Năng lượng thủy triều và sóng biển

Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều. Hiện nay một số nơi trên thế giới đã triển khai hệ thống máy phát điện sử dụng năng lượng thuỷ triều.

Nguyên lý vận hành

Để thu được năng lượng từ sóng, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước. Sóng chảy vào bờ biển, đẩy mực nước lên trong một phòng rộng được xây dựng bên trong dải đất ven bờ biển, một phần bị chìm dưới mặt nước biển. Khi nước dâng, không khí bên trong phòng bị đẩy ra theo một lỗ trống vào một tua bin. Khi sóng rút đi, mực nước hạ xuống bên trong phòng hút không khí đi qua tua bin theo hướng ngược lại. Tua bin xoay tròn làm quay một máy phát để sản xuất điện.

Điểm mấu chốt của hệ thống là việc sử dụng một thiết bị gọi là tua bin, có các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của luồng khí. Máy Limpet hiện được xem là nền tảng tốt nhất để thúc đẩy sự phát triển trong công nghệ khai thác năng lượng từ sóng.

Hệ thống Limpet

Hệ thống Limpet là một ví dụ điển hình về khai thác dạng năng lượng này. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý như sau:

1. Lúc thuỷ triều thấp: chu trình nạp.
2. Thuỷ triều lên cao: chu trình nén.
3. Thuỷ triều xuống thấp: chu trình xả, kết thúc và nạp cho chu kỳ tiếp theo.

Sự thay đội chiều cao cột nước làm quay tuốc bin tạo ra điện năng, mỗi máy Limpet có thể đạt từ 250 KW đến 500 KW. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố công biến năng lượng sóng thành năng lượng có ích. Nhưng các con sóng quá phân tán, nên rất khó khai thác một cách kinh tế.Hiện nay đã có công ty lắp đặt hệ thống thương mại trên thế giới sản xuất điện trực tiếp từ sóng biển.

Chẳng hạn máy Limpet - có thể phát ra 500 kW, đủ cung cấp cho 400 gia đình.

TAPCHAN wave energy device
(Copyright Boyle, 1996).

Figure 4 A schematic of AW-Energy’s WaveRoller individual unit and farm system
(courtesy of AW-Energy).

Figure 6 Pelamis machine pointing into the waves: it attenuates the waves, gathering more energy than its narrow profile suggests. (courtesy of Ocean Power Delivery).

Figure 8 Waves overtopping a test wave generator of the Wave Dragon in Nissum-Bedding, Denmark. (courtesy of Earth Vision).

Figure 9 Waves overtop the Wave Dragon over the ramp, which is designed to optimise water capture. (courtesy of Wave Dragon).

Figure 10 The pre installed 2MW Archimedes Wave Swing before being totally submerged.
(courtesy of Archimedes Wave Swing).

Figure 12 An artists impression of an OPT power station showing multiple buoys and underwater transmission cable. Inset shows individual PowerBuoy™. A 10-Megawatt OPT power station would occupy only approximately 4 acres of ocean space (courtesy of Ocean Power Technologies).

Figure 13 The Oceanlinx wave powered generator off the coast at Port Kembla NSW Australia
(courtesy of Oceanlinx).

Figure 14 The CETO 1 wave energy prototype in Fremantle, being transported into position
(courtesy of Carnegie Corporation).

Operation of the Salter Duck

©1996 Ramage

OWC schematic

Installing an OWC unit

A Tidal Fence

Tidal Turbines

Wave power (and tidal power) are beginning to come into their own. They have many benefits, including:

• Renewable and sustainable resource
• Reduces dependence upon fossil fuels
• Produces no liquid or solid pollution
• Little visual impact
• Construction of large scale offshore devices results in new areas of sheltered water, attractive for fish, sea birds, seals and seaweed
• Present no difficulty to migrating fish (except tidal fences)
• Shelter the coast, useful in harbour areas or erosion zones
• Resource exists on a worldwide scale from deep ocean waters
• Short time scale between investing in the modular construction and benefiting from the revenue

Clearly there are still technical difficulties to overcome, but in the next few years, countries will begin to see wave power connected to national supplies. It will be a big market.

Điện thủy triều - Giải pháp mới cho nhu cầu năng lượng

Hệ thống năng lượng thủy triều ở Strangford Lough (Bắc Ireland).

Trước tình hình giá dầu tăng cao, đảm bảo an ninh năng lượng đã trở thành mối quan tâm mang tính toàn cầu, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế đang trở thành mục tiêu và giải pháp chung của nhiều nước.

Với những ưu điểm như giá thành thấp, không gây hại cho môi trường, các nguồn năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, gió, đặc biệt là sản xuất điện từ năng lượng thủy triều được xem là một nguồn năng lượng thay thế hữu ích, đang được nhiều nước chú trọng phát triển. Hiện nay, Nhà máy điện La Rance tại Pháp, với công suất 240.000 kWh, là một trong những nhà máy điện thủy triều lớn nhất thế giới.

Sản xuất điện thủy triều hay năng lượng thủy triều là phương thức biến năng lượng của thủy triều thành điện năng hay các dạng năng lượng có ích khác. Để thu được năng lượng từ sóng, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước. Sóng đánh vào bờ biển, đẩy mực nước lên trong một phòng rộng được xây dựng bên trong dải đất ven bờ biển, một phần bị chìm dưới mặt nước biển. Khi nước dâng, không khí bên trong phòng bị đẩy ra theo một lỗ trống vào một turbine. Khi sóng rút đi, mực nước hạ xuống bên trong phòng sẽ hút không khí đi qua turbine theo hướng ngược lại. Turbine xoay tròn làm quay một máy phát để sản xuất điện.

Các turbine này có các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của luồng khí. Nhưng hệ thống mới này cũng có những vấn đề của nó, các máy phát dính tới nước biển bị ăn mòn nhanh hơn nên chi phí bảo trì khá cao. Hơn nữa, máy móc đều có kích thước lớn cồng kềnh có thể cản trở giao thông đường thủy và đời sống hoang dã. Tuy nhiên theo tính toán của các chuyên gia, với giá thành sản xuất điện thủy triều là 0,1USD/kilowatt, cao hơn giá khí đốt và than một chút và tương đương giá thành của động cơ điện sức gió.

Chính phủ Hàn Quốc vừa đưa ra kế hoạch biến bờ biển phía Tây nước này thành vành đai nhà máy điện thủy triều lớn nhất thế giới. Giai đoạn đầu cho việc hiện thực hóa kế hoạch này đã được triển khai, với dự án nhà máy điện thủy triều Sihwa-ho, đang trong giai đoạn xây dựng, dự kiến sẽ khánh thành vào tháng 11/2009. Nhà máy điện thủy triều Sihwa-ho là nhà máy tiên phong trong lĩnh vực sản xuất điện thủy triều tại Hàn Quốc.

Để xây dựng nhà máy từ năm 2004, hồ Sihwa-ho đã được cải tạo từ hồ nước ngọt thành hồ nước mặn thông qua dự án cải thiện chất lượng nước. Theo thiết kế, nhà máy sẽ có công suất 254.000 KWh (với 10 turbine phát điện). Khi hoàn thành, Sihwa-ho sẽ trở thành nhà máy điện thủy triều lớn nhất thế giới. Với sản lượng điện ước tính mỗi năm là 550 triệu KW, nhà máy được kỳ vọng sẽ giúp Hàn Quốc tiết kiệm khoảng 39 tỷ won chi phí nhập khẩu nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí thải CO₂.

Năng lượng thủy triều và sóng biển

1. Năng lượng thủy triều (Tidal Energy)

Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh hưởng của mặt trăng tới thủy triều lớn hơn.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó).

Nước triều cường và triều kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày.

Thủy triều cực đại (triều cường-khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất-lúc đó mặt trăng, mặt trời và trái đất giống như thẳng hàng) xảy ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non, có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và nước hạ (hình 8.1).

Thủy triều kiệt (khi ảnh hưởng của sức hút thấp nhất-khi đường thẳng nối trái đất và mặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất và mặt trời), (hình 8.2).

Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý hàng thế kỷ nay. Vào thế kỷ 18, nhà máy năng lượng nước vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều được xây dựng ở New England. Bơm nước cống rãnh dùng năng lượng thủy triều ở Hamburg, Đức mãi đến năm 1880. Còn bơm nước sử dụng năng lượng thủy triều lắp đặt năm 1580 dưới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ. Những hệ thống này đã dần được thay thế bằng các động cơ tiện lợi và hiệu quả hơn.

Bình thường, sự chênh lệch mực nước giữa triều dâng và triều hạ khoảng 0,5m. Tuy nhiên, một số vùng bờ biển với vịnh hẹp có sự chênh lệch rất lớn giữa hai mực nước triều. Vd như, vịnh Fundy ở Nova Scota (Đông Nam Canada), có mức triều lớn nhất thế giới, độ chênh lệch có thể lên đến 16m. Bằng cách xây đập bắc ngang qua vịnh, ta có thể điều khiển được nguồn năng lượng này để tạo ra điện năng.

Một lòng chảo thủy triều (tidal basin) là một hồ chứa đầy và cạn khi thủy triều lên và xuống. Khi nước qua các cửa mở của đập, nó chảy trực tiếp vào các cánh tuabin nước và phát ra điện. Tại đỉnh điểm thủy triều, cửa đóng và nước được giữ lại trong basin. Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nước lại chảy qua các tuabin trở về đại dương, quay tuabin và phát điện (hình 8.3).

Hiện nay, các trạm điện thủy triều đang hoạt động ở Pháp, Nga, Trung Quốc và Canada. Tuy nhiên, năng lượng thủy triều không phải là một nguồn năng lượng quan trọng trên toàn thế giới, bởi vì chỉ có một số ít các vị trí có mực nước triều dâng cao đủ để việc phát điện mang tính khả thi.

Nhà máy điện thủy triều đầu tiên được xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra Đại Tây Dương trên vùng biển Brittany (hình 8.4). Hoàn thành năm 1968, nó có công suất 240 MW. "Lòng chảo" (basin) của nó rộng 8,5 dặm vuông và có mực triều dâng cao nhất là 27,6 feet (8,28m).

Trạm thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ đặt trên sông Annapolis, nơi đổ vào vịnh Fundy. Hoàn thành năm 1984, nó có công suất 20 MW.

Vấn đề đặt ra đối với năng bao gồm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện khá cao và tác động của nó đến môi trường. Năng lượng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển, nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dương. Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa nước ngọt và mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có năng suất cao. Cá và vô số động vật thân mềm đến đây sinh sản. Vì thế, việc xây dựng đập sẽ ảnh hưởng lớn đến sinh thái khu vực.


8.2. Năng lượng từ gradient nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion; Ocean Thermal Electric Converter : OTEC)

Khoảng 2/3 bề mặt trái đất được bao phủ bởi lớp nước đại dưong sâu hàng kilomet. Điều này tạo nên một trữ lượng khổng lồ nguồn nhiệt năng. Do hấp thụ năng lượng Mặt Trời mà bề mặt đại dương ấm hơn dưới đáy sâu. Ở vịnh Mêxicô và ở Thái Bình Dương gần Hawaii, nhiệt độ giảm từ 25 độ C trên bề mặt xuống 5 độ C ở độ sâu 1000 feet (gần 300 m). Trong tương lai, người ta có thể tạo ra điện năng nhờ lợi dụng gradient nhiệt độ này. Một động cơ sẽ lấy nhiệt từ lớp trên đại dương, chuyển thành công có ích rồi bơm nó xuống lớp sâu dưới đáy.

Động cơ hoạt động giống như một tuabin hơi nước. Tuy nhiên do lấy ở 20 độ C và trả lại ở 10 độ C nên nước không thể được dùng vì nó không bốc hơi ở nhiệt độ này.

Yêu cầu về một chất lỏng bay hơi ở 20 độ C và tạo ra áp suất bay hơi đáng kể được đặt ra. Ammonia lỏng có khả năng này, tuy nhiên hiệu suất nhiệt cực đại của thiết bị cũng chỉ trong khoảng vài phần trăm bởi vì sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ. Thiết bị OTEC dài khoảng 1000 feet và được neo trong đại dương. Nước ấm (bề mặt) chảy vào phần trên của hệ thống, sau đó đi qua bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nồi hơi, làm bay hơi Ammonia. Hơi sau đó ngưng tụ lại thành chất lỏng và trở lại nồi hơi.

Các ưu điểm hấp dẫn của OTEC là:

(1) Không sinh ra ô nhiễm, không sinh ra CO2.
(2) Sử dụng nguồn năng lượng gần như vô tận của mặt trời đã chuyển thành nhiệt năng trên bề mặt đại dương.

Dự án thí điểm gần đây nhất ở Hawaii. Ngoài việc phát ra năng lượng điện, nước sau khi sử dụng được dùng điều hòa không khí, hoặc đưa vào khu nuôi trồng thủy sản gần đó, cung cấp nguồn nước biển sạch, giàu dinh dưỡng cho tảo, cá, động vật giáp xác...

Mặc dù OTEC khả thi về mặt kỹ thuật nhưng ảnh hưởng tiềm tàng của việc đưa một lượng lớn nước lạnh lên bề mặt ở vùng nhiệt đới cần được xem xét kỹ trước khi tiến hành đại trà. Các tính chất của nước như: nồng độ khí hòa tan, độ đục, nồng độ chất dinh dưỡng, sự chênh lệch độ mặn thay đổi theo nhiệt độ, và những thay đổi này ảnh hưởng đến sinh vật biển.


8.3. Năng lượng từ sóng đại dương (Ocean Waves)

Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v..). Vì vậy, năng lượng sóng được xem như dạng gián tiếp của năng lượng Mặt Trời. Giống như các dạng dòng nước chảy khác, năng lượng sóng có khả năng làm quay tuabin phát điện. NaUy, Anh, Nhật và một số nước đang nghiên cứu sản xuất điện từ sóng đại dương. Trạm phát điện từ sóng dùng một kỹ thuật đơn giản. Thiết bị bằng bêtông rỗng được đặt chìm vào trong một máng rãnh ngoài khơi để "bắt" sóng. Mỗi khi một cơn sóng mới đi vào khoang (khoảng 10 giây/lần), nước dâng lên trong khoang đẩy không khí đi vào lỗ thoát có đạt một tuabin, làm quay tuabin chạy máy phát điện. Khi sóng hạ, nó kéo không khí trở lại khoang và sự chuyển động của không khí lại tiếp tục làm quay tuabin.

Điều cần lưu ý là sự cố ngoài khơi có thể làm hư hỏng thiết bị. Năm 1995, trạm phát điện bằng sóng đầu tiên của thế giới ngoài biển Bắc Scotland đã bị nhấn chìm trong một cơn bão sau khi nó hoạt động chưa đầy một tháng.

Mặc dù nguồn năng lượng từ sóng đại dương là rất lớn nhưng cho đến nay, hiệu suất năng lượng thu được còn rất thấp nên việc ứng dụng năng lượng sóng chưa mang tính kinh tế và thực tiễn.


Tài liệu tham khảo

1. Joseph Priest, 1991, Energy: Principles, Problems, Alternatives (4th Edition), Addison Wesley Publisher.

2. Raven, P.H., L.R. Berg & G.B. Johnson, 1998, Environment, Saunders College Publishing.

Đọc thêm

Khai thác thủy triều để sản xuất điện năng
http://www.vnn.vn/khoahoc/xuhuong/2004/03/56334/

Power and Fresh Water from the Sun via the Sea: OTEC
http://www.seasolarpower.com/

Tidal Energy
http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/tide/tide.asp

Ocean Energy
http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/ocean/ocean.asp

Wave Energy
http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/wave/wave.asp