Tìm hiểu về năng lượng thuỷ triều

Năng lượng thuỷ triều là gì?

Năng lượng thủy triều là một dạng năng lượng được tạo ra bởi sự lên xuống tự nhiên của thủy triều gây ra bởi tương tác hấp dẫn giữa Trái đất, mặt trời và mặt trăng. Các dòng thủy triều có đủ năng lượng để thu hoạch xảy ra khi nước đi qua một chỗ thắt lại, làm cho nước di chuyển nhanh hơn. Sử dụng máy phát điện được thiết kế đặc biệt ở những vị trí thích hợp, năng lượng thủy triều có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng hữu ích, bao gồm cả điện năng. Các dạng năng lượng khác cũng có thể được tạo ra từ đại dương, bao gồm sóng, các dòng hải lưu và sự khác biệt về nhiệt độ và độ mặn trong nước biển.

Các vị trí thích hợp để thu nhận năng lượng thủy triều bao gồm những nơi có sự khác biệt lớn về biên độ thủy triều và nơi các kênh thủy triều và đường nước trở nên nhỏ hơn và dòng chảy thủy triều trở nên mạnh hơn.

Biên độ thuỷ triều là sự khác biệt giữa thủy triều lên và thủy triều xuống.

Các nhà nghiên cứu nhận ra tiềm năng rộng lớn của đại dương để sản xuất năng lượng tái tạo, đáng tin cậy cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Văn phòng Công nghệ Điện nước của Bộ Năng lượng (DOE) Hoa Kỳ ước tính rằng năng lượng từ sóng, thủy triều và dòng hải lưu có tiềm năng tổng hợp để tạo ra đủ điện để cung cấp năng lượng cho hàng triệu ngôi nhà.

Vì nước đặc hơn không khí nên năng lượng thủy triều mạnh hơn năng lượng gió, tạo ra công suất lớn hơn theo cấp số nhân ở cùng đường kính tuabin và tốc độ rotor.

• Cấu tạo tuabin điện gió hiện đại

Năng lượng thủy triều cũng dễ dự đoán và nhất quán hơn so với năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời, cả hai đều không liên tục và ít dự đoán hơn. Điều này làm cho năng lượng thủy triều trở thành một nguồn năng lượng tái tạo hấp dẫn để phát triển. Thách thức là làm cho khai thác năng lượng thuỷ triều khả thi về mặt thương mại trong việc thu nhận và chuyển đổi năng lượng thành điện năng sử dụng trên quy mô lớn, cũng như tìm ra cách sử dụng năng lượng thủy triều nơi chi phí ít ảnh hưởng hơn so với điện lưới quốc gia.

Để khai thác triệt để năng lượng thủy triều như một nguồn năng lượng sạch và liên tục, điều quan trọng là các nhà nghiên cứu phải khám phá các cách hỗ trợ phát triển các công nghệ, phương pháp làm tăng khả năng ứng dụng thương mại rộng rãi. Ngành công nghiệp này phần lớn chỉ mới nổi, với những rào cản phức tạp cần vượt qua trước khi có thể phát triển bền vững.

Lịch sử phát triển của năng lượng thuỷ triều

Người dân ở châu Âu lần đầu tiên sử dụng năng lượng thủy triều để vận hành các nhà máy ngũ cốc cách đây hơn 1.000 năm. Nước thủy triều đến được giữ lại trong các ao chứa và sự chuyển động của thủy triều ra ngoài được sử dụng để quay guồng nước để nghiền ngũ cốc. Quy trình sử dụng nước chảy và tuabin quay để tạo ra điện đã được giới thiệu vào thế kỷ 19.

Những nỗ lực ban đầu đối với các nhà máy điện thủy triều đã kết hợp phương pháp đập giống như đập thuỷ điện. Tuy nhiên, điều này cuối cùng vẫn không phải là trọng tâm của ngành công nghiệp.

Bốn nghiên cứu khả thi ban đầu cho các nhà máy điện thủy triều quy mô lớn đã được tiến hành ở Hoa Kỳ và Canada từ năm 1924 đến năm 1977. Tất cả đều tập trung vào các vị trí địa lý cụ thể xung quanh khu vực biên giới giữa Maine và Canada. Mặc dù các kết luận khác nhau về tính khả thi về kinh tế, nhưng chúng không mang lại tiến bộ đáng kể.

Một đập thủy triều lớn được xây dựng ở La Rance, Pháp vào năm 1966 và vẫn hoạt động cho đến ngày nay với công suất phát điện 240 megawatt (MW), lớn nhất thế giới cho đến năm 2011, khi một tổ máy với công suất 254 MW được khai trương tại Hàn Quốc.

Trung tâm Năng lượng Biển Châu Âu, được thành lập vào năm 2003, là cơ sở lớn nhất thế giới để thử nghiệm các công nghệ sóng và thủy triều trong điều kiện biển thực tế. Cơ sở này có các địa điểm thử nghiệm được nối lưới điện cho các nguyên mẫu lớn hơn và các địa điểm thử nghiệm quy mô cho các thiết bị nhỏ hơn, đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc thử nghiệm nhiều thiết bị năng lượng thủy triều hơn bất kỳ địa điểm nào khác trên thế giới.

Tầm quan trọng & ứng dụng của năng lượng thủy triều

Năng lượng thủy triều thể hiện một cơ hội đáng kể để tăng công suất phát điện tái tạo của thế giới. Khi các quốc gia tiếp tục phát triển, dân số toàn cầu và sự phụ thuộc vào năng lượng ngày càng tăng, nhu cầu về hệ thống điện để cung cấp thêm các nguồn năng lượng sạch cũng tăng theo. Năng lượng thủy triều có khả năng cung cấp một phần đáng kể nhu cầu điện trong tương lai nếu các rào cản bao gồm độ bền của thiết bị, thách thức môi trường và hiệu quả chi phí trong ứng dụng thương mại có thể được giải quyết thành công.

Tuabin thủy triều có thể được lắp đặt ở những nơi có hoạt động thủy triều mạnh, tuabin có thể nổi hoặc được đặt dưới đáy biển, riêng lẻ hoặc theo mảng.

Tuabin thuỷ triều trông & hoạt động giống như tuabin gió, sử dụng các cánh quạt để quay rotor cung cấp năng lượng cho máy phát điện, nhưng lực phải mạnh mẽ hơn đáng kể do môi trường hoạt động ở dưới nước và còn bởi vì tuabin thủy triều nhỏ hơn nhiều so với tuabin gió lớn, nên cần nhiều tuabin hơn để sản xuất cùng một lượng năng lượng.

Các tuabin được đặt trong các dòng thủy triều mạnh, và các dây cáp dưới nước truyền vào lưới điện. Các hệ thống điện thủy triều có thể thu năng lượng tại các vị trí có vận tốc thủy triều cao tạo ra bởi sự biến đổi của đất liền, chẳng hạn như ở các eo biển hoặc cửa biển.

Khi đi vào hoạt động hoàn toàn, dự án MeyGen ở Scotland sẽ là trạm tạo dòng thủy triều lớn nhất thế giới, với công suất phát điện lên tới 398 MW.

Các sà lan thủy triều giống như những con đập được xây dựng trên các sông, vịnh và cửa sông có thủy triều để tạo thành một lưu vực thủy triều. Các tuabin bên trong đập cho phép lưu vực đầy khi thủy triều tới và giải phóng qua hệ thống khi thủy triều đi, tạo ra điện theo cả hai hướng.

Sà lan/đập thuỷ triều hoạt động giống như một con đập trên sông để thu năng lượng của nước xung quanh. Hai trong số các nhà máy điện thủy triều lớn nhất thế giới là xà lan ở Hàn Quốc và Pháp, với công suất phát điện lần lượt là 254 MW và 240 MW. Nhà máy lớn tiếp theo ở Canada có công suất phát điện thấp hơn nhiều ở mức 20 MW.

Các đầm phá thủy triều giống như xà lan trong việc sử dụng tường chắn nhân tạo để chứa một phần khối lượng lớn nước thủy triều đổ vào, bên trong là các tuabin thuỷ triều để thu năng lượng.

Các đầm phá thuỷ triều cũng dựa vào biên độ thủy triều lớn để tạo ra năng lượng. Không giống như xà lan, các đầm phá thủy triều có thể được đặt dọc theo bờ biển tự nhiên để phát điện liên tục khi thủy triều thay đổi và được thiết kế để giảm thiểu tác động đến môi trường.

Ứng dụng chủ yếu của năng lượng thủy triều là sản xuất điện để sử dụng trên bờ thông qua lưới điện quốc gia. Năng lượng thủy triều cũng có giá trị tiềm năng để phục vụ nhu cầu của các ngành công nghiệp đại dương hiện có hoặc mới nổi khác (ví dụ: nuôi trồng thủy sản, khai thác khoáng sản đại dương, nghiên cứu hải dương học hoặc các nhiệm vụ quân sự).

“Nền kinh tế xanh” được định nghĩa là việc sử dụng bền vững các nguồn tài nguyên đại dương để tăng trưởng kinh tế, cải thiện sinh kế và việc làm, đồng thời bảo tồn sức khỏe của các hệ sinh thái đại dương.

Lợi ích của năng lượng thuỷ triều

Năng lượng thủy triều là nguồn tài nguyên sạch, tái tạo, bền vững vẫn chưa được khai thác triệt để và là cơ hội đáng kể để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trên toàn cầu, cả hiện tại và trong tương lai.

Nước đặc hơn không khí hàng trăm lần, khiến năng lượng thủy triều mạnh hơn gió. Năng lượng thuỷ triều hiệu quả hơn năng lượng gió, năng lượng mặt trời do mật độ tương đối và không tạo ra khí nhà kính hoặc chất thải khác, làm cho năng lượng thuỷ triều trở thành nguồn năng lượng tái tạo hấp dẫn.

Khả năng dự đoán & cung cấp liên tục của thuỷ triều tốt hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió và mặt trời, vốn bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của khí quyển. Các chu kỳ triều thấp và triều cường rất dễ dự đoán và hiếm khi có những thay đổi bất ngờ.

Để nhận ra lợi ích của năng lượng thủy triều ở quy mô thương mại, điều quan trọng là các nhà nghiên cứu phải xác định các công nghệ và phương pháp mới giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt và bảo trì, giảm tác động môi trường và tăng tính phù hợp của nhiều địa điểm hơn. Có một vài dự án thủy triều đang hoạt động; tuy nhiên, ngành đang phát triển chậm lại do các rào cản gia nhập và thiếu chuỗi cung ứng.

Giới hạn của năng lượng thuỷ triều

Năng lượng thủy triều là một ngành công nghiệp vẫn còn hạn chế bởi một số rào cản đáng kể, trong đó chi phí là thách thức lớn nhất. Việc phát triển các thiết bị thủy triều và kết nối chúng với lưới điện đòi hỏi công việc chế tạo và kỹ thuật khá tốn kém. Mặc dù có rất nhiều công nghệ thủy triều đang được thử nghiệm có thể cải thiện chi phí, nhưng chưa có công nghệ nào nổi lên như một công ty dẫn đầu thị trường có thể giúp thiết lập chuỗi cung ứng và bắt đầu giảm chi phí lắp đặt và bảo trì.

Ngoài các hạn chế về chi phí và địa lý, cũng có mối quan tâm đáng kể về các tác động môi trường. Việc xây dựng và vận hành các mảng năng lượng thủy triều dựa trên các công trình khổng lồ dưới nước có thể làm thay đổi trường dòng chảy xung quanh và chất lượng nước, cũng như ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống biển và môi trường sống của chúng, có khả năng gây ra va chạm bởi động vật biển và cá với các cánh tua bin quay và ảnh hưởng đến việc di chuyển của động vật biển và giao tiếp với tiếng ồn dưới nước. Điều này có thể khiến một số loài nhạy cảm tránh xa các trường điện từ từ dây cáp điện hoặc thay đổi môi trường sống của chúng.