Đi tìm nguồn năng lượng tối ưu-Kỳ 1: Ưu và nhược của thủy điện

Nước có lẽ là một nguồn năng lượng được con người sử dụng lâu đời nhất. Từ thời cổ đại, người ta đã biết dùng sức nước để xay bột và những công việc khác. Kỹ sư người Pháp Bernard Forest de Bélidor được cho là ông tổ ngành thủy điện, khi thiết kế bản vẽ các máy thủy lực vào giữa những năm 1770.

Nhiều ưu điểm

Thủy điện là nguồn điện linh hoạt, vì các trạm có thể được tăng lên và giảm xuống rất nhanh để thích nghi với nhu cầu năng lượng thay đổi. Turbine thủy lực có thời gian khởi động chỉ vài phút là đầy tải, ngắn hơn nhiều so với các turbine khí hoặc các nhà máy hơi nước. Phát điện cũng có thể giảm nhanh chóng khi năng lượng dư thừa. Lợi thế chính của các đập thủy điện với các hồ chứa là khả năng trữ nước với chi phí thấp để cho điện sạch có giá trị cao. Chi phí trung bình 1 trạm thủy điện lớn hơn 10 megawatt từ 3-5 cents/kilowatt-giờ. Khi sử dụng tối đa công suất, thủy điện có giá trị cao hơn năng lượng cơ bản và cao hơn nhiều so với các nguồn năng lượng liên tục.

Các nhà máy thủy điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí thiên nhiên hay than đá và không cần phải nhập nhiên liệu. Nó cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số nhà máy thủy điện hiện vẫn đang hoạt động đã được xây dựng 50-100 năm trước. Chi phí nhân công cũng thấp bởi các nhà máy này được tự động hóa cao và cần ít người làm việc khi vận hành.

Đập thủy điện Tam Hiệp (Trung Quốc).

Do các đập thủy điện không sử dụng nhiên liệu nên việc tạo ra điện không tạo ra carbon dioxide. Dù carbon dioxide ban đầu được sản xuất trong quá trình xây dựng dự án và một số khí methane được thải ra hàng năm bởi các hồ chứa, nhưng thủy điện có lượng phát thải khí nhà kính thấp nhất trong các ngành sản xuất điện. Một phép đo liên quan đến khí nhà kính và so sánh bên ngoài khác giữa các nguồn năng lượng đã được tiến hành trong dự án ExternE của Viện Paul Scherrer, và Đại học Stuttgart do Ủy ban châu Âu tài trợ, cho thấy thủy điện ở châu Âu tạo ra lượng khí nhà kính ít nhất so với bất kỳ nguồn năng lượng nào. Đứng ở vị trí thứ 2 là gió, thứ 3 là năng lượng hạt nhân và thứ 4 là quang điện mặt trời.

Hồ chứa được tạo ra bởi các hệ thống thủy điện thường cung cấp cơ sở vật chất cho các môn thể thao dưới nước, và trở thành những điểm du lịch hấp dẫn. Ở một số nước, nuôi trồng thủy sản trong hồ chứa là phổ biến. Các đập đa dụng được lắp đặt để hỗ trợ tưới tiêu cho nông nghiệp với nguồn cung cấp nước tương đối ổn định. Các đập thủy điện lớn còn có chức năng soát và điều tiết lũ, tránh gây lụt vùng hạ lưu của dự án.

Không ít nhược điểm

Các hồ chứa lớn gắn liền với các nhà máy thủy điện truyền thống, dẫn đến việc ngập chìm các khu vực rộng lớn ở phía thượng nguồn của các con đập, đôi khi phá hủy các khu rừng đất thấp và sinh thái giàu có và đầm lầy, đồng cỏ. Việc làm suy giảm sự gián đoạn dòng chảy của các con sông và có thể gây hại cho các hệ sinh thái địa phương. Xây dựng các đập lớn và các hồ chứa cũng liên quan đến việc di dời người và động vật hoang dã. Các nhà máy thủy điện còn làm thay đổi môi trường sông hạ lưu. Nước thoát ra khỏi turbine thường chứa rất ít trầm tích lơ lửng, dẫn đến xối sạch lòng sông và gây sạt lở. Lượng oxy hòa tan trong nước có thể thay đổi so với trước đó. Nước chảy ra từ turbine lạnh hơn nước trước khi chảy vào đập, điều này có thể làm thay đổi số lượng cân bằng của hệ động vật, gồm cả việc gây hại tới một số loài.

Hồ chứa của các nhà máy thủy điện ở vùng nhiệt đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbon dioxide do các xác thực vật bị lũ quét, mục nát trong một môi trường kỵ khí. Methane bay vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính mạnh. Theo Ủy ban Đập nước Thế giới (WCD), nơi nào đập nước lớn so với công suất phát điện (ít hơn 100 watt trên mỗi km2 diện tích bề mặt) và có việc phá rừng trong vùng để thi công đập nước, khí gas gây hiệu ứng nhà kính phát ra từ đập có thể cao hơn những nhà máy nhiệt điện thông thường.

Một tác hại nữa của các đập thủy điện là việc tái định cư dân chúng sống trong vùng hồ chứa. Trong nhiều trường hợp, không khoản bồi thường nào có thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hóa gắn liền với địa điểm đó, vì chúng có giá trị tinh thần đối với họ. Hơn nữa, về mặt lịch sử và văn hóa các địa điểm quan trọng có thể bị biến mất, như dự án đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập Clyde ở New Zealand và đập Ilisu ở Đông Nam Thổ Nhĩ Kỳ.

Một số dự án thủy điện sử dụng các kênh, thường để đổi hướng dòng sông tới độ dốc nhỏ hơn nhằm tăng áp suất có được. Trong một số trường hợp, toàn bộ dòng sông có thể bị đổi hướng để trơ lại lòng sông cạn. Những thí dụ như vậy có thể thấy tại sông Tekapo và sông Pukaki. Tại Việt Nam đã có một số thủy điện đổi dòng, như thủy điện An Khê - Kanak, đổi dòng sông Ba gây thảm họa khô hạn cho vùng hạ lưu và đang là đề tài tranh cãi. Các cơ sở thủy điện đập còn phải giữ lại khối lượng nước lớn, nên việc vỡ đập do xây dựng kém, thiên tai hoặc phá hoại có thể là thảm họa cho các khu dân cư, mùa màng và cơ sở hạ tầng.

So sánh với các nguồn điện khác
Thủy điện loại bỏ lượng phát thải khí thải từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, bao gồm các chất gây ô nhiễm như sulfur dioxide, oxit nitric, carbon monoxide, bụi và thủy ngân trong than. Thủy điện cũng tránh được các mối nguy hiểm của khai thác than và các ảnh hưởng sức khỏe gián tiếp của phát thải than. So với điện hạt nhân, việc xây dựng thủy điện đòi hỏi phải thay đổi diện tích lớn của môi trường, trong khi nhà máy điện hạt nhân chỉ chiếm diện tích nhỏ. Nhưng khi xảy ra sự cố thủy điện khiến hàng chục ngàn người chết, nhiều hơn bất kỳ trạm hạt nhân nào.

Tuy nhiên, điện hạt nhân tương đối không linh hoạt. Chi phí điện hạt nhân bị chi phối bởi chi phí cơ sở hạ tầng cao, kéo theo chi phí cho mỗi đơn vị năng lượng tăng lên đáng kể. Vì điều này, năng lượng hạt nhân chủ yếu được sử dụng với công suất thấp. Ngược lại, thủy điện có thể cung cấp công suất đỉnh với chi phí thấp hơn nhiều. Thủy điện do đó thường được sử dụng để bổ sung cho các nguồn hạt nhân hoặc các nguồn khác.

Năng lượng gió thay đổi theo mùa, nhưng không giống nhau mỗi ngày. Gió có thể thổi mạnh vào ban đêm khi điện không cần thiết, hoặc thổi ít trong ngày khi nhu cầu điện cao nhất. Các kiểu thời tiết có thể dẫn đến gió thấp trong nhiều ngày hoặc vài tuần, ảnh hưởng đến việc phát điện. Trong khi đó, hồ chứa thủy điện có khả năng lưu trữ nước để có thể hoạt động liên tục cả ngày và đêm. Công suất gió đỉnh có thể được bù đắp bằng thủy điện tối thiểu và gió tối thiểu có thể được bù đắp bằng thủy điện tối đa. Bằng cách này, tính chất thủy điện điều chỉnh dễ dàng được sử dụng để bù đắp cho bản chất không liên tục của năng lượng gió. Ngược lại, trong một số trường hợp, điện gió có thể được sử dụng để dự trữ nước sử dụng sau này trong mùa khô.