Vì sao điện hạt nhân lại quan trọng trong thời kỳ chuyển giao năng lượng?

Hành tinh của chúng ta cần một hệ năng lượng mới có khả năng cung cấp một cách bền vững nguồn điện năng tin cậy và liên tục. Là một trong những công nghệ điện năng ít phát thải GHG nhất mà chúng ta sẵn có ngày nay bởi với mỗi kWh thì điện hạt nhân chỉ tạo ra mức phát thải tương đương 15 gram CO₂ trong vòng đời hoạt động của một nhà máy điện. Theo số liệu từ Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), giai đoạn 1970-2013, việc sử dụng nguồn năng lượng phát thải carbon thấp có thể giúp chúng ta tránh được 163 tổng dung tích các phát thải CO₂. Điện hạt nhân đóng góp 41%, trong khi điện mặt trời và gió khoảng 6%. Trong nhiều nghiên cứu độc lập thì năng lượng hạt nhân cũng được xếp vào những nguồn phát khí thải GHG trong những công nghệ phát điện.

Các nhà máy điện hạt nhân ngày nay cung cấp 10% sản lượng điện thế giới, tất cả đều không phát thải carbon – hầu như gấp đôi mức đóng góp của cả điện mặt trời và điện gió. Để đạt được các mục tiêu năng lượng chính của Các mục tiêu phát triển bền vững của Liên hợp quốc (SDG), Thỏa thuận Paris đã lập ra một mục tiêu tham vọng cụ thể về hạt nhân, hướng đến việc nâng cao gấp đôi mức công suất lắp đặt hiện nay vào năm 2050. Với ngành công nghiệp hạt nhân, điều này có nghĩa là tăng gấp đôi thách thức bởi sẽ còn phải thay thế một cách tuần tự các nhà máy chạm tới cuối vòng vận hành và xây dựng thêm các nhà máy mới vào danh sách các nhà máy đang có. Và dẫu sao, quá trình song song này là điều cần thiết cho đổi mới sáng tạo.

Thách thức và chi phí cho năng lượng hỗn hợp

Việc giải carbon đòi hỏi đề xuất thực tế vào năm 2050 là thay thế 81% mức năng lượng tạo ra ngày nay từ nhiên liệu hóa thạch. Lựa chọn được các năng lượng đúng đắn là một vấn đề phức tạp, và các công nghệ chúng ta có đều chưa đủ chín muồi để có thể tạo ra tác động trước năm 2050 như điện nhiệt hạch hoặc “bẫy’ carbon, lưu trữ điện năng có thể không đủ tin cậy. Các công nghệ năng lượng phát thải carbon thấp hiện ở mức có thể chấp nhận được là gió, mặt trời, thủy điện và hạt nhân. Ngoài ra, giới hạn của bất kỳ loại công nghệ nào trong số này đều làm ảnh hưởng đến chi phí đầu tư và độ trễ trong giảm thiểu phát thải. Khả năng tăng trưởng của chúng đều bị giới hạn.

Những tiên tiến về công nghệ điện mặt trời và gió mà chúng ta đạt được ngày nay vẫn không thể vượt qua sự thiếu liên tục của nó, hoặc các dòng chảy vật lý tạo ra những giới hạn cho hiệu suất tạo ra điện của chúng. Việc làm giảm thiểu sự gián đoạn của điện gió và điện mặt trời bằng các hệ lưu trữ năng lượng là chuyện rất khó thực hiện; việc lưu trữ một một lượng nhỏ điện năng sẽ có thể đạt được ở mức chi phí phải chăng trong tương lai gần. Các loại pin nhiều hứa hẹn nhất đều chứa kim loại như lithium, cobalt và magnesium đều đòi hỏi khai thác mỏ ở mức rất lớn, tốn nhiều năng lượng và với cách làm đó thì không thể đạt được yêu cầu của Các mục tiêu phát triển bền vững.

Rút cuộc, sự đóng góp của điện hạt nhân có thể tạo ra một chuyển đổi năng lượng ở chính khả năng theo sát và nắm lấy điểm yếu của năng lượng tái tạo – tính gián đoạn. Đảm bảo sự cân bằng giữa nhu cầu điện năng và khả năng cung cấp điện năng, nguồn phụ tải nền hạt nhân có thể đóng vai trò chính, đáp ứng được những yêu cầu khác nhau theo mùa, ngày và giờ. Những nhu cầu này ngày càng trở nên quan trọng hơn.

Những người hoài nghi vào điện hạt nhân thường tập trung vào chi phí của nó: có nhiều ví dụ về chi phí và thời gian vận hành của nhà máy điện hạt nhân và sự thật là chi phí cho điện gió và điện mặt trời đang suy giảm. Nhưng khi tất cả các nhân tố được xem xét và mức độ xâm nhập thị trường của một công nghệ cụ thể được đo lường thì phân tích chi phí đưa ra những mẫu hình trái ngược. Các nhà máy điện không tồn tại một cách cô lập; chúng tương tác với nhau và các khách hàng của họ đều thông qua lưới điện và trong phạm vi môi trường kinh tế, xã hội và tự nhiên. Đó là lý do giải thích tạo sao việc đánh giá chi phi tổng có thể không bao gồm các chi phí đầu tư mà còn cả các chi phí kết nối, mở rộng và tăng cường lưới điện, các chi phí về tài chính và kỹ thuật của việc bị gián đoạn sản xuất điện năng, các chi phí an ninh trong cung cấp điện năng và tác động của nó, và những tác động vào môi trường địa phương và toàn cầu.

Một phân tích đã được thực hiện ở những quốc gia khác nhau về số lượng của các chi phí về phương diện mức độ gia nhập của năng lượng tái tạo trong một năng lượng hỗn hợp, bao gồm năng lượng hạt nhân, gió và mặt trời. Các chuyên gia tính toán, việc đưa nguồn năng lượng tái tạo lên tới 10% trong số tổng sản lượng điện cung cấp sẽ làm gia tăng vào mức chi phí mỗi MWh, dao động trong khoảng 5% và 50%, và còn phụ thuộc vào khả năng của mỗi quốc gia, trong khi việc đáp ứng 30% nhu cầu có thể làm tăng chi phí từ 16% đến 180%. Những khác biệt giữa các quốc gia đang ngày càng quan trọng hơn sự khác biệt về công nghệ. Một so sánh giữa hai thị trường khác nhau – Anh và Mỹ – đã cho thấy điều đó:

Sự gia tăng trong chi phí điện năng liên quan đến sự phân phối ngày càng tăng do sự kết hợp giữa chi phí đầu tư, chi phi cân bằng và phù hợp, chi phí bổ sung của truyền tải và phân phối điện năng cao hơn. Cân bằng chi phí cần thiết để đảm bảo hiệu suất hệ thống cơ bản trên từng phút của cung và cầu, trong sự bất định giữa cung và cầu. Những chi phí thích đáng xuất hiện để đáp ứng nhu cầu ở mọi thời điểm, đó là các chi phí cung cấp cho các bệnh viện cũng như điện năng trong thời kỳ đại dịch – ngay cả vào những ngày không có nắng và gió không thổi.

Ngày nay, trong các quốc gia, nơi các công nghệ có khả năng điều phối này có mặt, các chi phí này đều bằng không nhưng việc đưa năng lượng tái tạo vào hệ thống điện quốc gia khiến chi phí tăng đáng kể. Việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo là một vấn đề phức tạp ảnh hưởng đến cấu trúc, tài chính, phương thức vận hành của các hệ thống điện. Trong phần lớn các quốc gia OECD, điện gió và điện mặt trời được trợ giá cho mỗi MWh tạo ra vào hệ thống điện bất chấp các mức giá thị trường. Khi nói ra điều này, chúng ta không muốn làm xói mòn vai trò của năng lượng tái tạo mà chỉ nhấn mạnh vào sự thật là không có sự đóng góp của điện hạt nhân, việc chuyển giao năng lượng sẽ trở nên chậm hơn, đắt đỏ hơn và rủi ro cao hơn. Việc làm cho các chi phí hệ thống này trở nên minh bạch có ý nghĩa quan trọng với các nhà đầu tư, khách hàng, các nhà hoạch định chính sách.

Tương lai của điện hạt nhân

Nhiều quốc gia đã cam kết gia tăng sản lượng điện hạt nhân để đạt được các mục tiêu của Thỏa thuận Paris. Nhưng môi trường chính trị và kinh tế, và sự thiếu hỗ trợ của công chúng khiến cho việc đạt dược các mục tiêu này trở nên khó khăn hơn. Nếu như tính toán các thông số kể trên thì chi phí của điện hạt nhân không phải là rào cản nhưng rác thải hạt nhân, an toàn hạt nhân và vũ khí hạt nhân vẫn là những chướng ngại khiến người ta e ngại công nghệ này.

Ngày ngay, một số doanh nghiệp đang đề xuất một cách tiếp cận mới về công nghệ, xây dựng một kiểu khác biệt về năng lượng phân hạch được tạo ra trên cơ sở những máy gia tốc hạt và các lò phản ứng tới hạn. Công nghệ này - được CERN mở đường vào năm 1990 - với mục tiêu giảm bớt vòng đời của rác thải hạt nhân và tạo ra năng lượng phi carbon tại mức giá chấp nhận được, thấp hơn 5 cents mỗi kWh. Công nghệ này an toàn hơn, có khả năng gia tăng quy mô hơn, bền vững và không tạo ra vũ khí hạt nhân. Nét đổi mới sáng tạo chính của công nghệ này là sử dụng máy gia tốc proton để tạo ra nguồn neutron thông lượng cao, có thể tập trung các chuỗi phản ứng phân hạch trong lõi.

Và khi máy gia tốc dừng hoạt động, chuỗi phản ứng phân hạch cũng dừng lại. Điều đó khiến cho việc xảy ra một tai nạn kiểu như Chernobyl là không thể. Khi hệ thống này được đề xuất trang bị thêm phần loại nhiệt thụ động, tai nạn nóng chảy lõi lò phản ứng như ở Fukushima hay Three-Mile Island cũng có thể không xảy ra. Rác thải hạt nhân được tiết giảm bởi phản ứng sử dụng nhiên liệu từ thorium hơn là uranium và hệ thống này có khả năng tái sử dụng chất thải hạt nhân làm nhiên liệu. Với nhiên liệu thorium, việc tạo ra plutonium đã trở nên không đáng kể, do đó loại đi yếu tố chính cho làm bom hạt nhân. IAEA cũng tuyên bố chu trình nhiên liệu thorium có thể là “chống phổ biến vũ khí hạt nhân ngay trong bản chất”.

Đổi mới sáng tạo này góp phần cho công nghệ hạt nhân có thể tồn tại một cách bền vững bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo, cung cấp một nguồn phụ tải nền an ninh và tin cậy, cho phép thế giới đạt được mục tiêu không phát thải carbon cần thiết như Thỏa thuận Paris đề ra.