Cuộc Đua Xây Dựng Công Viên Năng Lượng Gió Nổi Trên Biển Mở

Các nhà sản xuất của các tuabin gió đã, trong nhiều thập kỷ qua, nỗ lực khai thác một trong những lực lượng mạnh mẽ nhất của tự nhiên. Họ đã di chuyển từ các địa điểm trên cạn sang các khu vực ngoài khơi, xây dựng các cánh quạt càng ngày càng lớn với các lưỡi cánh khổng lồ, mỗi lưỡi cánh dài hơn cả một hàng gồm 10 chiếc xe buýt London. Và họ đã xếp các cánh quạt đó lên các tháp cao vút, liên tục vươn lên những đỉnh cao mới, nơi gió thổi mạnh mẽ.

Trong cuộc hành trình không ngừng để bắt giữ được những cơn gió năng lượng mạnh mẽ nhất, các kỹ sư đang di chuyển xa hơn ra khơi biển, đến các vùng nước sâu nơi gió thổi mạnh đặc biệt. Đối với các tuabin gió ngoài khơi - với các nền móng cố định chỉ có thể kéo dài xuống 60 mét - những khu vực như vậy đã lâu đã bị cấm. Nhưng một thế hệ mới của các máy móc nổi có vẻ sẽ thay đổi điều đó.

Tiềm năng lớn lao. Theo tổ chức ngành công nghiệp Wind Europe, 80% tài nguyên gió ngoài khơi ở vùng nước châu Âu nằm ở những nơi quá sâu, khiến cho việc sử dụng tuabin gió cố định ngày nay trở thành một lựa chọn kinh tế hợp lý. Nước sâu cũng đã ngăn cản việc lắp đặt các công viên năng lượng gió ngoài khơi lớn tại bờ biển phía tây của Hoa Kỳ, ví dụ.

Các tuabin nổi có thể mở ra những khu vực rộng lớn của đại dương để tạo điện. Nhưng các thiết kế tuabin nổi khác nhau đang cạnh tranh về chi phí và hiệu suất. Đã đến lúc bắt đầu tìm kiếm người chiến thắng, khi hàng tỷ đô la đang được đầu tư vào ngành công nghiệp năng lượng gió nổi ngoài khơi và chiến tranh tại Ukraine có thể đẩy nhanh việc chuyển từ nhiên liệu hóa thạch.

Cũng có áp lực bổ sung vì mặc dù lắp đặt tuabin gió ngoài khơi năm 2021 lập kỷ lục, ngành công nghiệp vẫn chưa đạt đủ mức cần thiết để hạn chế biến đổi khí hậu, theo báo cáo mới từ Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC).

Hội đồng khẳng định rằng năng lượng gió nổi là “một trong những yếu tố thay đổi trò chơi chính” trong ngành công nghiệp. Tuy nhiên, những thách thức kỹ thuật đặc biệt của việc đặt tuabin gió trên các nền tảng nổi, nơi chúng phải đối mặt với sức mạnh tự nhiên của biển động và thời tiết không thể dự đoán, đã khích lệ ra nhiều giải pháp tiềm năng đa dạng.

Như Công ty Wind Catching Systems (WCS) của Na Uy. Nhân viên ở đó đã dành năm năm làm việc trên thiết kế của họ cho một khung hình bánh waffle khổng lồ được trang trí bằng không ít hơn 126 tuabin gió bốn cánh - giống như một bộ Connect 4 khổng lồ được trang bị các lưỡi cánh quay. Toàn bộ cấu trúc này, cao như Tháp Eiffel, sẽ đứng trên một nền tảng nổi, tương tự như những cái được sử dụng bởi các giàn khoan dầu.

Na Uy dự định lắp đặt 30 GW năng lượng gió ngoài khơi vào năm 2040. Điều đó sẽ cần từ 1,500 đến 2,000 nền tảng nổi nếu mỗi nền tảng mang một tuabin kiểu truyền thống. “Chúng tôi có thể làm điều đó với 400,” Ole Heggheim, CEO của WCS nói. Và mặc dù 126 tuabin trong thiết kế của WCS chỉ có công suất 1 MW mỗi chiếc, chúng được đặt cách nhau rất gần nhau đến nỗi thực sự giúp nhau cung cấp điện lực.

“Đó là một lợi ích thêm từ sự hỗn loạn mà bạn nhận được từ việc đặt các tuabin này cùng nhau; đó giống như một tương hỗ,” Heggheim nói. Trong các hệ thống đa cánh nén chặt, khoảng trống giữa các tuabin cho phép không khí lưu thông dễ dàng qua chúng, từ đó giúp kéo thêm không khí qua các cánh quạt chính.

Giữa các ưu điểm khác của thiết kế này, ông thêm vào rằng việc kết nối các nền tảng nổi đa cánh sẽ yêu cầu ít dây cáp hơn. Mỗi tuabin nổi riêng biệt đều cần một dây cáp của riêng nó, cũng như dây neo để giữ chúng ở vị trí.

Các công ty khác đang tiếp tục với tuabin có vẻ ngoài quen thuộc hơn, mặc dù có nhiều thiết kế khác nhau cho các nền tảng nổi sẽ hỗ trợ chúng trên biển. Ví dụ, Equinor xây dựng công viên năng lượng gió nổi thương mại đầu tiên trên thế giới ngoài khơi bờ biển Scotland và đặt các tuabin ở đó - tất cả là năm chiếc - trên các hình trụ có tên gọi là spars.

Bây giờ công ty đang có kế hoạch xây dựng một trang trại gió nổi lớn hơn nhiều với công suất 1 GW ngoài khơi bờ biển Na Uy, và nó dự định sử dụng một loại nền tảng khác gọi là Wind Semi. Nền tảng này trông giống như một tam giác phẳng nổi trên mặt nước, với một tuabin đặt trên một góc.

Điều này chỉ là khởi đầu. Một người phát ngôn cho Wind Europe giải thích rằng công suất hiện tại của vài trang trại gió nổi đầu tiên ở châu Âu (113 MW) dự kiến sẽ tăng gấp ba chỉ trong hai năm. Đến năm 2030, bạn có thể mong đợi thấy 10 GW được lắp đặt xung quanh lục địa - gần 100 lần công suất hiện tại và đủ để cung cấp năng lượng cho khoảng 10 triệu ngôi nhà. Ở Mỹ, một công ty đã đề xuất xây dựng một trang trại gió nổi có công suất lên đến 2 GW ngoài khơi bờ Tây.

“Chúng ta đang bước vào một thời đại mới,” Seamus Garvey tại Đại học Nottingham nói, người đã thiết kế một loại tuabin gió nổi khác gọi là TetraFloat. Nó trông giống như một hình chóp tam giác nghiêng về một bên, với một cánh quạt ở đỉnh.

Nhưng hiện tại có quá nhiều thiết kế cạnh tranh, ông nói: “Một loạt các giải pháp không nhất thiết là con đường tốt để giảm chi phí.” Ông gợi ý rằng các khái niệm dựa vào ít thép càng ít càng có cơ hội thành công tốt nhất.

Khi công nghệ này phát triển, ông ta nói rằng chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của các tuabin gió nổi có khả năng 'body yawing'. Đó là các tuabin gió có khả năng quay trên mặt biển để tự định hướng tốt hơn và bắt gặp toàn bộ sức mạnh của gió. Tuabin trên đất liền và ngoài khơi hiện có thể quay cơ cấu máy ở đỉnh tháp của họ, phần vỏ bọc máy, để thực hiện điều này. Nhưng nếu bạn muốn giảm đáng kể chi phí của một tuabin nổi, bạn có thể sẽ phải chuyển sang các thiết kế thay thế yêu cầu ít thép hơn. Sau đó, bạn có thể loại bỏ cơ chế quay phần vỏ bọc máy và có một tuabin đơn giản, rẻ tiền để xây dựng trong đó toàn bộ cấu trúc quay để đối mặt với gió thay vì.

“Đối với tôi không rõ loại thiết kế nào sẽ chiến thắng,” Alasdair McDonald tại Đại học Edinburgh nói, nói chung đề cập đến các thiết kế nổi đang nổi lên.

Độ bền sẽ là yếu tố quan trọng, tuy nhiên, nếu các tuabin gió nổi muốn tồn tại trong những vùng nước náo loạn hiện đang dành cho họ. “Đó là những nơi cực kỳ đối đầu,” McDonald nói. “Bạn đang cố gắng kỹ thuật chống lại những thách thức của Chúa, gần như.”

Nhờ vào điều này, có thể sẽ không thể truy cập các tuabin gió nổi cho các công việc bảo dưỡng thường xuyên hoặc dễ dàng như với máy cố định ở đáy biển. Ở một số trường hợp, các công ty sẽ phải kéo tuabin của họ đến một cảng để tiến hành sửa chữa.

Và sau đó là việc cáp. Có lẽ sẽ dài hơn, lớn hơn và đi sâu hơn so với cáp cho các trang trại điện gió ngoài khơi hiện tại. Các dây cáp nặng nề cũng sẽ phải đủ mạnh để yêu cầu ít bảo dưỡng nhất có thể trong suốt thời gian tồn tại của chúng. Tất cả điều này là 'thực sự khó khăn', McDonald nói.

Giả định rằng tất cả các rào cản kỹ thuật có thể được vượt qua, vẫn còn câu hỏi về cách các cài đặt ngoài khơi khổng lồ này sẽ ảnh hưởng đến động vật hoang dã và hệ sinh thái đại dương. Một nghiên cứu, được công bố vào tháng Tư, xem xét các rủi ro có thể đối với đời sống biển từ các trang trại gió nổi gần tương lai. Trong số những rủi ro đó là khả năng động vật bị mắc kẹt trong dây cáp hoặc chim chết khi va chạm với các rotor quay nhanh, một vấn đề đã biết đến đối với một số trang trại gió trên đất liền và ngoài khơi.

“Mặc dù tôi nghĩ, đúng vậy, chúng ta nên tiến nhanh, nhưng chúng ta phải suy nghĩ cẩn thận về cách chúng ta làm điều đó,” nhà nghiên cứu chính Sara Maxwell tại Đại học Washington nói.

Cô và các tác giả cộng tác ước tính rằng bị mắc kẹt trong cáp sẽ không phải là một vấn đề lớn, chủ yếu do đường kính lớn của các cáp dự kiến sẽ kết nối những cấu trúc này ngoài biển. Nhưng các tác giả đánh giá rủi ro va chạm với tàu cài đặt và bảo trì các trang trại gió là 'cao' và rủi ro chim va vào turbine là 'trung bình'. Mặt khác, việc lắp ráp tuabin gió nổi nên yên tĩnh hơn nhiều so với việc lắp đặt máy cố định ở ngoài khơi, và do đó có thể ít làm phiền đến động vật biển, vì việc đóng cọc cho các nền móng sẽ không còn được yêu cầu nữa.

Cuối cùng, công nghệ này còn quá mới mẻ nên không ai chắc chắn về các tác động nó sẽ gây ra đối với động vật hoang dã, theo Maxwell. Nhưng cô ấy khuyến nghị việc theo dõi một cách tỉ mỉ các trang trại gió nổi mới để thu thập dữ liệu về tác động sinh thái của chúng.

Không ai nghi ngờ rằng hàng nghìn tuabin gió nổi đang trên đường đến. Kinh tế của năng lượng tái tạo vượt mong đợi đã chắc chắn điều đó. Nhưng vẫn còn rất nhiều 'câu hỏi mở' về cách thức hoạt động và quản lý các trang trại gió nổi chính xác sẽ hoạt động như thế nào, McDonald nói. Cuộc đua đang diễn ra để trả lời những câu hỏi đó — và nhanh chóng.