ThienNhien.Net – Bất chấp nhiều thách thức khó khăn, công nghệ sản xuất điện từ sóng biển và thủy triều đang được triển khai trên toàn thế giới – từ Bồ Đào Nha đến Hàn Quốc và cả lưu vực sông phía đông New York. Những dự án này, với mục tiêu ban đầu là sản xuất điện năng, nay đang chứng tỏ tầm quan trọng trong một lĩnh vực khá mới mẻ của năng lượng tái sinh: năng lượng thủy động lực.
Ý tưởng xa xưa và những phát minh ngày nay
Ngược dòng lịch sử về thời Napoleon, tại Paris, tác giả Girard đã có ý tưởng mới lạ về năng lượng từ đại dương. Năm 1799, ông đã giành được quyền sáng chế một loại máy do ông và con trai đồng thiết kế nhằm khai thác năng lượng từ sóng biển. Năng lượng sóng biển có thể được sử dụng để chạy máy bơm, máy cưa và nhiều máy móc khác.
Phát minh này có thể đã rơi vào quên lãng, và thay vào đó, năng lượng hóa thạch sẽ chiếm thế thượng phong trong một thế giới công nghiệp hóa trong hai thế kỷ tới. Nhưng Girard dường như đã đoán trước được rằng sóng biển và thủy triều có thể sẽ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc cung cấp nguồn điện năng ở tương lai. Điều này đang ngày càng có cơ sở để trở thành hiện thực.
Trong cuộc thử nghiệm có quy mô thương mại đầu tiên vào tháng 10 năm 2008, bộ ba máy phát điện hình trụ liên thông với nhau trông như một con rắn biển đã được đưa vào hoạt động ngoài khơi bờ biển Bồ Đào Nha. (Công ty Pelamis Wave Power của Scotland, nhà sản xuất, đã đặt tên cho thiết bị này dựa vào tên của một con rắn biển trong thần thoại Hy Lạp.)
Máy phát điện Pelamis bao gồm bốn phần hoạt động riêng biệt được liên kết với nhau. Những phần này sẽ khai thác năng lượng sóng biển theo cơ chế như một chiếc máy bơm nước kiểu cũ chạy bằng sức quay của con người: sóng biển sẽ đẩy những phần này qua lại, chúng bơm chất lưu (có thể bị phân giải nhờ vi khuẩn, phòng trường hợp bị rò rỉ) nén mạnh qua một tuabin, quay mạnh để tạo ra dòng điện có công suất 750 nghìn watt.
Giả sử những thiết bị tiếp tục hoạt động tốt, công ty Energis, Bồ Đào Nha hy vọng sẽ mua được thêm 28 hệ thống này trong thời gian tới.Một hệ thống khai thác năng lượng sóng biển hoàn chỉnh sẽ tạo ra nguồn điện cao thế truyền khắp mạng lưới cáp điện tại thềm lục địa, mang lại cho Bồ Đào Nha thêm 21 megawatt điện, đủ phục vụ 15 nghìn hộ gia đình.
Trong một thế giới mà việc sử dụng than đá hay năng lượng hạt nhân có thể mang về hơn 1 nghìn megawatt điện thì đây rõ ràng là một bước khởi đầu khá khiêm tốn. Nhưng từ khu vực sông Đông New York đến tận khu vực ngoài khơi Hàn Quốc, hàng loạt dự án khác đang được thử nghiệm. Một vài dự án, tương tự như Pelamis, dựa trên sự dao động của sóng biển. Một vài dự án khác lại hoạt động như một cối xay gió dưới biển để khai thác năng lượng từ thủy triều.
Những công nghệ khai thác năng lượng từ đại dương hầu như đang trong giai đoạn thử nghiệm, do đó dường như khá tụt hậu so với những nguồn năng lượng tái sinh khác như năng lượng gió hay năng lượng mặt trời. Thêm vào đó, việc thiết kế để chống chịu với môi trường khắc nghiệt như hiện nay, những công nghệ khai thác năng lượng sóng này chưa hoàn chỉnh và mặc dù được chính phủ trợ cấp tài chính, giá thành vẫn ở mức cao. (Bồ Đào Nha đang tích cực hỗ trợ tài chính cho dự án Pelamis với hy vọng trở thành nhà xuất khẩu năng lượng xanh chủ lực tại châu Âu trong tương lai).
Mặc dù còn nhiều điều chưa biết về ảnh hưởng của các hệ thống khai thác sóng lớn và thủy triều đến hệ sinh thái biển, vẫn có nhiều ý kiến cho rằng những lợi ích tiềm tàng là không thể bỏ qua. Nặng hơn không khí gấp 800 lần, dòng nước chảy mạnh có khả năng tác dụng lực rất mạnh. Giống như mặt trời và gió, năng lượng từ sự dao động của đại dương không mất tiền và sạch. Nhưng năng lượng từ đại dương dễ dự đoán hơn so với năng lượng mặt trời hay gió vì những con sóng bắt đầu hình thành cách bờ biển hàng ngàn dặm và mất nhiều ngày để đạt đỉnh, còn thủy triều lên xuống phụ thuộc vào chu kỳ của mặt trăng. Khả năng dự đoán sẽ giúp cho việc cân bằng cung cầu trở nên dễ dàng hơn.
Roger Bedard, lãnh đạo công trình nghiên cứu về năng lượng đại dương tại Viện nghiên cứu năng lượng điện Hoa Kỳ tại Palo Alto cho rằng có rất nhiều lý do để chúng ta lạc quan về tương lai của cái gọi là “năng lượng thủy động lực”. Trong vòng một thập kỷ, ông nói, chính phủ Hoa Kỳ có thể đáp ứng 10% nhu cầu tiêu thụ điện năng nhờ vào năng lượng thủy động lực. Hiện nay khoảng một nửa lượng điện năng sản xuất tại Hoa Kỳ là năng lượng điện hạt nhân. Mặc dù biết rằng những dự án khai thác năng lượng từ đại dương sẽ rất đắt đỏ, nhưng Bedard tin rằng với kinh nghiệm tích lũy được và quy mô sản xuất nâng lên, giá thành sẽ hạ và kỹ thuật sẽ được cải tiến để năng lượng thủy động lực trở thành một nguồn năng lượng thay thế. Thêm vào đó, việc đánh thuế carbonic trong tương lai sẽ làm giảm chênh lệch giá thành cũng như nâng cao mức hỗ trợ cho năng lượng xanh.
Đối với một vài quốc gia, năng lượng từ sóng và thủy triều có thể là nguồn năng lượng chính. Chẳng hạn như theo ước tính, những vùng biển bao quanh Anh quốc có thể cung cấp 25% lượng điện năng. Nhà phân tích năng lượng thay thế tại Anh, Thomas W.Thorpe tin rằng trên thềm lục địa của trái đất, những cơn sóng cũng đủ sản xuất gần 2 nghìn terawatt giờ điện năng, bằng lượng thủy điện đang khai thác hiện nay trên thế giới.
Các dự án khai thác năng lượng biển
Tuy chưa có dự án nào đi xa như dự án Pelamis, hầu hết những công nghệ khai thác năng lượng từ sóng biển đều không dựa vào sự dao động theo cơ chế như rắn biển mà là dựa vào năng lượng thu được từ sự dao động lên xuống theo chiều thẳng đứng của những chiếc phao trên sóng biển. Công nghệ năng lượng đại dương (gọi tắt là OPT) tại New Jersey, đã lắp máy phát điện trong một cái phao năng lượng (PowerBuoy) cũng với một pittong theo chiều thẳng đứng. Phần cố định được thả chìm trong nước, một chiếc phao 90 foot neo trên mặt biển, phần thứ hai dao động lên xuống theo sóng biển và pittong sẽ làm quay máy phát điện. The Archimedes Wave Swing, một hệ thống có đế là phao được phát triển bởi Viện năng lượng biển AWS, Scotland đã làm tăng năng lượng dao động theo chiều thẳng đứng của sóng biển bằng cách bơm không khí để quay tuabin. Dự án thay thế Finavera tại Vancouver lại sử dụng nước biển làm chất lưu chạy tuabin.
Mặc dù Pelamis đã đánh bại tất cả những công ty ra khỏi cánh cửa thương mai, thì OPT vẫn đang tích cực bám đuổi, với kế hoạch lắp đặt máy phát điện theo kiểu hệ thống phao nổi có quy mô thương mại đầu tiên tại Bắc Mỹ, ngoài khơi bang Oregon vào năm tới. Hệ thống này – chiếm diện tích khoảng 1 dặm vuông và giống như nhiều hệ thống khai thác điện khác, sẽ được lắp đặt cách xa đường lưu thông của tàu bè – có khả năng sản xuất khoảng 2 megawatt điện. Tháng 9 năm 2008, OPT cũng công bố thỏa thuận lắp đặt hệ thống khai thác điện 1.4 megawatt ngoài khơi Tây Ban Nha. Một công ty con khác của Australia cũng đồng ý liên doanh để phát triển một hệ thống khai thác điện có năng suất 10 megawatt ngoài khơi biển Australia.
Trong lúc đó, công ty Lelamis Wave Power đang có kế hoạch lắp đặt thêm nhiều hệ thống khai thác điện công suất 3 megawatt ở ngoài khơi vùng biển phía tây bắc Scotland và một hệ thống công suất 5 megawatt ngoài khơi bờ biển Cornwall tại Anh quốc.
Hệ thống khai thác điện tại biển Cornwall sẽ là một trong bốn cơ sở cùng nằm trong mạng lưới truyền tải điện dưới nước công suất 20 megawatt tại khu vực được mệnh danh là “Trung tâm sóng biển” (Wave Hub). Có chức năng gần như một ổ cắm dưới nước để mỗi nhà thiết kế có thể kết nối, Trung tâm sóng biển liên thông với hệ thống điện trên đất liền thông qua đường cáp ngầm dưới biển. Chính vì vậy nơi này được thiết kế như một địa điểm thử nghiệm các công nghệ đang có. OPT hiện đã giành được một trong bốn cơ sở để thử nghiệm hệ thống khai thác bằng phao.
Nhiều nhà nghiên cứu khác cũng đang cố gắng khai thác năng lượng từ đại dương, hay nói cách khác là từ thủy triều. Đáng chú ý, trong năm 2007, Công ty năng lượng Verdant tại Virginia đã cho lắp đặt trên mặt sông phía đông New York 6 tuabin có hình dạng và chức năng giống như những chiếc cối xay gió chìm một phần trong nước. Những cánh quạy có đường kinh 16 foot có thể quay với tần số 32 lần trong một phút. Sông Đông thực ra là một nhánh sông nước mặn dao động theo thủy triều và nối liền eo biển Long Island với Đại Tây Dương. Mặc dù “những chiếc cối xay gió” bắt đầu sản xuất ra điện, nhưng cuộc thử nghiệm vẫn chưa được hoàn thành. Thủy triều quá mạnh làm nứt tuabin thứ nhất (làm từ sợi thủy tinh và thép), thứ hai (làm từ nhôm và magie), làm rạn các cánh quạt và làm bật những chiếc bulon trên khung.
Không nao núng vì thất bại, trong tháng 9 năm 2008 công ty này đã bắt đầu thử nghiệm loại cánh quạt mới làm bằng hợp kim nhôm chắc hơn. Nếu như loại cánh quạt này có thể đảm bảo tính bền vững thì công ty này đang hy vọng lắp đặt khoảng 300 tuabin trên sông Đông, nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng của 10 nghìn hộ gia đình tại New York.
Nhiều mô hình dựa trên nguyên mẫu “cối xay gió dưới biển” đã được xây dựng tại những địa điểm chịu ảnh hưởng của thủy triều như Na Uy, Bắc Ireland và Hàn Quốc.
Thêm vào đó, con người ngày càng có ý định can thiệp vào những khu vực dưới nước. Công ty Verdant hy vọng sẽ đạt chỉ tiêu lắp đặt nhiều tuabin khác trên sông St.Lawrence. Và đến thời điểm này, có ít nhất một công ty nữa, Công ty Free Flow Power of Massachusetts đã được Hội đồng điều phối năng lượng cho phép quản lý những nghiên cứu ban đầu trên lưu vực sông Mississipppi, phía bắc St. Louis.
Tác động môi trường từ những dự án khai thác
Lợi ích của năng lượng thủy động lực đối với môi trường là khá rõ ràng: không có khí carbon dioxide hay bất kỳ khí thải nào liên quan đến nhiên liệu hóa thạch. Không có sự cố dầu tràn, không có chất thải phóng xạ. Và đối với những cá nhân phản đối việc xây dựng hệ thống khai thác điện từ đại dương vì lý do thẩm mỹ, thì cũng sẽ hài lòng vì những khu vực xây dựng hệ thống sẽ không thể nhìn thấy từ đất liền, các quạt kiểu cối xay gió được thiết kế chìm dưới nước cho đến khi chúng được mang lên cạn để bảo trì.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều nguy cơ đối với môi trường có liên quan đến những kỹ thuật này. Các nhà điều hành bang New York yêu cầu công ty năng lượng Verdant giám sát những ảnh hưởng của tuabin đối với các loài cá và sinh vật biển. Sau một thời gian theo dõi, hệ thống cảm biến cho thấy các loài cá và thủy sinh không hề gặp khó khăn trong việc tránh những cánh quạt thường xoay với tần số tối đa 32 vòng/phút. Trên thực tế, máy cảm biến cho thấy rằng các loài cá có xu hướng tìm chỗ trú ẩn phía sau những rặng đá ngầm xung quanh hệ thống và tránh xa khỏi khu vực trung tâm hệ thống, nơi thủy triều hoạt động mạnh nhất.
Nhưng hàng loạt câu hỏi khác về tác động với môi trường vẫn chưa tìm được lời giải đáp. Liệu những đường dây diện cao thế băng qua biển từ những hệ thống khai thác có thể gây hại cho hệ sinh thái hay không? Liệu những chiếc phao trong hệ thống “rắn biển” có ảnh hưởng đến sự di chuyển của các loài cá hay không? Nguồn năng lượng từ sóng ảnh hưởng thế nào đến các sinh vật sống ven bờ và hệ sinh thái?
Ông Bedard cho biết: “Tác hại với môi trường là câu hỏi lớn nhất hiện nay, bởi vì đó không phải là dự án thủy động lực duy nhất trên thế giới? Nhiều dự án sẽ bị hạn chế về quy mô và số lượng nhằm mục tiêu bảo vệ môi trường. Nhưng cách duy nhất để có được câu trả lời chắc chắn về tác động với môi trường là phải thử nghiệm – đó là bắt đầu xây dựng những hệ thống khai thác điện năng, và sau đó tiến hành giám sát những ảnh hưởng với môi trường. Bắt đầu từ quy mô nhỏ, giám sát chặt chẽ rồi phát triển dần dần và đồng thời củng cố việc giám sát”.
