Mục lục bài họcĐang ở d06-b1
← AP Environmental Science
0/36 bài đã học xong
Chương 6 · Unit 6 — Energy Resources and Consumption · Bài 1/4 của chương · bài 21/36 của AP Environmental Science

Nonrenewable Energy: Coal, Oil, and Natural Gas

Năng lượng không tái tạo: than, dầu, khí thiên nhiên
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Where fossil fuels come from

Coal formed from plant material buried in ancient swamps; oil and natural gas formed from marine plankton buried in ocean sediments. Heat and pressure over hundreds of millions of years drove off water and concentrated the carbon. Because that timescale is far longer than human history, these are nonrenewable.

Coal ranks by carbon content: lignite (lowest energy, highest moisture), bituminous (most common, high sulfur), anthracite (highest energy, cleanest burning, rarest).

How they are extracted

  • Surface mining — strip mining and mountaintop removal: overburden is stripped off and dumped in adjacent valleys (valley fill). Cheap, safe for workers, devastating for habitat and headwater streams.
  • Subsurface mining — shafts follow deep seams. Less surface damage, but acid mine drainage, subsidence, and black lung disease.
  • Hydraulic fracturing (fracking) — high-pressure water, sand and chemicals crack shale to release trapped gas. Risks: methane migration into groundwater, induced seismicity, and disposal of saline flowback water.

Why the numbers matter

Coal delivers roughly $24$ MJ per kilogram, and a typical coal plant converts only about $33\%$ of that into electricity. Natural gas has the highest energy per unit of carbon of any fossil fuel, so a combined-cycle gas plant releases roughly half the $\text{CO}_2$ per kWh that a coal plant does — and almost no $\text{SO}_2$ or mercury.

Giải thích tiếng Việt

Nguồn gốc quyết định nơi tìm ra chúng. Than hình thành từ thực vật vùi trong đầm lầy cổ; dầu mỏ và khí thiên nhiên hình thành từ sinh vật phù du biển vùi trong trầm tích đáy biển. Nhiệt và áp suất trong hàng trăm triệu năm đã đuổi nước đi và cô đặc cacbon lại. Vì thang thời gian ấy dài hơn toàn bộ lịch sử loài người, chúng được xếp là không tái tạo.

Than xếp hạng theo hàm lượng cacbon: than nâu (lignite) — năng lượng thấp nhất, ẩm nhất; than bitum — phổ biến nhất, nhiều lưu huỳnh; than antraxit — năng lượng cao nhất, cháy sạch nhất, hiếm nhất.

Ba cách lấy lên, ba nhóm hậu quả khác nhau — đề AP hỏi hậu quả nhiều hơn hỏi kỹ thuật:

  • Khai thác lộ thiên gồm bóc dải và hạ đỉnh núi: lớp đất đá phủ bị bóc và đổ xuống thung lũng bên cạnh. Rẻ, an toàn cho thợ, nhưng xoá sạch sinh cảnh và lấp các suối đầu nguồn.
  • Khai thác hầm lò đào giếng theo vỉa sâu. Ít phá bề mặt hơn, đổi lại có nước thải mỏ axit, sụt lún và bệnh bụi phổi.
  • Nứt vỉa thuỷ lực bơm nước, cát và hoá chất áp suất cao làm nứt đá phiến để giải phóng khí. Rủi ro: mêtan lọt vào nước ngầm, động đất kích thích, và nước hồi lưu mặn khó xử lý.

Con số phải nhớ: than cho khoảng $24$ MJ mỗi kilôgam, nhà máy nhiệt điện than chỉ biến khoảng $33\%$ số đó thành điện. Khí thiên nhiên có tỉ lệ năng lượng trên cacbon cao nhất trong các nhiên liệu hoá thạch, nên nhà máy khí chu trình hỗn hợp phát ra chỉ khoảng một nửa lượng $\text{CO}_2$ trên mỗi kWh so với than, gần như không có $\text{SO}_2$ và thuỷ ngân.

ỐNG KHÓI CO₂ · SO₂ · NOₓ · Hg · bụi THAN hoá năng ~24 MJ/kg LÒ HƠI nước → hơi 540 °C · 170 bar TUABIN hơi giãn nở nhiệt → cơ MÁY PHÁT cơ → điện cảm ứng từ LƯỚI 33 % BÌNH NGƯNG + THÁP GIẢI NHIỆT NHIỆT THẢI ~ 65 % năng lượng vào nước sông nóng lên = ô nhiễm nhiệt 100 đơn vị năng lượng vào 33 ra lưới
Nhà máy nhiệt điện than là một cỗ máy đun nước. Điểm phải nhìn ra: trong $100$ đơn vị năng lượng của than, chỉ khoảng $33$ ra tới lưới, còn khoảng $65$ đi thẳng vào bình ngưng và tháp giải nhiệt. Đó không phải lỗi thiết kế mà là giới hạn nhiệt động của chu trình hơi nước — và chính dòng $65$ đó tạo ra ô nhiễm nhiệt ở con sông nhận nước làm mát.
Ví dụ — than và CO₂ cho một hộ gia đình

Một hộ dùng $900$ kWh điện mỗi tháng, lấy từ nhà máy nhiệt điện than có hiệu suất $33\%$. Than có nhiệt trị $24{,}0$ MJ/kg và phát thải $0{,}95$ kg $\text{CO}_2$ mỗi kWh điện. Tính khối lượng than đốt và khối lượng $\text{CO}_2$ phát ra trong một tháng.

Giải.

Bước 1 — đổi kWh sang joule. Mốc bắt buộc thuộc lòng: $1 \text{ kWh} = 3{,}6 \text{ MJ}$.

$$900 \text{ kWh} \times 3{,}6 \frac{\text{MJ}}{\text{kWh}} = 3\,240 \text{ MJ điện}$$

Bước 2 — lùi ngược qua hiệu suất. Điện là đầu ra, nên phải chia cho hiệu suất để ra năng lượng đầu vào:

$$E_{\text{vào}} = \frac{3\,240}{0{,}33} = 9\,818 \text{ MJ}$$

Bước 3 — quy ra khối lượng than.

$$m = \frac{9\,818 \text{ MJ}}{24{,}0 \text{ MJ/kg}} \approx 409 \text{ kg than mỗi tháng}$$

Bước 4 — $\text{CO}_2$. Hệ số $0{,}95$ đã tính theo kWh điện nên dùng thẳng, không lùi qua hiệu suất lần nữa:

$$900 \times 0{,}95 = 855 \text{ kg } \text{CO}_2 \text{ mỗi tháng}$$

Tức khoảng $10{,}3$ tấn $\text{CO}_2$ một năm cho một hộ — con số này chính là thứ đề AP muốn học viên tự đặt cạnh chi phí lắp pin mặt trời.

Bẫy hay mất điểm — Lỗi đắt nhất của chương là nhân hiệu suất thay vì chia. Hiệu suất luôn là $\text{ra}/\text{vào}$, nên biết đầu ra mà muốn tìm đầu vào thì phải chia. Cách chặn: trước khi bấm máy, hỏi "con số cần tìm phải lớn hơn hay nhỏ hơn con số đã có?". Năng lượng vào luôn lớn hơn năng lượng ra — ra đáp số nhỏ hơn là biết đã nhân nhầm.
Phải nhớ — Than từ thực vật đầm lầy, dầu khí từ phù du biển. Lộ thiên phá bề mặt, hầm lò cho nước thải axit, nứt vỉa đe doạ nước ngầm. $1 \text{ kWh} = 3{,}6 \text{ MJ}$, nhiệt điện than $\approx 33\%$, khí phát thải bằng khoảng nửa than.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 6 — Energy Resources and Consumption gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →
← Bài trướcUrbanization, Impervious Surfaces, and DamsBài sau →Nuclear Power: Fission, Fuel, Waste, and Failure