Bốn đại dự án năng lượng sạch thế hệ mới của thế giới

Năng lượng tái tạo đã bứt phá ngoạn mục, chiếm gần một nửa tổng công suất phát điện toàn cầu trong hai thập kỷ qua, theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA).

Tuy nhiên, thách thức lớn là điện mặt trời, điện gió phụ thuộc nhiều vào thời tiết, và các dòng pin lithium-ion chưa đủ khả năng lưu trữ năng lượng quy mô lớn để đáp ứng nhu cầu điện.

Để tháo gỡ điểm nghẽn này, bốn đại dự án giàu tham vọng dưới đây đã được triển khai để khai thác các nguồn năng lượng mới và định hình lại tương lai năng lượng sạch:

Rút nhiệt từ lòng đất mà không cần địa tầng lý tưởng

Trong khi điện mặt trời và điện gió thường "phập phù" theo điều kiện thời tiết, địa nhiệt lại có sự ổn định vượt trội nhờ lấy nhiệt từ lòng đất để phát điện liên tục suốt ngày đêm 24/7.

Tuy nhiên, khai thác địa nhiệt lâu nay chỉ khả thi ở một số ít khu vực địa chất trên Trái Đất, nơi hội tụ đủ ba yếu tố tự nhiên ngặt nghèo: tầng đá cực nóng, có sẵn hệ thống khe nứt ngầm để nước lưu thông và nguồn nước tự nhiên dồi dào để duy trì dòng nhiệt.

Dự án Cape Station của công ty Fervo Energy tại bang Utah (Mỹ) đã tìm ra phương án khắc phục, đó là chủ động can thiệp vào lòng đất.

Họ khoan thẳng xuống độ sâu gần 2.750 mét rồi bẻ hướng mũi khoan chạy ngang qua các tầng đá núi lửa cứng và cực nóng. Tiếp theo, bơm nước áp suất cao xuống để ép đá nứt ra, tạo thành một mạng lưới vô số khe rãnh li ti trải dài dưới lòng sâu. Khi nước được bơm luân chuyển qua mạng lưới này, diện tích tiếp xúc với đá nóng sẽ tăng lên, giúp nước hấp thụ trọn vẹn nhiệt lượng rồi đưa lên mặt đất để chuyển đổi thành điện năng. Hệ thống cảm biến địa chấn luôn sẵn sàng để ngắt quy trình ngay lập tức nếu xuất hiện rung chấn ngầm.

Fervo đã thử nghiệm thành công kỹ thuật này tại cơ sở trình diễn Project Red. Tại đây, các giếng khoan thử nghiệm hòa lưới thành công và liên tục cung cấp 3 megawatt điện từ cuối năm 2023. Với dự án Cape Station, họ đặt mục tiêu nâng công suất lên 100 megawatt vào đầu năm 2027 và hướng tới tổng quy mô 500 megawatt.

Chính phủ Mỹ đang tạo điều kiện cho công nghệ mới này phát triển, song một số chuyên gia lưu ý rằng Fervo phải đảm bảo các vỉa đá nứt nhân tạo này có thể duy trì dòng nhiệt ổn định và không bị tắc nghẽn sau nhiều năm vận hành thương mại liên tục ngoài thực địa.

Trong khi Fervo đã đi trước một bước khá xa, hàng loạt startup địa nhiệt khác cũng đang gấp rút tăng tốc để không bị bỏ lại phía sau.

Đặt trụ sở tại Houston, Sage Geosystems đang triển khai kỹ thuật bơm nước vào các giếng nứt vỉa thủy lực, tận dụng cả nhiệt độ lẫn áp suất ngầm để vừa lưu trữ vừa phát điện. Tiếp cận hướng đi khác, Eavor Technologies (Calgary, Canada) lại đang xây dựng một "bộ tản nhiệt ngầm" khổng lồ dưới lòng đất để cung cấp cả nhiệt lẫn điện cho một thị trấn ở Đức.

Trong khi đó, Controlled Thermal Resources dự định sẽ dự án nhà máy địa nhiệt tại khu vực Biển Salton, bang California. Doanh nghiệp này còn tính toán đặt luôn các trung tâm dữ liệu ngay tại chỗ, đồng thời chiết xuất các khoáng sản chiến lược từ nguồn nước muối phụ phẩm sinh ra trong quá trình vận hành.

"Lĩnh vực này đang có nhiều hướng đi sáng tạo và rất ít doanh nghiệp chọn cách làm giống hệt nhau," Ann Garth, chuyên gia nghiên cứu địa nhiệt tại tổ chức môi trường Clean Air Task Force, nhận định. "Chúng ta vẫn đang ở những bước đầu tiên, nên việc có nhiều bên thử nghiệm các hướng đi đa dạng như vậy là một tín hiệu vô cùng tích cực."

Điện thủy triều

Không giống các nguồn năng lượng sạch thông thường, thủy triều là nguồn năng lượng tái tạo có độ dự đoán chính xác cao theo từng mốc thời gian. Hiện tượng thủy triều dâng lên và hạ xuống dọc các bờ biển mang theo động năng khổng lồ, với tiềm năng khai thác toàn cầu ước tính lên tới 1.200 terawatt-giờ mỗi năm - tương đương hơn một phần tư tổng sản lượng điện của toàn nước Mỹ.

Lợi thế lớn nhất của nguồn năng lượng này là các kỹ sư luôn biết trước chính xác hệ thống sẽ tạo ra bao nhiêu điện năng vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày.

Nằm ở vùng eo biển Inner Sound, Scotland, kể từ khi đi vào hoạt động năm 2016, MeyGen là dự án khai thác năng lượng dòng chảy thủy triều lớn nhất thế giới. Về nguyên lý, hệ thống này hoạt động tương tự các trang trại điện gió, chỉ khác là các tua-bin được neo vững chắc dưới đáy đại dương. Các tua-bin của MeyGen gồm những cánh quạt có khả năng tự điều chỉnh góc nghiêng theo chiều nước chảy vào và rút ra. Dòng nước biển cuồn cuộn chảy qua sẽ làm quay các cánh quạt, kích hoạt máy phát điện và chuyển hóa động năng của đại dương thành dòng điện sạch truyền lên bờ.

Dự án hiện đang phát 6 megawatt và có kế hoạch lắp đặt thêm 20 tua-bin để nâng công suất lên 65 megawatt vào năm 2031, hướng tới tổng tiềm năng khai thác gần 400 megawatt tại khu vực này. Giới chuyên gia nhận định rằng dù năng lượng thủy triều bị giới hạn bởi các vị trí địa lý đặc thù và khó bắt kịp quy mô của điện mặt trời hay điện gió, nó vẫn có thể cung cấp tới 10% nhu cầu điện của toàn Vương quốc Anh.

Hiện tại có rất ít dự án năng lượng thủy triều có khả năng phát điện liên tục; hầu hết mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm và trình diễn, theo bà Andrea Copping, chuyên gia về phát triển năng lượng tái tạo biển tại Trường Môi trường và Hải dương học thuộc Đại học Washington, Mỹ. Bà Copping cho biết ngành này vẫn còn những rào cản lớn cần vượt qua trước khi được áp dụng rộng rãi, như các vướng mắc pháp lý, nguy cơ tác động môi trường và xung đột lợi ích với các ngành khai thác biển khác.

Dù vậy, dự án tại Scotland dường như đã giải tỏa được nghi vấn lớn nhất, đó là liệu các tua-bin có thể tồn tại bền bỉ trong môi trường nước biển hay không. Môi trường biển là một thử thách lớn đối với các loại máy móc cơ khí, do sự ăn mòn của nước muối, rác thải trôi nổi và áp lực khủng khiếp của dòng chảy siết. Trong điều kiện như vậy, tua-bin của MeyGen vẫn vận hành liên tục suốt hơn 7 năm mà không gặp sự cố hay cần bảo trì đột xuất.

Đưa một cỗ máy vốn là tua-bin gió trên đất liền xuống vận hành dưới đại dương là thử thách vô cùng gian nan, theo ông Fraser Johnson, Giám đốc Vận hành và Bảo trì tại MeyGen. Bốn tua-bin hiện tại được đặt tại eo biển Inner Sound, nơi nổi tiếng với những dòng hải lưu cực mạnh. Các hệ thống thủy triều phải dựa vào những dòng chảy xiết như vậy để tối ưu hóa hiệu suất phát điện.

"Chúng tôi muốn ngành này bùng nổ hơn, muốn thấy nhiều đồng nghiệp cùng tham gia bắt tay vào làm," ông Johnson chia sẻ, song đây là một công nghệ rất khó và cho đến nay các đơn vị khác vẫn đang gặp khó khăn trong quá trình triển khai.

Trữ năng lượng bằng không khí nén

Pin lithium-ion là lựa chọn phổ biến trên thị trường lưu trữ năng lượng hiện nay, nhưng theo nhiều chuyên gia, giải pháp này chỉ thực sự tối ưu về mặt chi phí đối với nhu cầu tích điện ngắn hạn trong vài giờ.

Để lưu trữ điện năng cho cả ngày hoặc dài hơn, công nghệ tích trữ năng lượng bằng không khí nén (CAES) được xem là giải pháp tiềm năng. Cơ chế của CAES khá đơn giản: khi nhu cầu tiêu thụ thấp, nguồn điện dư thừa từ các trang trại xanh sẽ được dùng để chạy máy nén, ép không khí vào các không gian ngầm dưới lòng đất. Khi nhu cầu điện tăng cao, không khí nén áp suất cao được xả ra để quay tua-bin phát điện.

Trung Quốc đang dẫn đầu việc thương mại hóa công nghệ này với dự án Hang muối Hoài An - nhà máy CAES lớn nhất thế giới với công suất 600 megawatt, đủ sức cung cấp điện cho khoảng 600.000 hộ gia đình. Các cấu trúc hầm đá muối là môi trường lý tưởng cho không khí nén vì muối đá hầu như không thấm và có khả năng tự biến dạng để bịt kín mọi vết nứt.

Bài toán kỹ thuật lớn nhất của CAES là khi không khí nén xả ra ngoài, nhiệt độ của nó sẽ giảm mạnh, gây giảm hiệu suất quay tua-bin. Dự án Hoài An đã khắc phục điểm yếu này bằng cách thu gom lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình nén khí, tích trữ vào nước và muối nóng chảy, sau đó dùng chính nguồn nhiệt này để làm nóng lại không khí trước khi đưa vào tua-bin.

Theo Tập đoàn Harbin Electric - đơn vị cung cấp thiết bị trao đổi nhiệt cho dự án - nhà máy sử dụng muối nóng chảy cùng hệ thống tích trữ nước nóng chịu áp để quản lý nhiệt lượng, đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên tới 71%.

Cục Năng lượng Quốc gia Trung Quốc đầu năm nay cho biết hai tổ máy của dự án đã lần đầu tiên hòa lưới điện thành công, đồng thời đạt mức phát điện tối đa công suất.

So với chi phí đắt đỏ để sản xuất hàng loạt viên pin lithium-ion, CAES tận dụng nguồn nguyên liệu không khí hoàn toàn miễn phí và không gian lưu trữ dưới lòng đất. Dù công nghệ này đã hoàn thiện, rào cản lớn nhất khiến nó chưa phổ biến nằm ở điều kiện địa chất, bởi không phải nơi nào cũng có các hang muối tự nhiên. Hiện ngoài Trung Quốc, thế giới chỉ có hai nhà máy CAES quy mô lớn tại Đức và Mỹ.

Tuy nhiên, việc Mỹ bắt đầu thử nghiệm ứng dụng các hang đá cứng thay cho hang muối gần đây đang mở ra cơ hội nhân rộng công nghệ trên quy mô toàn cầu.

Công nghệ tua-bin gió ngoài khơi

Càng ra xa bờ, những luồng gió biển càng mạnh và ổn định hơn, mang lại nguồn điện dồi dào hơn hẳn so với vùng ven bờ. Khoảng 80% tiềm năng năng lượng gió ngoài đại dương nằm ở các vùng nước sâu. Tại đây, việc đóng cọc cố định tua-bin xuống đáy biển vô cùng đắt đỏ và gần như bất khả thi. Các tua-bin dạng nổi ra đời như một giải pháp hợp lý, vừa giúp khai thác trọn vẹn nguồn năng lượng khổng lồ này, vừa góp phần giải quyết những lời phàn nàn của người dân ven bờ về việc các trang trại gió làm ảnh hưởng đến cảnh quan thiên nhiên.

Tại châu Âu, các tua-bin gió nổi ngoài khơi thường chỉ vận hành ở dải công suất từ 8 đến 10 megawatt cho mỗi tổ máy. Cỗ tua-bin nổi đơn lẻ mạnh nhất khu vực hiện đặt tại Pháp, thuộc dự án Éoliennes Flottantes du Golfe du Lion (EFGL) - nơi lắp đặt các tua-bin Vestas phân khúc 10 MW (dòng V164-10.0 megawatt) trên bệ nổi.

Trung Quốc đã phá "mức trần" kỹ thuật này với Sanxia Linghang Hao - tua-bin gió dạng nổi đơn lẻ lớn nhất thế giới với công suất 16 megawatt.

Nằm cách bờ khoảng 70 km ở vùng biển sâu trên 50 mét, toàn bộ công trình khổng lồ này thả nổi trên một giàn bán chìm thay vì cắm cọc xuống đáy. Hệ thống dây cáp polyester và xích neo đóng vai trò như những chiếc lò xo co giãn, giúp hấp thụ toàn bộ lực đánh của sóng dữ và gió lớn. Với đỉnh cánh quạt vươn cao tới 270 mét, tua-bin này được thiết kế để chịu được sức gió lên tới 264 km/h, vượt qua cả sức tàn phá của những trận siêu bão cuồng nộ.

So với các dự án thử nghiệm trước đây, Sanxia Linghang Hao dự kiến mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Công suất lắp đặt của mỗi tổ máy đã tăng gần gấp ba lần, trong khi chi phí đầu tư trên từng đơn vị công suất lại giảm đáng kể. Đồng thời, dự án cũng đạt được tỷ lệ nội địa hóa sản xuất rất cao.

Tua-bin này dự kiến sẽ sản xuất khoảng 44,65 triệu kWh điện mỗi năm, đủ đáp ứng nhu cầu cho khoảng 24.000 hộ gia đình.

Khi Mỹ đã tạm dừng cấp phép cho các dự án ngoài khơi, những dự án triển khai công nghệ này đã chuyển dịch sang châu Á và châu Âu - riêng nước Ý hiện có khoảng 90 dự án điện gió khơi xa đang chờ duyệt tác động môi trường. Các nhà khoa học hải dương nhận định rằng công nghệ tua-bin nổi đã chín muồi và có thể mang lại nguồn năng lượng giá rẻ vô cùng rõ ràng. Thách thức lớn nhất hiện nay là cần khảo sát vị trí kỹ lưỡng và có các giải pháp phù hợp kiểm soát ảnh hưởng tới hệ sinh thái biển.

Hà Trang tổng hợp