Tháng Tám năm nay, người dân California chứng kiến cái nóng hiếm gặp, để rồi “sức nặng” của hàng triệu hệ thống điều hòa khiến lưới điện bang quá tải, khiến hàng trăm ngàn hộ gia đình rơi vào cảnh mất điện.
Đó là một phân cảnh nhỏ báo trước cho ta biết cái tương lai tăm tối, đang u ám lởn vởn trước mắt người dân California nói riêng và toàn cầu nói chung. Dân số tiếp tục tăng, thu nhập bình quân đầu người tăng, tiến trình đô thị hóa tiếp tục diễn ra, nhiệt độ mùa hè ngày một nóng nực, số lượng điều hòa toàn cầu sẽ tăng gấp 3 lần hiện tại khi năm 2050 tới. Tổng cộng 6 tỷ hệ thống điều hòa, ấy là con số đáng lo ngại trong báo cáo “Future of Cooling - Tương lai của hoạt động làm mát” của Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA.
Điều hòa nhiệt độ là thiết bị không thể thiếu trong tình cảnh nóng bức.
Điều hòa nhiệt độ là một trong những thử thách khó nhằn nhất khi tính tới chuyện hạn chế biến đổi khí hậu, và cũng là bài toán công nghệ khó giải nhất. Trái Đất càng nóng, ta lại càng cần làm mát nhiều hơn; cái lạnh từ một hệ thống điều hòa không chỉ giúp ta sống thoải mái, mà ở nhiều nơi, nó là yếu tố sống còn, có tác động trực tiếp tới sức khỏe cộng đồng bản xứ.
Thế nhưng, bản thân điều hòa nhiệt độ cũng tỏa ra một lượng nhiệt đủ lớn để tạo nên sự khác biệt trong những khu đô thị đông đúc, mà nó cũng thải khí nhà kính ra môi trường nữa cơ. Chưa hết, điều hòa nhiệt độ là một trong những thứ tiêu tốn điện năng nhiều nhất trên thế giới.
Nếu không có cải tiến, nhu cầu sử dụng điện để làm mát sẽ gấp ba lần - đạt ngưỡng 6.200 terawatt vào năm 2050, tức là gần 1/4 lượng điện năng tiêu thụ của thế giới ở thời điểm này.
Dù khối lượng công việc có thể làm chất cao như núi, vẫn chưa có khoản đầu tư đáng kể nào được đổ vào ngành điều hòa nhiệt độ, mà cũng chưa thấy sản phẩm đột phá đáng chú ý nào xuất hiện trên thị trường. Hiệu năng không tăng nhiều trong những tháng ngày đột phá công nghệ, mà phương thức vận hành điều hòa cơ bản vẫn cứ dậm chân tại chỗ suốt cả trăm năm kể từ khi Willis Carrier phát minh ra công cụ chống nóng hiệu quả nhất lịch sử.
“Nhìn nhận sự thật rằng doanh số điều hòa cửa sổ tiếp tục tăng trong khi sản phẩm trông vẫn thế và cách vận hành vẫn vậy suốt vài thập kỷ nay, ta chẳng cần nói gì thêm nữa”. Đó là nhận định của Vince Romanin, CEO của Treau, một startup làm mát âm đang nỗ lực phát triển một loại bơm nhiệt đặc biệt. Ông còn nói rằng “rất nhiều người đang mong muốn một thứ gì đó mới, nhưng tiến trình phát triển còn chậm chạp lắm”.
Trong những thập niên gần đây, xuất hiện nhiều những cải tiến trong ngành năng lượng như sự xuất hiện của công nghệ pin Mặt Trời, pin lưu trữ năng lượng và xe điện; các nỗ lực nghiên cứu và phát triển tập trung vào những cách thức vận hành thế giới sạch hơn xưa. Treau là một trong số các startup đang cố gắng tìm một cách thức làm mát tiên tiến hơn điều hòa.
Nhưng dù rằng các thiết bị điều hòa có hiệu quả hơn nữa, nhu cầu sử dụng ngày một tăng vẫn sẽ kéo nhu cầu điện tăng cao hơn nữa. Điều này càng khiến nỗ lực “xanh hóa” Trái Đất của ngành năng lượng thêm phần khó khăn. Nó đồng nghĩa với việc các quốc gia không chỉ cần đại tu toàn bộ cơ sở hạ tầng năng lượng, mà còn phải xây những hệ thống cung cấp và phân phối điện lớn hơn nữa, trong khi đó vẫn phải đảm bảo lượng khí thải carbon ở mức cho phép, thậm chí phải đạt mức “không”.
Số lượng điều hòa mới xuất xưởng vẫn lên hàng tỷ
Việc liên tục làm lạnh những khối không khí nóng có trong nhà ở, văn phòng, nhà máy sẽ luôn đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ.
Vấn đề không chỉ nằm ở việc số lượng điều hòa tăng tỷ lệ thuận với nhu cầu sử dụng điện. Sẽ có những thời điểm hàng trăm ngàn, hàng triệu người đều thấy nóng mà tìm ngay tới cái mát lạnh của điều hòa. Điều đó có nghĩa rằng ta sẽ phải xây dựng một hệ thống điện đáp ứng được nhu cầu sử dụng tăng vọt chỉ trong vài tiếng đồng hồ của vài thời điểm đặc biệt nóng trong năm.
Theo nghiên cứu Năng lượng Ứng dụng 2019 do các nhà khoa học công tác tại Đại học California viết nên, thì tính nội trong hạt Los Angeles, nhiệt độ không khí tăng và dân số tăng sẽ khiến nhu cầu sử dụng điện trong ngày hè tăng tới 51% vào năm 2060. Con số lớn ấy tương đương với yêu cầu lưới điện phải cung cấp thêm 6,5 gigawatt điện, bằng với lượng điện phóng ra lập tức của 20 triệu pin Mặt Trời 300 watt hoạt động trong một ngày nắng gắt.
Số lượng điều hòa được lắp mới sẽ tăng rất cao rất nhanh
Dân số, mức thu nhập cũng tăng nhanh như tốc độ đô thị hóa, rồi nhiệt độ mùa hè nóng hơn trước sẽ khiến lượng điều hòa được lắp đặt tăng gấp 3 lần vào năm 2050 (đơn vị điều hòa tính bằng triệu chiếc).
Màu xám: phần còn lại của thế giới
Màu xanh lá: Liên minh Châu Âu
Màu da trời: Mỹ
Màu cam: Ấn Độ
Màu đỏ: Trung Quốc
Đó mới chỉ là lượng điện khổng lồ của 58 hạt tại bang California. Trên thế giới, ta sẽ chứng kiến nhu cầu sử dụng điều hòa sẽ tăng đột biến tại những nước đang phát triển, nơi ngày một nhiều người có thể lắp đặt một hoặc nhiều hơn những hệ thống điều hòa, để chống lại cái nóng đang ngày một xuất hiện thường xuyên. Đáng chú ý, IEA tính toán rằng người dân Ấn Độ sẽ lắp đặt thêm khoảng 1,1 tỷ điều hòa mới vào năm 2050, khiến nhu cầu sử dụng điện cho hệ thống làm mát sẽ đạt đỉnh mới, khoảng từ 10% cho tới 45% tổng nhu cầu sử dụng điện quốc gia.
Làm sạch lưới điện
Điều quan trọng nhất có thể làm lại không liên can gì tới ngành sản xuất điều hòa nhiệt độ. Việc chuyển hướng sang năng lượng tái tạo, như năng lượng Mặt Trời và điện gió, sẽ trực tiếp làm giảm lượng khí nhà kính thải ra từ việc sản xuất năng lượng được dùng để vận hành điều hòa nhiệt độ.
Bên cạnh đó, một lưới điện thông minh sẽ đối phó được với thời điểm nhu cầu sử dụng điện đạt đỉnh. Ta có thể tối ưu hóa lưới điện với sự giúp đỡ của cảm biến và phần mềm điều khiển lưới điện tự động, giảm lượng điện đi vào điều hòa nhiệt độ khi trời mát hơn, khi chủ hộ rời nhà trong khoảng thời gian dài hay khi nhu cầu sử dụng điện vượt quá cao so với sản lượng điện lúc bấy giờ.
Chúng ta còn có thể cắt giảm lượng khí thải trực tiếp thông qua việc sử dụng một chất làm lạnh khác hơn là hydrofluorocarbon - thứ khí ga nhà kính có thể tìm được đường ra môi trường trong cả quá trình sản xuất điều hòa, khi sửa chữa hệ thống điều hòa và khi thiết bị đã cũ hỏng. Theo bản sửa đổi năm 2016 về Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng ozone, các tập đoàn cùng các nước đồng thuận với việc giảm ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, quay sang sử dụng những hóa chất có tiềm năng khác như HFO, propane hay thậm chí là CO2 - dù không tốt nhưng vẫn ít có hại hơn những chất làm lạnh đang được sử dụng.
Theo phân tích từ Project Drawdown, việc thay đổi chất làm lạnh có thể giúp nhân loại giảm được 50 tỷ tấn carbon dioxide thải ra môi trường chỉ trong vài thập kỷ tới. Để so sánh, thì năm ngoái, chúng ta thải ra môi trường tới gần 37 tỷ tấn CO2.
Vẫn còn những cách làm mát nhà khác hơn hệ thống điều hòa nhiệt độ; có thể kể tới các phương thức cách nhiệt tiên tiến, bịt đường không khí thông giữa môi trường trong và ngoài, lắp đặt thêm cửa sổ che nắng hay sơn/che mái nhà bằng các vật liệu phản quang.
Tránh tình trạng cold crunch - lượng điều hòa quá lớn mà lưới điện không tải nổi
Số lượng điều hòa nhiệt độ được lắp đặt tăng trong thời gian tới là điều không tránh khỏi. Hướng đi tốt nhất là khiến toàn bộ những hệ thống điều hòa ấy thân thiện với môi trường nhất có thể, cả về lượng khí thải nhà kính chúng thải ra trong quá trình sản xuất và vận hành, cho tới lượng điện năng mà những hệ thống này tiêu thụ.
Ước tính trong vòng 30 năm tới, cứ mỗi giây, 10 thiết bị điều hòa mới sẽ được bán ra cho người tiêu dùng.
Một trong những công cụ đắc lực nhất giúp ta đạt được những cải tiến này là một chính sách minh bạch xoay quanh công nghệ điều hòa. IEA nhấn mạnh rằng công nghệ điều hòa hiện đại nhất hiện tại đã hiệu quả gấp đôi những hệ thống điều hòa thông thường mà ta vẫn biết, và tốt hơn hệ thống cấp thấp nhất thị trường tới 3 lần.
Vấn đề nằm ở chỗ: đa số người tiêu dùng và doanh nghiệp, nhất là ở những nước chưa phát triển và đang phát triển, không sẵn sàng đầu tư lớn để sử dụng những hệ thống hiệu quả này, chỉ để đạt được mục đích kiểm soát khí hậu toàn cầu. Nhưng với các chính sách khích lệ và ủy thác đầu tư hợp lý, sản lượng và sức tiêu thụ điều hòa có lợi cho môi trường sẽ tăng.
Nhu cầu sử dụng điều hòa sẽ kéo theo nhu cầu năng lượng cao đột biến
Hiệu quả sử dụng điện sẽ tăng khi xuất hiện những chính sách khích lệ (đơn vị tính: terawatt giờ).
Xanh đậm: Viễn cảnh được dự đoán
Xanh nhạt: Viễn cảnh sử dụng năng lượng hiệu quả khi có chính sách hợp lý.
Theo nhận định của chuyên gia, việc giảm 45% lượng năng lượng dùng cho việc làm mát vào giữa thế kỷ này sẽ bao gồm cả những chính sách như trên; giả định nếu ta không đạt được đột phá công nghệ nào trước năm 2050. Nhưng ngay cả khi đó, nhu cầu năng lượng dành cho điều hòa nhiệt độ vẫn sẽ tăng 70%. Ít ra con số 70% vẫn ít hơn là tăng gấp 3 lần.
Để đạt được mục tiêu này, ta cần nhiều hơn nữa những sự thay đổi lớn.
Vậy thay đổi cái gì được đây?
Ta chứng kiến sự ra đời của nhiều startup tìm cách đẩy công nghệ điều hòa, cách nhiệt, giữ nhiệt tới những giới hạn mới.
Ví dụ như Transaera, một startup có nhà đồng sáng lập là giáo sư ngành năng lượng Mircea Dincă công tác tại MIT, đang cố gắng tăng hiệu năng hệ thống điều hòa thông qua điều khiển độ ẩm trong không khí bằng những bước riêng biệt.
Bên cạnh khả năng làm mát, điều hòa thông thường sử dụng một lượng lớn năng lượng để xử lý hơi nước - vốn chứa một lượng nhiệt đáng kể và khiến người ngồi trong phòng khó chịu muôn phần. Để triệt tiêu cảm giác này, điều hòa nhiệt độ sẽ đẩy nhiệt độ xuống thấp, biến hơi nước thành dạng lỏng và loại bỏ chúng khỏi không khí.
“Quá trình này kém hiệu quả vô cùng. Tốn rất nhiều năng lượng mà lại chẳng cần thiết”, giáo sư Dincă nói.
Cách thức xử lý vấn đề của Transaera như sau: họ sử dụng một vật liệu xốp cho phép không khí đi qua dễ dàng, nó có tên gọi khung sườn kim loại-hữu cơ mang khả năng thu nhận và giữ chặt lấy những hợp chất nhất định, trong đó bao gồm nước. Transaera phát triển một thiết bị đính kèm hệ thống điều hòa nhiệt độ, sử dụng vật liệu xốp kia để giảm độ ẩm trong phòng, nhằm giảm tải khối lượng công việc cho điều hòa. Ước tính, thiết bị đính kèm này có thể giảm 25% mức năng lượng tiêu thụ của điều hòa.
Transaera là startup đoạt giải nhất trị giá 3 triệu USD trong cuộc thi tìm kiếm hệ thống làm mát toàn cầu. Hiện họ đang thử nghiệm vật liệu này tại Ấn Độ, với sự giúp sức của tập đoàn đồ gia dụng Haier của Trung Quốc.
Trong khi đó, startup SkyCool System phát triển công nghệ gương công nghệ cao có khả năng bắn nhiệt Trái Đất lên Vũ trụ lạnh giá, tận dụng hiệu ứng tự nhiên có tên “làm mát bức xạ”. Vật liệu mà SkyCool sử dụng có thể phát ra bức xạ dưới dạng quang phổ ánh sáng hẹp, có khả năng lách qua phân tử nước và những hợp chất khác trong khí quyển, qua đó đưa nhiệt lên Vũ trụ.
Sử dụng vật liệu này để lợp mái, một hộ gia đình có thể không cần tới một hệ thống làm mát cho gia đình, hoặc sử dụng nó để cường hóa khả năng làm mát của điều hòa. SkyCool ước tính công nghệ mới có thể giảm từ 10 tới 70% mức năng lượng mà một hộ gia đình dùng để làm mát không khí trong nhà, tùy theo hệ thống họ sử dụng và khí hậu địa phương.
Tấm làm mát bức xạ của SkyCooling.
Những startup khác tự tìm hướng đi cho mình như bơm nhiệt địa nhiệt, làm mát bằng công nghệ thể rắn thay cho chất làm lạnh hại môi trường, công nghệ làm mát bay hơi mới …
Tin tốt: ta đã thấy những dòng tiền lớn chảy vào các phòng thí nghiệm nghiên cứu thông gió, làm mát và phát triển công nghệ điều hòa nhiệt độ thân thiện với môi trường. Hồi 2015, CB Insight theo dõi 8 thỏa thuận kinh doanh liên quan tới công nghệ điều hòa có tổng trị giá 40 triệu USD, nhưng con số này đã lên tới 35 dự án, tổng số tiền đầu tư 350 triệu USD trong năm ngoái. Nội trong năm nay, các chuyên gia ước tính đã có tới 39 dự án như vậy với tổng số tiền đầu tư lên đến 200 triệu USD.
Nhưng vẫn còn tin xấu: những khoản đầu tư trên vẫn là tí hon so với hàng chục tỷ USD đổ vào nghiên cứu năng lượng và những mảng công nghệ khác, và có lẽ chỉ là mức “hiển vi” với những vấn đề "nóng" mà ta đang gặp phải.
Nếu không thể dùng tiền để giải quyết vấn đề này, ta hãy tìm cách khắc phục bằng cách sử dụng nhiều tiền hơn nữa.
Tham khảo MIT Technology Review