Một số dự đoán trong tương lai sẽ là nền kinh tế hydro, nhưng nhiều chuyên gia khác thì cho rằng năng lượng mặt trời là con đường đúng đắn.

Hàng loạt đề án liên quan đến tua-bin gió trên cao hoặc động cơ phản vật chất cũng được xem như là nguồn năng lượng trong tương lai. Sau đây là những nguồn năng lượng đang và sẽ được sử dụng trong tương lai không xa.

Năng lượng mặt trời

Theo báo cáo dự đoán của Tổ chức Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency), đến năm 2050 mặt trời có thể sẽ trở thành nguồn điện năng lớn nhất, xếp trên cả nhiên liệu hóa thạch, năng lượng gió, thủy năng và năng lượng hạt nhân. Hồi năm 2006 ở Úc, tháp năng lượng mặt trời khổng lồ cao 1km với 32 tua-bin khí có tổng công suất 200 MW đã đi vào sử dụng. Hệ thống năng lượng mặt trời này được bao quanh bởi một nhà kính khổng lồ có tác dụng làm nóng không khí để làm quay tua-bin xung quanh chân tháp. Giới chuyên gia ước tính rằng các nhà máy điện sẽ có thể tạo ra 200 megawatt điện và giảm được 700.000 tấn khí gây hiệu ứng nhà kính trong mỗi năm. Và gần đây nhất là nhà máy điện năng lượng mặt trời Topaz có công suất 550 megawatt với 9 triệu tấm pin quang điện, bao phủ hơn 24 ha tại California, Mỹ.

Đây được xem là nguồn năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới hiện nay và Topaz cung cấp điện năng cho khoảng 160.000 hộ gia đình.

Nhà máy điện năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời không đòi hỏi thêm nhiên liệu khác để hoạt động và tác động ô nhiễm môi trường gần như là không có. Ánh sáng mặt trời có thể được lưu lại thành nhiệt để sử dụng ngay hoặc chuyển đổi thành điện năng. Ngoài ra công nghệ còn cho phép biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện... Những hạn chế của hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm chi phí ban đầu cao đòi hỏi không gian sử dụng khá lớn. Ngoài ra, đối với hầu hết các lựa chọn thay thế năng lượng mặt trời thì hiệu suất sử dụng có thể bị ảnh hưởng bởi sự ô nhiễm không khí và thời tiết làm giảm lượng ánh sáng mặt trời.

Than đá

Than đá đã từng là nguồn năng lượng tạo nên cuộc cách mạng công nghiệp và hiện tại nó vẫn đóng vai trò rất lớn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới. Lợi thế chính của than đá là trữ lượng còn rất nhiều, đủ cung cấp cho thế giới trong 200 – 300 năm nữa với mức tiêu thụ như hiện nay. Nhờ vào trữ lượng lớn nên than đá có giá trị kinh tế khá cao và dễ khai thác. Tuy nhiên việc sử dụng nguyên liệu này tạo ra nhiều tạp chất như lưu huỳnh và nitơ lẫn vào không khí hay thể kết hợp với nước trong không khí để tạo thành mưa axit. Việc đốt than cũng sản sinh ra một lượng lớn carbon dioxide, chất khí mà theo các nhà khoa học là góp phần vào sự ấm lên toàn cầu.

Than đá có trữ lượng rất lớn, còn đủ cung cấp cho thế giới trong 200 – 300 năm nữa

Gió

Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Sử dụng năng lượng gió là một trong những phương thức thu thập năng lượng được biết đến từ thời cổ đại. Khái niệm sử dụng cối xay gió đang có bước tiến xa hơn khi các nhà khoa học đang muốn tạo ra máy điện trên bầu trời bằng cách thả nổi cối xay gió ở độ cao 4,5 km trong bầu khí quyển. Hệ thống này trang bị 4 cánh quạt và 2 tua-bin giúp tạo ra nguồn điện từ gió. Năng lượng gió hiện nay chỉ chiếm 0,1 % nhu cầu điện của thế giới, nhưng con số này dự kiến sẽ tăng như nhanh và là một trong những hình thức của năng lượng sạch trong tương lai. Việc mở rộng khai thác năng lượng gió cũng gặp những khó khăn không nhỏ bởi hệ thống này phụ thuộc vào vị trí của nơi có gió mạnh. Nhiều lo ngại chỉ ra rằng các trang trại gió có thể ảnh hưởng đến thời tiết địa phương, nhưng điều này vẫn chưa được nghiên cứu một cách triệt để. Các nhà khoa học hy vọng rằng việc dùng cối xay gió trên bầu trời sẽ giải quyết những vấn đề hạn chế kể trên vì đây là vị trí có gió thổi mạnh và liên tục.

Máy phát điện sử dụng năng lượng gió

Dầu mỏ

Nhiên liệu này được một số người gọi là vàng đen, cho thấy tầm quan trọng của nó đối với con người. Các quốc gia lớn trên thế giới đều dựa vào dầu, và đây cũng là khởi nguồn của nhiều cuộc chiến tranh. Một trong những lý do mà xăng dầu, dầu thô rất có giá trị bởi nó có thể được chuyển đổi thành nhiều loại sản phẩm, không chỉ là nguồn năng lượng mà còn rất nhiều sản phẩm quan trọng khác có giá trị kinh tế cao... Đây cũng là một trong những nguồn năng lượng hóa thạch đang có trữ lượng lớn nhưng không có khả năng tái tạo. Một số nhà khoa học dự đoán rằng khai thác dầu mỏ sẽ đạt tới đỉnh cao trong thời gian tới và Tổ chức Các nước xuất khẩu dầu lửa (OPEC) cho rằng giá dầu sẽ không thể vượt qua mức 100 USD/thùng trong vòng một thập kỷ.

Khai thác dầu mỏ sẽ đạt tới đỉnh cao trong thời gian tới

Giống như than và khí tự nhiên, dầu là tương đối rẻ so với các nguồn năng lượng thay thế nhưng việc sử dụng nó đi kèm với thiệt hại về môi trường được tạo ra một cách đáng kể. Sử dụng dầu tạo ra một lượng lớn carbon dioxide, và những sự cố tràn dầu có thể gây hại cho các hệ sinh thái và rất khó khăn để làm sạch.

Biomass - nhiên liệu sinh khối

Năng lượng sinh khối, hay nhiên liệu sinh học, bao gồm các vật chất chứa năng lượng hóa học dự trữ trong chất hữu cơ. Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp ...), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ...). Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí... được đốt để phóng thích năng lượng như ethanol hay thành dạng khí sinh học (biogas).

Nhiên liệu sinh học

Nhưng không giống như một số nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sinh khối không thực sự sạch vì khi chất đốt hữu cơ sẽ tạo ra một lượng lớn carbon dioxide. Ngoài ra để sử dụng rộng rãi thì người ta phải tìm cách bù đắp bằng việc trồng các loại cây phát triển nhanh và cỏ để dùng làm nguồn cung cấp nhiên liệu. Các nhà khoa học cũng đang thử nghiệm với việc sử dụng vi khuẩn để tác động vào sinh khối và sản xuất hydro để làm nhiên liệu. Đây là một nguồn nhiên liêu sinh học thay thế khá thú vị nhưng gây tranh cãi ở quá trình quy trình biến đổi nhiệt (TCP). Không giống như các nhiên liệu tự nhiên thông thường, TCP có thể chuyển đổi hầu như bất kỳ loại chất hữu cơ thành dầu lửa và nước nhưng lượng chất thải gây hiệu ứng nhà kính cũng không giảm được bao nhiêu.

Thủy điện

Thủy điện hiện tại chiếm 20% nguồn điện năng của thế giới. Tính đến gần đây, thủy điện được cho rằng năng lượng nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú mà không đòi hỏi thêm nhiên liệu và không gây ô nhiễm. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu mới đây chỉ ra một số thách thức của các đập thủy điện có thể có thể tạo lượng đáng kể của carbon dioxide và methane qua sự phân rã của các nguyên liệu thực vật ngập nước. Một nhược điểm của đập nước là mọi người dân sống xung quanh thường phải di dời. Trong trường hợp của Dự án đập Tam Hiệp ở Trung Quốc - đập lớn nhất trên thế giới khi hoàn thành trong năm 2009 - 1,9 triệu người đã được di chuyển và vô số các di tích lịch sử đã bị ngập lụt và biến mất. Và một vấn đề lớn của thủy điện là việc ngăn sông, đắp đập không phù hợp sẽ làm thay đổi hệ sinh thái trong khu vực và là một trong những nguyên nhân gây ra hạn hán, ngập lụt…

Thủy điện đang là một phần quan trọng của nguồn năng lượng

Năng lượng đại dương

Đại dương bao phủ 70% diện tích bề mặt Trái đất, và nước là một bộ thu năng lượng mặt trời tự nhiên. Việc chuyển đổi năng lượng nhiệt của đại dương (OTEC) nhằm khai thác bộ thu năng lượng này và sử dụng sự khác biệt nhiệt độ giữa bề mặt nước được làm nóng bởi ánh nắng mặt trời và nguồn năng lượng nước ở dưới độ sâu của đại dương để tạo ra điện. Nhà máy OTEC thường phân ra thành 3 loại:

Chu kỳ khép kín: Một chất lỏng có điểm sôi thấp như amoniac được làm nóng bằng nước biển ấm. Hơi nước tạo ra được sử dụng để vận hành tua-bin phát điện rồi sau đó được làm lạnh bằng nước biển lạnh. Nhưng thiết bị bay hơi và ngưng tụ của hệ thống này phải sử dụng bề mặt trao đổi nhiệt, cồng kềnh, tiêu thụ một lượng lớn kim loại, và khó khăn để duy trì.

Chu kỳ mở: Tương tự như chu kỳ OTEC khép kín, ngoại trừ không có chất lỏng trung gian thấp (như khí propan, isobutan, freon, amoniac…). Hệ thống làm nước sôi trong thiết bị bay hơi và biến thành hơi. Hơi nước chạy từ vòi phun tua-bin làm phát điện. Xả hơi từ tua-bin vào bình ngưng được làm mát bằng nước biển vùng lạnh.

Chu kỳ lai: Chu kỳ OTEC đóng được sử dụng để tạo ra điện, sau đó được tạo ra môi trường áp suất thấp cần thiết cho chu kỳ mở cửa.

Đại dương bao phủ 70 % diện tích bề mặt trái đất và là một bộ thu năng lượng mặt trời tự nhiên

Nhà máy OTEC có thể tăng thêm nguồn nước ngọt, và hơn nữa nước biển giàu chất dinh dưỡng lấy từ đáy đại dương có thể được dùng để nuôi cấy vi sinh vật và thực vật biển. Hạn chế chủ yếu của OTEC chính là hiệu suất chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng quá thấp khi hệ thống này chỉ hoạt động dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ, thường khoảng 20oC.

Năng lượng hạt nhân

Albert Einstein đã nói rằng ranh giới giữa vật chất và năng lượng không còn rõ ràng. Năng lượng có thể được tạo ra bởi các nguyên tử - quá trình chia tách hoặc kết hợp được gọi là sự phân hạch và nhiệt hạch tương ứng. Phân hạch hạt nhân phóng xạ có hại và tạo ra lượng lớn chất phóng xạ, có tác động hàng ngàn năm và có thể phá hủy toàn bộ hệ sinh thái nếu bị rò rỉ. Lo ngại lớn hơn nữa là năng lượng hạt nhân đã và đang được sử dụng như một loại vũ khí có sức hủy diệt kinh khủng.

Nhà máy điện hạt nhân

Hiện nay, hầu hết các nhà máy điện hạt nhân sử dụng phản ứng phân hạch, đòi hỏi một lượng lớn năng lượng để sản xuất và duy trì ở nhiệt độ cao cần thiết. Ý tưởng tổng hợp nhiệt hạch âm thanh - về mặt kỹ thuật được hiểu là tổng hợp nhiệt hạch bằng quán tính âm thanh - xuất xứ từ một hiện tượng tự nhiên phát quang do âm thanh (sonolumi-nescence). Nguyên lý hoạt động ở đây là sử dụng các loa phóng thanh gắn vào bình chứa đầy chất lỏng rồi truyền sóng áp suất, kích thích sự chuyển động các bọt sóng âm. Các bọt này lớn lên và tan vỡ tuần hoàn, tạo nên các chớp loé sáng thấy được, kéo dài không quá 50 picô giây. Bọt tạo ra nhiệt độ và áp suất có thể đạt đến mức khởi động được phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu một phương pháp để tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân được kiểm soát bằng cách đẩy các ion hydro "nặng" trong điện trường mạnh.

Pin nhiên liệu

Ngay từ thời điểm xuất hiện, pin nhiên liệu hydro được xem như sự thay thế hoàn hảo cho các loại nhiên liệu hóa thạch. Các nhà khoa học có thể tạo ra điện bằng cách sử dụng hydro và oxy mà không gây ảnh hưởng đến môi trường. Xe hơi chạy bằng pin nhiên liệu hydro không chỉ mang đến hiệu suất tốt hơn động cơ đốt trong mà khí thải duy nhất của nó sẽ là nước.

Xe hơi chạy pin nhiên liệu

Thật không may, trong khi hydro là nguyên tố có nhiều nhất trong vũ trụ nhưng ở trái đất thì hầu hết nó được gắn liền với các phân tử như nước. Điều đó có nghĩa là hydro tinh khiết phải được sản xuất bởi các nguồn năng lượng khác - mà trong nhiều trường hợp liên quan đến nhiên liệu hóa thạch. Một vấn đề khác với hydro là nó không thể nén một cách dễ dàng hoặc an toàn, và đòi hỏi bể lớn để lưu trữ. Ngoài ra các nguyên tử hydro có xu hướng thất thoát thông qua vật liệu làm bình chứa.

Phản vật chất

Phản vật chất là khái niệm trong vật lý, được cấu tạo từ những phản hạt cơ bản như phản hạt electron, phản hạt notron,... Theo lý thuyết, nếu phản vật chất gặp vật chất thì sẽ gây phản ứng nổ và giải phóng năng lượng khổng lồ, được tính bởi phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2.

Phản vật chất chưa thể có ứng dụng thực tế

Phản vật chất đã được sử dụng trong kỹ thuật hình ảnh y tế được gọi là chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), nhưng việc sử dụng nó như một nguồn nhiên liệu tiềm năng vẫn còn thuộc về lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Phản vật chất có thể được sản xuất trong phòng thí nghiệm, nhưng hiện tại chỉ chiếm một lượng rất nhỏ và với chi phí quá cao. Thậm chí nếu vấn đề của sản xuất có thể được giải quyết thì vẫn còn là câu hỏi khó cần giải đáp là làm thế nào để lưu trữ cái gì đó mà có khuynh hướng tự hủy khi tiếp xúc với vật chất thông thường và làm thế nào để khai thác năng lượng tạo ra.