Lịch sử cho thấy những tiến bộ trong năng lượng tái tạo thường diễn ra sau các cuộc khủng hoảng: Vào những năm 1970, lệnh cấm vận dầu mỏ đã khiến giá dầu tăng gấp bốn lần, thúc đẩy các nỗ lực nhằm giảm sự phụ thuộc của Hoa Kỳ vào nhiên liệu hóa thạch và tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, bao gồm năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió. Cuộc khủng hoảng tài chính toàn cầu 2008-09 đã khiến một số chính phủ liên kết một phần kích thích kinh tế của họ với đầu tư vào năng lượng sạch. Đại dịch COVID-19 đã dẫn đến một cú sốc năng lượng chưa từng có và sau đó vào năm 2021, đầu tư vào năng lượng tái tạo đã đạt mức cao nhất kể từ cuộc Đại suy thoái.

Sau các cuộc khủng hoảng ở châu Âu, các nền kinh tế phương Tây một lần nữa được nhắc nhở về tầm quan trọng của sự độc lập về năng lượng và nhu cầu về các nguồn năng lượng tái tạo đã tăng vọt. Hai trong số các nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất ở Hoa Kỳ hiện nay là năng lượng mặt trời và gió. Liệu nguồn nào sẽ dẫn đầu vào năm 2022?

Nhờ vào sự giảm dần chi phí năng lượng mặt trời, công nghệ này chưa bao giờ đáng giá hơn đối với chủ nhà. Tính dễ sử dụng của nó cho phép khách hàng giảm lượng khí thải carbon cùng với chi phí năng lượng của họ. Nhưng con người đã sử dụng gió trong hàng nghìn năm, trước cả khi tuabin gió hiện đại xuất hiện. Trên thực tế, năng lượng gió chiếm nhiều hơn 5% sản lượng điện so với năng lượng mặt trời vào năm ngoái.

Vậy, khi chúng ta bước vào kỷ nguyên năng lượng tái tạo, liệu nguồn năng lượng nào sẽ chiếm ưu thế? Và nếu bạn đang cân nhắc chuyển sang nguồn năng lượng tái tạo, nguồn nào tốt hơn cho nhu cầu của bạn? Hãy cùng khám phá.

Chúng ta sẽ bắt đầu với một chút thông tin cơ bản về màu sắc. Bằng chứng ghi chép sớm nhất về năng lượng gió được sử dụng có niên đại khoảng 6000 đến 5000 trước Công nguyên, khi cánh buồm được phát minh để đón gió và đẩy thuyền. Trong nhiều năm, sự phát triển của năng lượng gió cho phép con người xay ngũ cốc, bơm nước và cuối cùng, vào khoảng cuối những năm 1800, tạo ra điện từ động năng.

Người ta có thể lập luận rằng năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ năm 700 trước Công nguyên, khi người ta dùng gương để tập trung năng lượng mặt trời để tạo ra lửa. Nhưng năng lượng mặt trời tế bào không được sử dụng để tạo ra năng lượng cho đến năm 1839, khi Edmond Becquerel, một nhà vật lý trẻ làm việc tại Pháp, lần đầu tiên quan sát và ghi nhận hiệu ứng quang điện. Phải mất hơn một thế kỷ để sản xuất ra tấm pin mặt trời thực tế sau khám phá của Becquerel. Năng lượng mặt trời vẫn ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển trong nhiều thập kỷ.

Quay trở lại năm 1973 — cú sốc dầu mỏ khiến giá xăng và dầu tăng vọt, gây lo ngại về tương lai năng lượng của Hoa Kỳ. Các nhà lãnh đạo Hoa Kỳ ngày càng tò mò về các nguồn năng lượng thay thế trong nước có thể làm giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài.

Cùng với áp lực ngày càng tăng từ các nhà bảo vệ môi trường, những năm 70 đã chứng kiến sự hỗ trợ hữu hình của liên bang đối với năng lượng tái tạo. Để khuyến khích phát triển năng lượng này, Quốc hội đã thông qua Đạo luật Thuế năng lượng năm 1978 để cung cấp tín dụng thuế cho những ngôi nhà có tấm pin mặt trời và tài trợ cho việc phát triển các tua-bin gió lớn. Năng lượng mặt trời vẫn chưa đủ hiệu quả về mặt chi phí để cất cánh, nhưng tua-bin gió đã đạt được một số thành quả khiêm tốn ở các tiểu bang tiến bộ.

Trong vài thập kỷ tiếp theo, tỷ trọng sản xuất điện từ gió của Hoa Kỳ đã tăng từ dưới 1% vào năm 1990 lên khoảng 8,4% vào năm 2020. Tỷ trọng năng lượng mặt trời trong tổng sản lượng điện quy mô tiện ích của Hoa Kỳ đã tăng từ 0,1% vào năm 1990 lên khoảng 2,5% vào năm 2020.

Vào năm 2022, các tấm pin mặt trời hiện đại được lắp đặt trên mái nhà hoặc lắp trên mặt đất để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng. Các tấm pin mặt trời được tạo thành từ tế bào quang điện (hoặc pin mặt trời) sử dụng vật liệu bán dẫn silicon để tạo ra dòng điện. Điện mà các tấm pin tạo ra là dòng điện một chiều (DC) và được bộ biến tần chuyển đổi thành điện xoay chiều, là loại điện chúng ta sử dụng để cung cấp điện cho ngôi nhà của mình.

Các tấm pin mặt trời tốt nhất ngày nay trung bình công suất từ 250 đến 400 watt, và tấm pin mặt trời hiệu quả nhất đạt mức hiệu suất khoảng 20%, nghĩa là 20% năng lượng chiếu vào tấm pin được chuyển thành điện. Một mảng năng lượng mặt trời điển hình dao động từ 10 đến 30 tấm pin mặt trời (hoặc nhiều hơn), với mức trung bình là khoảng 20 tấm để cung cấp điện cho một hộ gia đình ở Mỹ.

Trung bình chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời nằm trong khoảng từ 20.000 đến 40.000 đô la, thay đổi tùy theo độ phức tạp của lắp đặt, vị trí, kích thước và nhu cầu năng lượng của một ngôi nhà. Đây là rào cản lớn để gia nhập và vẫn là một trong những thách thức lớn nhất đối với sự phát triển của năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, đối với những người có khả năng chi trả chi phí trả trước hoặc vay vốn tài trợ năng lượng mặt trời, năng lượng mặt trời cung cấp hàng thập kỷ tiết kiệm năng lượng và thậm chí có thể tiết kiệm tới 50.000 đô la trong suốt cuộc đời ở đúng vị trí.

Hầu hết các ngôi nhà có hệ thống năng lượng mặt trời sẽ vẫn được kết nối với lưới điện, nghĩa là bạn sẽ không mất kết nối với tiện ích địa phương. Tuy nhiên, hệ thống năng lượng mặt trời ngoài lưới điện có thể được sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ.

Hệ thống năng lượng mặt trời dân dụng không chỉ giúp chủ nhà bù đắp lượng điện sử dụng mà còn giúp chủ nhà giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tiện ích công cộng, mang lại nhiều lợi ích cho cá nhân và cộng đồng.

Tua bin gió cũng có thể được sử dụng để tạo ra điện. Thay vì sử dụng hiệu ứng quang điện, các cánh tua bin gió quay để quay một rotor bên trong. Rotor gửi năng lượng động đến một máy phát điện chuyển đổi nó thành điện xoay chiều, tương tự như một bộ biến tần trong một mảng năng lượng mặt trời. Cũng giống như năng lượng mặt trời, năng lượng gió có thể được hòa lưới hoặc năng lượng thu được có thể được lưu trữ trong pin.

Không giống như tấm pin mặt trời, trong thế giới tuabin gió, càng lớn càng tốt, vì gió thường mạnh hơn khi độ cao tăng.

Theo Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo, chiều cao trục của các tua-bin gió trên đất liền quy mô tiện ích đã tăng 59% kể từ năm 1998, đạt khoảng 295 feet vào năm 2020 (gần bằng chiều cao của Tượng Nữ thần Tự do). Và chiều cao trục của các tua-bin ngoài khơi ở Hoa Kỳ được dự đoán sẽ còn cao hơn nữa. Vì các tua-bin rất lớn nên các sắc lệnh phân vùng địa phương thường gây ra thách thức cho các công trình lắp đặt gió dân dụng.

Sự phụ thuộc vào kích thước này đóng góp nhiều nhất vào sự khác biệt giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Năng lượng gió chiếm nhiều không gian hơn để đạt hiệu quả cao nhất và do đó, hầu hết các tua-bin gió được sử dụng ở quy mô thương mại hoặc công nghiệp thay vì dân dụng. Tuy nhiên, tua-bin gió khai thác khoảng 50% năng lượng đi qua chúng, so với hiệu suất 20% của các tấm pin mặt trời dân dụng hàng đầu. Và không giống như các tấm pin mặt trời, tua-bin gió có thể sản xuất năng lượng vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày, khiến chúng trở nên rất hiệu quả khi được triển khai đúng cách.

Cuối cùng, vị trí là chìa khóa để gió trở thành nguồn năng lượng. Tua bin gió hoạt động tốt nhất ở những vùng đất rộng lớn không có cây cối, tòa nhà hoặc vật cản khác. Các tiểu bang như Texas, Oklahoma, Iowa, Kansas và Illinois đang dẫn đầu cả nước về năng lượng gió, và các tiểu bang ven biển như Virginia, Massachusetts và New Jersey đã đầu tư mạnh vào năng lượng gió ngoài khơi, một con đường đầy hứa hẹn cho sự tăng trưởng.

Mặc dù con đường này gập ghềnh với chuỗi cung ứng bị thắt chặt và lạm phát, chi phí năng lượng tái tạo công nghệ đang ở mức thấp nhất từ trước đến nay, vượt qua các nguồn năng lượng truyền thống như than và khí đốt tự nhiên. Các cơ sở lắp đặt năng lượng mặt trời và gió tiếp tục tăng theo cấp số nhân, và những tiến bộ công nghệ cùng chi phí thấp đã khiến các nguồn năng lượng sạch dân dụng trở nên cực kỳ có nhu cầu.

Tuy nhiên, nhìn chung, các hệ thống điện gió hầu như đều được sử dụng ở quy mô thương mại hoặc công nghiệp, trong khi năng lượng mặt trời đã chứng minh được giá trị của nó trên thị trường dân dụng. Chúng ta hãy cùng xem xét những lợi ích và hạn chế lớn nhất của từng loại.

Như đã đề cập, lắp đặt tấm pin mặt trời cung cấp những cơ hội to lớn như một nguồn năng lượng quy mô dân dụng. Sau đây là những lý do chính:

Ngược lại, năng lượng gió thực tế hơn nhiều ở quy mô tiện ích.

Năng lượng gió hiện đang vượt trội hơn năng lượng mặt trời khi xét đến tổng lượng điện được tạo ra. Đối với chủ nhà, năng lượng mặt trời là lựa chọn thực tế hơn nhiều.

Tuy nhiên, vấn đề thực sự nằm ở vị trí. Trong thế giới năng lượng, không có giải pháp nào phù hợp với tất cả. Trí thông minh là khả năng sống hòa hợp của một loài trong môi trường của nó, sử dụng các nguồn năng lượng hợp lý nhất cho khu vực đó. Chúng ta sẽ không bao giờ mong đợi năng lượng mặt trời vượt qua nguồn năng lượng như thủy điện ở các khu vực như Tây Bắc Thái Bình Dương. Cũng giống như chúng ta sẽ không mong đợi năng lượng gió phát triển ở các khu vực đô thị đông đúc như Thành phố New York.

Tương lai của năng lượng là một tương lai phi tập trung — nơi năng lượng được tạo ra và tiêu thụ tại địa phương. Đối với những chủ nhà muốn tạo ra những thay đổi hữu hình trong cuộc sống của họ để hướng tới một tương lai bền vững hơn, năng lượng mặt trời mang đến một cơ hội tuyệt vời để tạo nên sự khác biệt. Năng lượng gió có thể không mang lại những cơ hội tương tự cho các ngôi nhà, nhưng chắc chắn sẽ là một phần rất lớn trong sự hợp tác của các nguồn năng lượng tái tạo trong nỗ lực đạt được tương lai không phát thải carbon.