Dũng Virgo
Giữa lúc điện mặt trời và điện gió ngày càng phổ biến, các dòng chảy trong đại dương đang được chú ý như một hướng khai thác năng lượng khác. Tại Mỹ, công ty năng lượng tái tạo Sitkana chuẩn bị đưa một nguyên mẫu tuabin thủy triều xuống khu vực thử nghiệm Bourne Tidal Test Site ở bang Massachusetts.
Dự án không tìm cách xây dựng một công trình khổng lồ dưới đáy biển. Thay vào đó, Sitkana phát triển các mô-đun tuabin nhỏ hơn, có thể kết hợp thành hệ thống lớn khi nhu cầu tăng lên. Cách tiếp cận này được kỳ vọng giúp giảm độ phức tạp trong khâu vận chuyển, lắp đặt, thu hồi và sửa chữa thiết bị.
Năng lượng thủy triều là gì?
Năng lượng thủy triều được tạo ra bằng cách khai thác chuyển động của nước biển do thủy triều và các dòng hải lưu. Khi nước chảy qua cánh tuabin, lực của dòng nước làm quay hệ thống cánh, từ đó tạo ra điện năng thông qua máy phát.
Điểm khiến nguồn năng lượng này hấp dẫn nằm ở tính ổn định tương đối cao. Ánh sáng mặt trời có thể bị gián đoạn bởi mây hoặc ban đêm, trong khi gió thay đổi theo thời tiết. Ngược lại, chu kỳ thủy triều diễn ra theo quy luật tự nhiên có thể dự đoán. Nguồn năng lượng này vì thế có tiềm năng bổ sung cho các hệ thống điện tái tạo vốn phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết.
Tuy nhiên, gọi đây là nguồn năng lượng “vô tận” chỉ nên được hiểu theo nghĩa có khả năng tái tạo liên tục trong tự nhiên. Việc biến dòng chảy dưới biển thành điện vẫn phụ thuộc vào vị trí triển khai, thiết kế thiết bị, chi phí vận hành và mức độ phù hợp với môi trường biển.
Sitkana thử nghiệm thiết bị nhỏ gọn dưới biển
Nguyên mẫu của Sitkana sẽ được triển khai tại Bourne Tidal Test Site, một khu vực có độ sâu khoảng 7 m. Tốc độ dòng nước tại đây có thể vượt 1,5 m/giây, tạo điều kiện để các kỹ sư đánh giá khả năng hoạt động của tuabin trong môi trường thực tế thay vì chỉ dựa trên mô phỏng hoặc thử nghiệm trong bể.
Thiết bị được đưa xuống nước bằng một cơ cấu nâng đặt ở trung tâm. Hệ thống này có thể triển khai và thu hồi các thiết bị với đường kính lên tới khoảng 3 m. Đây là chi tiết quan trọng trong thiết kế, bởi việc đưa các thiết bị lớn xuống đáy biển thường đòi hỏi tàu chuyên dụng, nhân lực kỹ thuật và quy trình vận hành tốn kém.
Với cấu trúc có thể thu hồi tương đối thuận tiện, nguyên mẫu sẽ giúp nhóm phát triển kiểm tra, bảo dưỡng hoặc thay thế các bộ phận mà không phải phụ thuộc quá nhiều vào cơ sở hạ tầng ngoài khơi. Điều này đặc biệt có ý nghĩa với các cộng đồng ven biển ở xa hệ thống điện lưới hoặc những khu vực khó huy động phương tiện chuyên dụng.
Thiết kế mô-đun có thể giải quyết bài toán triển khai
Thay vì bắt đầu bằng một tuabin công suất nhiều megawatt, Sitkana lựa chọn những đơn vị nhỏ hơn và có khả năng ghép nối. Mỗi mô-đun có thể hoạt động như một phần của hệ thống, sau đó được mở rộng bằng cách bổ sung thêm thiết bị khi nhu cầu điện tăng lên.
Mô hình này mang lại một số lợi ích thực tế. Các bộ phận nhỏ hơn thường dễ vận chuyển đến khu vực ven biển, dễ đưa xuống nước và thuận lợi hơn khi thu hồi. Trong giai đoạn thử nghiệm, nhà phát triển cũng có thể điều chỉnh số lượng hoặc cách bố trí tuabin thay vì phải thay đổi cả một công trình lớn.
Theo định hướng của Sitkana, mục tiêu là làm cho việc xây dựng, triển khai và bảo trì hệ thống năng lượng biển trở nên đơn giản hơn, nhất là tại những nơi xa xôi. Nếu chứng minh được độ tin cậy, thiết kế mô-đun có thể giúp công nghệ thủy triều tiếp cận nhiều dự án quy mô nhỏ trước khi tiến tới các hệ thống lớn hơn.
Các giải pháp đưa thiết bị xuống và kéo lên khỏi mặt nước cũng là một phần quan trọng của công nghệ. Tương tự nhiều thiết bị hoạt động trong môi trường biển, tuabin cần được theo dõi và bảo dưỡng định kỳ. Vì vậy, khả năng tiếp cận thiết bị có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành trong suốt vòng đời dự án.
Thử nghiệm sẽ kiểm tra những yếu tố nào?
Trong quá trình vận hành, các kỹ sư sẽ không chỉ đo lượng điện mà tuabin tạo ra. Họ còn phải đánh giá độ ổn định của hệ thống, khả năng chịu áp lực nước liên tục và phản ứng của vật liệu trước điều kiện ngoài biển.
- Sản lượng điện: xác định tuabin chuyển đổi dòng nước thành điện hiệu quả đến đâu.
- Độ bền cơ khí: theo dõi khả năng hoạt động liên tục trong dòng chảy và trước các biến động của thủy triều.
- Độ tin cậy: kiểm tra xem hệ thống có duy trì hiệu suất ổn định hay phát sinh lỗi trong thời gian thử nghiệm.
- Khả năng chống ăn mòn: đánh giá tác động của nước biển lên vật liệu và các bộ phận bên trong.
- Tác động sinh thái: quan sát cách tuabin tương tác với môi trường và động vật hoang dã dưới biển.
Những dữ liệu này sẽ giúp Sitkana xác định công nghệ đã sẵn sàng cho thương mại hóa hay còn cần điều chỉnh. Một thiết bị tạo ra điện nhưng phải bảo dưỡng thường xuyên, nhanh xuống cấp hoặc gây ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái sẽ khó trở thành giải pháp cạnh tranh.
Ưu thế so với điện gió và điện mặt trời
Điện gió và điện mặt trời hiện có lợi thế lớn về quy mô triển khai, mức độ phổ biến và chuỗi cung ứng. Dù vậy, sản lượng của hai nguồn này thay đổi theo điều kiện thời tiết. Một trang trại điện mặt trời không phát điện vào ban đêm, còn tuabin gió có thể giảm công suất khi gió yếu.
Năng lượng thủy triều không loại bỏ hoàn toàn những thách thức trên, nhưng có thể bổ sung một nguồn cung dễ dự báo hơn. Các đơn vị vận hành lưới điện có thể biết trước thời điểm dòng nước thay đổi, qua đó thuận lợi hơn trong việc lập kế hoạch sản xuất và phân phối điện.
Thực tế, công nghệ thủy triều không nhất thiết phải cạnh tranh trực tiếp với mọi loại năng lượng tái tạo. Vai trò phù hợp hơn có thể là bổ sung vào cơ cấu điện tại các vùng ven biển, nơi có dòng chảy đủ mạnh và nhu cầu cung cấp điện ổn định cho cộng đồng địa phương.
Việc nghiên cứu các thiết bị hoạt động dưới nước cũng cho thấy hạ tầng biển đang trở thành một lĩnh vực công nghệ đáng chú ý. Từ hệ thống quan trắc đến các phương tiện phục vụ trải nghiệm biển sâu như công nghệ quan sát dưới biển, nhiều giải pháp mới đang được phát triển để làm việc trong môi trường vốn khó tiếp cận này.
Môi trường biển là phép thử không thể bỏ qua
Việc đặt tuabin trong dòng hải lưu có thể tạo ra những tác động ngoài dự kiến. Cánh tuabin chuyển động trong môi trường sống của nhiều loài sinh vật, vì vậy các nhà nghiên cứu cần quan sát khả năng động vật biển tiếp cận, tránh né hoặc tương tác với thiết bị.
Bên cạnh nguy cơ đối với sinh vật, dự án còn phải xem xét tiếng ồn, thay đổi dòng chảy cục bộ và ảnh hưởng của kết cấu neo giữ. Mức độ tác động sẽ phụ thuộc vào kích thước tuabin, vị trí lắp đặt, tốc độ dòng nước và thời gian thiết bị hoạt động.
Sitkana cho biết thử nghiệm thực tế sẽ được dùng để đánh giá đồng thời hiệu suất năng lượng, độ tin cậy và khả năng tương thích với hệ sinh thái. Đây là bước cần thiết trước khi nhân rộng công nghệ, bởi kết quả trong điều kiện biển thật có thể khác đáng kể so với dữ liệu thu được trong phòng thí nghiệm.
Cơ hội từ hạ tầng thử nghiệm tại Massachusetts
Bourne Tidal Test Site đã được nâng cấp với sự hỗ trợ của Trung tâm Năng lượng Sạch Massachusetts. Khu vực này được bổ sung hệ thống thu thập dữ liệu và cơ sở hạ tầng phục vụ việc thử nghiệm các nguyên mẫu năng lượng biển.
Một địa điểm thử nghiệm chuyên biệt giúp các công ty rút ngắn quá trình đánh giá công nghệ. Thay vì tự xây dựng toàn bộ cơ sở hạ tầng ban đầu, nhóm phát triển có thể tập trung vào thiết kế tuabin, hệ thống điều khiển và phương án bảo trì. Dữ liệu thu được cũng có thể hỗ trợ việc hoàn thiện thiết bị trước khi triển khai ở quy mô thương mại.
Con đường thương mại hóa vẫn còn nhiều thách thức
Nguyên mẫu của Sitkana mới là một bước thử nghiệm, chưa phải bằng chứng cho thấy năng lượng thủy triều đã sẵn sàng thay thế các nguồn điện hiện có. Công nghệ này vẫn phải chứng minh ba yếu tố quan trọng: tạo ra điện ổn định, có chi phí hợp lý và hạn chế ảnh hưởng đến môi trường.
Chi phí lắp đặt dưới biển, bảo trì thiết bị, chống ăn mòn và kết nối với lưới điện đều có thể làm tăng giá thành. Ngoài ra, không phải vùng ven biển nào cũng có dòng hải lưu đủ mạnh hoặc điều kiện địa chất phù hợp để triển khai.
Nếu tuabin có thể vận hành bền bỉ tại khu vực thử nghiệm, tạo ra sản lượng điện đáng kể và cho phép thu hồi dễ dàng, Sitkana sẽ có thêm cơ sở để phát triển các hệ thống lớn hơn. Khi đó, những dòng chảy vốn thường bị bỏ qua có thể trở thành một phần trong chiến lược cung cấp điện sạch cho các cộng đồng ven biển.
40 tuổi bắt đầu tập gym có còn kịp thay đổi cơ thể?
“Ngựa hydro” giá rẻ gây sốt tại Trung Quốc
Zurich thử nghiệm túi khí bên ngoài cho tàu điện
Những thiết bị điện tử thất bại nhưng nay được săn lùng
SpaceX đề xuất xây Starbase Louisiana trị giá 100 tỷ USD
51 chén rượu trong mộ Tào Tháo và khoảng lặng quyền lực
Vinpearl Submarine: Trải nghiệm ngắm biển sâu ở Nha Trang
