Quá trình đô thị hóa nhanh chóng và sự gia tăng dân số đô thị làm tăng đáng kể những tác động đối với sinh thái từ mỗi công dân đô thị, ngay cả trong việc ứng dụng các công nghệ năng lượng hiệu quả và tiết kiệm nguồn năng lượng. Tốc độ gia tăng dân số các đô thị giai đoạn từ 2030 - 2050 được dự báo tăng xấp xỉ 2 lần so với giai đoạn từ 1970 -1980. Như vậy, toàn bộ hiệu quả tiết kiệm năng lượng và nguồn tài nguyên trong việc áp dụng các công nghệ hiện đại có thể mất đi bởi nhu cầu tiêu thụ năng lượng của thế giới sẽ vượt 1,5 - 2,5 lần so với tiến độ khai thác dầu lửa sau năm 2040.
Viễn cảnh trên thúc đẩy việc nghiên cứu các công nghệ mới nhằm thay thế năng lượng được khai thác. Từ đây nảy sinh vấn đề thực tế: khi quy hoạch lãnh thổ và xây dựng chiến lược kinh tế, làm thế nào để có thể có và tính toán các thông tin về tiềm năng năng lượng (nước, ánh sáng mặt trời và gió) trong phạm vi quy hoạch? Đối với đặc điểm khí hậu trên toàn lãnh thổ Nga, khả năng phát triển năng lượng gió rất được quan tâm. Tuy vậy, theo các khảo sát, có thể kết hợp năng lượng gió với các nguồn năng lượng khác dưới dạng tái tạo một cách hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả. Áp dụng các công nghệ tái tạo nguồn năng lượng lồng ghép trong thiết kế các tòa nhà và công trình sẽ mở ra triển vọng mới cho sự phát triển ngành năng lượng tại các chủ thể Liên bang Nga; trong đó, xem xét các biện pháp đánh giá điều kiện về mặt khí hậu tự nhiên cũng như quy hoạch đô thị là bước vô cùng quan trọng.
Khi đầu tư trang bị thiết bị tái tạo năng lượng tại một vùng cụ thể, tính bền vững trong xây dựng hệ thống phân bố dân cư sẽ đạt được nhờ sự tăng trưởng kinh tế vượt trội và môi trường sống tiện nghi cho mọi cư dân. Mở rộng lãnh thổ và quy hoạch các công trình xây dựng trong đó luôn song hành với đảm bảo năng lượng cho toàn vùng lãnh thổ. Trong việc này, nguồn năng lượng tái tạo có ý nghĩa đặc biệt. Liên quan tới các công nghệ tái tạo năng lượng, cần xem xét sự cân bằng và lượng năng lượng được khai thác, cũng như mô hình hóa các tính chất quy hoạch đô thị ,bao gồm một loạt các chỉ số (mật độ và diện tích xây dựng, các hạn chế khác nhau, …).
Ảnh minh họa: Nhà máy thủy điện Sayano Shushenskaya có công suất thiết kế lớn nhất Liên bang Nga hiện nay (6400MWt), với đập thủy điện lớn nhất thế giới.
Trong khuôn khổ chiến lược tiết kiệm năng lượng hiện hành tại các vùng miền Liên bang Nga, dựa vào các đặc điểm khí hậu địa lý, trong quy hoạch sơ bộ luôn hiện diện các công trình sản xuất năng lượng tái tạo. Hiện nay, các nhà máy thủy điện lớn – các yếu tố tạo vị trí việc làm cũng như nguồn năng lượng cho sản xuất công nghiệp địa phương và hệ thống năng lượng toàn cầu – có mặt ở khắp nơi. Các công trình thủy điện dưới nhiều hình thức khác như các trạm phát điện từ năng lượng của sóng và thủy triều ở vùng duyên hải, và các trạm thủy điện mini cũng có nhiều tiềm năng phát triển. Nhà máy thủy điện Chelmanskay (Nga) là một ví dụ. Biểu đồ sản xuất năng lượng được lập trên cơ sở thống kê các nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo của Nga đã biểu thị rất rõ tiềm năng tài nguyên của các nhà máy thủy điện nhỏ tại các vùng. Ngoài ra, các nhà máy thủy điện được xây dựng trên các sông nhỏ, thậm chí suối (dưới hình thức trạm điện mini hoạt động bằng cách chạy các bánh xe nước) cũng có tiềm năng lớn. Chính quy mô ứng dụng các nhà máy thủy điện nhỏ, trạm điện mini khiến năng lượng trên toàn lãnh thổ gia tăng đáng kể. Năng lượng điện tái tạo có thể ứng dụng vào sản xuất công nghiệp địa phương, đảm bảo điện cho các công trình nhà ở và công trình công cộng.Trạm điện mini được khuyến khích áp dụng tại các khu vực kinh tế tư nhân và có thể được nhân rộng trong nhiều vùng.
Ảnh minh họa: Trạm thủy điện mini Bashkitov tại Vùng Bashkitovo (Nga) có công suất 5MWt
Đánh giá sự phân bố tổng lượng bức xạ mặt trời trên lãnh thổ Liên bang Nga, có thể phân ra các khu vực như Viễn Đông, Krasnodar, đặc biệt khu vực Crime. Các trạm điện mặt trời tại đây hoạt động khá hữu hiệu, do diện tích được chiếu sáng đảm bảo, và bầu khí quyển vô cùng trong lành. Trạm điện của công ty Activ Solar (Áo) tại Simferopol có công suất tới 100 MW.
Việc sản xuất năng lượng tùy thuộc vào sự phân bố tổng lượng mây. Mặt trời là nguồn năng lượng mạnh nhất, sạch nhất và phổ biến nhất trên Trái đất. Sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày nay đã mở ra triển vọng đáp ứng nhu cầu điện của con người thông qua tái tạo năng lượng mặt trời, trong đó tái tạo nhờ các thiết bị quang phổ là phương pháp ưu việt nhất, và điện quang dựa trên việc sử dụng thiết bị quang phổ là một trong nhưng lĩnh vực phát triển mạnh mẽ nhất của công nghiệp hiện đại.
Hiện nay, các dự án xây dựng nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời đang được thực hiện khá thành công. Các thiết bị của nhà máy chiếm khá nhiều diện tích, và trong điều kiện mật đô xây dựng cao hiện nay, việc ứng dụng công nghệ trực tiếp tại các tòa nhà là vô cùng cần thiết. Vấn đề ứng dụng các biện pháp công nghệ quang học trong phạm vi các tòa nhà được đặt ra, tuy nhiên những biện pháp hiện hành chưa được quy cách hóa, chưa phù hợp trong xây dựng đại trà, cũng như thiếu tính thẩm mỹ trong thiết kế. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là nghiên cứu công nghệ sản xuất hệ thống module từ các tế bào quang điện hợp nhất trong các kết cấu bao che của tòa nhà / công trình xây dựng mới, và ứng dụng trong khôi phục các công trình hiện hữu. Theo số liệu đưa ra trong công trình nghiên cứu của một số nhà khoa học, để biến năng lượng mặt trời thành điện, cần định hướng sao cho thiết bị quang điện vuông góc với hướng của tia sáng. Khi bố trí tĩnh thiết bị, cần tính toán cả khả năng điều chỉnh thiết bị theo từng mùa, theo độ nghiêng của trục trái đất.
Trên bản đồ hiện nay, hơn 2/3 lãnh thổ Liên bang Nga hội tụ đầy đủ điều kiện để ứng dụng công nghệ quang điện.
Ảnh minh họa: Các panel quang điện trên mái nhà
Khi nghiên cứu xây dựng đô thị, nhất là định hướng cho các ngôi nhà theo hướng ánh sáng mặt trời, có thể kết luận: phần lớn các ngôi nhà được bố trí hoàn toàn không định hướng một cách nghiêm ngặt để có thể thu nhận nhiều ánh sáng tự nhiên nhất. Như vậy, việc tính toán hiệu quả phơi sáng của các panel quang điện trong suốt thời gian ban ngày trong điều kiện đô thị chật hẹp sẽ thiếu hợp lý. Qua nghiên cứu các số liệu tổng hợp có thế thấy rõ: phần lớn những nơi có điều kiện thuận lợi để ứng dụng panel quang điện là những khu vực có mật độ xây dựng thấp. Khi đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời trong quy mô xây dựng đô thị, cần tính tới các điều kiện kỹ thuật của việc bố trí các panel quang điện và thiết bị thu sáng trong điều kiện chật hẹp đối với các mặt tiền hướng nam.
Tiềm năng phong điện của Liên bang Nga cũng khá lớn, tuy vậy, về đặc điểm công nghệ, các thiết bị có những yếu tố hạn chế, do vậy, sự phát triển của lĩnh vực này phần nào chịu ảnh hưởng từ các nhà sản xuất nước ngoài. Bên cạnh đó, những đặc thù quy hoạch trong việc xây dựng các trạm phong điện lớn cũng là một yếu tố hạn chế khách quan. Để tổ chức các nhà máy phong điện (như nhà máy phong điện tại vùng Kaliningradskaya), ngoài phần diện tích riêng của nhà máy còn cần tổ chức các khu bảo vệ sinh thái. Cũng cần hết sức lưu ý: các trạm phong điện có tác động đáng kể tới hệ động thực vật, do đó cần phải có sự phối hợp đánh giá tiềm năng phong điện và khung thiên nhiên – sinh thái. Bên cạnh đó, kinh nghiệm khai thác các cánh đồng gió của châu Âu cho thấy trong rất nhiều trường hợp, điện không đảm bảo do sự mất cân bằng đáng kể trong sản xuất, bởi có những chi phí năng lượng vượt mức từ các nguồn khác. Các nhà nghiên cứu của trường Đại học Bách khoa Trestanovsky (Ba Lan) đã kết luận về vấn đề này: hiệu quả khai thác các cánh đồng gió (phân bố trên khắp lãnh thổ) hoặc các trạm phong điện riêng lẻ đều tốt hơn, do tổng lượng gió lớn hơn bởi tác động tương hỗ của chế độ gió với sự khuếch tán lớn hơn. Nghiên cứu này đề ra việc xem xét không chỉ các trạm phong điện công suất vài MW, mà còn cả các trạm phong điện nhỏ công suất chỉ vài KW. Việc phân bố các trạm phong điện trên quy mô rộng trong thời gian tới đây sẽ khó triển khai hơn, một phần do các tác động về mặt âm học và tác động từ rung chấn tới con người.
Ảnh minh họa: Điện gió có tiềm năng phát triển tại Nga, song cũng có nhiều nhược điểm của loại năng lượng tái tạo này
Khi đánh giá tiềm năng lãnh thổ để quy hoạch và thiết kế xây dựng đô thị cần thống nhất các điều kiện phân bố cánh đồng gió của các trạm phong điện có công suất tính bằng MW. Khi bố trí các trạm phong điện nhỏ trên các tòa nhà, âm thanh, rung chấn cũng là những vấn đề bức thiết, đòi hỏi kiểm tra thường xuyên. Để phân bố một cách hiệu quả các trạm phong điện nhỏ, cần đánh giá tình hình luồng gió biên theo bề mặt mái nhà và mặt tiền các công trình. Về mùa hè cần phải tính toán thêm: năng lượng có thể được hình thành tùy thuộc vào việc định hướng tòa nhà theo hướng ánh nắng và hoạt động của mặt trời trong những khoảng thời gian khác nhau để luồng không khí tại chỗ có vận tốc xấp xỉ 3m/s. Đối với một số mô hình, vận tốc đó đủ để khởi động máy phát điện.
Hiện thực hóa các nhiệm vụ quy hoạch lãnh thổ trong tương lai gần phụ thuộc vào việc tính toán sự cân bằng các dạng năng lượng tái tạo, trong đó có các nhiên liệu ethanol, biogas và biodiezel. Xem xét tiềm năng năng lượng trong các điều kiện khác nhau cho phép xác định việc thống nhất cũng như trang bị các thiết bị hỗ trợ tái tạo năng lượng trong các tòa nhà và công trình. Điều này cho phép đánh giá triển vọng phát triển, khôi phục các công trình, hình thành các hệ thống phân bố dân cư mới định hướng tới những khu vực có tiềm năng năng lượng dồi dào nhất trên toàn lãnh thổ. Việc thực hiện các biện pháp cụ thể trong quy hoạch lãnh thổ sẽ không khả thi nếu không xem xét các vấn đề bảo vệ môi trường thiên nhiên kết hợp nghiên cứu khung thiên nhiên sinh thái, và quy hoạch vùng nói chung. Đánh giá sự phân bố tiềm năng năng lượng và việc bố trí các công trình sản xuất năng lượng tái tạo trong khung thiên nhiên sinh thái là một hệ thống cung cấp thông tin phân tích về chất lượng cũng như ý nghĩa của các giải pháp thiết kế trong tổ hợp thiên nhiên và cận thiên nhiên. Khung thiên nhiên sinh thái của lãnh thổ cần bao gồm cả các cơ sở sản xuất năng lượng tái tạo như một yếu tố không thể tách rời trong cơ cấu của mình. Việc bố trí hạ tầng các cơ sở sản xuất năng lượng tái tạo cần tính tới một số yếu tố sau đây:
- Tính toàn vẹn lãnh thổ của các yếu tố thuộc khung thiên nhiên sinh thái trên lãnh thổ;
- Đa dạng sinh học, đa dạng cảnh quan;
- Sự tương tác giữa các yếu tố của khung thiên nhiên sinh thái và các cơ sở sản xuất năng lượng tái tạo.
Trên cơ sở những nguyên tắc nêu trên, tiền đề phát triển giải pháp tiếp cận tổng thể với quy hoạch lãnh thổ có tính tới tiềm năng năng lượng của môi trường được định hình. Việc nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ tái tạo năng lượng dựa trên nguyên tắc căn bản: tòa nhà và các nguồn năng lượng được xem xét trong một tổ hợp thống nhất, và thống nhất hệ thống quản lý chung nhằm giảm thiểu sự thất thoát năng lượng. Ngoài ra, nhờ sự phân bố hợp lý các thiết bị tái tạo năng lượng trong cơ cấu các toà nhà, năng lượng sẽ được thu nhận mà không mất thêm diện tích, do đó tiết kiệm tài nguyên đất đai. Đối với những địa hình phức tạp, cảnh quan có mức độ xanh hóa lớn, càng cần thiết sử dụng thiết bị tái tạo năng lượng trong các tòa nhà. Tất cả những điều trên sẽ giúp quy hoạch lãnh thổ đạt hiệu quả cao do có tính tới các công nghệ sản xuất năng lượng tái tạo hiện đại, cũng như tính tới các vấn đề bảo vệ môi trường thiên nhiên.
Tác giả:I.V.Dunichkin
Nguồn: Tạp chí Architecture & Modern Information Technologies (Nga) tháng 3/2022
ND: Lệ Minh