Trong lịch sử phát triển của nhân loại từ cuối thế kỉ 18 trở lại đây, các cuộc cách mạng công nghiệp luôn gắn liền với việc sử dụng năng lượng một cách ngày càng hiệu quả hơn. Nếu như cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất (CMCN 1.0) đi kèm với việc sử dụng năng lượng cơ học của nước và hơi nước, thì CMCN 2.0 dựa trên việc sản xuất hàng loạt dựa trên năng lượng điện, và ở CMCN 3.0 là có sự ứng dụng của điện tử và công nghệ thông tin trong sản xuất tự động. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 (CMCN 4.0) tuy được nhắc đến rất nhiều trên các phương tiện thông tin đại chúng, nhưng hầu hết chúng ta còn khá mơ hồ về nó. Nói một cách đơn giản, CMCN 4.0 gắn liền với hệ thống sản xuất thông minh, kết nối chặt chẽ với nhau, và được cấu thành từ những thành phần cơ bản sau:

• Thực tế ảo tăng cường (augmented reality).
• Công nghệ blockchain (blockchain technology).
• Dữ liệu lớn và phân tích (Big Data and Analytics).
• Internet vạn vật (Internet of Things).
• Tạo nguyên mẫu nhanh (Rapid Prototyping) với sự hỗ trợ của kỹ thuật in 3D.

Theo thống kê gần đây nhất của British Petroleum (con số cụ thể được cho trong Bảng 1) [1], tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới trong năm 2016 là 13276.3 triệu tấn dầu tương đương (toe - tonne of oil equivalent), trong đó năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí tự nhiên, than đá) vẫn tiếp tục chiếm tỉ lệ cao ở mức 85,52%, còn năng lượng tái tạo tuy có sự tăng trưởng đều đặn những vẫn chỉ chiếm 3.16%. Ở Việt Nam, các con số tương ứng là 78,7% và 0.15%, thấp hơn nhiều so với khu vực Châu Á–Thái Bình Dương (88,92% và 2,59%). Vì vậy, phát triển năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, v..v) như một nguồn năng lượng bền vững là một nhu cầu cấp thiết của Việt Nam - một đất nước nhiệt đới với lượng chiếu sáng dồi dào từ Mặt Trời và lượng gió đều đặn thổi vào đất liền từ biển Đông.

Bảng 1. Năng lượng tiêu thụ năm 2016 của Việt Nam, khu vực Châu Á–Thái Bình Dương và trên toàn thế giới [1]. Đơn vị là triệu tấn dầu tương đương (toe - tonne of oil equivalent).

Báo cáo của BP cũng cho biết lượng phát thải khí CO₂ gây hiệu ứng nhà kính và hiện tượng nóng lên toàn cầu ngày càng tăng trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng (Hình 1). Tỉ lệ tăng lượng phát thải hàng năm trên toàn thế giới cao nhất là 4,59% vào năm 2010, trong khi đó tỉ lệ đó là ở khu vực Châu Á–Thái Bình Dương là 6,7% trong năm 2007, và ở Việt Nam là 31,9% trong năm 2008. Nói chung, tính từ năm 2006, tỉ lệ tăng này của Việt Nam hầu như luôn cao hơn mức trung bình của toàn thế giới và trong khu vực. Chỉ trong vòng 10 năm từ 2006 đến 2016, lượng phát thải khí CO₂ tại Việt Nam đã tăng 132,6% (từ 71,8 triệu tấn đến 167 triệu tấn), trong khi đó con số này trên toàn thế giới và khu vực Châu Á–Thái Bình Dương tương ứng là 13,6% (từ 24930,1 triệu tấn đến 33432 triệu tấn) và 35,8% (từ 11859,1 triệu tấn đến 16100,5 triệu tấn). Các số liệu trên cho thấy, việc sử dụng năng lượng tái tạo, năng lượng sạch là điều không thể tránh khỏi trong tương lai gần, nhằm phục vụ cho mục tiêu phát triển bền vững, bảo vệ môi trường và an ninh năng lượng.

​

Hình 1. Biểu đồ mô tả tỉ lệ tăng lượng phát thải khí CO₂ hàng năm trên toàn thế giới, trong khu vực Châu Á–Thái Bình Dương và tại Việt Nam. Dữ liệu lấy từ nguồn của British Petroleum [1].

Chủ đề thúc đẩy phát triển năng lượng bền vững đã được nhấn mạnh trong một báo cáo gần đây của Tổ chức phát triển công nghiệp thuộc Liên hiệp quốc (UNIDO – United Nations Industrial Development Organization) [2]. Năng lượng tái tạo và sử dụng năng lượng hiệu quả là hai yếu tố trung tâm của hệ thống năng lượng bền vững và đóng vai trò then chốt trong việc phát triển bền vững và làm giảm biến đổi khí hậu. Quá trình chuyển dịch năng lượng bền vững và CMCN 4.0 có những điểm chung quan trọng như sau: cả hai đều chịu ảnh hưởng mạnh của những đổi mới công nghệ, phụ thuộc vào sự phát triển của các cơ sở hạ tầng phù hợp, cơ chế cũng như tiềm năng cho các mô hình kinh doanh mới. Vì vậy, cần thiết có sự liên kết chặt chẽ giữa CMCN 4.0 và năng lượng bền vững, cụ thể là:

1. Số hóa trong ngành năng lượng:

• Các công nghệ số cho phép xây dựng mạng điện thông minh, trong đó toàn bộ quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện được kiểm soát chặt chẽ bằng các công nghệ thông tin và truyền thông. Các mạng lưới đó cũng cho phép tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào mạng điện ở quy mô lớn.
• Một cách tiếp cận thứ hai là sử dụng các nhà máy điện ảo (VPP Virtual Power Plant) với sự hỗ trợ của điện toán đám mây, các thiết bị internet vạn vật và một số công nghệ số khác. Công nghệ này cho phép kết nối các nguồn năng lượng nhỏ lẻ, phân tán (DER - Distributed Energy Resources), có công suất nhỏ hơn 10 MW, nhưng nằm gần khu vực tiêu thụ điện, nhờ vậy giúp giảm thất thoát qua truyền tải. Các nguồn năng lượng đó có thể là năng lượng tái tạo không liên tục, các nhà máy điện truyền thống quy mô nhỏ hoặc các hệ thống lưu trữ. Một phân tích và mô phỏng thực hiện bởi các nhà khoa học Đức cho thấy việc kết hợp nhà máy điện ảo và năng lượng tái tạo sẽ cho phép sử dụng độc quyền các nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai.

2. Tiết kiệm năng lượng trong ngành sản xuất, chế tạo:

• Một trong những đặc trưng quan trọng của CMCN 4.0 là việc số hóa trong quá trình sản xuất. Quá trình này có thể giúp tiết kiệm năng lượng bằng việc thay thế từng công nghệ cụ thể, sử dụng các công cụ phần mềm và sự thích ứng của các quy trình kinh doanh. Một ví dụ là sử dụng một hệ thống gồm số lượng lớn các rôbốt được kết nối với nhau và được điều khiển bằng một thuật toán nhất định, nhằm làm giảm tổng năng lượng tiêu thụ của chúng.
• Các quy trình kinh doanh cũng cần được thay đổi theo hướng có sự kết nối trực tiếp với khách hàng cũng như các trải nghiệm của họ thông qua một mạng lưới tạo ra giá trị, từ đó có thể điều chỉnh các sản phẩm trong tương lai hoặc bổ sung các dịch vụ mới. Điều này giúp loại bỏ các chi tiết thừa trong thiết kế của sản phẩm, ví dụ như việc loại bỏ hộp số đối với các xe ô tô chỉ đi trên địa hình bằng phẳng. Việc thay đổi linh hoạt này hoàn toàn khả thi về mặt công nghệ và giúp giảm bớt năng lượng tiêu thụ.

3. Năng lượng bền vững trong ngành sản xuất, chế tạo:

Khả năng lưu trữ năng lượng rất quan trọng đối với các hệ thống năng lượng dễ thất thoát - cả về an ninh của nguồn cung cấp và sự linh hoạt của lưới điện. Lưu trữ cũng cho phép sử dụng hiệu quả hơn các cơ sở hạ tầng hiện có, chẳng hạn như bằng cách giảm tải vào giờ cao điểm. Hiện nay có hai cách tiếp cận chính như sau:

• Chuyển năng lượng dư thừa thành nhiệt (Power-to-Heat): trong một số ngành công nghiệp sản sinh ra nhiều năng lượng dư thừa, bao gồm cả năng lượng tái tạo, năng lượng đó có thể chuyển hóa thành năng lượng nhiệt (ví dụ hơi nước) dùng để sử dụng trực tiếp hoặc lưu trữ. Phương pháp này cũng có thể được áp dụng ở quy mô nhỏ như nhà riêng.
• Chuyển năng lượng dư thừa thành khí đốt (Power-to-Gas): thặng dư năng lượng tái tạo được sử dụng để sản xuất khí đốt - thường là khí mê-tan hoặc khí hydro.

Nói chung phương pháp Power-to-Heat hiệu quả hơn phương pháp Power-to-Gas, tuy nhiên phương pháp thứ hai có hai lợi thế lớn: (i) nó có thể được sử dụng cho lưu trữ quy mô lớn, và (ii) khí đốt có thể dễ dàng chuyển thành điện năng sau đó.

Như vậy, CMCN 4.0 được mong đợi là sẽ mở ra các khả năng sản xuất ra các sản phẩm tùy biến với rất ít chi phí phụ. Ngoài khả năng phát triển mô hình kinh doanh mới dựa trên nguồn dữ liệu khổng lồ thu thập được qua cuộc sống hàng ngày, CMCN 4.0 – bằng sự kết nối chặt chẽ và tính linh hoạt của mình – cũng hỗ trợ sự chuyển tiếp sang các hệ thống năng lượng bền vững. Ngoài ra, CMCN 4.0 cũng khuyến khích triển khai các nguồn năng lượng tái tạo, một nguồn năng lượng có tính linh hoạt rất cao, có thể đưa vào lưới điện chung và điều chỉnh điện năng cung cấp sao cho phù hợp với nhu cầu sử dụng tại từng thời điểm. Tuy nhiên, cơ hội luôn luôn đi kèm với thách thức, cụ thể là trong CMCN 4.0, các ngành công nghiệp được số hóa và kết nối với nhau có thể thay đổi căn bản các môi trường làm việc cũng như số lượng và loại công việc được tạo ra. Những thay đổi lớn lao và nhanh chóng trong công nghệ và những ảnh hưởng của chúng đối với nền kinh tế và xã hội có thể dễ dàng trở thành một thách thức lớn cho các nhà hoạch định chính sách để phát triển các chính sách mới, các quy định cần thiết và điều chỉnh những quy định hiện có với các bối cảnh đã thay đổi.

Tài liệu tham khảo

[1] British Petroleum. BP Statistical Review of World Energy 2017; 2017.

[2] UNIDO (2017). Accelerating clean energy through Industry 4.0: manufacturing the next revolution. Nagasawa, T., Pillay, C., Beier, G., Fritzsche, K., Pougel, F., Takama, T., The, K., Bobashev, I. A report of the United Nations Industrial Development Organization, Vienna, Austria.