Viễn thám và GIS khám phá năng lượng tái tạo là một trong những ứng dụng tuyệt với của các công nghệ này. Năng lượng tái tạo đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu giảm thiểu phát thải khí nhà kính ngày càng cấp bách.
Các nguồn năng lượng tái tạo không chỉ bền vững mà còn có khả năng tái sinh liên tục từ các nguồn tự nhiên như mặt trời, gió, nước, sinh khối và địa nhiệt. Tuy nhiên, để khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng này, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều công nghệ tiên tiến, trong đó viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đóng vai trò đặc biệt quan trọng.
Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về các nguồn năng lượng tái tạo, vai trò và ứng dụng của viễn thám và GIS khám phá năng lượng tái tạo, đánh giá và phát triển các nguồn năng lượng này.
Năng lượng tái tạo là gì?
Năng lượng tái tạo, hay còn gọi là năng lượng tái sinh, là loại năng lượng được tạo ra từ các nguồn tự nhiên không cạn kiệt và có khả năng tái tạo liên tục theo tiêu chuẩn của con người. Đặc điểm nổi bật của năng lượng tái tạo là chúng được coi như vô hạn, bao gồm năng lượng từ mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt.
Nguyên tắc chính của việc khai thác năng lượng tái tạo là lấy một phần năng lượng từ các quá trình tự nhiên liên tục trong môi trường và chuyển đổi chúng vào các ứng dụng kỹ thuật. Các quá trình tự nhiên này chủ yếu được thúc đẩy bởi năng lượng từ Mặt trời.
Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch trong bốn lĩnh vực chính: sản xuất điện, đun nước nóng, nhiên liệu cho động cơ, và cung cấp năng lượng cho các hệ thống điện độc lập tại các khu vực nông thôn.
Các nguồn năng lượng tái tạo
Năng lượng địa nhiệt
Năng lượng địa nhiệt là một trong những năng lượng tái tạo được đánh giá cao về mặt môi trường. Việc sử dụng rộng rãi năng lượng địa nhiệt có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính. Năng lượng địa nhiệt được tạo ra về mặt vật lý từ nhiệt chủ yếu đến từ sự phân rã của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong trái đất.
Quá trình đốt cháy nhiệt bên trong này ước tính tạo ra tổng năng lượng nhiệt ở độ sâu 10km là 1,3 × 1027 J. Điều này tương đương với việc đốt cháy 3,0 × 1017 thùng dầu (Sustainable energy). So với các dạng năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. Do đó địa nhiệt cũng có hệ số công suất rất cao, nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng 24h/ngày, 7 ngày trong tuần.
Năng lượng gió
Năng lượng gió, một giải pháp thay thế khác cho nhiên liệu hóa thạch, là nguồn năng lượng dồi dào, tái tạo và sạch. Điện gió chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện. Với lợi thế đường bờ biển dài hơn 3.000 km và nhiều hải đảo, năng lượng gió ở Việt Nam có tiềm năng phát triển rất lớn.
Theo nghiên cứu mới đây của Ngân hàng Thế giới, năng lượng gió ở Việt Nam có tiềm năng lớn nhất trong bốn nước của khu vực, với hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6 m/s ở độ cao 65m, tương đương công suất 512 GW. Các yếu tố chính quyết định thành công của một dự án năng lượng gió là mật độ năng lượng gió, độ cao so với mực nước biển trung bình, địa hình, khả năng kết nối thông qua mạng lưới đường bộ, vị trí gần lưới điện và khoảng cách từ các khu vực được bảo tồn.
Năng lượng sinh khối
Năng lượng sinh khối, Sinh khối đề cập đến vật liệu sinh học từ các sinh vật sống hoặc thực vật. Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo phát triển cung cấp nhu cầu năng lượng chính cho nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ. Sinh khối có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng bằng cách đốt trực tiếp để tạo ra nhiệt hoặc gián tiếp sau khi chuyển đổi thành nhiều dạng nhiên liệu sinh học khác nhau.
Sinh khối từ các chất thải của rừng như cây chết, cành và thân cây có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng có thể sử dụng khác như khí mê-tan hoặc nhiên liệu vận tải như etanol và biodiesel.
Rừng đóng vai trò quan trọng trong chu trình cacbon của toàn cầu và cũng là nguồn năng lượng tái tạo rẻ nhất và dễ kiếm cho con người so với năng lượng mặt trời, nhưng cần phải định lượng để xác định công suất khả dụng trong quá trình lập kế hoạch dự án nhà máy điện sinh khối. Ứng dụng viễn thám và GIS có thể ước tính sinh khối rừng. Các phương pháp đánh giá truyền thống không thể bao phủ diện tích lớn do hạn chế về ngân sách và thời gian và việc sử dụng viễn thám đã được chứng minh là ước tính sinh khối rừng hiệu quả.
Năng lượng thủy điện
Năng lượng thủy điện, đặc điểm quan trọng nhất của thủy điện là ít phát thải khí nhà kính. Cơ sở để tạo ra thủy điện là chuyển đổi động năng của nước thành điện bằng tua bin. Tuy nhiên, việc lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy thủy điện rất phức tạp và phải giải quyết các vấn đề nhạy cảm như suy thoái hệ sinh thái ven sông bao gồm đa dạng sinh học, do đó cần phải lập kế hoạch cẩn thận. Cách đánh giá địa điểm có tiềm năng thủy điện thông thường là không chính xác và có một số hậu quả.
Một số nhược điểm trong phương pháp thông thường là đánh giá thấp, quan sát tại một địa điểm cụ thể có thể bỏ lỡ vị trí tốt hơn và việc bao phủ một khu vực không gian rộng lớn rất tốn kém và mất thời gian. Những vấn đề này có thể được giảm đáng kể nhờ các công cụ tính toán tiên tiến như cảm biến từ xa và GIS.
Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời, mặt trời được coi là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng. Năng lượng mặt trời đã được phát triển từ rất lâu, nó bắt đầu từ việc tập trung nhiệt bằng gương và kính để đốt lửa. Năng lượng mặt trời cũng có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như thực tế là nó rõ ràng là dồi dào và miễn phí. Mặc dù việc lắp đặt có chi phí, nhưng những cải tiến về công nghệ đang giúp nó tiết kiệm chi phí hơn. Năng lượng mặt trời là một lựa chọn tốt cho những địa điểm xa xôi, nơi khó lắp đặt các cơ sở hệ thống.
Lượng năng lượng bức xạ sóng ngắn được phát ra từ đĩa mặt trời và được phân tán khuếch tán bởi khí quyển và mây. Các bức xạ có thể được chia thành hai loại; bức xạ trực tiếp, chịu trách nhiệm tạo ra bóng râm và bức xạ khuếch tán, chịu trách nhiệm tạo ra giếng trời. Để sử dụng đầy đủ năng lượng tái tạo đó, trước tiên điều quan trọng là phải đánh giá tính khả dụng của nguồn tài nguyên theo không gian cũng như thời gian.
Thật vậy, độ rọi của mặt trời (cường độ bức xạ mặt trời) gần như không đổi, điều đó có nghĩa là những trở ngại duy nhất đối với việc thu năng lượng đến từ mây, bóng râm hoặc khí dung (các hạt trong khí quyển). Nhờ viễn thám, GIS, và công nghệ hiện nay, có thể xác định được những nơi tối ưu, nơi có sẵn và nơi cần sử dụng năng lượng mặt trời.
Vai trò của viễn thám và GIS khám phá năng lượng tái tạo
Công nghệ viễn thám và GIS khám phá năng lượng tái tạo, quản lý và góp phần giúp nguồn năng lượng này phát triển hơn. Viễn thám cho phép thu thập dữ liệu từ khoảng cách xa thông qua vệ tinh hoặc UAV, cung cấp cái nhìn tổng quan và chi tiết về các khu vực tiềm năng để phát triển năng lượng tái tạo. Trong khi đó, GIS cung cấp nền tảng để quản lý, phân tích và hiển thị dữ liệu địa lý, giúp tối ưu hóa quy trình đánh giá và lập kế hoạch.
- Năng lượng mặt trời: Viễn thám cung cấp dữ liệu về bức xạ mặt trời, cho phép đánh giá tiềm năng phát triển các nhà máy điện mặt trời. GIS hỗ trợ phân tích dữ liệu này theo không gian, giúp xác định các khu vực có lượng ánh sáng mặt trời cao nhất, từ đó tối ưu hóa việc lắp đặt các tấm pin quang điện.
- Năng lượng gió: Viễn thám và GIS có thể phân tích dữ liệu khí tượng và địa hình để xác định các vùng có tiềm năng gió cao, từ đó đề xuất vị trí lắp đặt tua-bin gió một cách tối ưu. GIS cũng giúp quản lý không gian và tính toán khoảng cách an toàn giữa các tua-bin gió nhằm đảm bảo hiệu quả tối đa. Hình ảnh vệ tinh đặt ra các hướng dẫn cho việc ra quyết định tiếp theo trong trường hợp các dự án trang trại gió. Cùng với hình ảnh vệ tinh, Light Detection And Ranging (LiDAR), SOnic Detection And Ranging (SODAR) và Synthetic Aperture Radar (SAR) cũng được sử dụng rộng rãi trong các trang trại gió. Việc sử dụng cảm biến từ xa giúp tối ưu hóa quy trình lắp đặt các cảm biến dựa trên cột khí tượng.
- Năng lượng thủy điện: GIS và viễn thám cung cấp hình ảnh thực về địa hình hiện có, hiện tượng thủy văn phức tạp và khí hậu thay đổi cần thiết để đánh giá nhà máy thủy điện tiềm năng.
- Năng lượng sinh khối: Viễn thám có thể được sử dụng để theo dõi tình trạng cây trồng và nguồn sinh khối từ các phế phẩm nông nghiệp. GIS giúp quản lý và tối ưu hóa việc thu gom, vận chuyển và phân phối sinh khối đến các cơ sở sản xuất năng lượng.
- Năng lượng địa nhiệt: Viễn thám hỗ trợ trong việc phát hiện các khu vực có nhiệt độ bề mặt cao hoặc hoạt động địa chất mạnh, giúp xác định tiềm năng khai thác năng lượng địa nhiệt. GIS tích hợp dữ liệu địa chất và nhiệt độ để lập bản đồ các vùng tiềm năng địa nhiệt.
Ứng dụng viễn thám và GIS khám phá năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm và chú trọng đầu tư. Khả năng thu thập, phân tích và quản lý dữ liệu không gian của các công nghệ này không chỉ giúp tăng cường hiệu quả khai thác mà còn góp phần bảo vệ môi trường và hướng tới sự phát triển bền vững. Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, viễn thám và GIS sẽ tiếp tục là những công cụ không thể thiếu trong việc khai thác tiềm năng của các nguồn năng lượng tái tạo trên toàn thế giới.
