Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại.
Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v. Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:
với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.
Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là:
Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió.
Công suất gió có thể được sử dụng, thí dụ như thông qua một tuốc bin gió để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin không thể giảm xuống bằng không. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra được từ gió và công suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz (xem Định luật Betz), do Albert Betz tìm ra vào năm 1926.
Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm lại. Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua một tuốc bin gió là điều không thể được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng yên.
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay. Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại.Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục.
Cho đến tận cuối những năm 1990, nhiều người vẫn cho rằng giá thành (bao gồm giá lắp đặt và vận hành) của các trạm điện gió khá cao. Nhưng ngày nay, định kiến này đang được nhìn nhận và đánh giá lại, đặc biệt khi quan niệm giá thành không chỉ bao gồm chi phí kinh tế mà còn gồm cả những chi phí ngoài như:
Chi phí về xã hội do phải tái định cư, hay về môi trường do ô nhiễm. Trong khi nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang bị coi là kém ổn định và có xu thế tăng giá, thì cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, giá thành của điện gió càng ngày càng rẻ hơn.
Trong cuộc hội thảo mới đây đánh giá về những tác động của ngành năng lượng Việt Nam sau khi gia nhập WTO, số liệu đưa ra cho thấy: Nếu như Nhà máy Thủy điện Sơn La với 6 tổ máy, tổng công suất thiết kế là 2400 MW, được dự kiến xây dựng trong 7 năm, với tổng mức đầu tư là 2,4 tỷ USD. Giá thành khi phát điện (chưa tính đến chi phí môi trường) là 70 USD/MWh. Như vậy, để có được 1 kW công suất cần đầu tư 1.000 USD trong 7 năm. Trong khi đó, theo thời giá năm 2003, đầu tư cho 1 kW điện gió ở nhiều nước châu Âu cũng vào khoảng 1.000 USD. Ðáng lưu ý là giá thành này giảm đều hàng năm do cải tiến công nghệ. Nếu thời gian sử dụng trung bình của mỗi trạm điện gió là 20 năm thì chi phí khấu hao cho một kWh điện gió sẽ là 14 USD. Cộng thêm chi phí thường xuyên thì tổng chi phí quản lý và vận hành sẽ nằm trong khoảng 48 - 60 USD/MWh - tương đương với thủy điện, vốn được coi là nguồn năng lượng rẻ và hiệu quả. Theo dự đoán, đến năm 2020, giá thành đầu tư của điện gió sẽ giảm đáng kể, chỉ khoảng 600 USD/kW, khi ấy chi phí quản lý và vận hành sẽ giảm đáng kể, chỉ còn khoảng 30 USD/MWh
Các chuyên gia trong hội thảo cũng chỉ rõ, Việt Nam có trên 3200 km bờ biển, đón gió trực tiếp từ biển Ðông, do đó có nhiều điều kiện thuận lợi khai thác nguồn năng lượng này. Theo đánh giá tiềm năng năng lượng gió (NLG) khu vực Ðông Nam Á của Tổ chức Khí tượng thế giới, Việt Nam là quốc gia có tiềm năng NLG tốt nhất. Dựa trên cơ sở dữ liệu nhiều năm của hơn 300 trạm khí tượng thuỷ văn trên phạm vi cả nước, các kết quả tính toán cho thấy bức tranh tổng quát về đặc điểm chế độ gió và tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam: Ở độ cao khoảng 12 m, tốc độ gió trung bình/năm khu vực ven biển là khoảng từ 4 đến 5 m/s; ở khu vực hải đảo, tốc độ gió trung bình/năm ở khu vực này khoảng từ 5 đến 8 m/s. Trong khi vùng núi phía bắc miền Trung, Tây Nguyên, vùng núi phía Bắc giáp Trung Quốc ..., ở độ cao 65 m, có tốc độ gió trung bình năm đạt từ 8 đến 9,5 m/s, có thể xây dựng các nhà máy điện gió công suất lớn. Theo tính toán của tổ chức nói trên thì tổng tiềm năng lý thuyết về NLG ở Việt Nam được đánh giá là trên 100.000 MW (tính với tốc độ gió từ 7 m/s trở lên). Vùng lãnh thổ khai thác được NLG có tổng diện tích chiếm gần 9% diện tích cả nước. Tuy nhiên, để khuyến khích đầu tư về năng lượng gió, cần có các chính sách về năng lượng tái tạo, mạng lưới điện, đầu tư… nhằm thu hút vốn cho các trạm điện gió. Trước mắt, nhất thiết phải tiến hành ngay nhiệm vụ điều tra cơ bản đánh giá chế độ gió và tiềm năng NLG theo yêu cầu của công nghệ điện gió công suất lớn.
Việc không đầu tư nghiên cứu và phát triển điện gió sẽ là một sự lãng phí rất lớn, trong khi nguy cơ thiếu điện luôn thường trực, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng kinh tế và năng lực cạnh tranh quốc gia. Trong khi đó, hiện nay chiến lược quốc gia về điện mới chỉ quan tâm tới thủy điện, nhiệt điện và điện hạt nhân.
Nếu nhìn ra thế giới thì việc phát triển điện gió đang là một xu trong chiến lược năng lượng. Khác với điện hạt nhân cần một quy trình kỹ thuật và giám sát hết sức nghiêm ngặt, việc xây lắp điện gió không đòi hỏi quy trình khắt khe đó. Với kinh nghiệm phát triển điện gió thành công của Ấn Ðộ, Trung Quốc, Phi-lip-pin và với những lợi thế về mặt địa lý của Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển năng lượng điện gió để đóng góp vào sự phát triển chung của nền kinh tế.
Nhưng cũng cần “cẩn trọng” với gió …
Đương nhiên là, với sự chênh lệch khí áp lớn giữa các vùng thì gió sẽ thổi mạnh, tạo ra gió bão, lốc xoáy …
Ở đây, VẬT LÝ VÀ CUỘC SỐNG muốn nói đến một hiện tượng xảy ra thường xuyên hơn trong cuộc sống hằng ngày. Đó là “Gió Lầu cao”.
Khi đi bộ trên những đường phố của các đô thị, đặc biệt là khi đi ở khu vực nhà cao tầng mọc san sát, bạn thường bị những trận gió lạ tập kích. Những cơn gió đó đến rất đột ngột và bay đi cũng rất vội vàng, có lúc chúng thổi theo các mặt đường đến góc nhà rồi đột ngột bay đi; có lúc chúng thổi thẳng đứng từ nóc nhà đến tầng dưới nhà, có lúc lại thổi từ mặt đất lên trời; có lúc sau khi xoáy vòng quanh góc nhà, chúng nhanh chóng tan mất; có lúc từ những kẽ hở giữa các lầu cao hình thành một cơm gió mạnh, đặc biệt là gió lùa lại càng lợi hại. Những dòng khí quái dị mà không tuân theo qui luật, xuất hiện ở quần thể lầu cao, được gọi là gió lầu cao.
Nói chung gió lầu cao không làm người ta chú ý, thế nhưng ảnh hưởng của nó thì lại không thể xem thường.
Một giảng đường lớn của một trường đại học ở bang Wisconsin do bị ảnh hưởng của gió lầu cao nên nhưng cơn gió lùa thường đạt đến cấp tám, người qua lại hầu như khó có thể đi thẳng đường. ở vùng lân cận nhà chọc trời Nữu ước, gió lầu cao thổi, tạo thành tiếng kêu nhức tai, khiến cho một số nhân viên công tác ở các nhà khó yên tâm làm việc. Ngoài ra dưới ánh hưởng của gió lầu cao, đỉnh một toà lâu cao ở Tokyo không ngừng lúc lắc giống như thường xuyên xảy ra động đất cấp 4. Những luồng gió lầu cao này không chỉ ảnh hưởng đến đời sống và công tác bình thường của con người mà còn có khả năng làm các công trình kiến trúc bị mệt mỏi hư hỏng quá sớm. Cùng với việc tăng gia dân số thành thị, trong tình hình thành phố tập trung dầy dặc nhà cao tầng, gió lầu cao ngày càng được người ta coi trọng.
Qua đo thử phát hiện được rằng nếu xây dựng các nhà ở thành từng ngôi hình khối chữ nhật thì tuy phí xây dựng giảm thấp, hiệu suất sử dụng tương đối cao, thế nhưng xem xét từ góc độ tránh gió lầu cao thì lại không lý tưởng. Để có những cải tiến thích đáng việc bố trí quần thể lầu cao rất quan trọng, có khi chỉ thay đổi vị trí một hai ngôi lầu, hoặc xây dựng thêm cửa thông gió hau đường thông gió là có thể làm cho sự tập kích của gió lầu cao dịu đi. Toà nhà của tổng bộ ở Tokyo của công ty điện khí Nhật bản cao 180m, có 43 tầng, khi tiến hành thực nghiệm đối với mô hình, phát hiện thấy gió lầu cao cục bộ quá mạnh. Để giảm bớt ảnh hưởng đó, có người đề nghị sửa thành hình trụ tròn, bởi vì nhà hình trụ tròn có thể phân dòng gió lầu cao cục bộ rất tốt. Nhưng nếu làm như vậy giá nhà sẽ quá cao, diện tích sử dụng cũng bị ảnh hưởng. Cuối cùng những người thiết kế táo bạo tiếp nhận một phương án mới lạ, ở trung gian ngôi lầu, tại mặt nghiêng mở một cửa thông gió to rộng bằng ba tầng lầu. Sau khi mở cái cửa đó gió lầu cao đã biến đi như một kỳ tích.
Trên thế giới hiện nay việc tạo hình kiến trúc của các đô thị lớn là muôn màu muôn vẻ, có những ngôi lầu lớn được xây thành hình bậc thang càng lên cao càng nhỏ, có nơi xây nóc lầu nghiêng về một phía theo hình dốc nghiêng, có nơi phối trí quần thể nhà lầu thành hình răng cưa, có đỉnh lầu làm thành những rãnh lớn lồi lõm không bằng phẳng, những thiết kế kỳ dị này không hoàn toàn chỉ vì vẻ đẹp tạo hình mà còn là để khử ảnh hưởng của gió lầu cao.
Sản xuất điện từ năng lượng gió
Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục. Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao.
Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện. (Đọc thêm thông tin trong bài tuốc bin gió).
Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất Khuyến khích sử dụng năng lượng gió:
Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào đường lối chính trị, thí dụ như thông qua việc hoàn trả thuế (PTC tại Hoa Kỳ), các mô hình hạn ngạch hay đấu thầu (thí dụ như tại Anh, Ý) hay thông qua các hệ thống giá tối thiểu (thí dụ như Đức, Tây Ban Nha, Áo, Pháp, Bồ Đào Nha, Hy lạp). Hệ thống giá tối thiểu ngày càng phổ biến và đã đạt được một giá điện bình quân thấp hơn trước, khi công suất các nhà máy lắp đặt cao hơn.
Trên nhiều thị trường điện, năng lượng gió phải cạnh tranh với các nhà máy điện mà một phần đáng kể đã được khấu hao toàn bộ từ lâu, bên cạnh đó công nghệ này còn tương đối mới. Vì thế mà tại Đức có đền bù giá giảm dần theo thời gian từ những nhà cung cấp năng lượng thông thường dưới hình thức Luật năng lượng tái sinh, tạo điều kiện cho ngành công nghiệp trẻ này phát triển. Bộ luật này quy định giá tối thiểu mà các doanh nghiệp vận hành lưới điện phải trả cho các nhà máy sản xuất điện từ năng lượng tái sinh. Mức giá được ấn định giảm dần theo thời gian. Ngược với việc trợ giá (thí dụ như cho than đá Đức) việc khuyến khích này không xuất phát từ tiền thuế, các doanh nghiệp vận hành lưới điện có trách nhiệm phải mua với một giá cao hơn.
Bên cạnh việc phá hoại phong cảnh tự nhiên những người chống năng lượng gió cũng đưa ra thêm các lý do khác như thiếu khả năng trữ năng lượng và chi phí cao hơn trong việc mở rộng mạng lưới tải điện cũng như cho năng lượng điều chỉnh.
Thống kê
Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới.
Công suất định mức lắp đặt trên thế giới
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyết tâm chính trị. Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này. Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua .
Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở Ấn Độ và 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió lên 94.112 MW. Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng.
| Số thứ tự | Quốc gia | Công suất (MW) |
|---|---|---|
| 01 | Đức | 22.247 |
| 02 | Mỹ | 16.818 |
| 03 | Tây Ban Nha | 15.145 |
| 04 | Ấn Độ | 8.000 |
| 05 | Trung Quốc | 6.050 |
| 06 | Đan Mạch | 3.125 |
| 07 | Ý | 2.726 |
| 08 | Pháp | 2.454 |
| 09 | Anh | 2.389 |
| 10 | Bồ Đào Nha | 2.150 |
| 11 | Ca na đa | 1.846 |
| 12 | Hà Lan | 1.746 |
| 13 | Nhật | 1.538 |
| 14 | Áo | 982 |
| 15 | Hy Lạp | 871 |
| 16 | Úc | 824 |
| 17 | Ai Len | 805 |
| 18 | Thụy Điển | 788 |
| 19 | Na Uy | 333 |
| 20 | Niu Di Lân | 322 |
| Những nước khác | 2.953 | |
| Thế giới | 94.112 |
Nguồn: World Wind Energy Association, thời điểm: Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia Đức
Công suất định mức lắp đặt tại Áo
Tại Áo hiện nay có 424 tuốc bin gió với công suất tổng cộng là 606 MW trong mạng lưới điện (số liệu vào cuối năm 2004). Công suất này tương ứng với nhu cầu tiêu thụ điện trung bình của khoảng 350.000 gia đình. Trọng tâm sử dụng năng lượng gió tại Áo là 2 tiểu bang Niederösterreich và Burgenland. Trang trại gió cao nhất thế giới được lắp đặt ở độ cao 1.900 m trên mực nước biển tại tiểu bang Steiermark vào năm 2002. Trang trại gió này bao gồm 11 tuốc bin gió với công suất tổng cộng là 19,25 MW.
| Tiểu bang | Số lượng tuốc bin gió | Công suất (MW) |
| Burgenland | 183 | 307,9 |
| Kärnten | 1 | 0,5 |
| Niederösterreich | 200 | 254,9 |
| Oberösterreich | 17 | 14,4 |
| Salzburg | 0 | 0 |
| Steiermark | 15 | 24,1 |
| Tirol | 0 | 0 |
| Vorarlberg | 0 | 0 |
| Wien | 8 | 4,4 |
| Tổng cộng | 424 | 606, |
Nguồn: IG Windkraft Österreich
Công suất định mức lắp đặt tại Đức
Trong năm 2004, với 25.000 GWh, lần đầu tiên tại Đức sản xuất điện từ năng lượng gió đã vượt qua được nguồn cung cấp điện từ năng lượng tái sinh khác được sử dụng nhiều nhất cho đến thời điểm này là thủy điện với 20.900 GWh.
Công suất định mức lắp đặt tại Đức theo tiểu bang:
| Tiểu bang | Số lượng tuốc bin gió | Công suất (MW) |
| Baden-Württemberg | 252 | 249 |
| Bayern | 251 | 224 |
| Berlin | 0 | 0 |
| Brandenburg | 1.776 | 2.179 |
| Bremen | 43 | 47 |
| Hamburg | 57 | 34 |
| Hessen | 504 | 401 |
| Mecklenburg-Vorpommern | 1.093 | 1.018 |
| Niedersachsen | 4.283 | 4.471 |
| Nordrhein-Westfalen | 2.277 | 2.053 |
| Rheinland Pfalz | 694 | 704 |
| Saarland | 53 | 57 |
| Sachsen | 674 | 667 |
| Sachsen-Anhalt | 1.458 | 1.854 |
| Schleswig-Holstein | 2.688 | 2.174 |
| Thüringen | 440 | 497 |
| Tổng cộng | 16.543 | 16.629 |
Nguồn: Viện năng lượng gió Đức, tính đến ngày 31 tháng 12 năm 2004.
Công suất định mức lắp đặt tại Pháp
| Vùng | Công suất (MW) |
| Bretagne | 19,80 |
| Basse-Normandie | 10,80 |
| Champagne-Ardennes | 1,50 |
| Haute-Normandie | 0,00 |
| Île-de-France | 0,06 |
| Languedoc-Roussillon | 104,58 |
| Lorraine | 9,00 |
| Nord-Pas-de-Calais | 24,03 |
| Midi-Pyrénées | 23,60 |
| Pays-de-la-Loire | 19,50 |
| Picardie | 4,25 |
| Poitou-Charentes | 0,00 |
| Prov.-Alpes-Côte-d'Azur | 1,70 |
| Rhône-Alpes | 3,60 |
| Tổng cộng | 222,42 |
Nguồn: Viện năng lượng gió Đức tính đến cuối năm 2003.
Bãi tuốc bin gió Middelgrunden, 2009
Tuốc bin gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió.
Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau. Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió. Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện tuốc bin gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của tuốc bin gió.
Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung của chúng sau đó biến đổi để được nguồn điện phù hợp. Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra.Bản đồ tiềm năng năng lượng gió toàn cầu (Wind Map) miễn phí với độ phân giải 5km được trình bày tại hội nghị lần thứ 14 về vấn đề khí hậu toàn cầu, United Nations Climate Change Conference, của Liên Hợp Quốc tổ chức ngày 13/12/2008 tại Poznań, Phần Lan. Dữ liệu này được xây dựng bởi 3TIER Group.
Tuy nhiên, 3TIER Group nói rằng dữ liệu sẽ chính thức được công bố vào đầu năm 2009. Họ nói rằng bản đồ này được xây dựng từ bộ số liệu chính xác nhất chưa từng có về tài nguyên gió trên toàn cầu. Nó thể hiện sự phân bố về không gian và thời gian của tài nguyên gió dựa trên kết quả mô hình hóa kết hợp vật lý và thống kê. Mô hình này được chạy với bộ số liệu trong 10 năm với độ phân giải không gian 5km.
Kenneth Westrick, CEO và người sáng lập 3TIER Group, cho rằng bản đồ này sẽ rất hữu ích trong việc khảo sát tài nguyên gió và vị trí tốt nhất để xây dựng nhà máy năng lượng gió.
Dữ liệu hiện tại của 3TIER Group có độ phân giải 15km và được thực hiện mô hình hóa trong 1 năm. Xem dữ liệu này Mr.iGIS thấy thú vị rằng nếu chọn chiều cao của cánh quạt gió là 80 m thì đường biên giới phía Tây của nước ta là có tiềm năng gió nhiều nhất. Bạn có thể xem bản đồ phân bố năng lượng gió toàn cầu tại đây. Xếp hạng 10 bang sử dụng năng lượng gió nhiều nhất ở Mỹ như sau: Texas (hạng 1), California, Iowa, Minnesota, Washington, Colorado, Oregon, Illinois, New York, và Oklahoma (hạng 10) (nguồn: American Wind Energy Association 19/11/2008)Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng nầy trong tương lai, thế giới cần phải hoàn chỉnh thêm công nghiệp nầy cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và đi sâu vào thị trường cạnh tranh với những nguồn năng lượng khác.
NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Tổng quan
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng quan trọng và có tiềm năng rất lớn. Đây là dạng năng lượng sạch, phong phú và là nguồn cung cấp năng lượng gần như vô tận. Công nghệ và kỹ thuật khai thác năng lượng gió phát triển vượt bậc trong 2 thập kỷ vừa qua, ví dụ như công suất turbin gió hiện nay lớn gấp 100 lần so với 20 năm trước. Do đó, năng lượng gió được liệt vào một trong những dạng năng lượng hoàn nguyên sản xuất điện năng phát triển nhanh nhất trong thời gian gần đây, với tốc độ gia tăng trung bình mỗi năm là 26%. Cho đến cuối năm 2003, điện gió được phát triển tại hơn 50 quốc gia trên thế giới, với tổng công suất điện toàn cầu đạt tới 40.300 MW[i], trong đó Châu Âu chiếm 73%. 5 quốc gia đứng đầu về sản xuất điện gió là Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Đan Mạch[ii]và Ấn Độ, chiếm 84% tổng công suất toàn cầu.
Các lợi thế chính của năng lượng gió:
- Sạch, không gây ô nhiễm: năng lượng gió không thải khí và suy kiệt theo thời gian[iii].
- Tăng cường phát triển kinh tế địa phương: các nông trại gió có khả năng nâng cao thu nhập của chủ đất qua các hình thức cho thuê đất để phát triển trại gió, đưa tới việc tăng lợi tức từ thuế cho cộng đồng địa phương.
- Đa dạng về hình thức và qui mô: ứng dụng năng lượng gió gồm nhiều hình thức và qui mô từ nhỏ đến lớn, từ các trại gió tập trung đến các hệ thống phát điện gia dụng.
- Ổn định giá năng lượng: với khả năng đóng góp và đa dạng hóa năng lượng, năng lượng gió có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào các dạng năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch) vốn thay đổi theo giá thành và khả năng cung cấp.
- Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, góp phần giữ vốn đầu tư nội địa và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu từ nước ngoài.
Với vai trò và khả năng giảm thiểu tỷ lệ khí nhà kính của năng lượng gió, các nước phát triển đang đẩy mạnh các kế hoạch khai triển điện gió đầy tham vọng. Trong đó gần đây nhất là các dự án phát triển điện gió ngoài khơi, cho dù dạng điện gió ngoài khơi thường có chi phí khai thác cao hơn nhưng nguồn gió rất dồi dào và ít các tác động môi trường hơn.
Điện gió cũng đang thu hút dần dần sự chú ý của các nước đang phát triển do nó có thể được khai triển tương đối nhanh chóng ở những khu vực đang có nhu cầu cấp bách về điện năng. Điện gió cũng có thể là giải pháp có hiệu quả kinh tế để thay thế một khi các nguồn nhiên liệu truyến thống bị khan hiếm hoặc giá cả dao động mạnh, bất ổn. Điện gió cũng có những ứng dụng rất phù hợp ở các địa phương vùng sâu vùng xa do khả năng linh hoạt của nó trong qui mô khai triển.
6.2. Nguồn Năng Lượng Gió
Năng lượng gió, như hầu hết các nguồn năng lượng khác trên Trái Đất, xuất phát từ Mặt Trời[iv]. Bức xạ mặt trời khi chiếu lên Trái Đất không phân bố nhiệt đồng đều ở trên bề mặt các lục địa và đại dương. Sự phân bố nhiệt chênh lệch này tạo ra áp suất cao và áp suất thấp, từ đó sinh ra gradient áp suất giữa các khu vực khác nhau. Theo định luật 2 nhiệt động học, gradient nhiệt này sẽ phải được thu nhỏ tối đa (trở về trạng thái cân bằng)[v]. Để bù trừ cho sự chênh lệch áp suất, khối không khí từ vùng áp suất cao sẽ di chuyển về vùng áp suất thấp, từ đó tạo nên gió. Các cơn gió lớn gây bởi sự chênh lệch nhiệt và áp suất giữa vùng cực (nhận ít nhiệt từ Mặt Trời) và xích đạo (nhận nhiều nhiệt nhất).
Như vậy, khu vực gần xích đạo (vĩ tuyến 00) được hun nóng hơn tất cả diện tích còn lại trên bề mặt Trái Đất. Từ đây, khối khí nóng (nhẹ hơn khối khí lạnh) sẽ bốc lên bầu trời cho đến khi đạt tới độ cao 10 km và tỏa ra về hướng cực Bắc và cực Nam. Giả sử Trái Đất hoàn toàn đứng yên, khối khí này sẽ bay tới 2 cực, hạ xuống bề mặt trái đất và di chuyển trở lại về xích đạo. Tuy nhiên do Trái Đất tự quay quanh trục, mọi di chuyển về cực Bắc đều bị lệch về phía bên phải. Lý do tương tự, mọi di chuyển về cực Nam đều bị lệch về phía bên trái. Hiện tượng này là do tác động của lực Coriolis[vi]. Như vậy ở bán cầu Bắc, gió đổi hướng theo chiều ngược kim đồng hồ khi nó đến gần khu vực áp thấp. Ở bán cầu Nam, gió đổi hướng theo chiều kim đồng hồ khi nó đến gần khu vực áp thấp.
Tại vĩ độ 300 ở cả hai bán cầu, lực Coriolis không cho phép dòng khí di chuyển xa hơn nữa về phía cực. Tại vĩ độ này có một khu vực cao áp, do dòng khí dồn lại và bắt đầu di chuyển về phía mặt đất. Ngược lại, do gió thổi lên trên ở khu vực xích đạo, sẽ có một khu vực hạ áp sinh ra và thu hút luồng khí từ 2 cực. Tại các cực cũng xuất hiện vùng cao áp do nhiệt độ không khí giảm xuống đáng kể.
Như vậy, do tác động của lực Coriolis xuất phát tự chuyển động tự quay quanh trục của Trái Đất, hướng gió tự nhiên ở các vĩ độ khác nhau được tóm tắt ở bảng sau (xem thêm hình 6.1.a):
| Vĩ độ | 90-60°N | 60-30°N | 30-0°N | 0-30°S | 30-60°S | 60-90°S |
| Hướng gió | NE | SW | NE | SE | NW | SE |
Nguời ta thường phân biệt 3 loại gió chính:
- Gió geostrophic (hay còn gọi là gió toàn cầu: global wind): gây ra bởi sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất, thổi ở độ cao khoảng 1000 m so với mặt đất, không phụ thuộc nhiều vào bề mặt Trái Đất. Đây chính là loại gió được đề cập ở trên. Loại gió này không là nguồn năng lượng cho điện gió.
- Gió bề mặt (surface wind): thổi trên mặt đất cho đến độ cao 100 m. Loại gió này phụ thuộc mật thiết vào điều kiện mặt đất, địa hình (giảm vận tốc gió). Lưu ý là hướng gió thổi gần mặt đất khác rất xa hướng gió thổi trên cao (hướng gió geostrophic). Gió bề mặt là nguồn năng lượng chính yếu cho điện gió.
- Gió địa phương (gió biển, gió bờ ...): gió bề mặt phụ thuộc mật thiết vào điều kiện khí hậu tại điện phương. Gió địa phương hầu hết được sử dụng tại các hệ thống điện gió, đặc biệt là gió biển (sea breeze) và gió bờ (land breeze)[vii].
Tuy rằng gió geostrophic (global wind) có vai trò quan trọng trong việc xác định hướng gió chủ đạo trong khu vực, các điều kiện khí hậu địa phương có thể nắm ảnh hưởng chủ đạo đến hướng gió của khu vực. Gió địa phương luôn "đè chồng" (superimposed) lên các hệ thống gió qui mô lớn hơn, có nghĩa là hướng gió ảnh hưởng bởi tác động chung giữa hiệu ứng toàn cầu và địa phương. Như vậy khi gió qui mô lớn giảm cường độ, gió địa phương sẽ có thể lấn át.
Bởi vì không khí có trọng lượng, các khối khí di chuyển tạo gió có động năng. Động năng này được chuyển thành điện năng nhờ turbin gió. Năng lượng của một khối khí khi di chuyển tỷ lệ thuận với bình phương của vận tốc (công thức 6.1). Nói cách khác, động năng của gió sẽ tăng gấp 4 lần nếu vận tốc gió tăng gấp đôi. Mặt khác, vận tốc gió nhanh gấp 2 lần sẽ cho phép gấp đôi khối lượng không khí luồng qua turbin trong một đơn vị thời gian, như vậy năng lượng chuyển đổi tổng cộng qua turbin tăng gấp 8 lần. Tóm lại, vận tốc gió tăng dù nhỏ cũng có khả năng tăng năng lượng sinh điện một cách đáng kể (xem công thức 6.2).
Ek = ½·m·v2 (6.1)
Tổng động năng của một khối khí bằng ½ tích của trọng lượng khối khí m với bình phương vận tốc của nó v
P ~ v3 (6.2)
Tổng công suất của gió tỷ lệ với thập phương giá trị vận tốc gió
Theo tính toán của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ, tiềm năng lý thuyết toàn cầu của năng lượng gió là 5.800 quadrillion BTU (quad[viii]) mỗi năm, tức là gấp 15 lần nhu cầu năng lượng của thế giới hiện nay.
6.3. Chuyển Gió thành điện
6.3.1. Turbin gió
Turbin gió thu năng lượng nhờ chuyển đổi lực thổi của gió thành lực quay để quay các quạt của rotator. Năng lượng chuyển đổi từ gió sang rotator phụ thuộc vào mật độ không khí, diện tích rotator và vận tốc gió[ix].
Ba thành phần chính trong Turbin gió bao gồm rotor, nacelle (trong đó có hộp điều tốc: gearbox, máy phát điện và hộp điều khiển và thiết bị theo dõi) và cột/tháp chống (tower) (Hình 6.2). Turbin gió hiện đại cỡ lớn bao gồm rotor ba lưỡi quạt với đường kính từ 42-80 m, máy phát công suất 600 kW – 2 MW, lắp trên tháp chống cao từ 40-100m (Hình 6.2). Các trại điện gió hoặc công viên điện gió bao gồm tập hợp các turbin dạng này.
20 năm về trước, những turbin gió đầu tiên ra đời có công suất tương đối nhỏ (50-100 kW, đường kính từ 15-20 m). Từ đó trở đi, công suất của turbin gió tăng không ngừng. Ngày nay, các turbin thương mại có mức xấp xỉ 1 MW và các turbin gió ngoài khơi có công suất lên đến 3 MW. Việc tăng công suất của turbin có 2 thuận lợi chính: giảm giá thành và tăng sản lượng[x]. Độ tin cậy của các turbin cũng được cải thiện đáng kể (95%).
Hầu hết các turbin hiện nay trên thế giới là dạng 3 lưỡi quạt nhựa gia cố. Ngoài ra còn một số dạng khác như turbin 2 lưỡi quạt (thậm chí 1 lưỡi quạt) với các dạng vật liệu làm lưỡi quạt khác nhau (như wood epoxy). Các turbin đa tốc ngày càng trở nên phổ biến với khả năng gia tăng sản lượng điện qua việc ứng dụng hệ thống AC/DC/AC. Ngoài ra hệ thống đa tốc còn có những thuận lợi rõ rệt khác, ví dụ như rotor quay chậm hơn khi gió thổi nhẹ (vận tốc nhỏ), do đó giảm tiếng ồn ...
Các tháp đỡ thường được làm bằng thép và đa số là có dạng ống. Các tháp lattice, vốn rất phổ thông ở các turbin thế hệ cũ, hiện giờ rất hiếm, chỉ trừ đối với trường hợp các turbin công suất từ 100 kW trở xuống
Ngoài ra, do công suất gió tăng rất nhanh so với sự gia tăng vận tốc của gió (xem công thức), người ta còn phải thiết kế các hệ thống giới hạn công suất gió của turbin trong trường hợp turbin vận hành trong điều kiện gió lớn. Có 2 dạng thiết kế phổ biến là dạng rotor điều tốc (stall controlled rotor) và dạng hiệu chỉnh công suất đỉnh (pitch-controlled).
6.3.2. Vị trí đặt turbin
Khi tìm vị trí đặt turbin, hướng gió thổi đóng vai trò rất quan trọng vì nó quyết định khả năng tận dụng tối đa năng lượng của gió. Đặc điểm của gió địa phương xác định từ hướng gío khu vực, cộng với các ảnh hưởng địa phương như địa hình, cây cối, các công trình xây dựng và vị trí sông hồ, nguồn nước.
Vị trí tốt để đặt các turbin gió là ở các đồi cao, thoáng, hướng về phía biển, chứ không phải tại các rìa vách đứng của núi đá như người ta thường nghĩ[xi]. Tuy nhiên, tại các ngọn đồi, các hiện tượng tăng tốc gió có thể xảy ra[xii]. Ngoài ra, các turbin không nên lắp đặt ở những khu vực thường xảy ra mưa đá hoặc nhiều giông bão vì hiệu suất khai thác năng lượng gió sẽ giảm đáng kể do sự biến đổi bất thường của hướng và vận tốc gió.
Mức độ nhiễu loạn gió tác động lên turbin cũng phụ thuộc vào độ ghồ ghề của mặt địa hình trên đó gió thổi qua trên đường di chuyển đến turbin. Gió nhiễu loạn gây áp lực mạnh lên rotor và tháp đỡ, từ đó làm suy giảm tuổi thọ của turbin.
Các chướng ngại vật khác như các tòa nhà, cây cối, cấu trúc địa chất v.v. có thể làm giảm đáng kể vận tốc gió, và chúng thường gây ra turbelence ở khu vực xung quanh. Do đó, cần phải tránh trường hợp có chướng ngại vật đặt gần turbin, đặt biệt nếu chướng ngại vật cản mặt gió[xiii]. Khi tính toán khả năng sản xuất điện của turbin gió, người ta phải tính tác động của các vật cản trong vòng bán kính 1 km quanh turbin.
Do một phần năng lượng gió chuyển thành điện trong turbin, luồng gió thổi ra từ turbin có năng lượng thấp hơn luồng gió thổi vào. Vì điều này, các turbin đặt thẳng hàng đối diện với hướng gió phải được đặt ra càng xa nhau càng tốt để tránh hiện tượng nhiễu loạn khí phía sau turbin. Thông thường tại các nông trại gió, các turbin được cách khoảng từ 5-9 lần đường kính rotors theo phương đối diện với hướng gió, và từ khoảng cách 3-5 lần đường kính rotor theo phương vuông góc với hướng gió[xiv].
Sau khi xác định vị trí tối ưu để đặt turbin và các chướng ngại vật xung quanh (nếu có), các nhà khoa học và kỹ sư có thể tính toán độ thất thoát năng lượng do các turbin chắn gió lẫn nhau. Mức độ thất thoát năng lượng thông thường vào khoảng 5%.
Ngoài việc xác định các yếu tố về đặc điểm của nguồn gió, việc chọn vị trí đặt turbin còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác, ví dụ như:
§ Vị trí đặt trạm gió quá xa lưới điện sẽ không có giá trị kinh tế, do nó đòi hỏi việc xây dựng một hệ thống đường truyền mới để nối trại điện gió vào mạng điện, hoặc phải nâng cấp cơ sở hạ tầng chuyển phát điện địa phương để đáp ứng với nguồn cung cấp điện bổ sung
§ Điều kiện nền đất phải thích hợp cho việc xây dựng nền móng của các tháp đỡ
§ Khả năng thương lượng để nhận được giấy phép khai triển điện gió từ chính quyền địa phương, quốc gia và khu vực.
6.3.3. Đánh giá năng lượng sản sinh
Như đã đề cập ở trên, công suất năng lượng gió phụ thuộc vào vận tốc gió, cụ thể là công suất gió tỷ lệ với thập phương giá trị vận tốc gió (công thức 6.1)[xv]. Các yếu tố ảnh hưởng khác bao gồm áp suất, nhiệt độ và mật độ không khí.
Turbin chuyển càng nhiều động năng của gió bao nhiêu thì vận tốc gió thổi ra từ turbin càng chậm bấy nhiêu. Hai trường hợp cực điểm là a) hoặc năng lượng gió được turbin hấp thu và chuyển đổi 100 %, tức là vận tốc luồng không khí thoát ra khỏi turbin ~ 0 và b) hoặc gió thổi qua turbin mà hoàn toàn không bị cản trở, tức là vận tốc đầu vào ~ vận tốc đầu ra. Một turbin lý tưởng sẽ giảm 2/3 vận tốc gió đầu vào.
Thông thường, turbin gió có 2 ngưỡng vận tốc cho gió đầu vào:
§ ngưỡng dưới (cut-in) vào khoảng 3-5 m/s là vận tốc tối thiểu để turbin vận hành,
§ ngưỡng trên (cut-out) có giá trị khoảng 25 m/s là vận tốc tối đa mà turbin có thể vận hành, khi gió đạt vận tốc tối đa, turbin sẽ tự động ngưng lại để tránh việc gió gây hư hảo turbin và khu vực xung quanh.
Một giá trị khác cần lưu ý là hệ số năng suất của turbin ở một địa phương nhất định. Tại một khu vực có gió lớn, người ta có thể sử dụng một máy phát điện lớn hơn cho một rotor cùng cỡ (hoặc dùng rotor nhỏ hơn cho cùng một cỡ máy phát điện).
Sản lượng năng lượng điển hình của một turbin dao động từ 1.500-5.000 MWh/năm, tùy thuộc vào vận tốc gió (trung bình từ 5-8 m/s). Do đó, vận tốc gió là yếu tố hàng đầu quyết định giá thành điện gió[xvi]. Thông thường dọc ở các bờ biển tại khắp năm châu, vận tốc gió trung bình là 5 m/s, tuy nhiên để khai triển điện gió người ta thường khảo sát và khai thác những khu vực có vận tốc gió cao hơn[xvii].
Vận tốc gió ngoài biển thường cao hơn trong bờ, do đó người ta đã và đang tiếp tục tiến hành khai triển các dự án điện gió ở ngoài khơi như ở Đan Mạch, Thụy Điển, Đức, Anh, Ailen và một số nước khác. Tại các khu vực này, gió ngoài khơi thường cao hơn gió trong bờ từ 0,5-1,0 m/s, tùy thuộc vào khoảng cách so với bờ. Tuy nhiên, lợi thế về vận tốc gió thường không bù được chi phí lắp đặt cao hơn bình thường. Do đó lý do của việc khai triển điện gió ngoài khơi, như đã đề cập ở phần đầu, là nguồn gió dồi dào và giảm thiểu các tác động môi trường.
6.4. Tác động về môi trường
6.4.1. Các mặt thuận lợi
So với hầu hết các dạng năng lượng truyền thống, những thuận lợi mà năng lượng gió đem lại cho môi trường là rất rõ ràng. Năng lượng gió có thể góp phần thay thế các nhà máy điện vận hành bằng nhiên liệu hóa thạch, từ đó giúp cải thiện chất lượng không khí tại địa phương[xviii], giảm bớt các hiện tượng ô nhiễm như mưa acid, giảm thiểu khí thải hiệu ứng nhà kính.
Năng lượng gió cũng được xem là có hiệu suất năng lượng cao. Một nghiên cứu gần đây đưa ra tỷ lệ thu hồi năng lượng[xix] của năng lượng gió là 23[xx], cao hơn rất nhiều so với các dạng năng lượng truyền thống như hạt nhân (16), than (11), khí tự nhiên (5).
Các nhà máy năng lượng truyền thống sử dụng một khối lượng nước đáng kể để hạ nhiệt condenser và lò phản ứng. 98% lượng nước sử dụng được thải về nguồn (sông hồ), nhưng chúng lại chứa các kim loại nặng (qua quá trình khai thác mỏ) và ở nhiệt độ cao hơn nhiều, gây ô nhiễm đáng kể hệ thống sinh thái địa phương. Ngược lại, năng lượng gió sử dụng một lượng nước không đáng kể, chủ yếu cho việc lau chùi cánh quạt rotor.
Việc phát triển điện gió còn có thể cải thiện thu nhập của chủ nông trại thêm từ tiền thuê đất. Nguồn thu nhập này giúp tăng giá trị kinh tế của đất đai địa phương và người nông dân có thêm phương tiện bảo vệ đối phó trước sự dao động giá thu hoạch sản phẩm nông nghiệp. Đất sử dụng có thể vẫn được khai thác đồng thời như “trại phong điện” cũng nông trại nông nghiệp truyền thống, do các Turbin gió chỉ chiếm 5-15% tổng diện tích trại phong điện.
6.4.2. Các mặt bất lợi
Đối với điện gió, các tác động về tiếng ồn, vị trí cảnh quan và giới hữu sinh (đời sống tự nhiên), nguồn nhiễu sóng truyền thanh và truyền hình là các mối lo ngại chủ yếu về môi trường. Tuy nhiên, hầu hết các tác động này đều có thể được giảm thiểu nhờ các tiến bộ trong kỹ thuật, việc xác định vị trí lắp đặt thích hợp và qua các chương trình giáo dục phổ biến cộng đồng.
6.5. Giá thành khai thác
Do điện gió vẫn chưa có tính cạnh tranh về giá thành so với các nguồn nhiệt điện thông thường, việc khai triển điện gió trên thế giới hiện nay với phụ thuộc vào các cơ chế trợ giá của chính phủ các nước.
Những yếu tố quan trọng nhất trong việc xác định kinh phí sản xuất điện từ nông trại điện gió là: (1) Qui mô diện tích trại ; (2) Vận tốc gió tại khu vực; và (3) kinh phí lắp đặt turbin. Mỗi một trong 3 yếu tố có vai trò nhất định trong việc giảm giá thành điện sản xuất, ví dụ như:
§ Qui mô trại càng lớn, giá thành càng thấp
§ Vận tốc gió càng cao, giá thành càng thấp
§ Chi phí xây dựng càng thấp, giá thành càng thấp
Giá thành lắp đặt trại điện gió bao gồm chi phí lập dự án, mua thiết bị và xây dựng các công trình phụ. Giá thành lắp đặt giảm hơn một nửa so với 2 thập kỷ trước, chủ yếu do sự cải thiện công nghệ turbin, và ngoài ra do sự mở rộng qui mô của trại điện gió. Giá thành bán điện từ đó cũng giảm xuống đáng kể, ước đoán ở khoảng 80% so với 20 năm trước[xxi].
Vốn đầu tư cố định (capital cost), bao gồm chi phí mua thiết bị, xây dựng đường vào và nền móng, chi phí hòa mạng và lắp đặt, chiếm khoảng 70% tổng chi phí sản xuất năng lượng. Đây là sự tương phản rõ rệt so với chi phí đầu tư sản xuất điện từ năng lượng hóa thạch. Ngày nay, giá thành sản xuất điện gió từ các trại điện gió qui mô lớn nằm trong khoảng 1000 USD/kW.
Chi phí bảo trì chiếm khoảng 70%, hầu hết cho công tác bảo trì theo thời vụ (không cố định thời gian). Các chi phí bảo trì tăng đáng kể với tình trạng hao mòn thiết bị Turbin. Trong khi đó, do độ hao mòn thiết bị tỷ lệ thuận với tổng lượng điện sản xuất, chi phí bảo trì nói chung tỷ lệ thuận với sản lượng điện. Con số thường được đưa ra là 5 xu Mỹ/kWh.
Thuế bất động sản, sử dụng đất, bảo hiểm, truyền tải điện, bảo trì trạm phụ, và các chi phí khác, tổng cộng chiếm khoảng 10% còn lại của tổng chi phí.
Levelized cost, là chi phí hàng năm thu hồi phí lắp đặt, cộng với các chi phí định kỳ như phí vận hành, bảo trì và thuê đất, chia cho tổng sản lượng mong muốn, thường được tính theo xu Mỹ/kWh. Các trại điện gió tại Mỹ sản xuất điện ở giá levelized vào khoảng 6 xu Mỹ/kWh. Giá thành thay đổi theo qui mô sản xuất, chất lượng nguồn gió, và vốn đầu tư.
Tóm lại, ngày nay giá thành cung cấp điện gió dao động từ 6-12 xu Mỹ/kWh tại các khu vực có gió tốt. Theo các ước đoán của chính phủ Anh và bộ NL Hoa Kỳ thì cho đến năm 2020, giá điện gió sẽ giảm xuống còn 3,4-5,5 xu Mỹ/kWh (David Milborrow, Windpower Monthly, January 2002).
6.6. Năng lượng gió tại Việt Nam
Việt Nam có một vị trí địa lý tương đối thuận lợi để khai triển điện gió, trong đó phải nhắc đến vai trò quan trọng của hệ thống gió mùa trong khu vực. Theo Tài liệu "Bản đồ Năng Lượng Gió Khu Vực Đông Nam Á" công bố vào năm 2001, Việt Nam có một tiềm năng vô cùng lớn cho việc khai triển điện gió thương mại. Trong các nghiên cứu gần đây, tiềm năng điện gió qui mô lớn được đánh giá có công suất lý thuyết lên đến 120-160 GW, với phần lớn các tiềm năng khai thác nằm dọc ở khu vực bờ biển Đông-Đông Nam. Bảng 6.1 tóm tắt công suất tiềm năng của các vận tốc gió khác nhau ở một số địa bàn trong cả nước, trong đó cho thấy hầu hết tiềm năng công suất của năng lượng gió ở Việt Nam tập trung ở vận tốc gió trong khoảng 7-8 m/s (thích hợp cho việc khai triển turbin công suất lớn).
Bảng 6.1. Tóm tắt tiềm năng gió ở Việt Nam, dựa theo bản đồ gió khu vực ở độ cao trung bình 65 m trên mặt đất (Nguồn: Bản đồ Năng Lượng Gió Khu Vực Đông Nam Á).
|
| Gió tốt (7-8 m/s)
| Gió rất tốt (8-9 m/s) | Gió cực tốt (> 9 m/s)
|
| Khu vực | ĐBSCL, Nam Trung Bộ (Bảo Lộc), Tây Nguyên (Pleiku, Buôn Ma Thuột), Huế, khu vực biên giới Việt-Lào, Hải Phòng | Đảo Côn Sơn, Qui Nhơn, Tuy Hòa, biên giới Việt-Trung, dãy Trường Sơn, Vinh | Phan Rang, dãy Trường Sơn |
| Diện tích khai thác (km2) | 25679 | 2187 | 113 |
| Công suất tiềm năng (MW) | 102716 | 8748 | 452 |
Tiềm năng to lớn về năng lượng gió dọc bờ biển Trung-Nam Bộ là từ cơ chế gió mùa trong khu vực. Các dãy núi cao ở Trung và Nam Bộ nằm ở một vị trí đặc biệt thuận lợi do chúng hình thành một hàng rào cản gió gần như thẳng góc với hướng gió mùa Đông Bắc trong khoảng tháng 10 đến tháng 5, và từ Tây Nam trong khoảng tháng 6 đến tháng 9 mỗi năm.
Từ tháng 12 đến tháng 2 mỗi năm, hướng gió chính chủ yếu thổi từ Đông Bắc, tuy nhiên gió mạnh lại thổi ở khu vực đồng bằng mạn Tây dải Trường Sơn. Nguyên do là khối khí nhiệt độ cao và ẩm thổi từ đại dương bị giảm nhiệt đột ngột khi nó thổi lên cao ở sườn núi và đồng thời độ ẩm cũng hạ đáng kể, từ đó khối khí này trở nên nặng hơn và thổi mạnh xuống khu vực đồng bằng theo suờn Tây của dãy Trường Sơn. Gió mùa Đông Bắc cũng thổi mạnh về phía bờ biển Nam Bộ do gió đông bắc tạo một vùng áp thấp ở phía Nam và Tây cuối dãy Trường Sơn, do đó tăng cường thu hút gió biển và kéo gió ngoài khơi thổi vòng qua bán đảo. Mặt khác, khu vực gió lớn ở khoảng 14 độ vĩ Bắc là kết quả của gió thổi hướng Đông Bắc xuyên qua các khoảng trống lớn dọc theo các dãy núi.
Vào tháng 6 – tháng 8 mỗi năm, gió Tây Nam thổi rất mạnh ở sườn Đông dãy Trường Sơn, ngược lại với hướng thởi của gió mùa Tây Bắc như đề cập ở trên. Mặt khác, dọc bờ biển Việt Nam, cũng có thể khu áp thấp tạo bởi mạn khuất gió làm tăng cường gió biển hình thành do sự hấp thụ nhiệt mạnh mẽ của mặt đất trong đất liền trong thời gian mùa hè.
Gió mùa khu vực Đông Nam Á được xem là dạng gió biển và gió bờ ở qui mô lớn, thay đổi hướng thổi theo mùa, do bề mặt đất liền được hun nóng và bốc nhiệt nhanh hơn trên bề mặt đại dương. Gió tăng tốc một phần là do sự dồn nén của luồng gió thổi khi chạm sườn núi. Ngoài ra gió còn có thể tăng tốc (enhanced) ở một số khu vực bởi sóng khí dọc sườn núi “mountain waves” (sự di chuyển của khối không khí nhiệt ổn định (thermally stable) một khi chúng bị hút lên trên cao dọc theo sườn núi) , và bởi các khối khí di chuyển xuống sườn núi do chênh lệch nhiệt độ. Gió mùa đông bắc không chỉ thổi dọc lên các suờn núi mà còn thổi về hướng các bán đảo phía nam khu vực Đông Nam Á khi nó kết hợp với gió ngoài khơi và tăng tốc. Do đó khu vực bờ biển Nam và Đông Nam nước ta có một nguồn gió khá dồi dào.
Hình 6.9 là bản đồ tài nguyên gió khu vực Đông Nam Á ở độ cao 30 m trên mặt đất. Bản đồ này cho phép đánh giá tiềm năng điện gió qui mô nhỏ, phù hợp với các hệ thống cung cấp điện với turbin gió công suất nhỏ ở các làng xã vùng sâu vùng xa. Qua bản đồ này, có thể thấy rằng khu vực duyên hải và Tây Nguyên Nam và Trung Bộ đều có tiềm năng tương đối tốt cho các hệ điện gió công suất nhỏ. Các tính toán gần đây cho thấy công suất tổng cộng 45 MW điện gió qui mô nhỏ (công suất 150 kW) có thể được lắp đặt tại hơn 300.000 hộ dân vùng xâu vùng xa (Nguyễn Q. Khánh [2005]).
6.7. Kết luận
"Hướng tới mục tiêu năng lượng gió đáp ứng 12% nhu cầu điện toàn cầu cho đến năm 2020." Đây là thông cáo đưa ra trong báo cáo "Wind Force 12" vừa được Hiệp Hội Năng Lượng Gió Châu Âu (EWEA) công bố vào mùa hè 2005 vừa qua.
Báo cáo này chứng minh rằng thế giới sẽ vượt mọi rào cản về kỹ thuật, kinh tế và nguồn lực và năng lượng để có thể cung cấp 12% nhu cầu điện trên toàn cầu từ điện gió cho đến thời điểm năm 2020. Đây là bước tiến cần thiết để có thể giảm thiểu một lượng khí thải hiệu ứng nhà kính tương đương với khoảng 11 tỷ tấn CO2 vào năm 2020.
Giá trị thị trường của turbin gió sẽ đạt đến 80 tỷ USD giao dịch mỗi năm vào năm 2020, tức là tăng gấp 10 lần so với con số hiện nay (~ 8 tỷ USD), giúp đáp ứng được thị trường năng lượng toàn cầu, mở ra một kỷ nguyên mới của tăng trưởng kinh tế, phát triển công nghệ và bảo vệ môi trường. Năng lượng gió là một trong một số ít những công nghệ sản xuất điện năng đã đủ độ chín mùi và vững chải để có thể phát triển mạnh mẽ trong tương lai gần, là một giải pháp hiệu quả đối phó với sự bất ổn giá cá nhiên liệu hóa thành và tăng cường sự an toàn năng lượng của mỗi quốc gia.
Báo cáo này cũng chỉ ra 13 quốc gia có vai trò then chốt trong việc mở khóa và phát triển thị trường điện gió trên thế giới là: Úc, Brazil, Canada, Trung Quốc, Pháp, Ấn Độ, Ý, Nhật Bản, Phillipines, Ba Lan, Thổ Nhĩ Kỳ, Anh, và Hoa Kỳ.
[i] Tăng hơn gấp đôi so với 3 năm trước đó, so sánh với công suất lắp đặt toàn cầu vào cuối năm 2000 là 17.500 MW
[ii] Điện gió chiếm 12% trong cơ cấu năng lượng quốc gia của Đan Mạch, dẫn đầu thế giới về tỷ lệ công suất điện gió trên đầu người.
[iii] 1 turbin gió công suất 1 MW vận hành trong một năm có khả năng giảm thiểu 1.500 tấn C02, 6,5 tấn sulfur dioxide, 3,2 tấn NO2, 60 cân anh thủy ngân ...
[iv] Mỗi giờ đồng hồ, Mặt trời phóng thích ra một nguồn năng lượng khổng lồ khoảng 174.423.000.000.000 kWh vào Trái đất. Khoảng 1-2% năng lượng này chuyển thành năng lượng gió, tương đương với 50-100 lần tổng năng lượng sinh khối chuyển từ toàn bộ tất cả cây cối trên Trái Đất.
[v] Tự nhiên luôn tìm đến trạng thái năng lượng thấp nhất (bền nhất) để đạt tối đa entropy.
[vi] Đặt theo tên của nhà toán học người Pháp Gustave Gaspard Coriolis (1792-1843)
[vii] Vào ban ngày, mặt trời hun nóng đất liền nhanh hơn mặt biển. Khối khí trên bề mặt do đó bốc hơi, thổi ra ngoài biển, tạo khu vực áp suất thấp trên bề mặt và hút khí lạnh từ ngoài biển thổi vào đất liền. Đây gọi là gió biển (sea breeze). Khi mặt trời lặn và đêm xuống, thông thường có một khoảng thời gian tương đối đứng gió do nhiệt độ bề mặt đất liền và mặt biển chênh lệch rất ít. Vào ban đêm, gió thổi hướng ngược lại, với vận tốc thấp hơn, do chênh lệch nhiệt độ giựa biển và đất liền thấp hơn vào ban đêm.
[viii] 1 quad tương đương với 172 triệu thùng dầu thô hoặc 45 triệu tấn than
[ix] Quá trình thu năng lượng từ gió không phải là đơn giản. Turbin luôn làm lệch hướng gió trước khi luồng gió thổi vào được rotor. Điều này có nghĩa là người ta không bao giờ có thể thu được toàn bộ năng lượng của gió khi sử dụng turbin. Turbin rotor phải hạ vận tốc của gió khi nó thu giữ năng lượng của luồng gió và chuyển thành động năng quay (rotational energy).
[x] Sản lượng tăng một phần là nhờ rotor được vươn cao hơn trao mặt đất, do đó thu được gió ở vận tốc cao hơn, một phần nửa là do hiệu suất cao hơn đối với turbin công suất lớn.
[xi] Các vách đá có thể gây ra nhiễu loạn và cản gió thậm chí trước khi gió có thể "chạm" được tới chúng. Do đó không nên lắp các turbin gần vách đá vì nó sẽ làm giảm năng suất và giảm tuổi thọ hoạt động của turbin, chủ yếu do tác động của các nhiễu loạn khí)
[xii] Trên các ngọn đồi, vận tốc gió thường cao hơn các khu vực xung quanh.
[xiii] Ở phía sau chướng ngại vật mức độ nhiễu loạn khí lớn hơn đằng sau chướng ngại vật. Các chướng ngại vật sẽ giảm vận tốc của luồng gió thổi qua nó. Mức độ giảm tốc phụ thuộc vào “độ rỗng” của vật cản, ví dụ như công trình xây dựng có độ cản tối đa do vật liệu đặc và hầu như không có độ rỗng, trong khi đó một cây trụi lá có thể cho hơn ½ luồng gió thổi qua, nhưng vào mùa hè thì lá cây có khả năng giảm “độ rổng” đến hơn 1/3.
[xiv] Khoảng cách phân ranh các turbin phụ thuộc vào các giới hạn về diện tích đất sử dụng và các chi phí nối mạng điện
[xv] Với vận tốc gió trung bình vào khoảng 4,5 m/s, một Turbin có khả năng sản xuất 0,5 GWh/năm. Nếu vận tốc gió trung bình vào khoảng 9 m/s, thì công suất đạt được sẽ là 2,4 GWh/năm. Như vậy vận tốc gió tăng gấp đôi dẫn đến công suất tăng gấp 4,8 lần. Nếu so sánh công suất tương ứng với vận tốc gió 5 và 10 m/s, sự chênh lệch về công suất sẽ là đúng 4 lần. Kết quả so sánh giữa 2 cặp vận tốc không hoàn toàn giống nhau do hiệu suất của turbin phụ thuộc vào vận tốc gió.
[xvi] Giá thành khai triển dự án điện gió tại nơi có vận tốc gió khoảng 8 m/s chỉ bằng 1/3 so với giá thành khai triển ở nơi gió thởi vận tốc 5 m/s.
[xvii] Ví dụ như ở Đan Mạch, vận tốc gió trung bình là 7 m/s, một số địa điểm khác thậm chí cao hơn, ví dụ như tại các quần đảo ngoài khơi Hy Lạp, dọc các bờ biển ở Carribê, Ailen, Thụy Điển, Anh Quốc, TBN, New Zealand và Nam Cực.
[xviii] Đối vối các nhà máy điện, ngoài các chất, khí thải trực tiếp từ quá trình sản xuất, còn phải kể đến các chất thải ra trong quá trình xây dựng, vận hành, và thải hồi hoạt động. Năng lượng gió hoàn toàn vượt trội các dạng năng lượng truyền thống về mặt này: tỷ lệ thải khí CO2 của các hệ thống điện gió chỉ bằng 1% so với nhà máy điện than và 2% so với các nhà máy điện gas.
[xix] Tỷ lệ năng lượng sản xuất bởi một nhà máy trên năng lượng tiêu thụ của nhà máy đó
[xx] Tức là cho mỗi đơn vị năng lưởng sử dụng trong quá trình xây dựng, bảo trì và đào thải của một hệ thống điện gió, trung bình 23 đơn vị điện được sản xuất ra.
[xxi] Tại Mỹ, chi phí lắp đặt điện gió vào những năm đầu thập kỷ 80 là 2.500 USD/kW (giá bán điện là 30 xu Mỹ/kWh), nay giảm xuống thấp hơn 1.000 USD/kW (giá bán điện xuống còn khoảng 5-6 xu Mỹ/kWh).
Đỗ Văn Chương (http://vngg.energy.googlepages.com/gio)
Tài liệu tham khảo
1. Danish Wind Industry Association, 2003, Guided Tour on Wind Energy, http://www.windpower.org/en/tour/2. European Wind Energy Association, 2005, Wind force 12: a blueprint to achieve 12% of the world's electricity from wind power by 2020, http://www.ewea.org/03publications/WindForce12.htm
3. Asia Alternative Energy Program, World Bank, 2001, Wind Energy Resource Atlas of South East Asia, http://www.worldbank.org/astae/werasa/windenergy.htm
4. Nguyen Quoc Khanh, 2005, Long term optimization of energy supply and demand in Vietnam with special reference to the potential of renewable energy, PhD Thesis, Von der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
5. Wind & Hydropower Technologies Program, US Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy Program Webpage, http://www.eere.energy.gov/RE/wind.html
6. World Energy Council, 2001, Survey of Enery Resources – Wind Energyhttp://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/wind/wind.asp
7. Ari Reeves and Fredric Beck, 2003, Wind Energy for Electric Power: A REPP Issue Brief, Renewable Energy Policy Project
Các link hữu dụng
Tổng quát
American Wind Energy Association
Danish Wind Industry Association--Guided Tour on Wind Energy
Energy Information Administration, U.S. Department of Energy
National Wind Coordinating Council
National Wind Technology Center,
National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of Energy
Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy
http://www.eere.energy.gov/windpoweringamerica/
Điện gió ngoài khơi
The British Wind Energy Association
http://www.offshorewindfarms.co.uk
Offshore Windenergy in Europe
http://www.offshorewindenergy.org
Massachusetts Technology Collaborative
http://www.masstech.org/RenewableEnergy/green_power/outreach/offshore_cape.htm
Các hiệp hội Năng lượng gió trên Thế Giới
Australian Wind Energy Association
British Wind Energy Association
http://www.britishwindenergy.co.uk/main.html
Canadian Wind Energy Association
Danish Wind Energy Association
European Wind Energy Association
Irish Wind Energy Association
New Zealand Wind Energy Association
South African Wind Energy Association
http://www.icon.co.za/~sawea/Từ 5000 năm trước Thiên Chúa (TC), loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy các tàu trên sông Nile ở Ai Cập. Vào khoảng 200 trước TC, người Trung Hoa đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền. Trong lúc đó người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt.
Vào thế kỷ 11, người Hòa Lan bắt đầu dùng quạt gió để rút nước từ các hồ vì đất ở đây thấp hơn mặt biển. Vào cuối thế kỷ 19, khi những người mới nhập cư đến New York, họ đã biết dùng cánh quạt gió để bơm nước vào nông trại và ngay sau đó có thể biến gió thành điện cho kỹ nghệ và nhà ở.
Và sau cùng, ở thời điểm 1930, Hoa Kỳ đã có những chương trình biến gió thành điện năng cho những vùng nông thôn xa thành phố. Vào năm 1940, tại Vermont Hill (Hoa Kỳ), một turbine lớn nhất thời bấy giờ có khả năng sản xuất 1,25 MW với vận tốc gió là 30 dậm/giờ.
Trong thế kỷ 20, năng lượng gió đã trãi qua nhiều giai đoạn thăng trầm tùy theo tình hình thế giới cũng như nguồn cung cấp dầu hỏa hay than đá. Ngay sau khi đệ nhị thế chiến chấm dứt, giá dầu hỏa sụt giảm mạnh do đó công nghệ gió hầu như bị ngưng trệ hoàn toàn. Nhưng khi nạn khủng hoảng dầu hỏa vào thập niên 70, các turbine gió được chú ý đến và công nghệ nghiên cứu và phát triển nguồn điện năng nầy lớn mạnh ngay sau đó. Và cho đến hôm nay, công nghệ gió đã tiến đến mức độ là giá thành của loại điện năng nầy tương đương với giá thành của các nguồn điện năng khác như than đá, khí đốt. Và đây cũng là nguồn hy vọng của thế giới trong tương lai trước vấn nạn hâm nóng toàn cầu và nguồn nguyên liệu dầu khí đang tên đà cạn kiệt.
Thuận lợi của nguồn năng lượng gió
Nguồn năng lượng nầy đã cho thấy nhiều điểm thuận lợi. Đó là lý do chính khiến cho sự phát triển tăng nhanh trên thế giới trong những thập niên gần đây.
Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quây các turbine và sẽ tạo ra điện năng. Nguồn năng lượng nầy tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự chuyển vận của trái đất, và do mặt đất lồi lõm. Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió. Hiện tại, giá thành của nguồn điện năng nầy giao động từ 4 đến 6 xu/KW/giờ tùy theo nguồn gió của từng địa phương. Các thuận lợi khi xử dụng nguồn điện năng nầy là:
o Giúp làm tăng trưởng kinh tế: Các hảng xưởng sản xuất turbine gió tăng trưởng sẽ tạo thêm việc làm khắp nơi. Theo ước tính của Hoa Kỳ, kỹ nghệ nầy sẽ tăng 20 ngàn công việc và tăng thêm lợi tức quốc gia là 1,2 tỷ Mỹ kim cho HK.
o Nguồn nguyên liệu vô tận: Chỉ cần áp đặt 6% trên những vùng có nhiều gió ở HK cũng có thể cung cấp 150% điện năng của HK hiện tại, căn cứ theo ước tính của Bộ Năng Lượng HK.
o Giá thành thấp: Cũng theo ước tính của Bộ Năng Lượng HK, vào năm 2010 giá điện từ năng lượng gió sẽ rẻ hơn bất cứ giá điện từ các nguồn khác như than, dầu, hay biomass...
o Làm sạch không khí, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính: Điện năng từ gió giúp làm giảm ô nhiễm không khí so với các nguồn điện năng khác. Chúng không phóng thích khí carbonic, hay các khí độc như carbon monoxide ảnh hưởng lên môi trường và sức khỏe người dân.
Không thuận lợi
Tuy nhiên, điểm bất thuận lợi chính yếu của nguồn năng lượng nầy là việc phải tùy thuộc vào thiên nhiên. Dù công nghiệp gió đang phát triển cao, và giá thành của một turbine gió giảm dần từ hơn 10 năm qua, mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng nầy vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng cổ điển.
Gió đến từ thiên nhiên cho nên gió không đáp ứng trọn vẹn được những nhu cầu cần thiết của con người, vì con người không thể kiểm soát được nguồn gió và nguồn điện năng nầy không thể giữ lại được nguồn điện dư thừa, trừ khi chuyển điện qua các bình điện dự trử rất tốn kém và không có hiệu quả kinh tế.
Nguồn gió nhiều và điều đặn thường ở khu vực xa thành phố, do đó ngoài việc xử dụng tại chỗ, điện năng từ gió khó được chuyển về các khu đông dân cư. Do đó, trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các thuận lợi trên, năng lượng từ gió có thể xem như một nguồn năng lượng dự phòng ngoài các nguồn năng lượng chính yếu khác.
Dĩ nhiên không có một nguồn năng lượng nào mà không ảnh hưởng lên môi trường. Trong trường hợp năng lượng gió, ảnh hưởng cần phải lưu tâm là các turbine gió gây ra tiếng động làm đão lộn các luồng sóng trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã và làm nhiễu xạ trở ngại chính cho việc phát tuyến trong truyền thanh và truyền hình (Các bất thuận lợi nầy đã được giải quyết bằng kỹ thuật làm cánh quạt mới to và cao hơn hiện tại, do đó quạt sẽ quây chậm hơn, không làm đão lộn phương hướng di chuyển của chim muông và giảm thiểu sự biến đổi của hệ sinh thái chung quanh). Tuy nhiên, những bất lợi nầy không thể phản bác lại một lợi điểm quan trọng trong việc sản xuất nguồn năng lượng nầy là giảm thiểu được lượng khí CO2 phóng thích vào không khí, nguyên tố chính của sự hâm nóng toàn cầu.
Mức xử dụng năng lượng gió trên thế giới
Trên thế giới trung bình mức sản xuất năng lượng từ gió tăng gấp đôi trong mỗi 3 năm; nhưng trong vòng ba năm vừa qua, mức tăng trưởng càng tăng nhanh hơn nữa. Lý do là giá dầu thô ngày càng tăng và không có chỉ dấu chậm việc tăng giá lại trong tương lai. Theo thống kê, cho đến năm 2000, các quốc gia trên thế giới đã sản xuất 17.500 MW tương đương với lượng điện năng tiêu thụ trong một năm của quốc gia Chí Lợi. Đan Mạch với 2.000MW hàng năm, tượng đương với 12% mức tiêu thụ toàn quốc của quốc gia nầy.
Về giá thành, năng lượng gió có thể so sánh với các loại năng lượng đến từ các máy phát nhiệt điện. Gần đây nhất, với sự tiến bộ của công nghệ gió, hiệu năng biến thành điện năng tăng cao, do đó giá thành ngày càng giảm dần. Trung bình giá thành để xây dựng một hệ thống điện từ gió là $1.000/KW điện trong đất liền, và ngoài đại dương là $1.600/KW. Giá thành còn tùy thuộc vào sức gió của mỗi vùng. Để có một khái niệm về giá thành của các lọai năng lượng so với năng lượng gió ở các vùng thưa dân cư xa thành phố là: $0,48/KW/giờ cho năng lượng gió, và $0,80 KW/giờ cho nguồn năng lượng đến từ dầu diesel (giá thành ở Hoa Kỳ năm 2006).
Hiện tại công ty Southern California Edison (SCE) đã bắt đầu xây dựng một nhà máy phát điện dùng năng lượng gió ở vùng đồi núi Tehachapi, phía đông thành phố Los Angeles. Dự kiến sẽ xử dụng 50 dặm vuông để lắp đặt hệ thống quạt gió và sẽ khánh thành giai đoạn I vào năm 2010 với công suất 1.500 MW, lượng điện nặng cung cấp đủ năng lượng cho một triệu nhà. Khi hoàn tất giai đoạn II, công suất sẽ tăng lên 4.500 MW, có lượng điện năng tương đương với bốn nhà máy phát điện hạch nhân.
Tại quốc gia Cộng Sản Cuba, nhà cầm quyền đang cho thiết lập 100 hệ thống gió với sự trợ giúp kỹ thuật của các nước Tây phương, cung cấp tổng cộng khoảng 18 MW, dự trù hoàn tất vào tháng 7, 2007. Dự án nầy giúp cho Cuba tiết kiệm được 1.300 tấn dầu nhập cảng.
Theo thống kê vào tháng 4, 2005 cho thấy mức xử dụng năng lượng gió của vài quốc gia trên thế giới như sau: Đức với 16.628 MW, Tây Ban Nha, 8.263 MW, Hoa Kỳ, 6.752 MW, Đan Mạch, 3.118 MW, Ấn Độ, 2.983, Trung Cộng, 764 MW, và Pháp, 390 MW.
Kỹ thuật biến nguồn gió thành điện năng
Như đã nói ở phần trên, gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Luồng gió cũng như cường độ gió tùy thuộc vào mức độ lồi lõm của mặt đất, mức độ rậm rạp của thực vật trên đất, và diện tích của ao hồ, biển cả v.v... Con người xử dụng nguồn gió trong nhiều ứng dụng khác nhau như: chạy thuyền bè, dẫn thủy nhập điền, và nhất là biến thành điện năng.
Tiến trình chuyển tải nguồn gió qua một turbine để sản xuất ra nguồn điện năng cần phải qua nhiều giao đoạn: Turbine gió biến động năng (kinetic energy) thành cơ năng (mechanical energy). Chính cơ năng nầy sẽ được chuyển thành điện năng qua máy phát điện. Câu hỏi được đặt ra là làm thế nào để biến các turbine gió thành điện năng? Thật giản dị, gió làm các cánh quạt xoay tròn và chuyển động nầy tạo qua điện nhờ một máy phát điện. Từ đó điện năng được chuyển đi cùng khắp.
Vì lượng gió thổi không đều đặn, cho nên lượng điện nặng cung cấp bị giao động. Để giải quyết trở ngại trên, các turbine gió cần được kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để có được nguồn điện liên tục và cố định. Tại Liên Hiệp Âu Châu, những turbine nầy được nối mạng điện toàn Âu Châu, nhờ đó mà việc sản xuất điện được điều hòa.
Các loại turbine gió
Có hai loại turbine gió căn bản: Loại quạt gió có trục ngang và loại quạt gió có trục đứng còn gọi là turbine Darrieus (mang tên nhà sáng chế Pháp). Loại quạt gió có trục ngang với 3 cánh quạt được xử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ, và quạt nầy được đặt đối diện với hướng gió được gọi là “up wind”. Và loại 2 cánh quạt được đặt cùng chiều với hướng gió gọi là “down wind”.
Một tập hợp turbine gió muốn đạt được hiệu quả kinh tế tối thiểu phải sản xuất ít nhất là 50 KW, và các tập hợp lớn có thể cho đến nhiều MW. Các tập hợp turbne nhỏ thường được kết hợp vớpi các photovoltaic của năng lượng mặt trời để cung cấp một nguồn điện liên tục và ổn định.
Công nghiệp của một turbine gió
Một turbine gió gồm những bộ phận sau:
o Một máy đo vận tốc gió và chuyển kết quả nầy qua một hệ thống kiểm soát. Các cánh quạt được làm bằng hợp kim nhẹ hay một loại composite hữu cơ;
o Một hệ thống thắng để có thể ngừng việc xoay vòng của quạt gió trong trường hợp khẩn cấp hay bảo trì;
o Một hệ thống kiểm soát vận tốc của gió. Hệ thống nầy tự động ngưng mọi hoạt động của turbine khi vận tốc gió đạt đến 65 dậm/ giờ vì với vận tốc nầy sẽ làm nóng và có thể làm hư máy phát điện;
o Một hệ thống hộp số có nguyên tắc giống như hộp số xe hơi, có mục đích làm tăng vận tốc quây của gió từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1.200 đến 1.500 v/p để có khả năng phát ra điện. Đây là phần chính yếu của turbine gió và giá thành của bộ phận nầy chiếm 75% già thành của toàn hệ thống turbine.
Vì vậy, những nhà nghiên cứu hiện tại cố gắng tìm giải pháp thay thế khác để có thể biến gió thành điện năng ở những vận tốc quây thấp mà không cần đến bộ phận nầy;
o Sau cùng, một máy phát điện để dự trữ điện năng từ hệ thống turbine gió phát ra.
Trường hợp Việt Nam
Đối với Việt Nam, tại các tỉnh vùng duyên hải chạy dài từ Ninh Thuận đến mũi Né, Bình Thuận là những vùng thuận lợi lớn để thiết trí các hệ thống turbine gió. Trong một tương lai không xa, ước tính vào khoảng 30 năm nữa, các nguồn năng lượng cổ điển như than đá, dầu khí sẽ dần dần bị cạn kiệt; thủy điện sẽ trở thành một hiểm họa lớn cho môi trường. Trong lúc đó điện năng từ các lò phản ứng hạch nhân vẫn còn là một khái niệm mơ hồ cho các nhà làm khoa học Việt Nam. Rốt ráo lại, chỉ còn lại hai nguồn điện năng sạch và khả năng thực hiện cao: Đó là nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió.
Theo kết quả khảo sát của Ngân Hàng Thế Giới trong Chương Trình Đánh Giá Về Năng Lượng Cho Á Châu, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á, với 513.360 MW, tức là hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La khi hoàn tất, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020. Cũng theo nghiên cứu của Ngân Hàng Thế Giới , hai vùng giàu tiềm năng ngất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận và vùng đồi phía Tây Hàm Tiến đến Mũi Né - Bình Thuận). Gió hai nơi nầy có vận tốc trung bình lớn và rất ổn định, có vận tốc khoảng 6- m/giây. Với vận tốc nầy, có thể xây dựng các trạm điện gió công suất có thể lên 5 MW. Hiện tại, Việt Nam đã thử nghiệm hai quạt gió ở Cần Giờ, nhưng vì gió lớn do đó cả hai quạt gió đều bị gảy. Tại Đà Lạt, trong khu vực quân đội cũng có thiết lập các quạt gió, nhưng vẫn còn trong quy mô thí nghiệm.
Thiết nghĩ, ngay từ bây giờ, đã đến lúc Việt Nam cần phải quan tâm và bắt đầu xây dựng mạng lưới của hai nguồn điện năng nầy. Đây là một đầu tư đúng đắn và lâu dài cũng như khá tốn kém. Nếu không có những chuẩn bị ngay tức khắc, thì cuộc khủng hoảng năng lượng nhiều phần có thể xảy ra cho Việt Nam trong tương lai. Với đà gia tăng dân số hiện tại, với nhu cầu phát triển kinh tế hầu thâu ngắn cách biệt giàu-nghèo so với các quốc gia lân bang, thêm một lý do nữa để Việt Nam cần phải đẩy mạnh nguồn sản xuất năng lượng theo cấp số nhân chứ không phải cấp số cộng như hiện nay.
Năng Lượng Tương Lai
Năng lượng chúng ta đang tiêu dùng xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau. Từ thiên nhiên, cần phải kể đến than đá, than bùn, dầu hỏa, và khí thiên nhiên. Do nhân tạo, có nguồn năng lượng từ thủy điện còn được gọi là than trắng, nguồn nguyên tử năng, và năng lượng từ gió và từ ánh sáng mặt trời.
Đối với các tài nguyên thiên nhiên thuôc nhóm thứ nhất, theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa, các nguồn năng lượng trên sẽ bị cạn kiệt vì con người đã và đang tận dụng tối đa, và với mức độ cấp số nhân nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên. Do đó, ngay từ bây giờ nếu không chuẩn bị để nghiên cứu hay truy tìm những nguồn tài nguyên về năng lượng mới, thế giới sẽ đi dần đến sự tự hủy diệt.
Đối với nguồn năng lượng đến từ nhóm hai, thủy điện đã xuất hiện từ hơn 70 năm trước đây, và đã là nguồn hy vọng cho nhân loại trong một thời gian dài. Từ ban đầu và căn cứ theo hướng suy nghĩ của những nhà khoa học thời bấy giờ thì thủy điện là một nguồn điện năng sạch và toàn hảo vì không tạo ra ô nhiễm môi trường. Do đó, các đập thủy điện được tiếp nối xây dựng ồ ạt từ các quốc gia tân tiến cho đến những quốc gia đang phát triển. Nhưng trong khoãng 20 năm trở lại đây, khoa học gia trên thế giới đã nhận định đúng đắn thảm nạn môi trường do thủy điện gây ra. Đó là:
1- Thủy điện đã làm đão lộn hoàn toàn hệ sinh thái của một vùng rộng lớn chung quanh hồ chứa cũng như ở thượng nguồn và hạ nguồn của đập; 2- Thủy điện làm giảm thiểu hoặc hủy diệt đa dạng sinh học của toàn vùng; 3- Hiệu quả kinh tế của thủy điện hoàn toàn bị đão ngược vì chi phí cần thiết để tái tạo lại môi trường thiên nhiên đã bị đánh mất cao hơn lợi nhuận do việc cung cấp điện năng.
Hai thí dụ điển hình minh xác qua trường hợp của hàng chuổi đập thiết lập dọc theo sông Colorado (Hoa Kỳ) và Hoàng Hà (Trung Cộng); và sau hơn vài chục năm khai thác, dòng chảy của hai con sông nầy không còn điểm đến là vịnh Mễ Tây Cơ và biển Trung Ha nữa. Ở Việt Nam, dù mới khai thác đập thủy điện trong khoảng hơn 10 năm nay, nhưng nhiều tác hại đã xảy ra như trường hợp đập Yali đã làm ngập lụt một thành phố ở Cambodia năm 2000 sau khi được khai thác vào năm thứ hai mà thôi.
Tuy nhiên đối với các nước đang phát triển ở Á Câu như Trung Cộng, Thái Lan, Lào, Việt Nam, việc thiết lập các đập thủy điện mới để giải quyết nhu cầu điện năng cho quốc gia trong hiện tại là một việc làm thiếu một tầm nhìn nghiêm chỉnh cho tương lai. Họ không rút tỉa được kinh nghiệm của các quốc gia Tây phương đang trên đà phá vỡ các đập đã xây dựng ngõ hầu tái tạo hệ sinh thái của vùng, đồng thời cũng không học hỏi kinh nghiệm về các tác hại môi trường vì không nghiên cứu tác động môi trường trong kế hoạch thiết lập đập.
Đối với nguồn năng lượng do nguyên tử năng, mức an toàn trong vận hành vẫn là một dấu hỏi lớn và tác hại đến nhân sự và môi trường trong trường hợp tai nạn xảy ra đã làm cho nhiều quốc gia do dự khi quyết định xây dựng thêm nhà máy.. Thêm nữa năng lượng nầy thải hồi nhiều thán khí (carbon dioxide) ảnh hưởng đến tầng ozone của bầu khí quyển và nhất là phế thải nguyên tử vẫn còn là một nan đề chưa giải quyết được của nhân loại.
Trong nhóm nầy chỉ còn lại năng lượng đến từ gió và ánh sáng mặt trời là tương đối an toàn cho chúng ta. Ngoài ra, trong cuộc chiến đấu cho sinh tồn của nhân loại cần phải kể thêm ngoài năng lượng gió, còn có việc truy tìm nguồn thay thế cho dầu khí, đó là nguồn hóa chất methanol, ethanol và các chất phế thải gia cư và kỹ nghệ.
Đó là các nguồn năng lượng sạch vừa giải quyết và thay thế các nguồn năng lượng thiên nhiên sắp bị cạn kiệt, và nhất là bảo vệ môi trường thiên nhiên đồng thời giải quyết một phần nào ô nhiễm môi trường do con người tạo ra.
Vào ngày 7/12/04, Viện Năng Lượng và Ngân hàng Phát Triển Á Châu vừa tổ chức một hội thảo quốc tế tại Hà Nội về phát triển năng lượng tái tạo và làm giảm thiểu thải hồi khí nhà kính cùng hạn chế sự hâm nóng toàn cầu. Chính hai nguyên nhân vừa kể là trọng tâm của tất cả những cuộc nghiên cứu về tình trạng khan hiếm nguồn nguyên liệu dầu thô trên thế giới.
Hiện tại, con người tùy thuộc vào các nguồn tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu hỏa và các khí đốt để tạo ra năng lượng. Các loại năng lượng vừa kể trên ảnh hưởng rất nhiều lên hiệu ứng nhà kính và hiện tượng hâm nóng toàn cầu. Do đó, gần 30 năm qua, con người cố gắng truy tìm những nguồn năng lượng khác trong đó nguyên liêu được xử dụng là những nguồn năng lượng thiên nhiên như gió, ánh sáng mặt trời, thủy triều và sóng biển v.v....Ngoài ra phế thải từ các sản xuất kỹ nghệ, phế thải gia cư, thậm chí đến phế thải của người và thú vật cũng có thể biến cải thành năng lượng được. Và các loại năng lượng vừa kể trên có tên chung là năng lượng tái tạo.
Ngoài ra nguồn năng lượng sinh khối (biomass) cũng là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng xử dụng từ các chất hữu cơ trong cây cỏ, bãi rác, phó sản hữu cơ trong công nghiệp, thậm chí đến khí thải methane từ các bãi rác.
Những nguồn năng lượng vừ kể trên khá phức tạp và cũng khá quan trọng, và sẽ là một trong những nguồn năng lượng chính trong tương lai. Chúng sẽ thay thế các nguồn tài nguyên thiên nhiên trong việc sản xuất năng lượng nhất là điện năng. Có ba lợi điểm tăng cường thêm tầm quan trọng của nguồn năng lượng nầy là:
Về môi trường: Công nghiệp cho các loại năng lượng tái tạo là công nghiệp sạch và nguyên liệu xử dụng hoặc đã có sẳn trong thiên nhiên và không tạo ra ô nhiễm như mặt trời, gió, sóng biển v.v...; hoặc là những phó phẩm hay phế thải từ các công nghệ khác thay vì cần phải xử lý, nay được xử dụng lại, do đó, công nghệ tái tạo nầy đương nhiên tiếp tay vào việc giải quyết ô nhiễm môi trường;
Về tương lai: Đây là một loại năng lượng dành cho các thế hệ cháu, chắc của chúng ta vì nguồn nguyên liệu không bao giờ bị cạn kiệt;
Về an ninh quốc gia: Vì không còn tùy thuộc vào các nguồn nguyên liệu cổ điển, đối với một quốc gia, một khi đã đẩy mạnh công nghiệp năng lượng tái tạo, thì mức an ninh quốc phòng được bảo đảm thêm vì không còn tùy thuộc vào lượng năng lượng cần phải nhập cảng từ các quốc gia khác.. Và trong tương lai, sẽ không có những cuộc khủng hoảng năng lượng trên thế giới như đã xảy ra vào thập niên 70.
Song hành với việc truy tìm những nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo, nhân loại cần phải nâng cao hiệu năng trong vịêc xử dụng các loại năng lượng nầy. Chính việc nầy cũng là một việc làm cần thiết trước nguy cơ của sự hâm nóng toàn cầu. Và đây cũng là một yếu tố quan trọng trong sự phát triển quốc gia. Từ năm 1970 đến 2000, mức xử dụng năng lượng ở Hoa Kỳ đã tăng 45%, trong lúc đó tổng sản lượng quốc gia tăng 160%. Hay nói một cách khác, lượng năng lượng dùng cho một Mỹ Kim giảm 44% từ năm 70 đến 90. Hay cũng có thể nói, nền kinh tế quốc gia Hoa Kỳ đã dùng ít năng lượng hơn để phát triển và giảm thiểu ô nhiễm.
Có nhiều loại năng lượng tái tạo điển hình như: Năng lượng sinh khối (biomass) hay còn gọi là năng lượng vi sinh (biogas), năng lượng địa nhiệt (geothermal energy), năng lượng hydro, và năng lượng đại dương, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, v.v… Về năng lượng sinh khối, đây là một loại năng lượng tái tạo đặc biệt vì loại năng lượng nầy có thể sản xuất trực tiếp ra khí đốt, xăng dầu cho các hệ thống giao thông như xe cộ, xe lưả, thậm chí nguyên liệu cho máy bay. Có hai loại năng lượng sinh khối là rượu ethanol và dầu diesel sinh học (biodiesel). Ethanol hay rượu cồn là do sự lên men của các loại chứa carbohydrat cao như tinh bột, đường và các sợi cellulose thực vật. Ethanol là hóa chất cần thiết để pha trộn vào xăng chạy xe để làm giảm thiểu lượng carbon monoxide (CO) thải hồi vào không khí. Hiện tại lượng rượu có thể trộn lẫn vào xăng lên đến 85% thể tích. Còn diesel sinh học là do sự pha trộn giữa rượu và dầu thực vật hay động vật. Hổn hợp nầy có thể làm giảm 20% khí CO so với việc xử dụng diesel cổ điển.
Quá trình chuyển đổi từ năng lượng sinh khối qua địên năng gồm 2 quy trình khác nhau như:
Đốt trực tiếp, biến thành khí đốt, qua sự tiêu hóa yếm khí (anaerobic digestion); Sự khử nước, sự đốt cùng với một nguyên liệu khác (co-firing).
Tuy nhiên hầu hết các nhà máy điện từ biomass trên thế giới đều áp dụng phương pháp đốt trực tiếp. Còn năng lương sinh khối từ các phế thải động vật sản xuất ra hơi nóng sau khi đốt và hơi nóng sẽ chạy qua một turbine và máy phát điện để biến cải thành điện năng.
Còn năng lượng từ sức nóng của địa cầu hay địa nhiệt đã được nghiên cứu qua nhiều công nghệ khai triển loại năng lượng nầy để biến thành điện năng, hoặc dùng để sưởi nóng các quy trình công nghệ cần nhiệt độ cao. Đây cũng là một loại năng lượng tái tạo từ thiên nhiên. Hoa Kỳ đang thử nghiệm loại năng lượng nầy ở Nevada, và đã có nhiều kết quả rất khích lệ.
Năng lượng hydrogen đã được chú ý như sau: Hydrogen là một nguyên tố chiếm tỷ lệ cao nhất so với tất cả các nguyên tố khác trên địa cầu. Nhưng hydrogen không hiện diện dưới dạng nguyên tử hay phân tử mà dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước gồm có hai hydrogen và một oxygen. Do đó một khi hydrogen được tách rời, sẽ biến thành một nguồn cung cấp nhiệt năng rất lớn và là một loại năng lượng sạch.
Hydrogen có thể tách rời qua sự điện giải nước (H2O). Trong thiên nhiên, một số rong rêu và vi khuẩn, qua sự tiếp hợp của ánh sáng mặt trời có thể phóng thích ra hydrogen. Đây là một loại năng lượng không làm ô nhiễm không khí. Cơ quan quốc gia Nghiên cứu không gian Hoa kỳ từ năm 1970 đã xử dụng hydrogen làm nguyên liệu chính cho các hỏa tiển chuyên chở các tàu vũ trụ vào không gian.
Sau cùng, đại dương cũng là một loại năng lượng tái lập và có thể sản xuất ra hai loại năng lượng: nhiệt năng từ sức nóng của mặt trời, và cơ năng từ thủy triều và sóng biển. Đại dương bao bọc hơn 70% diện tích địa cầu, do đó đây là một nguồn tiếp nhận ánh sáng mặt trời quan trọng nhất. Sức nóng của mặt trời làm ấm nước mặt của đại dương, và độ ấm nầy cao gấp nhiều lần hơn độ ấm của dòng nước biển dưới sâu. Sự khác biệt nhiệt độ giữa hai luồng nước biển nầy sẽ tạo ra nhiệt năng. Từ đó nhiệt năng có được sẽ biến cải thành điện năng theo ba công nghệ khác nhau: công nghệ chu kỳ kín, công nghệ chu kỳ hở, và công nghệ hổn hợp. Nguyên lý của chu kỳ kín là làm bốc hơi nước biển ở nhiệt độ thấp qua sự hiện diện của ammoniac. Còn chu kỳ hở là làm nước biển bốc hơi dưới áp suất thấp. Chu kỳ hổn hợp là sự phối hợp của hai phương pháp trên. Hơi nước biển sẽ đi qua một turbine và biến thành điện năng.
Về loại năng lượng thủy triều và sóng biển, Hoa Kỳ đã chọn một địa điểm ở Rhode Island là Port Judith làm thí điểm thử nghiệm với chi phí là 1 triệu Mỹ kim. Thí điểm nầy dự trù cung cấp 700 KW khi bắt đầu hoạt động vào năm 2006.
Đứng trước những dự kiến về một cuộc khủng hoãng năng lượng trong tương lai, các quốc gia trên thế giới đang chạy đua với thời gian để truy tìm những loại năng lượng tái tạo mới, hầu thỏa mản tiến trình toàn cầu hóa qua Nghị định thư Kyoto 1997 về ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính. Anh Quốc đã dự kiến đầu tư 100 triệu Mỹ kim cho nghiên cứu năng lượng đại dương và hy vọng loại năng lượng nầy có thể cung ứng 10% tổng số năng lượng xử dụng cho toàn quốc trong năm 2010, và lên đến 15% cho năm 2015.
Có thể đây là một dự phóng tương lai rất tiến bộ về năng lượng của Anh Quốc chăng? Câu trả lời có thể được giải đáp trong vài năm nữa khi các dữ kiện khoa học được thu thập đầy đủ. Và nếu dự phóng nầy thành công thì nhân loại đã thực hiện được một cuộc cách mạng lớn về năng lượng cho toàn cầu.
Kết luận
Trên đây là những suy nghĩ đã được khơi mào để đóng góp vào: 1- Việc hạn chế hiệu ứng lồng kín, và sự hâm nóng toàn cầu theo tinh thần của Nghị Định Thư Kyoto 1997; 2- Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế giới; 3- Và nhất là để bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trên thế giới trong tương lai khi các nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.
Các quốc gia trên thế giới hiện đang đứng trước 3 vấn nạn chính: - Nhu cầu năng lượng để phát triển kinh tề và cân bằng mức gia tăng dân số; - Nhu cầu gia tăng phúc lợi của người dân; -Và nhu cần giải quyết ô nhiễm môi trường qua việc gia tăng phát triển.
Đối với các quốc gia có trình độ phát triển và kỹ thuật cao, ba nhu cầu trên đã được giải quyết và họ đang đi dần đến những công nghệ “sạch” trong phát triển cộng thêm viễn kiến lớn hướng về tương lai để thay thế một số nguồn năng lượng không còn thích hợp trong việc bảo vệ môi trường.
Đối với các quốc gia đang phát triển trong đó có Việt Nam, hiện đang phải tập trung vào nhu cầu đầu tiên, nghĩa là cần phải gia tăng phát triển để vứa giải quyết việc gia tăng dân số vừa cố gắng thâu ngắn cách biệt giàu nghèo so với các nước đã phát triển, do đó họ không có điều kiện hay không cố gắng tạo điều kiện để thực hiện hai nhu cầu sau. Vì lý do đó, triển vọng hội nhập vào cuộc chơi toàn cầu hóa của thế giới vẫn còn xa vời. Và vô hình chung, chính họ đã hướng dẫn đất nước họ vào con đường bế tắc do việc phát triển không đồng bộ, vô tổ chức, thiếu kế hoạch đúng đắn và dài hạn gây ra, trong đó việc xem thường công cuộc bảo vệ môi trường là một trong những nguyên nhân chính yếu.
Tương lai của mỗi quốc gia đều nằm trong tầm tay của những người nắm quyền bính, và chỉ có họ với tầm nhìn xa mới có khả năng đưa đất nước cất cánh đi lên. Xin đừng ù lì dậm chân tại chỗ, thụ động mong chờ viện trợ đến từ bên ngoài, cũng như tận tình hủy hoại đất nước như đã xảy trong quá khứ và hiện tại.
TS Mai Thanh Truyết
West Covina, California
25-12-2007
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=7188Trang trại năng lượng gió lớn nhất thế giới đã được khai trương ở ngoài khơi bờ biển nước Anh vào ngày thứ năm vừa qua, là một phần trong nỗ lực thúc đẩy, khuyến khích sử dụng năng lượng thay thế của chính phủ Anh.
Công ty năng lượng Thụy Điển Vattenfall là đơn vị đã thực hiện thi công xây dựng trang trại năng lượng gió Thanet, với 100 chiếc quạt khổng lồ được “trồng” ở ngoài khơi bờ biển Thanet. Trang trại có thể sản xuất đủ điện cho hơn 200.000 hộ gia đình dùng trong một năm.
Với việc khai trương trang trại Thanet, Anh giờ đây có khả năng sản xuất 5 gigawatts “phong điện” – đủ để cung cấp cho cả Scotland.
Mỗi một tua bin Thanet cao 115m và trang trại rộng bằng 4.000 sân bóng cộng lại.
Vattenfall cho hay trang trại mới có thể sản xuất 300 megawatts điện khi đạt công xuất lớn nhất, mặc dù giới phân tích cho răng năng lượng điện có thể không liên tục và hay biến động.
Công ty Vattenfall cũng dự kiến trang trại hoạt động ít nhất trong 25 năm.
California
Windmills of California
Từ đầu thế kỷ 21, điện phát bằng sức gió đã phát triển rất nhanh, tuy hiện nay mới chỉ vào khoảng 2% điện lực của tất cả nhà máy điện các loại khác, nhưng dự tính đến năm 2020 sẽ cung cấp được 20% nhu cầu tiêu thụ trên thế giới và có thể gần 100% ở một số quốc gia.
 |
| Một trại gió ở Anh. (Hình Jeff J Mitchell , Getty Images) |
Ưu điểm của điện gió - hay phong điện, gọi tên theo kiểu thủy điện phát bằng sức nước và nhiệt điện dùng chất đốt - là được sản xuất bằng năng lượng sạch không gây ô nhiễm hoặc tác động đến môi trường và tái tạo bất tận. Gió là sự chuyển động giữa các khối không khí có nhiệt độ và áp suất khác nhau do tác động của ánh nắng mặt trời. Như thế gió là một dạng của năng lượng mặt trời nhưng có thể sử dụng dễ dàng, thường xuyên và rẻ tiền hơn. Các tấm thu năng lượng mặt trời rất đắt tiền và chỉ hoạt động được vào ban ngày.
Ðộng năng của gió có thể chuyển thành cơ năng như trong cối xay gió (wind mill) hay điện năng bằng turbin-gió (wind turbine). Mỗi cơ sở phát điện bằng sức gió, được gọi là trại gió (wind farm) tập trung hàng trăm đến hàng ngàn đơn vị turbines, Dòng điện sản xuất ra có công suất tổng hợp đủ mạnh để đưa vào lưới (grid), nghĩa là hệ thống mạng kết hợp giữa nhiều nhà máy điện, đường dây tải điện và đường dây phân phối đến tất cả các nơi sử dụng.
Thành phần căn bản của mỗi turbin là rotor (quạt hứng gió) làm quay trục chính và hộp số (gear) chuyển thành vận tốc quay nhanh hơn cho máy phát điện. Những turbine lớn ngày nay có bộ điện tử tự động để điều chỉnh hộp số theo vận tốc quay thích ứng và điều khiển rotor về hướng luồng gió hoặc hãm lại khi gió quá mạnh. Ðiều kiện tối ưu để turbine hoạt động là sức gió từ 11 đến 55 dặm/giờ
Có hai loại turbine-gió căn bản: trục ngang và trục đứng. Turbine-gió trục nằm ngang đặt ngay trên đầu cột cao, rotor thông thường là kiểu 3 cánh, hướng ngược hoặc xuôi chiều gió. Turbine-gió trục đứng có thể đặt gần hay trên mặt đất, với nhiều kiểu cánh quạt hứng gió khác nhau, trong số đó có kiểu Darrieus (tên của nhà phát minh người Pháp) hình dáng tương tự như chiếc máy đánh trứng gà. Mỗi loại và kiểu đều có những ưu và nhược điểm về phương diện kỹ thuật, chẳng hạn trục đứng không cần phải đổi hướng rotor mà lúc nào cũng hứng được gió, nhưng do lực xoắn (torque), nên khó đặt trên trụ cao, mà gần mặt đất thì sức gió yếu và không đều. Vì vậy những turbin công suất lớn ngày nay đều là loại trục ngang đặt trên những trụ rất cao.
Từ hơn 20 năm nay, bên đường đi đến San Francisco và San Jose người ta có thể thấy nhiều cánh quạt đủ kiểu đặt trên sườn núi ở các đoạn đèo Altamont đường 508 và Pacheco đường 152. Ðó là trại gió đầu tiên ở Hoa Kỳ tập trung tới 4,900 turbines lớn nhỏ vào thời kỳ cao điểm. Công suất thiết kế của trại gió Altamont Pass là 576 megawatts (MW = 1 triệu watts hay 1,000 kilowatts) nhưng công suất hữu dụng trung bình chỉ là 125 MW vì không phải lúc nào các turbines cũng đủ sức gió để chạy. Ðến nay trại Altamont Pass đang được cải tiến, thay thế các turbines nhỏ lỗi thời bằng những turbines có công suất lớn hơn.
Ðể có một so sánh cụ thể, công suất thiết kế của các nhà máy thủy điện Hòa Bình ở Việt Nam với 8 turbines nước là 1,920 MW và “Hoover Dam” gần Las Vegas với 17 turbines nước là 2,080 MW. Những đập nước cũng có thể không đủ nước vào mùa khô để hoạt động hết công suất, tuy nhiên ít khi dưới 50% công suất lý thuyết.
Bây giờ tại nhiều nơi trên các sườn núi và sa mac có những “phong trại” tập trung hàng trăm cánh quạt hứng gió. Ba khu vực quan trọng nhất ở California là các đèo Altamont phía Ðông San Francisco, Tehachapi Ðông Nam Bakersfield và San Gorgonio gần Palm Springs. Năm 1995 phong điện do California sản xuất bằng 30% toàn thế giới, nhưng đến nay chỉ còn chiếm một tỷ lệ rất nhỏ vì trên toàn quốc Hoa Kỳ cũng như thế giới, có những trại gió lớn hơn nhiều và sản xuất ra dòng điện công suất mạnh.
Trong vòng 10 năm nay, ngành điện gió phát triển nhanh, năm 2010 công suất thiết kế của các máy phát điện gió trên thế giới bằng 200 GW (200 tỷ watts). Năm 2004 công suất tổng cộng của phong điện ở Hoa Kỳ chỉ có 6 GW, năm 2010 đã lên tới 35 GW, đứng đầu thế giới. So sánh cách khác, 40 GW là gấp hai lần công suất của nhà máy thủy điện Tam Hiệp, đập thủy điện lớn nhất thế giới trên sông Dương Tử ở Trung Quốc, chi phí ước lượng 40 tỷ dollars và xây dựng trong 15 năm.
Mặc dầu vậy, phong điện mới chỉ đáp ứng 2% nhu cầu điện lực Hoa Kỳ và dự tính sẽ lên tới 20% năm 2030. Tiểu bang Texas đứng đầu về công suất phong điện, 9.5 GW, 5% nhu cầu điện, và Roscoe Wind Farm công suất thiết kế 740 MW là trại gió lớn nhất thế giới. Iowa đứng hàng thứ nhì 3.7 GW, 14.2 %; California đứng hàng thứ ba 2.8GW, 2.8%. Công tác thiết kế phong điện là một ngành kỹ nghệ quan trọng đang phát triển, sử dụng 90,000 nhân công ở Hoa Kỳ.
Ðức và Trung Quốc đứng hạng nhì về phong điện cho đến nay, công suất thiết kế 25 GW. Trung Quốc có tiềm năng phong điện rất lớn, trên đất liền cũng như ngoài biển, và đặc biệt chú trọng đến việc phát triển nhằm giảm nhẹ nhu cầu tiêu thụ năng lượng dầu khí hay than đá gây nhiều ô nhiễm...
Tổng công suất thiết kế điện gió của Liên Hiệp Âu Châu (EU) là 75 GW và Ðan Mạch, nước tiên phong trong lãnh vực này, đến nay 20% điện sử dụng do từ phong điện. 50% turbine gió công suất lớn ở Trung Quốc do Ðan Mạch chế tạo.
Mỗi turbin-gió có công suất từ vài trăm watt đến vài triệu watt (MW). Turbin gió lớn nhất hiện nay là Enecon E-126 tại Ðức, công suất 7 MW, đặt trên trụ cao 130 mét, đường kính của rotor 126 mét. Nhưng nhiều quốc gia khác có dự án làm những turbine lớn hơn nữa, công suất trên 10 MW. Năm tới Na Uy sẽ hoàn thành một turbine 10 MW đường kính rotor 156 mét, đặt trên trụ cao 100 mét ngoài biển, trị giá thiết kế $70 triệu...
Việc thiết kế phong điện đòi hỏi những ngân khoản đầu tư lớn, tuy nhiên sau đó hầu như không phải tốn kém thêm gì ngoài việc điều hành và bảo trì. Trung bình tuổi thọ của các turbine gió từ 20 đến 25 năm. Giá của mỗi turbin gió phụ thuộc từng cỡ và loại máy, trụ gắn, đường dây điện, máy biến thế, chi phí chuyên chở, lắp đặt,... ngoài ra còn có các vấn đề nghiên cứu địa điểm, hướng dẫn sử dụng, bảo trì, và nhiều yếu tố khác nữa. Trung bình các turbin-gió loại lớn dùng cho thương mại phí tổn vào khoảng từ $1,2 triệu đến $2.6 triệu cho mỗi MW (1 triệu watts hay 1,000 kW) công suất thiết kế. Như vậy hầu hết các turbin-gió thương mại hiện nay có công suất cỡ 2 MW trị giá khoảng $3.5 triệu.
Những turbin-gió loại nhỏ tất nhiên rẻ hơn nhưng phí tổn tính theo công suất lại đắt hơn nhiều nghĩa là hiệu quả kinh tế thấp. Một turbin-gió 10 kW chỉ đủ để cung cấp điện cho một nhà, trị giá khoảng $35,000 đến $50,000. Trên nguyên tắc mọi người đều có thể đặt turbine gió và bán điện dư dùng cho các công ty điện lực, tuy nhiên trong thực tế còn có nhiều phức tạp kỹ thuật của việc điều hành mạng lưới điện.
Do đó dòng điện sinh ra từ các turbine công suất nhỏ khoảng dưới vài trăm kW chỉ được sử dụng ngoài mạng (off-grid) nghĩa là riêng rẽ tại chỗ cho một số ít nơi tiêu thụ ở ngay địa phương. Cho đến năm 2005, Trung Quốc chế tạo hay nhập cảng khoảng 200,000 turbine loại nhỏ này và đứng đầu thế giới về loại phong điện ngoài mạng.
Không phải ở đâu cũng có gió mạnh và thường xuyên quanh năm. Vì vậy muốn lập trại gió, các công ty đã phải nghiên cứu địa thế từng vùng để chọn khu vực tối ưu. Nếu phải dùng đất tư nhân, như đồng ruộng, nông trại, tiền phải trả mỗi năm cho một trụ turbine gió khoảng từ $3,000 đến $4,000. Trên núi cao và ngoài bờ biển là những nơi gió mạnh, thuận lợi đặt turbine hay lập trại gió, tuy nhiên phí tổn thiết kế rất cao.
Cũng có nhiều ý kiến hoài nghi, một số người cho rằng sẽ có nhiều khó khăn kỹ thuật trong sự điều hành mạng lưới điện nếu điện gió chiếm một tỷ lệ quan trọng. Những người khác lo ngại sự phát triển nhiều trại gió có ảnh hưởng đến môi trường, khung cảnh tự nhiên và nguy hại cho động vật hoang dã đặc biệt là loài chim. Theo cơ quan bảo vệ thiên nhiên Hoa Kỳ, mỗi năm có từ 10,000 đến 40,000 con chim chết vì đụng các cánh quạt gió. Tuy nhiên theo nghiên cứu, số chim bị nạn vì quạt gió còn thấp hơn số chim chết vì ảnh hưởng của việc sử dụng những nguồn năng lực không sạch khác. Cuối cùng thì mọi người đều phải nhìn nhận rằng với nguồn nhiên liệu khai thác từ các mỏ ngày một cạn dần và hậu quả tác hại của khí carbonic gia tăng trong sự phát triển kỹ nghệ, giá trị của nguồn năng lượng sạch và phong phú như gió được khai thác sử dụng đúng mức là hợp lý và hết sức cần thiết.Hà Tường Cát/Người Việt
No comments:
Post a Comment