Điện năng lượng mặt trời tác động đến môi trường ra sao?

Điện năng lượng mặt trời tác động đến môi trường ra sao? chắc chắn là cầu hỏi rất nhiều nhà đầu tư điện năng lượng mặt trời quan tâm. Để hiểu được những tác động của điện năng lượng mặt trời đến môi trường như thế nào, mời các bạn cùng tham khảo một số tác nhân và mức độ ảnh hưởng của chúng tới môi trường qua bài viết dưới đây.

Mặt trời cung cấp nguồn điện đáng tin cậy mà không gây ô nhiễm độc hại hoặc khí thải giữ nhiệt như nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, giống như tất cả các nguồn năng lượng khác, điện năng lượng mặt trời vẫn có một số tác động đến con người và môi trường. Ảnh hưởng của nó đến việc sử dụng đất, động vật hoang dã, môi trường sống, nguồn nước và chất thải rắn là những vấn đề quan trọng cần xem xét.

Tác động môi trường của điện năng lượng mặt trời rất khác nhau tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng. Có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời chính: hệ thống quang điện (Quang điện, PV, tấm pin năng lượng mặt trời) hoặc nhà máy nhiệt mặt trời tập trung (CSP, Concentrating solar power). Hệ thống quang điện PV chiếm hơn 99% công suất năng lượng mặt trời đã lắp đặt và đang được lên kế hoạch sử dụng, và là trọng tâm chính của bài viết này. Quy mô của hệ thống—từ các mảng PV nhỏ trên mái nhà cung cấp vài kilowatt điện, đến các dự án PV nhiều mẫu đất cung cấp hàng trăm megawatt—cũng đóng vai trò quan trọng trong mức độ tác động môi trường.

Bằng cách hiểu rõ các vấn đề môi trường hiện tại và tiềm tàng liên quan đến năng lượng mặt trời, chúng ta có thể thực hiện các bước để tránh hoặc giảm thiểu hiệu quả những tác động này khi năng lượng mặt trời chiếm tỷ trọng lớn hơn trong nguồn cung cấp điện của chúng ta.

Tác động đến quỹ đất sử dụng

Tác động đến đất đai và môi trường sống của các cơ sở năng lượng mặt trời quy mô lớn phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tổng diện tích đất cần thiết cho một lượng công suất năng lượng mặt trời nhất định phụ thuộc vào công nghệ và địa hình, địa điểm. Phân tích các hệ thống PV quy mô lớn ở Hoa Kỳ đến năm 2019 cho thấy mức sử dụng đất trung bình từ 2,9 đến 4,2 mẫu Anh (từ 1.2 ha đến 1.7ha)  trên mỗi megawatt (dòng điện một chiều; một megawatt tạo ra đủ điện cho đến vài trăm hộ gia đình).

Tác động của việc sử dụng đất đó phụ thuộc một phần vào việc dự án năng lượng mặt trời đang thay thế cái gì. Ví dụ, việc thay thế nông nghiệp tiêu thụ nhiều nước ở các vùng dễ bị hạn hán có thể giải phóng nước cho các nhu cầu khác, trong khi một dự án năng lượng mặt trời gây ra những thay đổi lớn về cảnh quan có thể tác động mạnh đến động vật hoang dã và môi trường sống. Đối với các hệ thống quang điện quy mô lớn, có thể cung cấp nhiều điện hơn với chi phí thấp hơn, một số dự án có thể giảm thiểu tác động bằng cách đặt tại các địa điểm như đất bỏ hoang, đất khai thác mỏ bị bỏ hoang hoặc các hành lang giao thông và truyền tải hiện có.

Mặc dù các dự án năng lượng mặt trời truyền thống thường ít có cơ hội chia sẻ đất với mục đích nông nghiệp hơn so với các dự án năng lượng gió, trong đó diện tích chiếm dụng của các tuabin gió chỉ chiếm một phần nhỏ diện tích dự án, nhưng một số cơ hội đang xuất hiện. Kinh nghiệm ban đầu với các dự án “nông nghiệp kết hợp năng lượng mặt trời” cho thấy việc triển khai chiến lược hệ thống quang điện trên đất nông nghiệp có thể góp phần tăng năng suất cây trồng, giảm lượng nước sử dụng và mang lại thu nhập bổ sung cho nông dân. Điển hình trong số này phải kể đến các dự án trồng cây dược liệu dưới giàn tấm pin năng lượng mặt trời.

Tại những khu vực có diện tích đất hạn chế, các hệ thống điện mặt trời nổi có thể được triển khai trên các vùng nước như hồ chứa, ao chứa nước thải và ao tưới tiêu/giữ nước nông nghiệp. Mặc dù chi phí xây dựng cao hơn, điện mặt trời nổi có thể bảo tồn diện tích đất và giúp giảm sự bay hơi nước và sự phát triển của tảo. Hiệu ứng làm mát của nước cũng có thể làm tăng sản lượng điện mặt trời.

Nhìn chung, các quyết định về địa điểm cho các dự án lớn cần xem xét các mục đích sử dụng đất cạnh tranh, quyền sở hữu đất đai và ý nghĩa văn hóa/lịch sử của khu vực, đồng thời phải được đưa ra với sự tham gia tích cực của cộng đồng địa phương và các bên liên quan để đảm bảo rằng lợi ích và gánh nặng được phân bổ một cách công bằng.

Động vật hoang dã và môi trường sống của động vật hoang dã

Việc lựa chọn vị trí lắp đặt các dự án năng lượng mặt trời một cách có chọn lọc có thể giảm thiểu tác động đến môi trường tự nhiên, và các dự án trên khắp mọi nơi đang khám phá những phương pháp tiếp cận mới để phát triển năng lượng mặt trời với tác động thấp.

Việc sử dụng đất đai là một vấn đề đáng lo ngại không chỉ vì sự cạnh tranh với nhu cầu của con người, mà còn vì những ảnh hưởng của nó đến động vật hoang dã và môi trường sống. Việc phá rừng hoặc thay đổi đất để xây dựng các cơ sở năng lượng mặt trời quy mô lớn có thể tác động đến đa dạng sinh học địa phương và giải phóng khí gây hiệu ứng nhà kính do việc làm xáo trộn hoặc loại bỏ đất và sinh khối. Quá trình này cũng có thể gây ra sự phân mảnh môi trường sống và ảnh hưởng đến hành lang di cư của động vật hoang dã. Mặc dù việc lựa chọn địa điểm xây dựng các nhà máy năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng việc sử dụng đất đã bị tác động trước đó có thể tránh hoặc giảm thiểu một số tác động này.

Các nhà quy hoạch cũng đang khám phá những cách tiếp cận khác để phát triển năng lượng mặt trời ít tác động đến môi trường. “Năng lượng mặt trời sinh thái” bao gồm các hệ thống quang điện được thiết kế để hỗ trợ các chức năng của hệ sinh thái, chẳng hạn như đa dạng sinh học và môi trường sống của động vật hoang dã. Ví dụ, với năng lượng mặt trời “thân thiện với loài thụ phấn”, việc trồng thảm thực vật bản địa sau khi lắp đặt tấm pin sẽ tạo ra môi trường sống cho ong và các loài thụ phấn khác, có thể cải thiện năng suất cây trồng ở các cánh đồng lân cận. Việc lắp đặt các cơ sở năng lượng mặt trời trong “môi trường xây dựng”, chẳng hạn như trên mái nhà hoặc trên các bãi đậu xe, cũng có thể giảm thiểu tác động tiêu cực đến động vật hoang dã và môi trường sống.

Lượng nước sử dụng

Năng lượng mặt trời quang điện (PV) sử dụng rất ít nước. Mặc dù, giống như nhiều quy trình sản xuất khác, một lượng nước nhất định được sử dụng để sản xuất các tấm pin PV, nhưng việc tạo ra điện bằng năng lượng mặt trời PV không sử dụng nước. Việc rửa các tấm pin mặt trời có thể cải thiện hiệu suất phát điện, nhưng chúng cũng tiêu tốn một lượng nước lớn góp phần làm ảnh hưởng tới nguồn nước trong tự nhiên. 

Nguyên vật liệu sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời

Các yếu tố đầu vào và tác động của hệ thống quang điện (PV) khác nhau tùy thuộc vào công nghệ cụ thể được sử dụng. Tính đến năm 2020, 84% công suất điện mặt trời lắp đặt tại Mỹ dựa trên silicon tinh thể trong các hệ thống từ hệ thống mái nhà dân dụng đến các hệ thống quy mô lớn. Phần còn lại dựa trên các mô-đun cadmium-telluride ( CdTe ), được sử dụng trong các hệ thống lớn hơn.

Các tế bào silicon được sản xuất theo cách tương tự như chất bán dẫn dùng cho máy tính và các ứng dụng khác, và đòi hỏi sự chú ý tương tự đến việc xử lý vật liệu và an toàn lao động, đặc biệt là do các hóa chất liên quan đến quá trình sản xuất, chẳng hạn như axit clohydric, axit sulfuric, axit nitric và hydro florua.

Các mô-đun năng lượng mặt trời chủ yếu được cấu tạo từ các vật liệu thông thường, không độc hại. Theo các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia, Trường Mỏ Colorado và Đại học Bang Arizona ( Mirletz và cộng sự, 2023 ), các mô-đun silicon tinh thể chủ yếu (87%) là thủy tinh và nhôm, cộng thêm silicon và polyme, và dưới 1% là đồng, bạc và thiếc. Các mô-đun cadmium-telluride có hơn 90% là thủy tinh và nhôm, cộng thêm polyme và 0,4% là đồng. Các vật liệu tiềm ẩn nguy cơ gây hại lớn nhất là chì trong các mô-đun silicon (dưới 0,1%, được sử dụng để hàn) và cadmium trong các mô-đun CdTe (cũng dưới 0,1%).

Một phân tích của Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho thấy rủi ro đối với sức khỏe cộng đồng là thấp ngay cả trong “kịch bản xấu nhất” về việc xử lý chất thải (bãi chôn lấp không có lớp lót và không được che phủ, không có quản lý nước ngầm và không có giám sát – điều mà các tác giả chỉ ra là bất hợp pháp ở nhiều nơi trên thế giới). Các vật liệu được nghiên cứu là “một phần của các hợp chất và hợp kim ổn định… ít có khả năng bị rò rỉ hơn so với các dạng nguyên tố”.

Liên quan đến các vật liệu khác có khả năng gây lo ngại, Mirletz và cộng sự báo cáo rằng họ không tìm thấy “bất kỳ bằng chứng nào cho thấy một trong hai công nghệ PV này có chứa asen, gali, germani, crom hóa trị sáu hoặc các chất perfluoroalkyl”—trong khi đó, để so sánh, nhiều chất trong số đó có thể được tìm thấy trong than đá .

Chất thải và vòng đời sản phẩm

Các hệ thống pin mặt trời quang điện (PV) có tuổi thọ hàng chục năm, thường là 30 năm trở lên . Mặc dù sự gia tăng ứng dụng năng lượng mặt trời trong những năm gần đây đồng nghĩa với việc hầu hết các hệ thống PV đều tương đối mới so với tuổi thọ dài của chúng, nhưng cuối cùng các mô-đun cũng sẽ hỏng. Khi chúng được loại bỏ, lượng chất thải ít hơn nhiều so với than đá và nhiên liệu hóa thạch.

Mirletz và cộng sự ước tính lượng chất thải mô-đun PV tích lũy từ năm 2016 đến năm 2050 là từ 54 triệu tấn (trường hợp tốt nhất) đến 160 triệu tấn (trường hợp xấu nhất). Họ so sánh những ước tính này với các dòng chất thải khác: giả sử tỷ lệ của các vật liệu khác không đổi, “lượng tro than và bùn dầu thải ra từ năng lượng nhiên liệu hóa thạch sẽ lớn hơn lần lượt 300-800 lần và 2-5 lần so với chất thải mô-đun PV”. Họ cũng ước tính rằng chất thải mô-đun PV sẽ chiếm chưa đến 3-9% tổng lượng chất thải điện tử.

Một giải pháp cho cả vấn đề vật liệu và chất thải là tái chế mô-đun, vì nhiều vật liệu có thể được thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên, tái chế vẫn chưa phổ biến do chi phí thu hồi hiện tại cao so với giá trị của vật liệu được thu hồi.

Mặc dù các mô-đun PV thường có tuổi thọ vài thập kỷ, việc cải thiện hơn nữa tuổi thọ và độ tin cậy của mô-đun là một trong những cơ hội tốt nhất để giảm thiểu chất thải trong suốt vòng đời. Một phân tích đã tính toán rằng việc cải thiện thêm tuổi thọ và độ tin cậy của mô-đun thêm 10% sẽ giảm chất thải trong suốt vòng đời xuống 53%.
Phát thải gây nóng toàn cầu trong suốt vòng đời

Việc sản xuất điện từ năng lượng mặt trời không phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, và lượng khí thải trong toàn bộ vòng đời so với các nguồn năng lượng thay thế chỉ bằng một phần nhỏ so với nhiên liệu hóa thạch. Lượng khí thải liên quan đến các giai đoạn khác trong vòng đời của năng lượng mặt trời bao gồm sản xuất, vận chuyển vật liệu, lắp đặt, bảo trì, và tháo dỡ. Cường độ carbon cũng phụ thuộc vào nguồn phát điện, với lượng khí thải trong toàn bộ vòng đời thấp hơn ở những nơi có tiềm năng phát điện mặt trời cao hơn.
Một phân tích tổng hợp các ước tính về lượng khí thải trong suốt vòng đời từ Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia ( NREL 2021 ) cho thấy rằng năng lượng mặt trời tạo ra lượng khí thải tương đương carbon dioxide ít hơn 91% so với khí đốt trên mỗi đơn vị điện năng, và ít hơn 96% so với than đá .

Năng lượng mặt trời tập trung

Năng lượng mặt trời tập trung (CSP, Concentrating solar power) đặt ra một số thách thức môi trường khác biệt so với năng lượng mặt trời quang điện (PV). Mặc dù CSP chỉ chiếm một phần nhỏ trong hoạt động năng lượng mặt trời của Mỹ, nhưng việc hiểu rõ các tác động môi trường cụ thể của nó là rất hữu ích. Các cơ sở CSP sử dụng từ 5 đến 10 mẫu Anh (2 – 4 hecta) cho mỗi megawatt (dòng điện xoay chiều), và CSP hoạt động chủ yếu ở quy mô lớn. Đối với một loại CSP cụ thể, đó là các bộ thu trung tâm hay còn gọi là “tháp điện”, thiết kế cũng ít linh hoạt hơn, có nghĩa là các cấu hình ít có khả năng tránh các khu vực nhạy cảm trong khuôn viên dự án. Tháp điện cũng tạo ra các chùm tia sáng có nhiệt độ cao, đủ mạnh để làm bị thương hoặc giết chết côn trùng, dơi và chim bay ngang qua chúng.

Các nhà máy điện mặt trời tập trung (CSP), giống như các nhà máy nhiệt điện khác (bao gồm nhà máy than, hạt nhân và nhiều nhà máy điện khí), thường sử dụng nước. Lượng nước tiêu thụ phụ thuộc vào thiết kế, vị trí và loại hình nhà máy CSP. Các nhà máy CSP sử dụng công nghệ tuần hoàn ướt với tháp giải nhiệt tiêu thụ từ 750-900 gallon (2.8 – 3.4m3) nước cho mỗi megawatt giờ điện sản xuất. Công nghệ làm mát khô có thể giảm lượng nước sử dụng tại các nhà máy CSP khoảng 90%—mặc dù chi phí cao hơn và hiệu suất thấp hơn, đặc biệt là việc sản xuất điện bị ảnh hưởng ở nhiệt độ cao . Nhiều khu vực ở Mỹ có tiềm năng năng lượng mặt trời cao nhất cũng thường là những khu vực có khí hậu khô hạn nhất, vì vậy việc cân nhắc kỹ lưỡng những sự đánh đổi về nước này là rất cần thiết.

Các hệ thống CSP chủ yếu được làm từ các vật liệu thường dùng trong xây dựng—thép, bê tông và kính—cùng với dầu hoặc muối (ví dụ như nitrat) để hấp thụ và lưu trữ năng lượng nhiệt. Phân tích tổng hợp năm 2021 của NREL cho thấy điện năng sản xuất từ năng lượng mặt trời tập trung (CSP) có lượng khí thải carbon dioxide tương đương thấp hơn lần lượt 94% và 97% so với khí đốt và than đá, tính trên mỗi đơn vị điện năng.