Thủy năng

Monday, August 22, 2005

Khai thác năng lượng dòng thuỷ triều



Trên thế giới hiện nay, năng lượng tái tạo ngoài biển đã trở thành nguồn năng lượng mới quan trọng. Ở Anh, tuabin dòng thuỷ triều, đập thuỷ triều, thiết bị khai thác năng lượng sóng, và tuabin gió ngoài khơi, phương án nào cũng có thể cung cấp không dưới 20% nhu cầu điện năng của cả nước, trong đó một số phương án còn có khả năng cung cấp nhiều hơn nữa. Trước mắt, có vẻ như gió ngoài khơi vẫn là phương án chính được lựa chọn, tuy nhiên công nghệ dòng thuỷ triều và năng lượng sóng hiện đang phát triển nhanh chóng.

Khắp nơi trên thế giới, gió ngoài khơi đang được coi là phương án lựa chọn chính. Đến nay, trên 100MW công suất nguồn đã được lắp đặt tại Liên hiệp châu Âu, trong đó công trình lớn nhất từ xưa đến nay là dự án Horns Rev trải dài ngoài khơi cách bờ biển Đan Mạch từ 14 đến 20km, với 80 tuabin công suất 2MW. Nhiều dự án khác cúng đã được lên kế hoạch. Cụ thể như chương trình đầy tham vọng của Đức, mà mục tiêu là đến năm 2030, sẽ lắp đặt được 10GW công suất gió ngoài khơi, cung cấp tới 25% điện năng của cả nước. Cộng hoà Ailen cũng có kế hoạch đầy tham vọng là xây dựng trạm phát điện gió công suất 520 Wicklow. Theo ước tính, tài nguyên năng lượng gió trên toàn lãnh thổ Liên hiệp châu Âu có thể lên tới khoảng 900TWh mỗi năm.

Các dự án năng lượng sóng và năng lượng thuỷ triều

Năng lượng sóng cũng lớn không kém, tuy nhiên cho đến nay, phương án này còn ít được triển khai. Phong trào rộ lên vào những năm 1970, tuy nhiên sang những năm 1980, chương trình năng lượng sóng đã bị đình lại sau khi xảy ra một số hoàn cảnh không thuận, rồi người ta tranh luận, đánh giá các chi phí có thể xảy ra. Giờ đây, sau 20 năm trì hoãn, một số dự án mới lại được đưa ra. Công ty Wavegen đã lắp đặt thiết bị “cột nước dao động” (oscillating water column-OWC) công suất 500KW trên đảo Islay và hiện đang triển khai một thiết bị khai thác năng lượng sóng ngoài khơi. Công ty cũng tài trợ một nhóm gồm 3 thiết bị ngoài khơi và có kế hoạch lắp đặt thiết bị đầu tiên vào năm 2004 ở vùng nước nông, cỡ công suất là 1MW. Trong khi đó, Công ty Ocean Power Delivery hiện đang triển khai một hệ thống nổi trên mặt nước mang tên Pelamis dạng ống có khớp nối với nhau, giống như con “rắn biển” (sea snake). Công ty có kế hoạch lắp đặt ngoài khơi thiết bị quy mô đầy đủ, dài 30m, công suất 750KW, có thể là trung tâm thử nghiệm năng lượng sóng này sẽ được đặt tại Orkneys. Ý đồ cuối cùng là có một “trại năng lượng sóng” (tương tự như các trại năng lượng gió hiện nay) gồm 40 tổ máy công suất 50 MW. Ngoài ra, Sea Power International đang triển khai một hệ thống hồ chứa nổi thu sóng biển để sử dụng tại vùng biển Scotland.

Việc khai thác năng lượng sóng cũng tiến triển nhanh ở khắp nơi trên thế giới. Cụ thể như thiết bị nguyên mẫu công suất 20KW mang tên “Wave dragon” (Rồng sóng) của Đan Mạch hiện đang được thử nghiệm ngoài biển mà bước tiếp theo là dự án nhằm xây dựng một hệ thống công suất 10MW ở vùng biển sâu vào năm 2006. Thiết bị bao gồm 2 tường phản xạ sóng để tập trung sóng trào lên bức tường dốc rồi đổ vào hồ chứa, cột nước tạo ra sẽ được sử dụng để làm quay tuabin. Người Đan Mạch cũng tiến theo hướng mới tới “Mặt phẳng sóng” (Waveplane), theo đó sóng với độ cao khác nhau được dồn vào một chuỗi các kênh, tạo ra dòng xoáy làm quay tuabin. Trong khi đó, người Hà Lan lại đang triển khai loại thiết bị mới mang tên chiếc “Đu sóng Acsimet” (Archimedes Wave Swing). Chiếc đu này bao gồm một số buồng không khí hình nấm, dâng lên hạ xuống theo sóng và bơm không khí qua tuabin để phát ra điện.

Tuy nhiên, không phải chỉ có ở châu Âu người ta mới quan tâm đến năng lượng sóng một cách nghiêm túc. Ở Ôxtrâylia, thiết bị nguyên mẫu tường phản xạ loại mới công suất 300KW của hãng Energetch hiện đang được thử nghiệm tại Port Kimbla, cách Sidney 100km về phía nam. Đây là một thiết bị loại “cột nước dao động” (OWC), tuy nhiên thay vì loại tuabin 2 chiều Wells, người ta sử dụng tuabin tốc độ chậm, góc nghiêng cánh thay đổi được, nên hiệu suất cao hơn. Theo Energetch, các biến thể đầu tiên của thiết bị của họ sẽ phát ra điện năng với giá thành 10 cent/KWh. BC hydro ở Canada đã quyết định sử dụng phiên bản của thiết bị này cho một dự án công suất 100MW tại Vancouver. Trong khi đó tại Mỹ, Aqua Energy Group đang có kế hoạch về một dự án sóng công suất 1MW đặt tại Neah Bay, bang Washington. Theo Công ty này, năng lượng sóng ngoài khơi có tiềm năng lớn, có thể thoả mãn 5% đến 10% tổng nhu cầu điện năng tại Mỹ trong vòng 20 năm tới. Nhật Bản cũng không hề chậm chân trong lĩnh vực này. Họ đã nghiên cứu từ nhiều năm nay và đã lắp đặt một số tổ máy OWC trên đập chắn sóng. Nhật cũng có 1 bè thử nghiệm năng lượng sóng nổi mang trên “Cá voi dũng mãnh” (Mighty Whale).

Phương án chính thứ ba lắp đặt ngoài khơi là năng lượng thuỷ triều. Đã có thời gian người ta nghĩ rằng phương cách chính để khai thác năng lượng thuỷ triều là xây dựng đập lớn chắn ngang qua cửa sông sâu có thuỷ triều, triều lên thì giữ nước lại, sau đó để nước chảy trở lại qua tuabin, tương tự như ở các nhà máy thuỷ điện. Khoảng 20% điện năng ở Anh có thể được cung cấp từ các đập loại này. Tuy nhiên xây dựng các công trình đập này lại quá tốn kém (có thể lên tới 10 tỷ bảng Anh đối với đập Severn, công suất 8GW, cung cấp được khoảng 6% nhu cầu điện năng ở Anh), lại tác động xấu đến môi trường trên diện rộng nên hiện nay phương án này không được quan tâm theo đuổi nữa. Một ý tưởng khác được đưa ra, đó là xây dựng các hồ chứa có đập tại cửa sông sâu, như vậy có thể sẽ rẻ hơn và ít tác động hơn về môi trường. Công ty Tidal Electric (Mỹ) đã đi theo hướng “đầm phá thuỷ triều” (tidal lagoon) này. Họ đã lập kế hoạch về 3 dự án ngoài khơi xứ Wales: một dự án 30MW gần Fifoots Point trong vùng eo biển Bristol, một dự án 30MW tại vịnh Swansea và một dự án điện thuỷ triều lớn hơn nhiều, 423MW tại North Wales.

Tuy nhiên hiện nay một phương án khác đã được mở ra, đó là sử dụng dòng thuỷ triều, tức là dòng nước theo chiều ngang chứ không phải là triều lên xuống. Ý tưởng thiết kế này đang được khảo sát ở nhiều nơi trên thế giới. Mặc dầu còn ít được triển khai nhất so với các năng lượng tái tạo khác của biển, nhưng triển vọng của năng lượng dòng thuỷ triều lại rất sáng sủa.

Công nghệ dòng thuỷ triều ở Anh

Dòng thuỷ triều đáng kể có ở nhiều nơi, cấu trúc địa hình khiến dòng nước chảy nhanh hơn, tốc độ lên tới 2m/s cũng là tương đối phổ biến. Có nhiều phương cách khai thác dòng chảy này. Trong đa số các trường hợp, phương cách được quan tâm chú ý hơn cả là sử dụng các thiết bị tương tự như tuabin gió, nhưng được cố định bằng cách nào đó vào đáy biển.

Cho đến nay, Anh vẫn đi đầu triển khai theo ý tưởng này, mà chủ yếu là công trình tiên phong, ban đầu do IT Power thực hiện. Với sự hỗ trợ của Scottish Nuclear và NEL, hồi năm 1994, IT Power đã xây dựng và thử nghiệm một nguyên mẫu nhỏ, loại 2 cánh, công suất 10KW tại eo Corran Narrows vùng biển Loch Line (gần Fort Wiliam, Scotland). Thiết bị được buộc lỏng giữa một chiếc thuyền phao và một kết cấu neo dưới đáy biển. Sau đó, IT Power đã thành lập Công ty Marine Current Turbines Ltd (MCT) để triển khai một phiên bản thiết kế mới của tuabin “Seaflow” nhưng được lắp trực tiếp dưới đáy biển. Năm 2002, MCT bắt đầu thử nghiệm một thiết bị công suất 300KW tại Lynmouth, ngoài khơi North Devon, với sự hỗ trợ của Bộ Công thương Anh và EU. Theo MCT, bước tiếp theo sẽ là triển khai một kiểu máy lớn hơn mang tính thương mại, công suất 600KW hoặc lớn hơn. Bước tiếp theo, mục tiêu sẽ là xây dựng một dàn tuabin “trại dòng thuỷ triều” công suất 10MW.

Cơ sở của công nghệ này là sử dụng cọc đơn, gồm 1 ống thép chôn trong lỗ khoan dưới đáy biển, trên đó lắp tổ máy tuabin 2 hoặc 3 cánh. Người ta đã xác định rằng để có thể khai thác một cách kinh tế, cần có tốc độ dòng triều đỉnh 2-2,5m/s, độ sâu trong khoảng từ 20 đến 35m, và cho đến nay đã xác định được rất nhiều địa điểm có nhiều khả năng thích hợp trên bờ biển bao quanh nước Anh cũng như ở các nơi khác trên thế giới.

Điều đáng chú ý là năm 2003, mặc dầu đã có những đề xuất trước đây trong thời gian dài về xây dựng đập thuỷ triều trên cửa sông Severn, Bộ Công thương Anh đã cấp vốn cho 1 Công ty mới thành lập – Tidal Hydraulic Generators, để triển khai và thử nghiệm nắm nguyên mẫu tuabin dòng thuỷ triều, mà theo kế hoạch sẽ lắp đặt các tuabin này dưới đáy cửa sông Severn, ở khoảng giữa 2 cây cầu đường bộ. Phần chính trong thiết kế là các tuabin kiểu cánh quạt đường kính 8m lắp trên một chiếc khung đủ nặng để đứng vứng trên lòng sông ở dưới sâu 40m. Đơn vị triển khai dự án này (trụ sở tại Pembrokeshire) đã thử nghiệm 1 phiên bản tuabin tại Milford Haven. Tidal Hydraulic Generators thành lập năm 2000 với mục tiêu triển khai ý tưởng này cũng như các ý tưởng khác về phát điện bằng cách khai thác dòng thuỷ triều.

Dự án này, ngoài sự tài trợ của Bộ Công thương Anh còn nhận được sự ủng hộ của Nghị viện xứ Wales, có Trường Đại học Cardiff phối hợp thực hiện. Nếu tiến triển tốt, dự án sẽ mở đường cho việc xây dựng một công trình nguyên mẫu, trong đó có 1 khung đặt cố định dưới đáy biển Severn để đỡ 5 tuabin. Công ty Tư vấn kỹ thuật và Quản lý Babtie Group đã giành được hợp đồng thiết kế các tuabin.

Không phải đơn vị triển khai nào cũng đi theo hướng các hệ thống kiểu cánh quạt. Chẳng hạn như Engineering Business, một Công ty kỹ thuật ngành biển trụ sở tại Northumbria, cũng đã triển khai 1 hệ thống mà họ đặt tên là “cột nước chủ động”, thực chất là 1 biến thể của ý tưởng cột nước dao động, tuy nhiên thiết bị khai thác năng lượng sóng lại có các cánh ngầm sử dụng để biến dòng thuỷ triều theo chiều ngang thành chuyển động theo phương thẳng đứng. Sau đó Công ty này đã triển khai 1 ý tưởng thiết kế mới mang tên Cá đuối (Stingray), tựa như chiếc thuyền cao tốc có cánh ngầm song song ngập trong nước để khai thác năng lượng dòng thuỷ triều. Năm 2002, nguyên mẫu công suất 150KW, nặng 185 tấn, cánh dài 15m đã được thử nghiệm ngoài khơi quần đảo Shetland, với sự tài trợ của Bộ Công thương Anh; trong quá trình thử tại hiện trường vào mùa hè năm 2003, người ta đã thu thập được thêm nhiều dữ liệu. Engineering Business nói họ đang triển khai chương trình 5 năm nhằm thiết kế, chế tạo và lắp đặt 1 nhà máy điện công suất 5MW.

“Rochester Venturi” (ống venturi Rochester) lại là 1 ý tưởng mới nữa, do Geoff Rochester thuộc Trường Hoàng gia Luân Đôn sáng chế. Thiết bị này hướng dòng thuỷ triều vào 1 đường ống thu hẹp, tạo ra độ giảm áp và gây tác dụng bơm. Hiện tượng này được sử dụng để đẩy 1 lượng nước tương đối nhỏ chạy quanh 1 mạch vòng nước thứ cấp, làm quay tuabin. Theo các nhà triển khai thiết bị thì có thể duy trì dòng chảy thứ cấp này trong 1 phần đáng kể của chu kỳ thuỷ triều, do vậy hiện tượng đỉnh nhọn công suất ra sẽ giảm đi rất nhiều so với khi sử dụng đập thuỷ triều. Điều này có nghĩa là với cùng 1 sản lượng điện, công suất nguồn có thể nhỏ hơn, chu kỳ làm việc dài hơn, do vậy nâng cao khả năng dự án tự đứng vững được về mặt kinh tế. Công ty này nói rằng, nếu căn cứ vào các thử nghiệm ở quy mô hình thì có thể biến 20% tổng năng lượng tiêu tán trong ống venturi Rochester (RV) thành điện năng.

Công ty điện RV được thành lập để khai thác ý tưởng này. Họ đang lên kế hoạch thử nghiệm 1 nguyên mẫu nhỏ trên bờ sông, gần Grimsby, và tiếp sau đó sẽ là 1 phiên bản công suất 2MW. Họ khẳng định rằng thiết bị quy mô đầy đủ có thể sản xuất điện năng với giá thành từ 2 đến 10 xu Anh/KWh, còn đối với những địa điểm tốt nhất thì chỉ ở mức khoảng 2 đến 3 xu Anh/KWh.

Cuối cùng cũng nên lưu ý rằng GS Stephen Salter, người đi tiên phong trong lĩnh vực năng lượng sóng, cúng đã triển khai 1 ý tưởng về thiết bị dòng thuỷ triều mang tên “Polo”. Thiết bị này là 1 tuabin nước trục đứng, lắp trên 1 kết cấu hình xuyến nổi trên mặt nước, cánh tuabin chìm sâu dưới nước. Ở quy mô đầy đủ, vòng xuyến sẽ có đường kính 50m, cánh tuabin sẽ ở độ sâu 20m. Thiết bị này theo thiết kế sẽ có tổng trọng lượng 600 tấn và có thể đạt công suất 12MW.

Nghiên cứu khai thác năng lượng thuỷ triều ở các nước khác

Trong số những dự án khai thác dòng thuỷ triều tiến xa nhất phải kể đến thiết bị kiểu cánh quạt do 1 consortium các Công ty Na Uy triển khai, trong đó có Statoil và ABB. Trên cơ sở hệ thống tương tự đang được Marine Current Turbines (MCT) thử nghiệm tại Devon, thiết bị này có kết cấu như chiếc tuabin gió và đã được lắp đặt dưới đáy biển gần Kvalsund tại mỏm vùng Bắc Cực của Na Uy. Công suất của thiết bị nguyên thuỷ chỉ là 300KW. Thiết bị kích thước đầy đủ Hammerfest Strom sẽ có cánh quạt, cánh dài tới 15-16m, lắp trên trụ đặt dưới đáy biển. Khi triển khai đầy đủ, tổng cộng sẽ có tới 20 trạm được bố trí cách chiếc cầu hiện có khoảng 80m về phía tây. Theo Công ty này thì chỉ cần dành chiều sâu 17m là đủ để không ảnh hưởng tới giao thông đường thuỷ.

Trong khi đó ở ngoài nước, có vẻ như công nghệ Anh quốc đang tạo được bước đột phá. Tháng 5/2003, Ban giám sát thành phố San Francisco đã phê duyệt kế hoạch lắp đặt và thử nghiệm một nguyên mẫu thiết bị Hydro Venturi của Công ty RV tại khu vực Vịnh, gần cầu Cổng Vàng. Theo phát biểu của Công ty RV thì một khi triển khai đầy đủ, khu vực này sẽ có một dàn các venturi, chiều ngang là 1.000m, có thể cung cấp 452GWh mỗi năm.

Khác với hướng thiết kế cánh quạt trục ngang truyền thống được MCT và ABB/Statoil ưa chọn, nhiều Công ty triển khai theo hướng tuabin trục đứng. Cụ thể như EU đã tài trợ cho một nghiên cứu về khả năng phát điện bằng dòng thuỷ triều tại eo Messina, giữa đảo Sicilia và phần đất liền nước Ý, với việc sử dụng các tuabin trục đứng. Nghiên cứu này đề xuất bố trí 100 tuabin trục đứng dưới đáy biển, ở độ sâu 100m.

TS Alexander Gorlov thuộc Trường Đại học Northeastern (Boston, Mỹ) còn tỏ ra tham vọng hơn khi phát triển ý tưởng thiết kế những thiết bị đặt xa hơn ngoài biển để khai thác dòng hải lưu. Ông là nhà thiết kế và người sở hữu bằng sáng chế chiếc “Tuabin cánh quạt Gorlov”, một biến thể của tuabin gió Darrieus. Hiện nay các nguyên mẫu nhỏ đã qua bước thử nghiệm và TS Gorlov đang tính đến những ứng dụng quy mô lớn ở ngoài khơi, cụ thể là đã lập 1 dự án trên dòng hải lưu Gulf Stream. TS Gorlov lưu ý rằng dòng Gulf Stream mỗi giây chuyển 1 lượng nước xấp xỉ 80 triệu m3 nước qua vùng Miami, gấp 50 lần dòng chay của tất cả các dòng sông trên thế giới cộng lại. Tốc độ dòng nước trên bề mặt đôi khi còn hơn 2,5 m/s. Động năng tổng của dòng Gulf Stream gần Florida lên tới công suất xấp xỉ 65GW.

Công ty Blue Energy (Canada) đã triển khai ý tưởng hàng rào thuỷ triều, theo đó các tuabin trục đứng hình chữ H được lắp trên một kết cấu dạng môdun. Trên cơ sở hợp đồng ký kết với Bộ Năng lượng Philippin năm 1998, Blue Energy hiện đang triển khai một nhà máy trình diễn, dự kiến phát được công suất 50MW vào giai đoạn dòng triều đỉnh, công suất trung bình 30MW. Bước tiếp theo trong kế hoạch của Công ty là 1 nhà máy có công suất đỉnh 1000MW, công suất trung bình 600MW lắp trên đường nối 2 hòn đảo. Blue Energy cũng đang thăm dò ý tưởng về một dự án lớn hơn nữa, đó là hàng rào thuỷ triều dài 4km giữa các đảo Samar và Dalupiri tại eo biển San Bernardino. Nhà máy điện này sẽ có công suất tổng là 2.200MW khi dòng triều lớn nhất (công suất trung bình là 1.100MW).

Đáng lưu ý là Blue Energy còn có một số ý tưởng nữa còn lớn lao hơn nhiều. Để hoàn thành việc liên kết chuỗi các đảo Philippin này sẽ phải tốn tới 38 tỷ bảng Anh, những sẽ mang lại khoảng 25GW công suất nguồn. Công ty cũng tìm đến những địa điểm tiềm năng ở nhiều nơi khác trên thế giới, kể cả tại Anh.

Tài nguyên năng lượng thuỷ triều ở Anh

Các dự án lớn trên cho thấy triển vọng của phương án khai thác dòng thuỷ triều là rất lớn. Anh quốc đang đứng vị trí cao trong cuộc đua sử dụng năng lượng này. Qua khảo sát, đã xác định được 106 địa điểm có triển vọng về năng lượng thuỷ triều, trong đó 80% nằm ở vùng bờ biển bao quanh miền Britain (gồm Scotland, Wales và xứ Anh). Những địa điểm tốt nhất thường nằm giữa các hòn đảo hoặc gần các bờ biển cắt xẻ mạnh, nơi có dòng triều lớn. Theo ước tính nêu trong báo cáo của ETSU hồi năm 1993, nếu khai thác được tất cả các địa điểm ở Anh có dòng thuỷ triều thì sản lượng điện phát ra có thể đảm bảo tới 20% nhu cầu điện năng ở Anh.

Nhóm khảo sát dòng thuỷ triều tại Trường Đại học Robert Gordon (thành phố Aberdeen, Scotland) hiện đang tiến hành đánh giá tác động môi trường, tài nguyên, cũng như các nghiên cứu tối ưu hoá khác nhau. Nhóm này lưu ý rằng do tuabin thuỷ triều ngập trong nước và ở ngoài tầm mắt nên ít có vấn đề về ảnh hưởng tới cảnh quan như đối với các trại năng lượng gió. Tuy nhiên cũng có thể có một số vấn đề đáng kể liên quan tới môi trường và hình thái học động thực vật.

(Nguồn: TTQLNĐ)

1 Comments:

Post a Comment

<< Home