Một góc nhìn khác về năng lượng tái tạo

Phát triển năng lượng tái tạo: Việt Nam cần giải pháp đột phá
Tham nhũng và chính sách năng lượng tái tạo
Tổng quan năng lượng tái tạo toàn cầu và vấn đề đặt ra
Chưa có gì để thay thế nhiệt điện than trên toàn cầu
Vì sao điện gió chưa thể thay thế nhiệt điện than?

DƯƠNG CHÍ NHÂN

1/ Năng lượng mặt trời: Chi phí đầu tư vẫn còn quá cao do hiệu năng thấp nên không thật sự hiệu quả về mặt kinh tế lẫn môi trường, vì trong quá trình sản xuất và xử lý sau sử dụng của tấm pin mặt trời cùng những thiết bị kèm theo thường thải ra rất nhiều chất độc hại.

Hơn nữa, nước ta thuộc vùng khí hậu có mưa nhiều, độ ẩm cao nên chi phí đầu tư vào hạ tầng, vận hành và bảo trì cao hơn rất nhiều so với các vùng hoang mạc, hay sa mạc. Do đó, cần phải khảo sát thẩm định thật kỹ khi đầu tư vào công nghệ này.

2/ Năng lượng sinh khối (Biomas): Khá đa dạng về phế phẩm sinh học, nhưng bị phân tán và thay đổi theo mùa nên khó đáp ứng nguồn nguyên liệu để vận hành hiệu quả một nhà máy lớn. Xử lý tại chỗ theo hộ gia đình cũng không hiệu quả về mặt kinh tế và đôi khi phải trả giá rất đắt.

Khí sinh học (Biogas) là một ví dụ. Không thể phủ nhận những giá trị nó mang lại về mặt môi trường. Tuy nhiên, nếu làm theo đúng tiêu chuẩn thì chi phí ban đầu quá cao so với thu nhập của đa số người dân.

Mặt khác, làm theo phong trào với những "sáng kiến cải tiến" để tiết kiệm chi phí thì không khác gì đặt một "quả bom khí độc" trong nhà. Khí metan dễ bị rò rỉ và ảnh hưởng đến sức khỏe của người sử dụng mà họ không hề hay biết. "Sáng kiến" chứa khí metan bằng túi nilon giúp giảm giá thành đáng kể, nhưng rất nguy hiểm.

Một lần về quê, tôi nhìn thấy các túi khí căn phồng treo dưới mái các chuồng nuôi heo, nêu thắc mắc thì chủ nhà vừa hút thuốc vừa tươi cười cho biết đó là túi chứa khí từ hầm biogas dẫn lên mà giật mình. Chỉ một sơ suất nhỏ là bán heo thui không kịp. Những hầm biogas được xây dựng theo tiêu chuẩn "mắt nhìn, tay trét" của những thợ hồ đã được "tham gia lớp tập huấn" sau vài năm sử dụng không khác gì những quả bom nổ chậm. Cần phải cảnh báo và kiểm soát việc này ngay, vì cái giá phải trả khi xảy ra sự cố rất lớn. Vụ nổ khí bồn cầu ở Bình Dương là một minh chứng về sự nguy hiểm của các vụ nổ khí ga.

3/ Năng lượng địa nhiệt: Vẫn còn mang tính thử nghiệm vì phải áp dụng những công nghệ hiện đại với nguồn vốn đầu tư rất lớn. Do phải khoan sâu vào lòng đất nên mức độ rủi ro rất cao... chưa phải lúc nghiên cứu áp dụng vào nước ta. Do đó, khai thác năng lượng tái tạo khả thi nhất hiện nay là năng lượng gió, năng lượng dòng chảy thủy triều và năng lượng sóng biển. Cả ba dạng năng lượng này nước ta đều có thừa.

4/ Năng lượng gió: Mục tiêu chính đáng của bất kỳ ai khi đầu tư nghiên cứu, sản xuất, kinh doanh vẫn là lợi nhuận, tồn tại và phát triển. Và các tập đoàn tiên phong về năng lượng tái tạo trên thế giới rất khôn khéo làm chủ cuộc chơi trong việc cung ứng các thiết bị khai thác năng lượng. Họ áp dụng nhiều công nghệ phức tạp mà chỉ có họ mới làm được, dựa theo nền tảng tua bin trục ngang có hiệu năng khá cao trên lý thuyết, nhưng thực tế lại rất thấp vì áp dụng không đúng cách.

Tuy nhiên, do chưa có giải pháp khả thi hơn để thay thế nên mặc nhiên cho tới nay nó vẫn được thừa nhận là giải pháp tốt nhất. Mặt khác, các tập đoàn trên cũng mất rất nhiều thời gian, tiền của và công sức mới có được thành quả như ngày hôm nay nên họ không dễ từ bỏ để đi theo hướng khác. Do đó, các trụ tua bin gió ngày càng cao hơn, cánh dài hơn, công suất khai thác lớn hơn… nhưng với hiệu năng thấp hơn. Và chúng ta phải trả nhiều chi phí hơn cho việc đánh đổi hiệu năng để tăng công suất đó. Vì, tuy có vẻ đơn giản, nhưng chúng ta không thể tham gia vào bất kỳ phân đoạn nào từ sản xuất, vận chuyển, lắp đặt, đến bảo trì… với những thiết bị được làm từ những siêu vật liệu, siêu trường, siêu trọng đó.

Quả bóng bay không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ của gió tác động vào nó. Trong khi đó các cánh tua bin gió trục ngang chuyển động vuông góc với nguồn tác động. Nhưng khi hoạt động đạt tới công suất thiết kế thì phần lớn biên ngoài của cánh tua bin lại di chuyển nhanh hơn hẳn tốc độ của nguồn tác động.

Ví dụ, các tua bin gió hiện nay thường được thiết kế khởi động ở tốc độ gió từ 3m/s đến 5m/s, đạt công suất tối đa ở tốc độ gió từ 11m/s đến 13m/s, tốc độ gió giới hạn khoảng 25m/s.

Tua bin gió được lắp đặt ở Bình Thuận có đường kính rôto 77m khi đạt tới chu kỳ khoảng 6 vòng một phút, tương đương với quay một vòng mất khoảng 10 giây thì biên ngoài cánh tua bin di chuyển với vận tốc là 77m x 3,14 : 10s = 24,178 m/s.

Bí quyết công nghệ nào giúp cho tua bin đạt được hiệu năng tốt như vậy? Chẳng có bí quyết nào cả. Chỉ là động năng do phần cánh gần trục rôto hấp thu được làm nó chuyển động nên ép phần biên ngoài của cánh chuyển động nhanh hơn. Hay chính xác hơn, khi đạt tới chu kỳ quay nào đó, phần biên ngoài của các cánh tua bin không còn tạo ra động năng có ích mà chỉ giữ vai trò như một bánh đà, và tiêu hao một phần năng lượng do lực cản của không khí. Cánh tua bin càng dài càng nhanh đạt tới "nghịch lý" này. Do đó, phần biên ngoài của cánh luôn được thiết kế có diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với phần cánh gần trục rôto.

Trong thực tế, cánh của tua bin gió trục ngang mặc dù có "diện tích hoạt động" rất lớn (các nhà sản xuất thường đánh tráo khái niệm này là "diện tích đón gió" và đa số các nhà nghiên cứu đều chấp nhận như vậy). Một "nhầm lẫn" đáng tiếc. Nhưng chỉ có phần gió tác động vào cánh tua bin mới sinh ra một phần động năng làm quay tua bin để phát ra điện, phần còn lại là lực ứng suất chẳng những không có ích mà còn chực chờ bẻ gãy cánh tua bin, hoặc đẩy cả hệ thống cuốn theo chiều gió. Tổng diện tích cánh đón gió của tua bin chỉ chiếm khoảng vài phần trăm so với diện tích hoạt động của nó, cánh tua bin càng dài, tỉ lệ này càng nhỏ hơn. Khoảng trống mênh mông hơn 90% diện tích còn lại giữa các cánh tua bin là… đường rong chơi của gió.

Hơn nữa: "Sự biến đổi mức năng lượng có trong gió, thủy triều và sóng biển thường vượt quá khả năng hoạt động của máy phát điện lên đến hàng chục lần. Khi tốc độ tăng gấp đôi, mức năng lượng của gió tăng gấp 8 lần. Mức năng lượng của sóng biển tăng khoảng 100 lần trong gió bão so với lúc bình thường… Do đó, các thiết bị khai thác năng lượng chỉ có thể hoạt động hiệu quả trong một giới hạn hẹp so với biên độ mức năng lượng có trong sóng, gió hoặc thủy triều. Bộ phận điều tiết mức độ hấp thu năng lượng giúp thiết bị khai thác có thể hoạt động với nhiều mức tác động khác nhau bằng cách làm giảm sự tác động khi mức năng lượng của nguồn tác động tăng mạnh, nghĩa là nó chỉ giúp thiết bị hoạt động ổn định ở mức năng lượng thấp".

Ví dụ, nếu tốc độ gió tăng lần lượt từ 3m/s lên 6m/s, 12m/s và 24m/s thì mức năng lượng của gió tăng lên tương ứng là 8,64 và 512 lần. Sự biến thiên mức năng lượng của gió đi qua tua bin là hơn 512 lần, nhưng tua bin đạt công suất tối đa chỉ ở mức năng lượng tác động gấp khoảng 60 đến 80 lần so với mức năng lượng giúp nó khởi động. Như vậy, mặc dù các nhà sản xuất luôn tìm cách để tăng công suất khai thác, nhưng vì nhiều lý do khác nhau nên hầu hết các thiết bị khai thác năng lượng tái tạo theo kiểu rôto hiện nay đều chỉ khai thác ở "mức năng lượng thấp" của nguồn tác động.

Việc xác định hiệu năng của các tua bin gió trục ngang thật sự rất mơ hồ, vì ở mỗi tốc độ gió khác nhau sẽ có hiệu năng khác nhau. Tuy nhiên, làm cho các tua bin có cánh dài vài chục mét đạt hiệu suất khai thác từ 10% trở lên là điều không tưởng, đạt tới giới hạn Betz là ảo tưởng. Chỉ những tua bin có cánh ngắn hoạt động ở điều kiện lý tưởng mới có thể đạt tới hiệu suất giới hạn đó. Cánh ngắn nên tỉ lệ diện tích đón gió so với diện tích hoạt động lớn hơn. Tua bin quay rất nhanh và hình thành một "vòng xoáy" ngay tại quỹ đạo hoạt động của các cánh tua bin. Khi đó gần như toàn bộ các phần tử gió đi tới tua bin đều cộng hưởng vào "vòng xoáy" và tác động lên cánh tua bin rồi mới thoát ra phía sau. Có lẽ vì vậy mà người ta mặc định diện tích hoạt động của cánh tua bin là diện tích đón gió?

Tuy nhiên, chu kỳ quay giảm dần theo độ dài của cánh tua bin, hoặc khi mức năng lượng tác động giảm xuống. Khi đó "vòng xoáy" cũng yếu hơn và lùi nhẹ về phía sau cánh tua bin. Những khoảng trống xuất hiện. Nhiều phần tử gió dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động lên cánh tua bin, mặc dù nó vẫn có thể bị cuốn vào "vòng xoáy". Khi chu kỳ quay còn khoảng vài chục vòng một phút, "vòng xoáy" gần như biến mất, chỉ còn sự chuyển động hỗn loạn của không khí phía sau cánh tua bin.

Vậy, người ta cố kéo dài cánh tua bin để làm gì? Có nhiều mục đích khác nhau như "giúp tua bin vươn cao hơn để đón gió mạnh hơn", "diện tích đón gió lớn hơn"? Nhưng ít người biết rằng, nó chủ yếu để giúp tua bin có công suất lớn hơn vẫn có thể hoạt động ở tốc độ gió yếu (dựa theo nguyên lý cánh tay đòn). Tuy không tạo ra nhiều năng lượng, nhưng đủ để giúp mọi người cảm thấy… yên tâm hơn.     

Nhưng rõ ràng các tua bin gió có đường kính rôto lớn hơn luôn có công suất lớn hơn? Vì tua bin gió có đường kính rôto lớn hơn luôn có diện tích cánh đón gió lớn hơn so với tua bin gió có đường kính rôto nhỏ hơn. Nhất là phần cánh gần trục rôto. 

Vậy tại sao không tăng công suất tua bin bằng cách tăng diện tích phần cánh gần trục rôto? hoặc tăng số lượng cánh và vẫn giữ nguyên độ dài? Vì làm như vậy thì trọng lượng cánh tua bin tăng lên rất nhiều, công suất máy phát lớn hơn đòi hỏi mômen khởi động lớn hơn, nên tua bin không thể hoạt động ở tốc độ gió yếu.

Một vấn đề khác là tua bin trục ngang không thể tự hướng về nguồn tác động mà phải sử dụng thiết bị định hướng nên yêu cầu nguồn gió phải sạch, không có gió quẩn, gió rối do vật cản gây ra... Do đó, các tua bin gió phải đặt xa nhau để tránh ảnh hưởng lẫn nhau khi hoạt động làm cho trang trại điện gió chiếm dụng rất nhiều diện tích. Việc khảo sát lắp đặt phải được tính toán kỹ, chỉ một sai sót là hiệu quả đạt được rất thấp.

Do đó khi đầu tư khai thác bằng công nghệ này, các nhà đầu tư đừng để bị các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất đánh lừa, điều cần quan tâm là công suất thực của tua bin khi hoạt động tại vùng gió được lắp đặt.

5/ Năng lượng dòng chảy thủy triều và dòng chảy đại dương: Việc áp dụng tua bin trục ngang vào khai thác nguồn năng lượng này là lựa chọn không khả thi. Lực ứng suất quá lớn khiến tua bin khó tồn tại lâu dưới sức ép khủng khiếp của nước. Đẩy chi phí sản xuất và bảo trì lên cao nên không cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác. Do đó, cho đến nay nguồn năng lượng này cũng chỉ được xếp vào dạng "tiềm năng", mặc dù xét về nhiều khía cạnh nó có nhiều ưu điểm hơn năng lượng gió.

Vậy còn tua bin trục đứng? Nhiều nhà nghiên cứu cũng nghi ngờ hiệu năng thật sự của các tua bin gió trục ngang, nên đã bỏ công sức nghiên cứu để hoàn thiện hơn tua bin trục đứng. Nhiều sáng chế đã được cấp bằng như "Thiết bị khai thác năng lượng gió theo nguyên lý cản cánh buồm" của tác giả Phạm Phú Uynh. Hay "Tua bin gió có hai bộ cánh cấu tạo bởi các cánh buồm" của tác giả Lại Bá Ất…Tôi không phân tích về tính khả thi của các sáng chế này. Nhưng chúng ta cần phải chấp nhận một thực tế là tua bin trục đứng dạng cơ bản (sử dụng một rôto có các cánh cố định), dù có đạt tới sự hoàn thiện nhất thì ở quy mô nhỏ hiệu năng của nó vẫn thấp hơn nhiều so với tua bin trục ngang có cùng diện tích hoạt động. Ở quy mô lớn lại khó tồn tại trong mưa bão vì chưa có cơ chế bảo vệ thích hợp.

Tuy nhiên, đừng vội loại nó ra khỏi cuộc chơi. Vì đây có thể là công nghệ khai thác năng lượng tái tạo chủ yếu trong tương lai nếu nó được đặt vào đúng vị trí cần thiết. Và đề tài "Phát điện bằng dòng hải lưu với Trống Quay" của kỹ sư Doãn Mạnh Dũng tuy còn nhiều vấn đề cần phải bàn thêm nhưng là một ý tưởng sáng tạo (Tham khảo tại đây: http://kinhtebien.vn/index.php?option=com_content&view=article&id=1019:in-hi-lu-ngun-nng-lng-chinh-ca-vit-nam-trong-tng-lai&catid=125:in-hi-lu&Itemid=27 ).

6/ Năng lượng sóng biển: Trích từ http://trithucvn.net/khoa-hoc/nang-luong-tu-song-bien-hieu-nang-co-gap-100-lan-nang-luong-mat-troi.html. "Năng lượng sóng biển: hiệu năng có thể gấp 100 lần năng lượng mặt trời". Tuy nhiên, "Có đến hơn 1.000 thiết kế các bộ chuyển đổi năng lượng từ sóng biển" - Reza Alam - một nhà nghiên cứu về năng lượng sóng tại Đại học Berkeley, California, Hoa Kỳ cho biết. Ted Brekken, một nhà nghiên cứu các hệ thống năng lượng tại Đại học bang Oregon bổ sung thêm: "Thực tế là chúng ta chưa có một mô hình công nghệ nào chiếm ưu thế. Có thể là sẽ không có mô hình nào như vậy".

Bao nhiêu đó cũng đủ thấy sự khó khăn khi khai thác nguồn năng lượng này. Dòng chảy thủy triều có tốc độ chậm và khá ổn định về hướng chuyển động, nhưng với động năng khá lớn (hơn khoảng 830 lần so với gió nếu ở cùng tốc độ) đã đủ khiến các nhà nghiên cứu đau đầu. Nên sóng biển là "khúc xương" khó nuốt nhất, vì đó là nơi hội tụ đầy đủ các yếu tố "năng lượng có sức mạnh hủy diệt" như gió, sóng biển, dòng chảy. Và các "yếu tố khó chịu" khác như sự thay đổi của mực nước theo thủy triều, sự ăn mòn của nước biển…

Thiết bị khai thác năng lượng sóng biển hình rắn Pelamis tuy rất ấn tượng vì sự táo bạo về ý tưởng và khả năng đầu tư để biến ý tưởng đó thành sự thật. Nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi được đặt ra, ví dụ như tất cả các thiết bị đều nằm trong "mình con rắn" và "lắc lư" từ ngày này qua ngày khác ở môi trường rất khắc nghiệt thì thời gian hoạt động được bao lâu?

Tôi có tra cứu một số đề tài về năng lượng sóng biển tại cơ sở dữ liệu của các cơ quan sáng chế trên thế giới để dẫn chứng và hoàn thiện đề tài "thiết bị khai thác năng lượng sóng biển" của mình, nhờ đó tôi đã học hỏi thêm được rất nhiều. Nhưng do đa dạng về kiểu dáng và vì có quá nhiều yếu tố tác động, do đó việc phân tích các mặt mạnh, yếu của các đề tài rất dài dòng, nên xin được bỏ qua. Tuy nhiên, có thể thấy đa số các sáng chế đều bỏ qua, hoặc đề cập rất sơ sài đến "yếu tố khó chịu" là sự thay đổi của mực nước theo thủy triều, nên không khả thi khi áp dụng vào thực tế. Số ít hơn có giải pháp khắc phục thì khá phức tạp, cần phải thử nghiệm thực tế mới biết chính xác tính khả thi của nó.

Tuy nhiên, tiềm năng của năng lượng sóng biển rất lớn, luôn đủ sức hấp dẫn các nhà nghiên cứu. Nên đừng vội khẳng định điều gì vì nó sẽ không còn chính xác trong tương lai - nhất là về công nghệ.

Như vậy, có thể tạm kết luận là hiện nay, chúng ta chỉ mới khai thác được một phần rất nhỏ các nguồn năng lượng tái tạo. Ở mức năng lượng thấp của nguồn tác động với "công nghệ" có hiệu năng rất thấp. Một sự thật khó tin và đáng suy ngẫm.

Tuy nhiên, tin vui là qua đó cho thấy tiềm năng của năng lượng tái tạo rất lớn. Có thể thay thế hoàn toàn năng lượng hóa thạch nếu có đột phá về công nghệ khai thác, công nghệ lưu trữ năng lượng và sự điều phối hợp lý các nguồn năng lượng với nhau. Đây là cơ hội rất lớn dành cho tất cả mọi người.

TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM