Tế bào nhiên liệu (fuel cell): 3

a. Định nghĩa:
Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell), hay

Công việc nghiên cứu về công nghệ tế bào nhiên liệu không phải bị ngưng đến thập niên 50
của thế kỷ 20 mà nó vẫn được tiếp tục phát triển để hoàn thiện.


Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu có khả năng
chống ăn mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc tìm kiếm một nguồn năng lượng
thân thiện môi trường cho tương lai tế bào nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu thập
niên 1990. Thông qua đó việc sử dụng tế bào nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự đã
trở thành hiện thực. Ngày nay khả năng sử dụng trải dài từ vận hành ô tô, sưởi nhà qua các
nhà máy phát điện có công suất hằng 100 kW cho đến những ứng dụng bé nhỏ như
trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay.
4

b. Cấu tạo:
Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo
đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau.
Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực
dương), lớp thứ hai là chất điện
phân dẫn ion và lớp thứ ba là điện cực khí
ôxy (cực âm). Hai điện cực được làm
bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì, ).
Chất điện phân được dùng là nhiều chất
khác nhau tùy thuộc vào loại của tế bào
nhiên liệu, có loại ở thể rắn, có loại ở thể
lỏng và có cấu trúc màng. Vì một tế bào
riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp
cho nên tùy theo điện thế cần dùng nhiều

cách nhìn:
+ Phân loại theo nhiệt độ hoạt động
+ Phân theo loại các chất tham gia phản ứng
+ Phân loại theo điện cực
+ Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày nay

Liệt kê dưới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau:

AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm) 
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi
hạt nhân qua mạng lọc)
6


 DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu
methanol trực tiếp)

7

e. Ứng dụng:

Tế bào nhiên liệu được sử dụng đầu tiên trong những lĩnh vực mà phí tổn không đóng vai
trò quan trọng. Tế bào nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng thời đáng tin cậy và ít ồn
ào hơn động cơ Diesel. Những điều này giải thích tại sao giới quân sự và ngành du hành vũ
trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm. Một số tàu thuyền trên biển cũng dùng tế bào
nhiên liệu.

 Động cơ thúc đẩy cho các ứng dụng dân sự xuất phát từ nhận thức trữ lượng dầu
mỏ trên Trái Đất là có hạn nhưng vẫn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe thời kỳ sau dầu
mỏ vốn đang mang về nhiều lợi nhuận.


Từ 20 năm nay nhiều hãng sản xuất xe (DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) đã nghiên cứu
về xe có nhiên liệu là hiđrô, sử dụng tế bào nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng và
dùng động cơ điện để vận hành. Kỷ thuật này đã được phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe
tải nhẹ.Ở Hamburg (Đức) và Stuttgart (Đức) người ta đang thử nghiệm chạy xe buýt sử
dụng nhiên liệu hydro trên các tuyến đường xe buýt bình thường. Từ năm 2003 hai hãng
đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành bằng điện được cung cấp từ máy phát
điện Diesel hoặc từ một hệ thống tế bào nhiên liệu hiđrô.


thay thế khác. Trong các kiểu động cơ hỗn hợp này khí tự nhiên được chuyển hóa bằng
nhiệt lượng thành oxit cacbon và hiđrô. Hiđrô được dùng trong tế bào nhiên liệu làm chất
đốt và được tiêu thụ hoàn toàn nhưng khí oxit cacbon vẫn còn lại, phản ứng với nước tạo
thành đioxit cacbon, một khí nhà kính tác hại đến khí hậu.

 Theo một nghiên cứu của Hội vì môi trường và bảo vệ tự nhiên Đức (Bund für Umwelt und
Naturschutz Deutschland – BUND) các ô tô dùng tế bào nhiên liệu tuy thải khí ra tại chỗ rất
ít hơn so với các động cơ thông dụng nhưng việc sản xuất ra hiđrô từ những nguồn năng
lượng hóa thạch lại tạo ra các khí thải nên nếu tổng cộng lại, lượng các khí tạo ra hiệu ứng
nhà kính được thải ra tăng lên rất nhiều. Việc thải khí chỉ di chuyển từ ô tô về nơi sản xuất
ra hiđrô.

 Thay vì hiđrô, nếu sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch khác như methanol thì tác động
đến khí hậu vẫn như các động cơ Otto. Nhưng ít ra thì các hợp chất của lưu huỳnh và các
chất độc hại đến sức khỏe thải ra từ ô tô tế bào nhiên liệu giảm đi rất nhiều.

 Tóm lại bản nghiên cứu này cho rằng xe tế bào nhiên liệu thật sự là một lựa chọn cho tương
lai nhưng chỉ khi hiđrô được sản xuất tái sinh ở khối lượng lớn đủ dùng và có thể tích trữ
được. Mặc dù vậy, theo quan điểm của các chuyên gia, xe tế bào nhiên liệu vận hành bằng
các chất đốt hóa thạch vẫn có ý nghĩa: Chúng giúp công nghệ này được phổ biến, phát triển
và chấp nhận tốt hơn và như thế về lâu dài dọn đường cho các xe thật sự không phát sinh ra
khí thải.

 Khí tự nhiên được xem là chất đốt thích hợp nhất cho các thiết bị sử dụng tế bào nhiên liệu
trong các nhà máy phát điện và cho các thiết bị nhỏ hơn dùng cho nhà ở. Kết quả bản
nghiên cứu so sánh của BUND cho thấy ở đây khí hiđrô sản xuất tái sinh vẫn là phương
9

cách phù hợp với sinh thái nhất, nhưng mặc dù vậy các thiết bị tế bào nhiên liệu vận hành
bằng khí tự nhiên thải ra lượng oxit nitơ ít đi gấp ba lần và thải ra các hợp chất của lưu

Hai phương pháp cơ bản sử dụng năng lượng địa nhiệt là sử dụng trực tiếp nguồn
nhiệt hoặc dùng cho sản xuất điện năng. Nguồn nhiệt được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm
các căn hộ, sấy quần áo, làm tan băng trên các đường giao thông. Nếu dùng nhiệt để sản
xuất điện năng, nhiệt độ cần có phải cao hơn 150
0
C. Tại Caliphocnia khoảng 5% năng
lượng điện được sản xuất từ nguồn địa nhiệt. Tại Xanvado là khoảng 30%. Tại Iceland
nguồn địa nhiệt được dùng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công
nghiệp.

10

Nguyên lý hoạt động của các nhà máy điện địa nhiệt
Hiện nay có 3 loại sơ đồ sản xuất điện năng sử dụng nguồn địa nhiệt: Sơ đồ trực
tiếp sử dụng hơi nóng khô; sơ đồ gián tiếp sử dụng hơi nước và sơ đồ hỗn hợp (hai chu
trình).

Trong sơ đồ trực tiếp, hơi nóng
thổi trực tiếp và tuốc bin, làm quay máy
phát để sinh ra điện. Đây là kiểu nhà máy
điện địa nhiệt lâu đời nhất, lần đầu tiên
được xây dựng ở Italia năm 1904 và vẫn
hoạt động cho đến nay. Tại Caliphocnia
có nhà máy lớn nhất thế giới hoạt động
theo nguyên lý này.
quyển. Nước nóng có nhiệt độ vừa phải là
nguồn địa nhiệt thông dụng có tiềm năng
dồi dào nhất. Do đó đa số các nhà máy
điện địa nhiệt trong tương lai sẽ hoạt động
theo nguyên lý này.

Iceland đang xây dựng nhà máy điện địa nhiệt cực lớn

Tại Iceland đã thực hiện một lỗ khoan địa nhiệt sâu
3.000 mét tại vùng núi lửa để chuẩn bị cho dự án khai thác
địa nhiệt dùng để sản xuất điện thân thiện với môi trường.

Từ lỗ khoan sâu hai dặm gần núi lửa Krafla sẽ khai
thác nước siêu lỏng (là trạng thái xóa nhòa ranh giới giữa
pha lỏng và hơi). Nếu được sử dụng để phát điện thì
Iceland sẽ tăng gấp 10 lần năng lượng khai thác từ lòng
đất.

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới sử dụng địa nhiệt. Iceland xếp vị trí 14
trên thế giới về tiềm năng địa nhiệt nhưng là nước có sản lượng điện địa nhiệt tính theo
đầu người cao nhất thế giới.

Với tổng vốn đầu tư khoảng 22 tỉ USD, thực hiện trong 10 năm, dự án đầy tham
vọng của Iceland ngay từ cuối năm 2009 đã bắt đầu khai thác nguồn nước địa nhiệt siêu
lỏng. Các chuyên gia đặt cược cho sự thành công của dự án là 50/50. Nếu thành công, sẽ
cho ra một sản lượng điện bằng một nhà máy điện nguyên tử cỡ vừa.

Hiện tại, Iceland mới chỉ sử dụng khoảng 20% tiềm năng địa nhiệt đang có. Nếu
khai thác toàn bộ trữ lượng địa nhiệt bằng phương pháp thông thường thì hàng năm sẽ
cho ra sản lượng khoảng 20 tỉ W/giờ, tương đương với sản lượng của 3 lò phản ứng hạt

Việc xây dựng các nhà máy phát điện có thể ảnh hượng ngược lại đến sự ổn định
nền đất của khu vực xung quanh. Đây là mối quan tâm lớn cùng với hệ thống địa nhiệt
nâng cao, ở đây nước được bơm vào trong đá nóng và khô không chứa nước trước đó.
Địa nhiệt cũng chiếm một diện tích đất tối thiểu; các nhà máy địa nhiệt hiện hữu
sử dụng 1-8 hecta/1MW so với các nhà máy điện hạt nhân là 5-10ha/MW và 19 ha/MW
đối với nhà máy điện chạy bằng than.

c. Kinh tế
Năng lượng địa nhiệt không cần nhiên liệu và cũng không phụ thuộc vào giá cả
nhiên liệu nhưng chi phí đầu tư ban đầu sẽ cao. Chi phí cho một nhà máy điện địa nhiệt
phải kể đến các chi phí chính như chi phí khoan giếng và thăn dò các nguồn dưới sâu vì
chúng chứa đựng nhiều rủi ro về mặt tài chính rất cao. Hiện tại, chi phí xây dựng các nhà
13

máy điện địa nhiệt và các giếng chiếm khoảng 2-5 triệu € (Euro)/1MW công suất thiết
kế, trong khi chi phí vận hành chiếm khoảng 0,04-0,10€/1kWh.
Năng lượng địa nhiệt cũng có những cấp độ khác nhau: các nhà máy địa nhiệt lớn
có thể cung cấp năng lượng cho toàn bộ các thành phố trong khi đó các nhà máy nhỏ
hơn chỉ có thể cung cấp cho các khu vực nông thôn hoặc một số hộ gia đình.

d. Triển vọng khai thác và sử dụng điện địa nhiệt ở Việt Nam:
Dù phải đứng trước những thách thức về kinh tế, kỹ thuật như trên, các nhà khoa
học về năng lượng địa nhiệt vẫn có những dự báo lạc quan rằng khai thác địa nhiệt đã và
sẽ được vượt qua khó khăn ban đầu để năng lượng địa nhiệt sẽ thực sự có vị trí quan
trọng trong các nguồn năng lượng của tương lai.
Ở Việt Nam, theo khảo sát và đánh giá của các nhà khoa học, hiện có khoảng 264
nguồn, suối nước nóng phân bố tương đối đều trên cả nước: như suối nước nóng Kim
Bôi-Hòa Bình, Thạch Bích-Quảng Ngãi, Bình Châu-Bà Rịa-Vũng Tàu,….với nhiệt độ
trung bình từ 70-100oC ở độ sâu 3km. Ông Tạ Hường, Phó Chủ tịch Hội Nhiệt Việt
Nam cũng nhận định, nước ta được đánh giá là có tiềm năng địa nhiệt trung bình so với

b. Sử dụng và tái sử dụng:
 Sử dụng:
Các nhà máy năng lượng hạt nhân biến đổi năng lượng giải phóng từ hạt nhân
nguyên tử thông qua phản ứng phân hạch.
Khi một hạt nhân nguyên tử dùng
để phân hạch (thường là urani 235 hoặc
plutoni-239) hấp thụ nơtron sẽ tạo ra sự
phân hạch nguyên tử. Quá trình phân hạch
tách nguyên tử thành 2 hay nhiều hạt nhân
nhỏ hơn kèm theo động năng (hay còn gọi
là sản phẩm phân hạch) và cũng giải phóng
tia phóng xạ gamma và nơtron tự do. Một
phần nơtron tự do này sau đó được hấp thụ
bởi các nguyên tử phân hạch khác và tiếp
tục tạo ra nhiều nơtron hơn. Đây là phản
ứng tạo ra nơtron theo cấp số nhân.
Đến năm 2005, năng lượng hạt nhân cung cấp 2,1% nhu cầu năng lượng của thế
giới và chiếm khoảng 15% sản lượng điện thế giới, trong khi đó chỉ tính riêng Mỹ, Pháp
và Nhật Bản sản lượng điện từ hạt nhân chiếm 56,5% tổng nhu cầu điện của ba nước
này. Đến năm 2007, theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA)
có 439 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên thế giới, thuộc 31 quốc gia. 15

 Tái sử dụng:
Chu trình nguyên liệu hạt nhân bắt đầu khi urani được khai thác, làm giàu và chế
tạo thành nguyên liệu hạt nhân, đưa đến nhà máy năng lượng hạt nhân. Sau khi sử dụng
trong nhà máy, nguyên liệu được đưa tới nhà máy tái xử lý. Trong quá trình tái xử lý,
95% nguyên liệu đã xử dụng có thể thu hồi để tái sử dụng.

16

Tuy nhiên chất thải phóng xạ lại cực kì độc hại và tồn tại rất lâu trong môi trường
do các nhiên liệu phóng xạ đều có chu kì bán rã cực kì lâu, nên việc xử lý chất thải
phóng xạ có thể coi là nhược điẻm duy nhất của nền công nghiệp hạt nhân. Các chất thải
phóng xạ được trữ trong hơn 430 vị trí trên thế giới, nơi mà nguyên liệu phóng xạ tiếp
tục được tích luỹ.
 Xử lý chất thải hạt nhân:
Dưới đây là 8 giải pháp đối mặt với vấn đề chất thải hạt nhân và những rủi ro từ
chúng:
 Đưa vào không gian
Nỗi lo về chất thải hạt nhân sẽ tan biến và không thể gây hại cho con người nếu
chúng ta có thể đưa chúng vào hệ mặt trời, hay “thả” vào mặt trời. Nhưng nếu các vụ
phóng tàu để đưa ra các chất thải hạt nhân vào không gian thất bại, hậu quả sẽ khôn
lường như thế nào?
Khi tàu phóng rơi xuống các đại dương, phát nổ trên vùng thượng quyển… hậu
quả với con người, sinh vật trên Trái Đất là khôn lường. Do đó, việc đưa chất thải ra
ngoài vũ trụ cần được cân nhắc.
Thậm chí, giả sử việc phóng ra ngoài không gian thành công theo đúng lộ trình và
an toàn, rất có thể một ngày nào đó, những chất thải đó có thể quay trở lại.
 Chôn sâu trong lòng đất
Việc chôn chất thải hạt nhân xuống sâu dưới lòng đất là một lựa chọn ưa thích
của nhiều quốc gia. Tuy nhiên, nó sẽ được chôn như thế nào là câu hỏi gây ra sự tranh
cãi.
Giải pháp chôn sâu vẫn là một dự tính trên giấy, mô tả việc đưa chất thải vào
trong những chiếc hộp thép rồi chôn sâu hàng km dưới bề mặt Trái Đất. Một lợi thế của
việc chôn chất thải là có thể khoan chúng gần các lò phản ứng hạt nhân, giúp giảm
khoảng cách để vận chuyển những chất thải “nguy hiểm cao độ” xuống nơi chôn lấp.
Tuy nhiên, các nước đều vấp phải vấn đề liên quan đến lựa chọn địa điểm chôn
lấp chất thải, những nguyên tắc tiêu chuẩn để đảm bảo an toàn cho môi sinh khu vực

quản vĩnh viễn bên dưới các lớp băng dày hàng chục m. Tuy nhiên, ý kiến này sớm bị
loại bỏ. Lý giải cho việc bác bỏ, là lo ngại việc dịch chuyển các mảng băng cũng như
hiện tượng biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu.
Hiện nay, đỉnh Quelccaya ở Nam Peru, đỉnh núi băng nhiệt đới lớn nhất thế giới,
có tốc độ tan chảy khoảng 60 mét mỗi năm, tăng gấp 10 lần so với tốc độ tan băng của
những năm 1960.
 Cất giữ trong đá nhân tạo
Lựa chọn tốt nhất và hiện thực nhất hiện nay là việc cô lập các chất thải phóng xạ
trong các loại đá tổng hợp nhân tạo sau đó chôn xuống dưới lòng đất. Cách này sẽ ngăn
chất thải phóng xạ và làm nhiễm độc đất, đá và nước xung quanh.
Các nhà khoa học đã phát triển loại đá nhân tạo (synroc) từ những năm 1970
nhằm lưu giữ những chất thải hạt nhân có mức phóng xạ lớn. Các loại đá được thiết kế
khác nhau phụ thuộc vào loại chất thải riêng biệt, dựa trên công thức cho phản ứng
nước-ánh sáng cũng như hàm lượng chất plutonium.
Một giải pháp tương tự là sử dụng vật liệu gốm nano trong bảo quản và lưu giữ
chất thải phóng xạ. các nhà khoa học Australia dùng sơn với sợi gốm nano được làm từ
oxit của titan để sơn lên bề mặt các bể hay thùng lớn bằng thép, được dùng để chứa chất
thải phát sinh trong quá trình khai thác các chất phóng xạ và nước thải trong quá trình
làm mát lò phản ứng.
Vật liệu gốm nano có ưu điểm là rất bền và có thời gian tồn tại lâu hơn các ion
chất phóng xạ, có khả năng bẫy các ion dương của chất phóng xạ và giữ chặt chúng mãi
trong đó. Chỉ cần quét một lớp sơn mỏng cỡ nano mét (một phần tỷ mét) sẽ tăng độ an
toàn lên rất nhiều.
 Rút ngắn chu kỳ bán rã
Hiện, một số nhà khoa học đang tính tới việc giảm chu kỳ bán rã của các chất thải
phóng xạ, qua đó, xử lý nhanh chóng các chất này, thay vì tìm cách chôn chúng ở đâu đó
và chờ chúng phân rã hết. Máy Laser Vulcan là một thiết bị ra đời từ ý tưởng đó. Máy có
18

thể tạo ra các xung điện mạnh và ngắn, một triệu tỷ Watts, bắn vào một cục vàng nhỏ,