Bước đột phá mới của năng lượng xanh

Nhật Bản là quốc gia khát điện và phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hoá thạch. Chính vì thế, Nhật Bản không ngừng tìm kiếm những nguồn năng lượng mới và bền vững. Quốc gia này đã thử nghiệm thành công một hệ thống có thể cung cấp dạng năng lượng tái tạo ổn định, liên tục, không phụ thuộc vào gió hay mặt trời.

Trong hơn một thập kỷ, nhà sản xuất máy móc hạng nặng IHI Corp. của Nhật Bản đã phát triển một tuabin hoạt động dưới đáy biển để khai thác năng lượng từ các dòng hải lưu sâu, biến nó thành nguồn điện ổn định và bền vững.

Cỗ máy khổng lồ giống như một chiếc máy bay với hai cánh tuabin quay ngược chiều giống như máy bay phản lực. Một "thân máy bay" nằm ở trung tâm chứa hệ thống điều chỉnh lực nổi. Nguyên mẫu có tên gọi là Kairyu, nặng 330 tấn và được chế tạo để neo dưới đáy biển ở độ sâu 30-50 mét.

Trong sản xuất thương mại, kế hoạch dự kiến của công ty là đặt các tuabin trong Dòng hải lưu Kuroshio, một trong những dòng chảy mạnh nhất thế giới. Dòng hải lưu này chảy dọc theo bờ biển phía đông của Nhật Bản. Điện sẽ được truyền đi qua các đường dây cáp dưới đáy biển.

Ken Takagi, giáo sư về chính sách công nghệ đại dương tại trường Graduate School of Frontier Sciences, cho biết: "Nhật Bản có lợi thế về khả năng tiếp cận các dòng hải lưu. Năng lượng gió phù hợp với với châu Âu hơn về mặt địa lý, nơi chịu ảnh hưởng của gió Tây và nằm ở vĩ độ cao hơn".

Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới của Nhật Bản (NEDO) ước tính Hải lưu Kuroshio có thể tạo ra tới 200 gigawatt - khoảng 60% công suất phát điện hiện nay của Nhật Bản.

Hệ thống khai thác năng lượng từ các dòng hải lưu.

Khai thác nguồn năng lượng từ biển

Giống như các quốc gia khác, tỷ trọng đầu tư vào năng lượng tái tạo của Nhật Bản đã chuyển từ năng lượng hạt nhân sang năng lượng gió và mặt trời, đặc biệt là sau thảm hoạ hạt nhân Fukushima.

Nhật Bản là nhà sản xuất điện mặt trời lớn thứ 3 trên thế giới và đang đầu tư mạnh vào điện gió ngoài khơi. Nhưng việc khai thác các dòng hải lưu có thể cung cấp nguồn điện cơ bản cần thiết để giảm nhu cầu lưu trữ năng lượng hoặc sử dụng nhiên liệu hoá thạch.

Ưu điểm của dòng hải lưu là tính ổn định. Dòng chảy ít dao động về tốc độ và hướng, giúp mang lại hệ số công suất từ 50-70%. Đây là thước đo mức độ sản xuất thường xuyên của hệ thống. Như vậy, hệ số của hải lưu cao hơn so với mức 29% của năng lượng gió đất liền và 15% đối với năng lượng mặt trời.

Yếu tố quan trọng mang đến hiệu quả của tuabin là vị trí đặt ở nơi có dòng hải lưu đủ mạnh để tạo ra điện. Vùng biển đặt tuabin cũng phải là nơi không có quá nhiều tàu thuyền để có thể lắp đặt và bảo trì an toàn.

Vào tháng 2, IHI với NEDO đã hoàn thành nghiên cứu kéo dài hơn 3 năm về công nghệ này. Nhóm đã thử nghiệm hệ thống tại vùng biển xung quanh quần đảo Tokara ở tây nam Nhật Bản. Họ kéo Kairyu bằng một con tàu khác nhằm tạo ra dòng hải lưu nhân tạo.

Các cuộc thử nghiệm đã chứng minh nguyên mẫu có thể tạo ra công suất ổn định khoảng 100 kilowatt. Công ty hiện có kế hoạch mở rộng quy mô hệ thống đầy đủ 2 megawatt có thể đi vào hoạt động thương mại vào năm 2030 hoặc muộn hơn.

Giống như các quốc gia hàng hải tiên tiến khác, Nhật Bản đang khám phá nhiều cách khác nhau để khai thác năng lượng từ biển, bao gồm năng lượng thủy triều, sóng và chuyển đổi năng lượng nhiệt đại dương (OTEC), khai thác sự chênh lệch về nhiệt độ giữa bề mặt và đại dương sâu.

Mitsui OSK Lines Ltd. đã đầu tư vào Bombora Wave Power có trụ sở tại Vương quốc Anh để khám phá tiềm năng của công nghệ này ở Nhật Bản và Châu Âu. theo Yasuo Suzuki, giám đốc bộ phận marketing cho biết công ty cũng đang xúc tiến OTEC và bắt đầu vận hành một cơ sở có công suất 100 kW ở Okinawa vào tháng 4.

Đơn vị năng lượng tái tạo của Kyushu Electric là Kyuden Mirai Energy bắt đầu thử nghiệm tính khả thi với trị giá 650 triệu yên (5,1 triệu USD) trong năm nay để sản xuất 1 MW điện thủy triều xung quanh quần đảo Goto. Chính phủ trong tháng này cũng đề xuất những thay đổi đối với các cuộc đấu giá năng lượng gió ngoài khơi để có thể tăng tốc độ phát triển.

Trong số các công nghệ năng lượng biển, công nghệ tiến bộ nhanh nhất theo hướng hiệu quả về chi phí là năng lượng thủy triều. Angus McCrone, cựu biên tập viên trưởng BloombergNEF và nhà phân tích năng lượng biển cho biết "công nghệ đã phát triển một chặng đường dài và nó chắc chắn hiệu quả".

Orbital Marine Power có trụ sở tại Scotland là một trong số các công ty xây dựng hệ thống thủy triều xung quanh Orkney, vị trí của Trung tâm Năng lượng Hàng hải Châu Âu. Những đơn vị khác bao gồm MeyGen của SIMEC Atlantis Energy và Aquantis có trụ sở tại California, được cho là có kế hoạch bắt đầu thử nghiệm hệ thống thủy triều ở đó vào năm tới.

Mặc dù các dòng chảy thủy triều không chảy liên tục trong 24 giờ, nhưng chúng có xu hướng mạnh hơn các dòng hải lưu sâu. Hải lưu Kuroshio chảy với tốc độ 1 đến 1,5 mét/giây. Một số dòng thuỷ triều có tốc độ 3 mét/giây. McCrone cho biết: "Vấn đề lớn nhất đối với các tuabin dòng hải lưu là liệu chúng có thể sản xuất một thiết bị tạo ra năng lượng tiết kiệm từ các dòng chảy không quá mạnh hay không".

Ocean Energy Systems, một tổ chức hợp tác liên chính phủ do Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) thành lập, nhận thấy tiềm năng triển khai hơn 300 gigawatt năng lượng đại dương trên toàn cầu vào năm 2050.

Tuy nhiên, tiềm năng về năng lượng đại dương phụ thuộc vào vị trí, tính đến cả sức mạnh của dòng chảy, khả năng tiếp cận mạng lưới điện hoặc thị trường, chi phí bảo trì, vận chuyển, sinh vật biển và các yếu tố khác.

Ảnh: IHI Corp/NEDO

Giấc mơ về nguồn năng lượng vĩnh cửu

Tại Nhật Bản, năng lượng sóng ở mức trung bình và không ổn định trong suốt cả năm, trong khi các khu vực có dòng chảy thủy triều mạnh thường có lưu lượng lớn, Takagi nói. Và OTEC thì phù hợp hơn với các vùng nhiệt đới nơi có nền nhiệt độ lớn hơn. IHI cho biết một trong những lợi thế của dòng hải lưu sâu là nó không hạn chế việc di chuyển của tàu bè.

Tuy nhiên, công ty Nhật Bản vẫn còn cả một chặng đường dài phía trước. So với các phương tiện trên bờ, việc lắp đặt hệ thống dưới nước phức tạp hơn nhiều. Takagi nói: "Không giống như châu Âu, nơi có lịch sử khai thác dầu ở Biển Bắc lâu đời, Nhật Bản có rất ít kinh nghiệm về xây dựng ngoài khơi. Có những thách thức lớn về kỹ thuật để xây dựng một hệ thống đủ mạnh chống chịu được các điều kiện khắc nghiệt của dòng hải lưu sâu và để giảm chi phí bảo trì".

Ông nói: "Nhật Bản không được may mắn về các nguồn năng lượng thay thế. Mọi người có thể nói rằng đây chỉ là giấc mơ, nhưng chúng tôi cần cố gắng làm mọi thứ để đạt được phát thải carbon bằng 0".

Với việc chi phí của năng lượng gió và mặt trời đang giảm, IHI cũng cần chứng minh tính cạnh tranh về chi phí của tổng thể dự án điện hải lưu. IHI đặt mục tiêu sản xuất điện ở mức giá 20 yên/kilowatt giờ từ việc triển khai quy mô lớn. Mức giá này vẫn cao hơn so với khoảng 17 yên đối với năng lượng mặt trời và 12-16 yên đối với năng lượng gió ngoài khơi.

IHI cũng cho biết họ đã tiến hành đánh giá môi trường trước khi khởi động dự án và sẽ sử dụng kết quả thử nghiệm để xem xét các tác động đến môi trường biển và ngành đánh bắt cá.

Nếu thành công ở quy mô lớn, dòng hải lưu sâu có thể góp phần quan trọng trong việc hỗ trợ cung cấp nguồn năng lượng xanh, trong nỗ lực toàn cầu nhằm loại bỏ các nguyên liệu hoá thạch. McCrone cho biết, công việc của IHI có thể giúp kỹ thuật của Nhật Bản đóng vai trò tiên phong đi đầu với sự hỗ trợ của chính phủ.

Ông cho rằng IHI phải đưa ra một lập luận thuyết phục rằng "Nhật Bản có thể được hưởng lợi từ việc trở thành người dẫn đầu về công nghệ trong lĩnh vực này".