Ánh sáng mặt trời là giải pháp năng lượng bền vững Những thận trọng cần thiết với công nghệ sản xuất tấm quang năng

Năng lượng tái tạo từ gió và ánh sáng mặt trời đã nhanh chóng vượt qua các nguồn năng lượng hóa thạch, hạt nhân và cả thủy điện vì hiệu quả kinh tế cao và phát thải thấp. Mặc dù công nghệ sản xuất tế bào quang điện (solar cell) và các tấm quang điện (solar panel) tuy được quảng bá là công nghệ xanh và sạch nhưng thực tế theo báo cáo khoa học của GS Dustin Mulvaney của trường Đại học Tiểu bang California, San jose, USA quy trình công nghệ này không phải hoàn toàn xanh và sạch.

Các nhà máy công nghệ sản xuất tế bào quang năng có một số tác động môi trường đã được ghi nhận trên thế giới, do vậy Việt Nam cần phải thận trọng với những dự án này để bảo đảm các vấn đề về an toàn cho công nhân, cho cộng đồng và môi trường chung quanh nhà máy. Tại sao? Đó là vì công nghệ quang năng áp dụng công nghệ bán dẫn (semiconductor), là một công nghệ cao và còn rất mới trên thế giới, quy trình sản xuất phải sử dụng và thải ra nhiều hoá chất rất độc hại; ngoài ra các tấm quang năng phế liệu thải ra cuối vòng đời sử dụng cũng đặt ra nhiều thách thức về môi trường cần phải giải quyết.

Việt Nam cần có một hệ thống hoàn chỉnh toàn bộ: Quản lý hành chính tốt ở cấp cao để đảm bảo các đánh giá tác động môi trường (ĐTM) được thực hiện khách quan, công khai hóa báo cáoĐTM, tham vấn ĐTM với cộng đồng dân cư, cơ quan kiểm soát địa phương cần có quyền hạn, phương tiện và chuyên viên đủ trình độ để kiểm soát hoạt động của các cơ sở công nghiệp. Hệ thống này sẽ giúp tránh những bất trắc đã xảy ra từ các công trình lớn đã xảy ra như thủy điện (A Vương), hóa chất (Vedan), khai khoáng luyện nhôm (Bauxite Tây Nguyên), sản xuất giấy (Lee & Man), nhiệt điện than (Vĩnh Tân) hay luyện thép (Formosa Hà Tĩnh). Nêu không thiết kế đủ mức an toàn, thiếu thiết bị quan trắc và kiểm soát hoạt động, hoạt động của các nhà máy sẽ mất kiểm soát và rủi ro ô nhiễm có thể xảy ra.

Công nghệ quang năng vẫn còn ở giai đoạn đang trưởng thành trên thế giới, các nước tân tiến đang cạnh tranh ráo riết về kỹ thuật – công nghệ và nguyên liệu khác nhau; nên trong cuộc chạy đua gay go này, sơ suất sẽ cao và khó lường. Tạp chí Scientific American báo cáo về một vụ nổ khí silane năm 2005 tại nhà máy chế tạo tấm quang năng ở Đài Loan đã phá hủy nhà máy và làm thiệt mạng một công nhân. Theo bản tin trên VN Express ngày 11/03/2017 , dự án đầu tư nhà máy sản xuất tấm quang năng tại Bắc Giang, Việt Nam của JA Solar - một trong những công ty sản xuất tấm quang năng hàng đầu thế giới của Trung Quốc đã được khởi công và xây dựng rầm rộ mặc dù chưa có báo cáo ĐTM được phê duyệt theo theo quy định của pháp luật Việt Nam nên đã bị đình chỉ. Trong tương lai, công nghệ điện mặt trời sẽ được đãi khuyến khích và nhiều đự án đầu tư quy mô sẽ ồ ạt đi vào Việt Nam, khi đó Hội đồng thẩm định các báo cáo ĐTM của các dự án này có thể tham khảo những yêu cầu thận trọng trình bày trong bài này.

Thận trọng về an toàn và môi trường trong sử dụng hóa chất tại nhà máy

Quy trình công nghệ chế tạo các tấm bán dẫn đa tinh thể silic (polycrytaline silicon), đơn tinh thể silic (monocrytaline silicon) và tấm phim silic (thin film panel) điển hình được trình bày trong Hình 1, Hình 2 và Hình 3.


Hình 1: Quy trình chế tạo đa tinh thể silic (polycrystaline silicon) polysilicon


Hình 2: Quy trình chế tạo đơn tinh thể silic (Monocrytaline Silicon)


Hình 3: Quy trình chế tạo pin quang năng mỏng (Thin Film)

Quá trình sản xuất các tấm quang năng trên phải sử dụng nhiều khí phụ gia (dopant) rất độc hại ở nồng độ và áp suất cao liệt kê trong Bảng 1. Dữ liệu này được trích dẫn từ báo cáo của tác giả bài này trên tạp chí Solid State Technology, ấn bản tháng 07/1995 và cập nhật trong bài này theo NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards 2007 và các Bảng chỉ dẫn an toàn hóa chất (Material Safety Data Sheet, MSDS).

  • Bảng 1, Stack Limit ở cột E là đề nghị quy chuẩn an toàn hay giới hạn hàm lượng cho phép thải ra tại ống khói cho xí nghiệp tại Việt Nam (ppm = part per million, phần triệu).

  • Bảng 1, Detection ở cột J là những khí cần có thiết bị cảm ứng và hệ thống quan trắc tự động đóng xi lanh khi phát hiện thất thoát ra. Đó là những khí độc, khả năng cháy nổ cao và khó ngửi biết.

  • Các hàm lượng này dựa vào tiêu chuẩn cho phép của California Uniform Fire Code, Section 606.13 và Section 60042.2.10.

  • Cột G, H và I: National Fire Protection Association (NFPA) phân loại hóa chất theo bốn bậc (rating) từ nhẹ đến nặng (1 đến 4) theo ba yếu tố: Health-Sức khỏe, Flammability-Hỏa hoạn, Reactivity-Phản ứng. Theo đó, chất nào có một yếu tố nào ở bậc 3 hay 4 đều bị hạn chế số lượng và phải kiểm soát nghiêm ngặt.

Thận trọng với quy trình sản xuất và sử dụng nguyên vật liệu trong nhà máy

Những thiết bị trong nhà máy cần phải thật sạch để tránh bụi, hoá chất lạ và ngay cả hơi nước vì dù lượng tối thiểu cũng gây nhiễm bẩn và làm hỏng sản phẩm. Hệ thống dẫn khí phải thật kín và được kiểm nghiệm dưới áp suất cao và trong môi trường chân không gần như tuyệt đối. Mặt trong các ống dẫn (tubing), thiết bị (fittings, regulators, meters, filter) và các lò phản ứng (process reactors) phải phẳng mịn (microfinish) để không có chỗ cho chất lạ bám vào.

Theo luật thiết kế hà máy của Mỹ và quốc tế (IBC, IFC, IMC, IPC): Các khí phụ gia (dopant) được chứa trong các xi lanh thép ở áp suất khoảng 100 bars (1500 psig), vì không có màu sắc hay mùi vị để công nhân nhận biết khi xảy ra rò rỉ khí (vì hàm lượng thấp ppm, ppb phần tỉ) và vì khí có khả năng tự phát nổ (phosphine, silane) nên tất cả các xi lanh chứa khí (gas cylinders) không cho phép đặt bên trong nhà máy, mà phải được bố trí tập trung theo từng loại (chất cháy tách ra với chất độc, vào từng phòng riêng có kiến trúc kiên cố (explosion proof gas bunker) bao bọc.

Dựa vào kinh nghiệm quản lý và thiết kế tác giả bài này thực hiện tại Mỹ: Từ năm 1989 trở đi, kỹ nghệ điện bán dẫn trổi dậy tại California, từ Silicon Valley, San Jose lan xuống San Diego, các phòng thí nghiệm sạch (clean room) được các hãng công nghệ cao như Intel, Motorola, AMD, ST Microelectronics và quốc phòng như Hughes Aircraft Company đua nhau xây phòng thí nghiệm sạch bức phá từng log scale từ một Class 100.000, lên 10.000, 1.000, 100 và 10 (Class 10 theo Federal Standard 209 không đựơc có trên 10 hạt bụi lớn hơn 0,5 micrnmeter trong mỗi cubic foot). Càng sạch thì lượng không khí luân chuyển phải càng nhanh, có thể đến 540 thể tích mỗi giờ, do đó nếu khí độc thoát ra sẽ phát tán ra toàn thể hệ thống vận hành đó (AC system) trong nhà máy rất nhanh.

Trong các nhà máy đó là những hoá chất cực độc, xa lạ được sử dụng với liều lượng, áp suất và nồng độ ngày càng cao và càng nhiều. Kinh nghiệm dự trữ, chuyển tải và xả thải lúc đầu gần như không có; đồng thời luật lệ an toàn thiếu sót không đuổi kịp tiến độ chóng mặt của kỹ thuật. Để đối phó với những rủi ro và nguy hiểm mới có đó, tác giả bài này đã phân tích các hóa chất và lập ra các biện pháp và bố trí thiết bị an toàn cho nhà máy, phải đối phó vói những cơn báo động và sơ tán lầm (false alarm and evacuation) điều chỉnh rồi mới thành công.

Các ống khí dopant phải có vỏ bọc ngoài (double wall) và chạy trong hành lang riêng (service coridor), không chung đụng với hành lang thoát hiểm (exit corridor), nhằm mục đích phòng khi xi lanh, ống ga hay thiết bị hư hỏng rò rỉ khí thì công nhân không bị nhiễm hại. Ngoài ra, phòng chứa khí và trong nhà máy nơi có dùng khí phải có hệ thống hút khí, cảm ứng và quan trắc liên tục và thiết bị giải phóng áp khí khi phát nổ (explosion vent). Thiết bị này phải được chuyên gia tính toán theo liều lượng TNT tương đương với số chất nổ cất giữ.


Hình 4: Tủ sắt chứa xi lanh dopant trong phòng riêng và hành lang cho ống dẫn khí vào nhà máy

Thận trọng với các thiết bị công nghệ lỗi thời

Những thiết bị dùng trong quy trình chế tạo tấm quang năng rất phức tạp và cần chuyên viên viên có trình độ rất cao. Ở Hoa Kỳ, mỗi lò phản ứng là có một đội ngũ chuyên viên tốt nghiệp cao đẳng trung cấp và cao cấp chuyên môn về quy trình áp dụng, mỗi giai đoạn thường được hướng dẫn bởi một tiến sĩ kỹ thuật. Các lò phản ứng (reactors) thường hoạt động ở nhiệt độ cao, điện thế cao trong điều kiện dopant tinh khiết gần tuyệt đối (99.9997%). Khi tất cả năng lượng, nguyên vật liệu và hóa chất tập trung vào một giàn máy phức tạp để vận hành sẽ có rất nhiều kịch bản nguy cơ có thể xảy ra, khi các hoá chất phản ứng với nhau, và có thể gây cháy nổ vì sát ngay bên các thiết bị điện cơ có khả năng phát lửa (ignition sources).

Các hãng bảo hiểm an toàn công nghiệp ở Mỹ như Factory Mutual thường không dựa vào chính quyền để kiểm tra an toàn khi cấp phép cho các nhà máy hoạt động, vì chính quyền không có thanh tra chuyên môn kỹ thuật. Factory Mutual phái thanh tra kiểm tra nhà máy đánh giá các bất cập và buộc các nhà máy phải có nghiên cứu rủi ro (HAZOP hay Risk Analysis) một cách khách quan và độc lập, phải lập đồ án kiểm soát hệ thống dự trữ, phân phối, xử lý chất thải, các bộ phận cảm ứng quan trắc các hóa chất và báo động. Sau đó họ mới cấp chứng chỉ và nhận trách nhiệm bảo hiểm nhà máy. Hệ thống an toàn này rất tốn kém, là phần đầu tư lớn nhưng tối cần thiết để bảo vệ cơ sở nhân công theo nguyên tắc ngăn ngừa trước thiệt hại (loss prevention); quan trọng hơn đây còn là điều kiện cốt yếu để huy động các nguồn đầu tư tài trợ vào dự án.

Thận trọng với khí thải

Trước đây công nghệ sản xuất tấm quang năng và điện tử cho rằng dùng Nnitrogen Trifloride (NF3) và Sulphur Hexafloride (CF6) để rửa sản phẩm thì ô nhiễm sẽ ít hơn các chất tẩy rửa khác, nhưng thực tế không phải vậy: NF3 có chỉ số tiềm năng gây nóng toàn cầu (GWP) là 17000 và tồn tại 550 năm, SF6 có chỉ số GWP 16300 và tồn tại 3200 năm, so với CO2 có GWP quy định là 1, nên NF3 rất đáng lo ngại và cần phải hạn chế,kiểm sóat để giảm thiểu tác động đến khí hậu.


Hình 5: Thiết bị kiểm soát khí thải hydrogen và acid do tác giả bài này thiết kế tại California

Tuy nhiên National Renewable Energy Laboratory (NREL) đã nghiên cứu và so sánh lượng phát thải của các nguồn năng lượng trong suốt vòng đời sản phẩm (life-cycle analysis, cradle-to-grave) cho thấy phát thải khí nhà kính (GHG, greenhouse gas) trung bình của quang năng là 45 grams/kWh, của khí thiên nhiên (natural gas) là 500 grams/kWh và của than đá là 1,001 grams/kWh.

Trong khi đó, mỗi kWh điện từ nhà máy nhiệt điện than thải ra cadmium gấp 360 lần so với phát thải cadmium từ 1 kWh bằng tấm quang năng. Thật vậy, CdTe được bọc kín (encapsulated) dưới mặt pin nên không thể tự phát tán ra ngoài. NFPA xếp Cadmium Tetrachloride vào cấp 2 loại có hại nhẹ, do đó ở Mỹ không bị giới hạn số lượng và kiểm soát.

Số liệu của NREL có thể tham khảo về tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính nhưng đối với các dự án sản xuất quang năng đầu tư vào Việt Nam còn phải tùy theo thiết bị sử dụng có thực sự hiện đại với khả năng giảm thiểu và kiểm soát khí nhà kính cũng như các khí thải độc hại khác như đã đề cập hay không.

Thận trọng với nước thải

Nước thải từ quy trình sản xuất phải tách riêng khỏi nước thải sinh hoạt và tập trung vào một bồn chứa (hai lớp) để xử lý. Thường amonia được sử dụng để giảm tính acid của nước thải đạt quy chuẩn môi trường. Bình chứa amonia cần phải bố trí trong tường bao phòng khi amonia rò rỉ không thể tràn ra ngoài và nhân viên phải kiểm soát báo cáo hàng ngày.

Theo số liệu thống kê ở một số nhà máy, để sản xuất ra 1 tấn tấm quang năng thì nhà máy phải thải ra 4 tấn nước thải silicon tetrachloride. Đây là nước thải độc hại bậc 3, nên phải giới hạn về số lượng và phải được quản lý cực kỳ nghiêm ngặt. Do đó nếu các dự án đầu tư không có các công trình thu hồi, tái chế để sử dụng nước thải hoặc xử lý nước thải đạt quy chuẩn sẽ không nên cho phép hoạt động tại Việt Nam.

Thận trọng với các tấm quang năng phế thải

Về mặt môi sinh: Trong số các hãng sản xuất tấm quang năng, sản phẩm của First Solar có hiệu suất cao nhưng lại sử dụng cadmium telluride (CdTe). Hợp chất này có chứa cadmium một kim loại nặng có khả năng gây ung thư, nên các tấm quang năng CdTe này là mối quan tâm về sức khỏe cho cộng đồng dân cư. Theo báo cáo của Center for Alternative Technologies, với nhiệt độ nóng chảy trên 1050 độ C, ngưỡng cho phép của CdTe cao 500 lần so với Cadmium và 2000 lần so với Telluride. Cũng theo báo cáo này, pin NiCd (rechargeable) có hàm lượng Cadmium gấp 2500 lần có trong tấm quang năng CdTe.

Những tấm quang năng khi phế thải cần được quản lý thận trọng để kiểm soát việc phát tán các kim loại nặng ra môi trường. Hiện nay, vì số lượng phế liệu còn ít nên việc đầu tư tái chế tấm quang năng chưa khả thi về kinh tế nhưng trong tương lai, khi số lượng phế liệu này tăng lên thì việc đầu tư sẽ có hiệu quả.

Kỹ sư Phạm Phan Long
Viet Ecology Foundation
July, 2017 California

Phụ Lục

1. https://m.youtube.com/watch?v=fZ1SC-vUe_I

2. https://energy.gov/eere/sunshot/downloads/thin-film-solar-cell-manufacturing

3. http://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/

4. http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2008/03/08/AR2008030802595_3.html?referrer=emailarticle

5. http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/environmental-impacts-solar-power.html#.WX4YE4huKUl

6. http://www.cleanenergyauthority.com/solar-energy-news/green-illusions-distorts-solar-on-environment-060712/

7. http://e360.yale.edu/features/the_greenhouse_gasthat_nobody_knew

8. https://www.greentechmedia.com/articles/read/how-safe-is-first-solars-cdte-thin-film

9. https://m.youtube.com/watch?v=YYxTmxsd6Ck

10. http://www.gtat.com/index.htm

Views: 41

fb tw in fb