Nhiên liệu hóa thạch, bao gồm than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên, đã cung cấp năng lượng cho các nền kinh tế trong hơn 150 năm và hiện cung cấp khoảng 80% năng lượng của thế giới. Nhiên liệu hóa thạch hình thành hàng triệu năm trước từ tàn tích giàu carbon của động vật và thực vật, khi chúng phân hủy và bị nén và làm nóng dưới lòng đất. Khi nhiên liệu hóa thạch bị đốt cháy, carbon dự trữ và các khí nhà kính khác được thải vào khí quyển. Sự tích tụ quá mức khí nhà kính trong khí quyển đã gây ra những thay đổi lớn đối với khí hậu Trái đất – một xu hướng sẽ trở nên tồi tệ hơn khi đốt cháy nhiều nhiên liệu hóa thạch hơn.
Biểu đồ thể hiện sự đóng góp của từng loại nhiên liệu hóa thạch vào lượng khí thải carbon liên quan đến năng lượng tại Hoa Kỳ năm 2020, nhấn mạnh vai trò quan trọng của dầu mỏ và khí đốt tự nhiên.
Nhiên liệu hóa thạch không phải là cách duy nhất để tạo ra điện. Các công nghệ sạch hơn như năng lượng tái tạo kết hợp với lưu trữ năng lượng và cải thiện hiệu quả năng lượng có thể hỗ trợ một hệ thống năng lượng bền vững hơn với lượng khí thải carbon bằng không.
Dầu mỏ
Dầu mỏ chiếm khoảng một phần ba lượng tiêu thụ năng lượng của Hoa Kỳ. Phần lớn dầu mỏ của thế giới được bơm ra từ các bể chứa dưới lòng đất, nhưng cũng có thể được lấy từ các mỏ trong đá phiến sét và cát hắc ín. Sau khi khai thác, dầu thô được chế biến trong các nhà máy lọc dầu để tạo ra dầu nhiên liệu, xăng, khí hóa lỏng và các sản phẩm phi nhiên liệu như thuốc trừ sâu, phân bón, dược phẩm và nhựa. Ngành giao thông vận tải chiếm phần lớn lượng tiêu thụ dầu mỏ.
Bản đồ thể hiện sự phân bố sản lượng dầu mỏ trên toàn cầu năm 2019, cho thấy Hoa Kỳ dẫn đầu về cả sản xuất và tiêu thụ dầu, phản ánh nhu cầu năng lượng lớn và ngành công nghiệp khai thác dầu phát triển.
Dầu mỏ cũng là một nguồn phát thải khí nhà kính lớn: năm 2020, việc đốt dầu chịu trách nhiệm cho 45% lượng khí thải carbon dioxide liên quan đến năng lượng của Hoa Kỳ.
Việc khai thác và vận chuyển dầu mỏ gây ra những rủi ro lớn về môi trường và an toàn. Đường ống dẫn dầu, giếng khoan ngoài khơi và các cơ sở hạ tầng liên quan thường bị rò rỉ, gây ô nhiễm đại dương, vùng đất ngập nước, nguồn nước ngọt và các hệ sinh thái khác, đồng thời đe dọa sức khỏe con người. Hàng ngàn vụ tràn dầu xảy ra mỗi năm ở Hoa Kỳ và mặc dù nhiều vụ nhỏ, nhưng chúng vẫn có thể gây hại cho động vật và con người. Các vụ tràn dầu lớn, chẳng hạn như thảm họa BP Deepwater Horizon năm 2010, đã thải ba triệu thùng dầu vào Vịnh Mexico, tác động đến hệ sinh thái trong nhiều thập kỷ.
Mặc dù sản lượng và tiêu thụ dầu mỏ giảm trong năm 2020 do đại dịch COVID-19, nhưng cả hai dự kiến sẽ trở lại mức năm 2019 trong vài năm tới. Tương lai của dầu mỏ đến năm 2050 vẫn không chắc chắn khi các nền kinh tế chuyển từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo bền vững.
Than đá
Than đá chủ yếu được sử dụng để sản xuất điện và năm 2020, cung cấp 19% lượng tiêu thụ năng lượng của Hoa Kỳ. Thị phần của than đá đã giảm đều đặn khi chi phí khí đốt tự nhiên và năng lượng tái tạo giảm, khiến than đá kém cạnh tranh hơn. Khi việc sử dụng than đá giảm ở Hoa Kỳ, lượng khí thải carbon dioxide từ than đá cũng giảm – giảm 50% từ năm 2007 đến năm 2019. Trong Triển vọng năng lượng năm 2021 của Cơ quan Thông tin Năng lượng, tiêu thụ than đá quốc gia dự kiến sẽ tiếp tục giảm từ nay đến năm 2050 khi các nhà máy điện đốt than bị loại bỏ trên khắp Hoa Kỳ.
Đồ thị minh họa xu hướng giảm sản lượng than đá ở Hoa Kỳ kể từ năm 2008, phản ánh sự chuyển đổi năng lượng và ưu tiên các nguồn năng lượng sạch hơn.
Wyoming, West Virginia, Pennsylvania, Illinois và Kentucky dẫn đầu sản xuất than đá ở Hoa Kỳ. Nhiều phương pháp được sử dụng để khai thác than đá, phổ biến nhất là khai thác lộ thiên, bao gồm việc loại bỏ các lớp đất và đá trên cùng để tiếp cận than đá. Khai thác lộ thiên chiếm 62% sản lượng than đá. Khai thác ngầm, tạo ra các đường hầm trong núi để tiếp cận than đá, chiếm 38% còn lại. Cả hai phương pháp đều tạo ra các vấn đề về môi trường và sức khỏe con người ở các khu vực xung quanh.
Đốt than tạo ra nhiều chất ô nhiễm không khí gây hại cho sức khỏe con người và môi trường, chẳng hạn như lưu huỳnh dioxide, nitơ oxit, thủy ngân và các hạt vật chất. Tro than là một sản phẩm thải bỏ than độc hại khác, khó tái chế và có thể ngấm vào đường thủy, gây ô nhiễm chúng. Cơ quan Bảo vệ Môi trường ước tính rằng 130 triệu tấn tro than được tạo ra mỗi năm ở Hoa Kỳ.
Khí đốt tự nhiên
Khí đốt tự nhiên được đốt để tạo ra một phần ngày càng tăng trong sản lượng điện của Hoa Kỳ và hiện cung cấp một phần ba lượng tiêu thụ năng lượng của đất nước. Nó thường được sử dụng nhất để sản xuất nhiệt hoặc điện cho các tòa nhà hoặc quy trình công nghiệp. Năm 2020, Hoa Kỳ sản xuất khoảng 24% và tiêu thụ khoảng 22% khí đốt tự nhiên của thế giới.
Tiếp cận khí đốt tự nhiên đòi hỏi phải khoan giếng. Tại Hoa Kỳ, khí đốt tự nhiên được tìm thấy trong đá phiến sét và các thành tạo đá trầm tích khác và được khai thác thông qua một quy trình gọi là phá vỡ thủy lực, hoặc fracking. Fracking đòi hỏi phải ép nước, hóa chất và cát xuống giếng ở áp suất cao, làm nứt đá và giải phóng khí đốt tự nhiên. Quá trình này có thể cực kỳ tốn tài nguyên, đòi hỏi từ 1,5 triệu gallon đến 16 triệu gallon nước cho mỗi giếng. Fracking cũng có thể gây ô nhiễm đường thủy địa phương, tạo ra nước thải bị ô nhiễm và gây ra động đất.
Mặc dù sản xuất điện từ khí đốt tự nhiên thải ra ít carbon dioxide và các chất ô nhiễm không khí khác hơn so với sản xuất điện từ than đá, nhưng rò rỉ từ các nhà máy, giếng và đường ống dẫn khí đốt tự nhiên cũng thải ra metan – thành phần chính của khí đốt tự nhiên – vào khí quyển. Methane là một loại khí nhà kính có hiệu quả gấp 25 lần so với carbon dioxide trong việc giữ nhiệt trong khí quyển, mặc dù nó tồn tại trong khí quyển trong thời gian ngắn hơn. Thông qua rò rỉ và phát thải trực tiếp từ quá trình đốt cháy, khí đốt tự nhiên chịu trách nhiệm cho 36% lượng khí thải nhà kính ở Hoa Kỳ vào năm 2020.
Biểu đồ thể hiện sự gia tăng ổn định trong tiêu thụ khí đốt tự nhiên ở Hoa Kỳ, dự báo sẽ tiếp tục tăng trưởng khi khí đốt tự nhiên dần thay thế than đá trong sản xuất điện.
Với giả định rằng giá khí đốt tự nhiên sẽ duy trì ở mức thấp, khí đốt tự nhiên được dự báo sẽ đáp ứng một phần ngày càng tăng trong nhu cầu năng lượng của Hoa Kỳ. Đặc biệt, việc sử dụng nó có khả năng tăng lên trong lĩnh vực công nghiệp, nơi nó được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào trong các quy trình hóa học và để tạo nhiệt và điện công nghiệp.
Giải pháp: Năng lượng sạch hơn
Một số lựa chọn tồn tại để chuyển đổi khỏi nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Thủy điện, sinh khối, gió, địa nhiệt và năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng tái tạo đáng tin cậy và đã trở thành một phần ngày càng tăng trong hỗn hợp năng lượng của Hoa Kỳ. Năng lượng hạt nhân là một lựa chọn thay thế không carbon khác, nhưng nó đắt đỏ và để lại chất thải phóng xạ lâu dài, nguy hiểm và tốn kém để vận chuyển và lưu trữ để xử lý. Ngoài ra, khí metan được tạo ra tự nhiên do sự phân hủy trong các bãi chôn lấp và do phân từ sản xuất chăn nuôi có thể được thu giữ để sản xuất nhiệt và điện, ngăn chặn việc thải trực tiếp metan vào khí quyển.
Cải thiện hiệu quả năng lượng của các tòa nhà, phương tiện, quy trình công nghiệp, thiết bị và máy móc là cách trực tiếp và hiệu quả nhất về chi phí để giảm sử dụng năng lượng và cắt giảm khí thải. Định hướng các thành phố và thị trấn xung quanh giao thông công cộng, đi bộ hoặc đi xe đạp, thay vì sử dụng phương tiện cá nhân, cũng làm giảm nhu cầu năng lượng.
Cũng có thể thu thập carbon do lĩnh vực nhiên liệu hóa thạch thải ra và bơm trở lại trái đất thông qua một quy trình gọi là thu giữ và lưu trữ carbon (CCS). Vào năm 2020, 26 nhà máy CCS thương mại đang hoạt động trên khắp thế giới, thu giữ 40 triệu tấn carbon, tương đương 0,11% tổng lượng khí thải toàn cầu hàng năm. Số lượng nhà máy CCS dự kiến sẽ tăng lên khi công nghệ tiếp tục được cải thiện. Tuy nhiên, việc tăng cường thu giữ và lưu trữ carbon không có nghĩa là các ngành công nghiệp nên tiếp tục đốt nhiên liệu hóa thạch không suy giảm – nhiên liệu hóa thạch cũng thải ra các chất ô nhiễm độc hại khác. Thay vào đó, việc thu giữ và lưu trữ carbon có thể được sử dụng để giúp tránh những tác động tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu.