Khai thác nguồn năng lượng đại dương và mặt trời

Khai thác nguồn năng lượng đại dương và mặt trời
Với dự kiến dân số thế giới sẽ tăng lên 10 tỷ người vào năm 2050, việc cung cấp điện giá rẻ, thân thiện với môi trường để đáp ứng các nhu cầu cơ bản quả là một thách thức nghiệt ngã.

Tận dụng nguồn năng lượng thủy triều thực sự là bước ngoặt trong sản xuất năng lượng sạch, không ô nhiễm môi trường. Người Na Uy đã kết nối vào mạng lưới điện quốc gia của họ dòng điện phát ra từ tua bin nước đầu tiên, mà năng lượng được tạo ra từ những cánh quạt quay nhờ dòng nước biển. Đến cuối năm nay , họ sẽ hoàn thành xây dựng 20 nhà máy tiếp theo.

Nhà máy điện của Na Uy có ưu điểm mà không nguồn năng lượng tái tạo nào có được đó là hoàn toàn không lệ thuộc vào thời tiết. Bất chấp hoàn cảnh, có gió hay lặng gió, trời nắng hay mưa... dòng thuỷ triều vẫn không bị ảnh hưởng và dòng điện phát ra vẫn có công suất không đổi. Người Anh cũng có kế hoạch đầu tư tương tự. Giới chuyên gia địa phương ước tính rằng, nước biển có thể đảm bảo cho họ tới 25% nhu cầu năng lượng cần thiết.

Dẫu ý tưởng xây dựng nhà máy điện thuỷ triều không phải là mới, song phương thức khai thác của người Na Uy rất sáng tạo. Thiết bị công nghệ loại này đầu tiên trên thế giới được Pháp chế tạo và lắp đặt ở cửa sông từ năm 1967. Công trình đó đến nay vẫn còn hoạt động và có công suất 240 MW. Những nhà máy điện cùng loại thí điểm cũng xuất hiện ở Trung Quốc, Ấn Độ, Canađa và LB Nga.

Nguyên lý hoạt động của những nhà máy điện sử dụng năng lượng nước biển đã khai thác cũng giống như nhà máy thuỷ điện truyền thống: Thoạt đầu dòng nước chảy đầy những "thùng chứa" đặc biệt, làm quay tuabin phát điện, sau đó nước từ thùng chứa thoát ra trở lại đại dương.

Bên cạnh những mặt mạnh là không gây ô nhiễm môi trường, nhà máy điện sử dung năng lượng nước biển vẫn không tránh khỏi một số khiếm khuyết. Tương tự trường hợp đập nước trên sông, nhà máy điện kiểu này cũng gây rào cản không thể vượt qua đối với hải sản và gây khó khăn cho giao thông đường thuỷ. Chính vì lý do như vậy, Chính phủ Pháp đã tạm dừng kế hoạch triển khai xây dựng 20 công trình tiếp theo. Theo tính toán của giới phản đối việc xây dựng, thí dụ - chỉ một đập nước trên sông Ranh cũng làm đảo lộn môi trường biển trong bán kính 500 km.

Mãi đến những năm 90 thế kỷ trước, người ta mới nghĩ ra phương pháp tận dụng năng lượng thuỷ triều một cách sạch nhất, đó là các “cối xay" dưới nước. Chúng quay nhờ dòng nước biển chuyển động. Tua bin thí nghiệm đầu tiên được lắp đặt tại khu vực Loch Lihne, ở Xcốtlen, năm 1995. Nó được cột vào mỏ neo nằm dưới đáy biển và chỉ tạo nguồn năng lượng công suất 15 kw.

Đầu năm nay, tuabin có công suất lớn hơn nhiều (300 kw) lần đầu tiên được nối vào mạng điện quốc gia. Cánh quạt ngầm dưới đáy nước được gắn cố định xuống đáy biển. Công trình hoạt động tại eo biển Kvalsund, gần thành phố biển Na Uy Hammerfest. Thiết bị có trọng tải ngót 200 tấn. Đến cuối năm nay, Na Uy dự định lắp đặt 20 tuabin như thế, đảm bảo cung cấp điện cho thị trấn 1,1 ngàn dân. Chi phí công trình khoảng 50 triệu curon Na Uy (20 triệu USD).

Cơ chế hoạt động của tuabin Na Uy khá đơn giản: ở eo biển liên tục có dòng nước chảy do thuỷ triều, gây sóng cao tới 3 mét. Suốt nửa ngày dòng chảy đẩy nước biển chuyển động vào vịnh với vận tốc lên tới 2,5 mét/ giây, suốt nửa ngày sau - nước thuỷ triều rút cũng tạo ra dòng chảy với tốc độ tương tự. Vì thế, những "cối xay" ngầm được trang bị cánh quạt có thể quay suốt ngày. Những "cánh" của tuabin nằm ở độ sâu 17 mét dưới mực nước biển (eo biển sâu 50 mét), nên không cản trở gì hoạt động đi lại của tàu biển. Đồng thời cá tôm bơi qua cũng an toàn bởi tuabin phát điện quay với tốc độ rất chậm (7 vòng/ phút).

Hiện thời, cản trở duy nhất để mở rộng nhà máy điện ngầm dưới biển là giá thành sản phẩm. Cho dù không cần nhiên liệu, nhưng chi phí xây dựng cao tới mức giá sản phẩm điện đắt hơn 3 lần so với nguồn điện truyền thống. Việc xây dựng ở Na Uy triển khai được chủ yếu nhờ tiền của các doanh nghiệp và trợ giủp của Chính phủ. Dĩ nhiên, các chủ tư bản bao giờ cũng làm ăn có mục đích. Ngay khi ý tưởng được chấp nhận, sẽ xuất hiện thị trường tuabin nước loại này trị giá hàng trăm triệu USD.

Ngoài Na Uy, người Anh cũng tích cực xúc tiến chương trình xây dựng nhà máy điện dưới biển. Gần đây họ đã đưa vào khai thác công trình tương tự như Na Uy (công suất 250 kw). Sự khác biệt độc nhất là tuabin của Anh lắp đặt trên thân cột mà một phần cánh quạt nhô lên mặt nước. Cho dù giải pháp này gây cản trở hoạt động giao thông hàng hải, nhưng lại tiết kiệm được đáng kể chi phí dịch vụ để kéo thiết bị lên khỏi mặt nước khi cần thiết mà không cần thợ lặn. Hãng Marine Current Turbines, đơn vị thực hiện dự án đã có kế hoạch lắp đặt hàng trăm tuabin tiếp theo dọc bờ biển phía Tây nước Anh. Họ cũng đang thiết kế tuabin kép, công suất 1,2 MW. Lãnh đạo của hãng khẳng định rằng, việc xây dựng vài ngàn máy phát điện dưới biển dọc bờ biển phía Tây nước Anh và xứ Uên sẽ cho nguồn năng lượng tương đương 50% sản lượng điện các nhà máy điện hạt nhân hiện đang hoạt động.

J.Markins. Giám đốc Cơ quan nghiên cứu khái niệm tiên tiến của NASA phát biểu: "Cần phải tìm ra những nguồn điện mới, và hiện đã tiến hành nghiên cứu nhiều khái niệm về điện mặt trời thu được từ vũ trụ. 15 năm gần đây, đã có những tiến bộ to lớn về những công nghệ có liên quan".

Công cuộc nghiên cứu hệ thống điện mặt trời trên vũ trụ (SSP) bắt đầu từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ giữa những năm 70. Hệ thống SSP ứng dụng những nguyên tắc vật lý đã được hiểu biết rất rõ, đó là sự biến đổi ánh sáng thành dòng điện nhờ tế bào quang điện (PV). Để thu được điện trên vũ trụ có thể đặt hàng loạt tế bào quang điện ở trên quỹ đạo địa tĩnh của Trái đất hoặc trên Mặt trăng. Hệ thống này thu lấy năng lượng mặt trời trong vũ trụ, biến thành sóng vi ba và truyền bức xạ vi ba về Trái đất, nơi có đặt những trạm an ten để thu và biến thành điện.

Căn cứ vào bài báo đăng trên Tạp chí của Viện nghiên cứu điện năng (EPRI), thì các dãy pin Mặt trời đặt trên quỹ đạo địa tĩnh của Trái đất trung bình nhận được lượng điện năng lớn gấp 8 lần so với khi đặt trên Trái đất. Những dãy pin này không chịu ảnh hưởng của mây, bụi và ban đêm.

Khi ý tưởng về việc sản xuất điện trong vũ trụ được đề xuất lần đầu tiên cách đây 30 năm, thì công nghệ pin mặt trời mới ở giai đoạn sơ khai. Hiệu suất biến đổi của pin lúc đó chỉ đạt 7- 9%. Ngày nay công nghệ đã có được tiến bộ to lớn, với hiệu suất biến đổi là 42-56%.

Tuy nhiên, việc đưa những hệ thống pin mặt trời nặng hàng nghìn tấn vào vũ trụ sẽ tốn kém. Nhưng có cách để giảm diện tích cần thiết của pin nhờ tập trung ánh sáng. Nếu ta dùng những gương hoặc thấu kính lớn để hội tụ ánh sáng thì tiết kiệm được rất nhiều tiền, vì pin mặt trời là bộ phận đắt tiền nhất. Nhược điểm của việc hội tụ ánh sáng là nhiệt. Phần bức xạ hội tụ không được biến thành điện sẽ tạo thành nhiệt, đủ để làm hỏng pin mặt trời. Marzwell và các cộng sự ở JPL đang nghiên cứu các phương pháp để tận dụng được lượng nhiệt thải ra này, biến nó thành điện bằng các quá trình nhiệt điện. Nếu dùng các chất phủ đặc biệt cho gương và thấu kính thì có thể loại bỏ phần phổ ánh sáng mà PV không sử dụng được, giúp giảm được lượng nhiệt sản sinh ra ở bề mặt pin.

Sau khi có điện sản xuất ở trên vũ trụ, ta sẽ làm gì? Một phương án là biến nó thành bức xạ vi ba rồi dọi về Trái đất. Ở trên Trái đất, những dàn anten hình chữ nhật, phân bố ở những vùng hẻo lánh sẽ chuyển sóng vi ba thành dòng điện một chiều. Theo Marzwell, những nguy hiểm khi lại gần tia vi ba cũng tương tự như các trường hợp truyền sóng điện thoại di động, lò vi sóng hay các đường dây truyền tải điện cao áp.

"Theo Marzwell, có thể giảm bớt rủi ro bằng cách đặt các anten ở trên sa mạc, hoặc các vùng ít dân cư".

Phương án dùng laze hiện cũng đang được cân nhắc để đưa điện từ vũ trụ về. Dùng laze có thể khắc phục được những nhược điểm liên quan đến vi sóng, nhưng do phải tuân thủ hiệp ước với Nga nên Mỹ đã cấm không dùng laze công suất lớn để truyền về Trái đất.

Nhìn chung, những mặt tích cực của hệ thống xem ra hơn hẳn. Hệ thống điện đặt trong vũ trụ sẽ cung cấp một lượng điện vô tận, không có phát thải và rất ít ảnh hưởng tới môi trường. Theo Marzwell, giá điện từ vũ trụ hiện nay là 50-80 cent/kwh, có tính đến chi phí xây dựng hệ thống. Ông tin rằng sau 15-20 năm nữa , con số này sẽ giảm còn 7-10 cent (giá điện trên thị trường hiện nay là 5-6 cent).

(Nguồn: TCĐL)