Khi nói đến năng lượng mặt trời chúng ta nói đến một nguồn năng vô tận. Vấn đề là ở chỗ chúng ta có thể thu hái được bao nhiêu phần trăm từ các kỹ thuật hiện có và với cái giá nào?

Những sự kiện liên quan đến Solyndra, công ty năng lượng mặt trời lớn thứ ba nước Mỹ đăng ký phá sản, và dự án sản xuất tấm năng lượng mặt trời của công ty First Solar ở Việt Nam phải đình hoãn không nói lên việc thế giới bớt quan tâm đến thứ năng lượng sạch này mà là dấu chỉ của một cuộc chiến gay gắt vượt quá tầm mức cạnh tranh công bằng giữa các doanh nghiệp.

Tổng công suất năng lượng mặt trời tăng lên rất nhanh, từ 40GW (Gigawatts) trong năm 2010, đến tháng 11 này bổ sung thêm hơn 24GW để vượt con số 64GW cho năm 2011. Châu Âu và đặc biệt là nước Đức đang đi đầu trong việc đem các năng lượng sạch cho các nhà máy nhiệt điện thay cho nhiên liệu hóa thạch và cả cho điện nguyên tử.

Người ta gọi đây là cuộc chiến bí mật trợ giá ở các mức khác nhau giữa Trung Quốc và các nước phương Tây cho các công ty năng lượng mặt trời để củng cố vị thế của một ngành công nghiệp non trẻ nhưng lại có triển vọng rất lớn liên quan đến sự phát triển của cả nhân loại. Nhưng đằng sau những sự kiện đó là việc tìm cách thủ đắc các nguồn tài nguyên kim loại công nghệ cao vốn là chiếc chìa khóa cho tương lai công nghệ thế giới.

Rõ ràng, nền văn minh của chúng ta đã lặng lẽ chuyển qua thời đại các kim loại kỹ thuật cao, còn gọi là thời các kim loại công nghệ (age of the technology metals), gồm một nhóm các kim loại hiếm (rare metals) và kim loại đất hiếm (rare earth metals). Trong lịch sử nhân loại, chúng ta đã trải qua thời đồ đá, đến thời đồ gốm, đồ đồng, qua thời đồ sắt trước khi đạt đến trình độ thép cứng tạo nên bởi sắt (Fe) và than (C) kể từ năm 1865 và bắt đầu sử dụng kim loại nhôm (Al) từ năm 1885.

Thời đại kim loại công nghệ cao

Không có các kim loại đất hiếm (rare earth metals) chúng ta không có những động cơ siêu mạnh cực nhỏ hay các bình điện NiH rất tốt hiện nay, cũng không có các máy laser và cả hiệu xe điện Prius triển vọng cho tương lai. Các loại xe chạy bằng điện sử dụng loại bình NiH trên nền kim loại lantan (La) là một trong bộ 15 kim loại đất hiếm. Nhưng kim loại đất hiếm này cũng được dùng để sản xuất các bộ tụ điện có mật độ dung lượng rất cao cho các đồ điện tử chúng ta sử dụng hằng ngày, từ điện thoại di động đến iPods và máy tính.

Chúng ta cũng không thể chế tạo các máy cắt gọt chính xác cho ngành cơ khí với các sản phẩm kim loại cứng nhất, tốt nhất nếu không có wolfram (W). Và nếu thiếu molybden (Mo) chúng ta không thể chế tạo hệ thống làm lạnh hữu hiệu cho các nhà máy phát điện, bất kể chúng được chạy bằng dầu, bằng khí, bằng than hay vận hành nhờ gió, mặt trời và năng lượng nguyên tử.

Năm 1984, General Motors và Sumitomo phát triển thế hệ nam châm vĩnh cửu trên nền hợp chất boron-sắt-neodymi, tạo nền tảng cho việc thiết kế hàng loạt các động cơ siêu nhỏ nhưng cực mạnh với công suất lớn. Chúng ta có thể nhận ra sự khác biệt của động cơ cồng kềnh trong trạm bơm điện ngoài đồng với một dãy động cơ điện chỉ nằm gọn trong hộp xe nhờ vào việc sử dụng kim loại đất hiếm neodymi (Nd). Ngày nay chúng ta biết rằng sẽ không có các turbin phong điện cỡ lớn đủ phát vào lưới nếu không có kim loại này, với nhu cầu 1 tấn neodymi cho mỗi megawatt công suất máy.

Thời đại các kim loại công nghệ lộ rõ hơn từ sau thế chiến thứ hai, với việc sử dụng indium (In), gallium (Ga), germanium (Ge), seleni (Se), tellurium (Te), arsenium (As), cesium (Cs), rubisium (Rb), strontium (Sb), bạch kim (Pt), paladium (Pd) và rhenium (Rh) vào các sản phẩm điện tử, từ tính, quang điện, dàn khoan dầu khí và nhất là ngành năng lượng mặt trời. Kể từ năm 1980, silicium (Si), lithium (Li) và bộ kim loại đất hiếm gồm 15 nguyên tố cùng với scandium (Sc) và yttrium (Y) tạo thành các làn sóng sáng tạo công nghệ mới, nhất là trong lĩnh vực bình điện, laser, màn hình và nam châm vĩnh cửu sản xuất các động cơ siêu nhỏ.

Sản xuất năng lượng mặt trời

Hiện nay năng lượng mặt trời được hấp thu và chuyển thành điện năng theo ba cách: Bởi các cấu trúc gọi là tế bào quang điện (photovoltaic = PV) chuyển trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng; bởi các bộ hấp thu bức xạ mặt trời (collector) nhằm hâm nóng nước hay phản chiếu tia nắng vào lò để đun nấu hay luyện kim; và bởi các bộ tập trung năng lượng mặt trời (concentrated solar power = CSP) nhằm đưa nhiệt độ lên rất cao làm nước bốc hơi tạo áp suất đủ lớn để  vận hành các máy phát tạo ra điện năng. Các cấu trúc PV đạt hiệu suất bình quân 19,5% và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cấp điện độc lập, ở quy mô gia đình hay nhà máy. Trong khi đó các bộ CSP sử dụng động cơ Stirling có thể đạt hiệu suất lên tới 31,25% và trở thành công nghệ chính chuyển năng lượng mặt trời thành nguồn điện lưới.

Khai thác năng lượng mặt trời là một ngành kinh tế có tốc độ tăng trưởng nhanh và đều đặn trong nhiều năm liền. Người ta dự đoán độ tăng bình quân mỗi năm là khoảng 25% từ nay cho đến năm 2030, đạt đến công suất 160-200GW so với 1,65GW trong năm 2005. Trong đó có tỷ lệ phát triển đáng kể của kỹ thuật tế bào quang điện (PV), đạt mức 3,14GW năm 2007 và trên thực tế đã vượt mức dự kiến đến 12,36GW cho năm 2010. Hiện nay pin mặt trời được sản xuất ở hai dạng, 90% từ các bản tấm (wafer) silicium tinh thể, 10% từ các màng mỏng (film) được tạo nên bởi hoặc silicium vô định hình, hoặc cadmium-tellurium, hoặc đồng-indium-gallium-selenium (CIS và CIGS), hoặc gallium-arsenium trên nền germanium. Tỷ lệ này đang có chiều hướng thay đổi, do các màng mỏng trước đây chuyển đổi với hiệu suất thấp nay đã tăng cao, và do tốc độ nuôi silicium siêu sạch diễn ra chậm chạp.

Nguồn silicium trong vỏ quả đất rất phong phú, nhưng để sản xuất các bản tấm PV người ta phải nuôi nguyên tố silicium để chúng kết thành tinh thể trong môi trường siêu sạch, rồi cắt ra thành bản tấm theo những kích thước nhất định, cuối cùng tạo ra cấu trúc diode trên mỗi một tấm. Giá silicium kỹ thuật cũng tăng dần theo năm: 24 đô la/kg năm 2003, 45 đô la năm 2004, 55 đô la năm 2006, 60 đô la năm 2007 và 67 đô la/kg cho những đơn giao hàng năm 2015. Thực ra tốc độ tăng trưởng nhảy vọt trong năm 2007 đã làm cho giá silicium kỹ thuật có khi lên trên 400 đô la và chỉ hạ xuống 100 đô la/kg vào đầu năm 2008. Với mức tiêu thụ 2.000g silicium cho mỗi mét vuông bản tấm PV, công suất sản xuất chất liệu này sẽ vẫn chưa đáp ứng được trong nhiều năm tới nếu vấn đề giá cao không đến nổi kìm hãm tốc độ phát triển.

Bản chất cuộc chiến pin mặt trời

Sự thiếu hụt trong các nguồn kim loại công nghệ cao làm cho giá thành nguyên liệu cần thiết để sản xuất ra các máy móc và trang thiết bị hiện đại trở nên đắt đỏ. Trong khi đó một số chính phủ tìm cơ hội nắm thế độc quyền dựa trên các nguồn tài nguyên quý hiếm hiện hữu trong nước. Đã có lúc Trung Quốc khai thác đến 98% tổng sản lượng kim loại đất hiếm thế giới từ những mỏ đá ong và quặng sắt xấu rồi ấn định hạn ngạch xuất khẩu ra nước ngoài tạo nên phản ứng mãnh liệt nơi các nước có nền công nghệ hiện đại như Nhật Bản. Hiện nay Mỹ đang dẫn đầu sản lượng silicium polycristallin dùng để chế tạo moduyn mặt trời dưới dạng tấm phim hay màng mỏng. Trong các nguyên liệu sản xuất pin mặt trời thì ngoại trừ đồng, cadmium và bạc là có đủ, tellurium, indium, germanium và silicium siêu sạch đang khan hiếm trầm trọng và selenium, arsenium, gallium chỉ đủ dùng nếu tốc độ phát triển năng lượng mặt trời không nhanh hơn nữa.

Hậu quả của sự thiếu hụt kim loại nguyên liệu làm cho giá thành các tế bào quang điện làm pin mặt trời luôn ở mức cao. Trước đây mấy năm, với những tiến bộ kỹ thuật làm gia tăng hiệu suất khai thác bức xạ mặt trời từ 10% lên 19% rồi 34%, người ta đã nghĩ đến lúc giá điện phát ra từ các kỹ thuật chuyển đổi năng lượng mặt trời sẽ tương đương hoặc thấp hơn giá dòng điện được tạo ra bởi các thứ nhiên liệu hóa thạch như dầu, khí hoặc than. Nhưng nay những chính sách tài nguyên khác nhau cộng với hiện tượng bù giá cho người mua và bí mật trợ giá cho các nhà sản xuất của các chính phủ làm cho thị trường năng lượng mặt trời trở nên hỗn loạn. Nhưng đáng nói hơn cả trong cuộc chiến này là sự kềm hãm tốc độ phát triển điện năng từ năng lượng mặt trời vốn rất cần cho việc giảm khí nhà kính, làm chậm quá trình trái đất nóng lên và giữ cho sự biến đổi khí hậu bớt phần khắc nghiệt!.

SGTimes