Điều tương tự đã xảy ra tại nước Đức khi họ thực hiện chương trình Energie wende đầy tham vọng với mục tiêu đạt 60% năng lượng tái tạo vào năm 2050. Đất nước này đã chi hàng tỷ đôla trong thập niên qua để mở rộng việc sử dụng năng lượng tái tạo, tăng công suất năng lượng Mặt Trời lên gần 650% từ năm 2008 đến năm 2010. Nhưng vào tháng 6 năm 2018, Đức đã sản xuất ra lượng điện Mặt Trời nhiều gấp khoảng mười lần so với tháng 12 cùng năm. Trên thực tế, vào một số thời điểm trong mùa hè, các nhà máy năng lượng Mặt Trời và gió của Đức tạo ra nhiều điện đến mức nước này không thể sử dụng hết.

Khi điều đó xảy ra, họ đã chuyển một phần điện dư thừa sang các nước láng giềng là Ba Lan và Cộng hòa Séc. Các nhà lãnh đạo của hai nước đã phàn nàn rằng việc này đang gây áp lực lên lưới điện của chính họ và gây ra sự thay đổi khó lường về giá điện.

Sự gián đoạn còn gây ra một vấn đề khác thậm chí còn khó giải quyết hơn so với sự thay đổi theo ngày hoặc theo mùa. Điều gì sẽ xảy ra trong trường hợp hiện tượng thời tiết khắc nghiệt buộc một thành phố phải tồn tại trong vài ngày mà không có bất kỳ nguồn năng lượng tái tạo nào?

Hãy tưởng tượng rằng trong tương lai, thành phố Tokyo có được tất cả lượng điện cần thiết chỉ từ năng lượng gió. (Trên thực tế, Nhật Bản có sẵn khá nhiều điện gió trên bờ và ngoài khơi). Vào tháng 8 của một năm bất kỳ, một cơn bão lớn ập đến vào đúng cao điểm của mùa bão. Những cơn gió mạnh đến mức có thể xé toạc các tua-bin gió nếu thiết bị này không ngừng hoạt động. Các nhà lãnh đạo của Tokyo quyết định tắt các tua-bin và chỉ sử dụng điện được tích trữ trong các loại pin quy mô lớn tốt nhất mà họ có thể sử dụng.

Câu hỏi ở đây là: Họ sẽ cần bao nhiêu pin để cung cấp năng lượng cho Tokyo trong ba ngày, cho đến khi cơn bão đi qua và các tua-bin hoạt động trở lại? Câu trả lời là hơn 14 triệu viên pin. Toàn thế giới phải mất đến một thập niên để tạo ra được khả năng lưu trữ lớn đến vậy. Giá thành của lượng pin này là 400 tỷ đôla. Tính trung bình trong suốt thời gian sử dụng của pin, chi phí hàng năm là hơn 27 tỷ đôla. Và đó mới chỉ là số tiền để mua pin; chúng ta vẫn chưa tính đến các chi phí khác như lắp đặt và bảo trì.

Ví dụ này hoàn toàn là giả định. Không ai thực sự cho rằng Tokyo nên hoàn toàn sử dụng điện gió hay lưu trữ năng lượng bằng loại pin hiện nay. Tôi đang sử dụng ví dụ minh họa này để khẳng định một điều quan trọng: Việc lưu trữ điện trên quy mô lớn là vô cùng khó khăn và tốn kém, nhưng đó là một trong những việc cần làm nếu chúng ta dự định phụ thuộc vào các nguồn năng lượng không liên tục để cung cấp một tỷ lệ điện sạch đáng kể trong những năm tới.

Hệ thống phát điện năng lượng Mặt Trời Ivanpah tại sa mạc Mojave, Mỹ. Ảnh: Getty.

Và chúng ta sẽ cần rất nhiều điện sạch trong những năm tới. Hầu hết các chuyên gia đều đồng ý rằng khi chúng ta ứng dụng điện vào các hoạt động gây ra phát thải nhiều carbon như sản xuất thép và lái ôtô, nguồn cung cấp điện toàn cầu sẽ cần tăng gấp đôi hoặc thậm chí gấp ba vào năm 2050. Và dự đoán này thậm chí còn chưa tính đến sự gia tăng dân số hay việc con người sẽ giàu có hơn và sử dụng nhiều điện hơn. Vì vậy, thế giới sẽ cần nhiều hơn gấp ba lần lượng điện mà chúng ta đang sản xuất.

Bởi vì năng lượng Mặt Trời và năng lượng gió là không liên tục, nên chúng ta sẽ cần phải nâng cao năng lực tạo ra điện. (Năng lực sẽ cho thấy khả năng sản xuất điện về mặt lý thuyết khi ánh nắng rực rỡ nhất hoặc gió thổi mạnh nhất; sản lượng là lượng điện chúng ta thực sự thu được, sau khi tính đến sự gián đoạn, việc tạm ngừng hoạt động để bảo trì, cùng với các yếu tố khác. Sản lượng luôn luôn nhỏ hơn năng lực; và trong trường hợp của các nguồn không ổn định như năng lượng Mặt Trời và năng lượng gió, nó có thể nhỏ hơn rất nhiều).

Khi xét đến toàn bộ lượng điện bổ sung mà chúng ta sẽ sử dụng cùng với giả định rằng điện gió và điện Mặt Trời đóng một vai trò quan trọng, thì chúng ta sẽ cần khiến năng lực sản xuất tăng thêm 75 gigawatt vào mỗi năm trong vòng 30 năm tới để hoàn toàn loại bỏ carbon khỏi lưới điện Mỹ vào năm 2050.

Lượng này có nhiều không? Trong thập niên qua, mức gia tăng trung bình hàng năm là 22 gigawatt. Giờ đây chúng ta cần lắp đặt nhiều hơn gấp ba lần mỗi năm và duy trì tốc độ này trong ba thập niên tới.

Điều này sẽ dễ dàng hơn một chút khi chúng ta khiến các tấm quang điện và tua-bin gió trở nên rẻ hơn và hoạt động hiệu quả hơn - nghĩa là, chúng ta tìm ra các phương thức để thu được nhiều năng lượng hơn từ một lượng ánh sáng Mặt Trời hoặc gió nhất định. (Các tấm quang điện tốt nhất hiện nay mới chỉ chuyển đổi chưa đến một phần tư lượng ánh sáng Mặt Trời chiếu vào chúng thành điện năng, và giới hạn về mặt lý thuyết đối với loại pin thương mại phổ biến nhất hiện nay là khoảng 33%). Khi tỷ lệ chuyển đổi này tăng lên, chúng ta có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ cùng một diện tích, điều này sẽ giúp ích khi chúng ta triển khai những công nghệ này trên diện rộng. Nhưng các tấm pin và tua-bin hiệu quả hơn vẫn là chưa đủ, bởi vì có một sự khác biệt lớn giữa những gì mà một nước Mỹ trên đà phát triển đã làm trong thế kỷ XX và những gì chúng ta cần làm trong thế kỷ XXI.

Yếu tố địa điểm sẽ trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Kể từ khi lưới điện mới xuất hiện, các công ty đã đặt hầu hết nhà máy điện gần các thành phố đang phát triển nhanh chóng của nước Mỹ, vì khi đó, việc sử dụng các tuyến đường sắt và đường ống để vận chuyển nhiên liệu hóa thạch từ bất cứ nơi nào mà chúng được khai thác đến các nhà máy nơi chúng sẽ được sử dụng để sản xuất điện là tương đối dễ dàng.

Kết quả là, lưới điện của Mỹ phụ thuộc vào các tuyến đường sắt và đường ống để đưa nhiên liệu qua một quãng đường dài tới các nhà máy điện, sau đó sử dụng các đường dây truyền tải để phân phối điện qua khoảng cách ngắn hơn tới các thành phố cần nó.

Mô hình này không thể hoạt động với năng lượng Mặt Trời và gió. Bạn không thể gửi ánh sáng Mặt Trời trong toa tàu tới một nhà máy điện nào đó; nó cần phải được chuyển đổi ngay tại chỗ thành điện năng. Nhưng hầu hết nguồn cung cấp ánh sáng Mặt Trời của nước Mỹ là ở vùng Tây Nam, và phần lớn gió của chúng ta là ở vùng Đại Bình nguyên Bắc Mỹ, cách xa nhiều khu vực đô thị lớn.

Nói tóm lại, sự gián đoạn là nguyên nhân chính làm tăng chi phí khi chúng ta tiến gần hơn tới mục tiêu hoàn toàn sử dụng điện không carbon. Đó là lý do tại sao các thành phố đang cố gắng bảo vệ môi trường vẫn sử dụng các phương thức sản xuất điện khác để hỗ trợ cho năng lượng Mặt Trời và gió, chẳng hạn như các nhà máy nhiệt điện khi có khả năng chỉ hoạt động và dừng lại khi cần thiết để đáp ứng nhu cầu, và những nhà máy điện kiểu này chắc chắn không thể được gọi là không carbon.