Dưới đại dương sâu thẳm, một nguồn năng lượng đang chờ đợi được khai thác, mở ra triển vọng về nguồn năng lượng vô tận

Một nguồn năng lượng ổn định, liên tục, không phụ thuộc vào gió hay mặt trời đang được thử nghiệm sâu dưới lòng đại dương. Điều này có thể là khởi đầu cho một thời kỳ mới về nguồn năng lượng tái tạo.

Bước đột phá mới trong lĩnh vực năng lượng xanh

Nhật Bản, một quốc gia cần nhiều điện và phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch, đang tiến hành thử nghiệm một hệ thống có thể cung cấp nguồn năng lượng tái tạo ổn định, liên tục, không phụ thuộc vào gió hay mặt trời.

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

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

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

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

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

Khai thác nguồn năng lượng từ biển

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

Nhật Bản là quốc gia sản xuất điện mặt trời lớn thứ ba trên thế giới và đang tập trung vào phát triển điện gió ngoài khơi. Tuy nhiên, việc khai thác các dòng hải lưu có thể cung cấp nguồn điện cần thiết để giảm nhu cầu lưu trữ năng lượng hoặc sử dụng nhiên liệu hoá thạch.

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

Yếu tố quan trọng đem lại hiệu suất cho tuabin là vị trí đặt ở nơi có dòng hải lưu đủ mạnh để tạo ra điện. Khu vực biển đặt tuabin cũng phải là nơi ít tàu thuyền để lắp đặt và bảo trì an toàn.

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

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

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

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

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

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

Orbital Marine Power có trụ sở tại Scotland là một trong những công ty đang phát triển hệ thống thủy triều xung quanh Orkney, nơi là Trung tâm Năng lượng Hàng hải Châu Âu. Các công ty khác bao gồm MeyGen của SIMEC Atlantis Energy và Aquantis có trụ sở tại California, dự kiến sẽ thử nghiệm hệ thống thủy triều ở đó vào năm tới.

Mặc dù dòng chảy thủy triều không chảy liên tục trong 24 giờ, nhưng chúng có thể mạnh hơn các dòng hải lưu sâu. Dòng hải lưu Kuroshio chảy với tốc độ 1 đến 1,5 mét/giây. Một số dòng thủy triều có tốc độ 3 mét/giây. McCrone nói: 'Vấn đề chính với tuabin dòng hải lưu là liệu chúng có thể tạo ra năng lượng từ các dòng chảy không quá mạnh hay không'.

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

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

Giấc mơ về nguồn năng lượng bền vững

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

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

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

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

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

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

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