Dự án nhiệt năng đại dương (OTEC) của Nhật Bản - Bước tiến quan trọng về công nghệ năng lượng biển

Cơ sở hạ tầng, chính sách phát triển thị trường hydrogen: Mô hình trung tâm và thương mại quốc tế Bài viết này phân tích toàn diện về cơ sở hạ tầng, chính sách phát triển thị trường hydrogen, với trọng tâm đặc biệt vào mô hình trung tâm hydrogen và cơ chế thương mại quốc tế. Thông qua phương pháp tiếp cận hệ thống, nghiên cứu đánh giá hiện trạng, xác định các thách thức then chốt và đề xuất khung giải pháp tổng thể để thúc đẩy phát triển bền vững ngành công nghiệp hydrogen.

Chuyển đổi nhiệt năng đại dương:

Chuyển đổi nhiệt năng đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion - OTEC) là một công nghệ năng lượng tái tạo sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước biển ấm ở bề mặt và nước biển lạnh ở tầng sâu để tạo ra điện. Về nguyên lý hoạt động, nhiệt năng từ ánh sáng mặt trời làm nóng bề mặt đại dương. Nước biển ấm này (khoảng 25-30°C) được bơm vào thiết bị bay hơi và hóa hơi một lưu chất có nhiệt độ sôi thấp (như amoniac), hơi này sẽ vận hành tua bin để phát điện. Sau đó, hơi chất lỏng sẽ được làm lạnh và ngưng tụ bằng nước biển lạnh (khoảng 5-7°C) bơm lên từ độ sâu khoảng 800-1.000 mét qua thiết bị ngưng tụ, và chu trình được lặp lại.

Công nghệ OTEC còn một quy trình ít được áp dụng hơn là quy trình “vòng mở”. Thay vì sử dụng lưu chất để vận hành tua bin, chính nước biển được làm bay hơi qua việc giảm áp suất để làm quay tua bin. Quy trình này tuy có hiệu suất chuyển đổi điện năng kém hơn quy trình “vòng kín” sử dụng lưu chất, nhưng lại có sản phẩm phụ là nước biển đã được khử muối trong quá trình bay hơi, có thể được sử dụng để canh tác, hoặc sản xuất nước uống.

Nguyên lý hoạt động của OTEC. Nguồn: Otecokinawa.com.

Ưu điểm của OTEC là khả năng cung cấp nguồn điện ổn định 24/7 không phụ thuộc nhiều vào thời tiết, khác với điện gió, hay điện mặt trời.

Ngoài ra, nước biển sâu được bơm lên sau khi dùng để làm mát tua bin có thể được tận dụng cho nhiều hoạt động kinh doanh khác.

Dự án thử nghiệm tại trấn Kumejima, Okinawa, Nhật Bản:

Trong hành trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu, Đại học Saga (Nhật Bản) đã nghiên cứu về năng lượng đại dương trong khoảng 50 năm nhằm tìm kiếm các nguồn thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Từ năm 2013, Đại học Saga đã hợp tác với thị trấn Kumejima và các công ty tư nhân để thực hiện dự án trình diễn OTEC tại đảo Kume, thị trấn Kumejima, tỉnh Okinawa.

Dự án thử nghiệm Kumejima là cơ sở đầu tiên trên thế giới thành công trong việc phát điện dài hạn sử dụng nước biển. Dự án này đã thu hút sự quan tâm toàn cầu, vì không chỉ chứng minh khả năng phát điện thành công, mà còn cho thấy tiềm năng tận dụng nước biển sâu cho nhiều mục đích công nghiệp khác.

Cơ sở thử nghiệm Kumejima. Nguồn: Văn phòng tỉnh Okinawa.

Dự án được đặt tại Trung tâm Nghiên cứu và Khu Công nghiệp Nước biển sâu, đảo Kume, cách đảo chính Okinawa khoảng 100 km về phía Tây. Đây là một địa điểm lý tưởng, vì điều kiện địa lý phù hợp cho OTEC và đã có sẵn cơ sở vật chất để khai thác nước biển sâu.

Vào thời điểm dự án được hình thành, tỉnh Okinawa có tỷ lệ tự cung tự cấp năng lượng khoảng 0,5% (rất thấp so với mức trung bình quốc gia của Nhật Bản là 4,8%) và phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu hóa thạch. Cùng với điều kiện địa lý chênh lệch nhiệt độ thuận lợi, đảo Kume đã được chọn cho dự án OTEC nhằm nỗ lực đa dạng hóa các nguồn năng lượng và tăng cường khả năng tự cung tự cấp.

Dự án Kumejima có công suất là 100 kW và đã cung cấp nguồn điện ổn định trong hơn 10 năm. Trung bình lưu lượng nước được bơm lên là 13.000 tấn/ngày (tương đương khoảng 540 tấn/giờ), với nước biển lạnh được bơm từ độ sâu 612 mét.

Tuy công suất phát điện chỉ chiếm một phần không đáng kể so với tổng tiêu thụ điện của cả hòn đảo, cơ sở Kumejima đặt ra mục tiêu công suất 1 MW vào năm 2026, chiếm 15% tổng tiêu thụ hàng năm.

Theo Hiệp hội Năng lượng Đại dương Nhật Bản (OEA-J): Chi phí phát điện thương mại của công nghệ OTEC là 20 yên/kWh (khoảng 3.300 VNĐ) với công suất đầu ra 10.000 kW và 10 yên/kWh (khoảng 1.700 VNĐ) với công suất đầu ra 100.000 kW, cao hơn chi phí phát nhiệt điện là khoảng 2.600 VNĐ/kWh.

Một lợi thế khác của OTEC là do nước biển sâu sau khi được sử dụng để sản xuất năng lượng vẫn giữ được nhiệt độ và chất khoáng, nên có thể được tận dụng trong nhiều lĩnh vực kinh doanh khác nhau. Nước biển sâu duy trì được nhiệt độ thấp ổn định quanh năm, có hàm lượng vi khuẩn thấp và giàu chất dinh dưỡng cùng các khoáng chất.

Đường ống vận chuyển nước biển lạnh. Nguồn: NHK World.

Chẳng hạn, do nhu cầu về rong nho tăng mạnh trong mùa du lịch vào hè của Okinawa mà việc nuôi trồng lại gặp khó khăn do nhiệt độ nước biển cao, việc sử dụng nước biển sâu lạnh giúp cho việc nuôi trồng có thể thực hiện được ngay cả trong mùa hè, đảm bảo nguồn cung ổn định quanh năm. Điều này đã hỗ trợ hòn đảo trở thành nhà sản xuất rong nho hàng đầu của Okinawa.

Rong nho được nuôi trồng bằng nước biển lạnh.

Ngoài ra, nước biển lạnh cũng được dùng cho mô hình nuôi trồng hàu hoàn toàn trên đất liền đầu tiên trên thế giới, nuôi trồng rong biển, làm mát đất bằng nước biển lạnh để trồng rau, sản xuất mỹ phẩm.

Theo Văn phòng Phát triển Dự án Thị trấn Kumejima: Các doanh nghiệp sử dụng nước biển sâu của Kumejima hiện đang đạt doanh thu khoảng 2,5 tỷ yên mỗi năm. Trong năm 2022, ngành công nghiệp mỹ phẩm chiếm khoảng 1 tỷ yên doanh thu. Các ngành công nghiệp phụ trợ này tổng cộng tạo ra khoảng 17 triệu USD mỗi năm và tạo ra khoảng 140 việc làm, giúp cắt giảm chi phí vận hành sản xuất điện OTEC.

Các ngành công nghiệp phụ trợ của OTEC. Nguồn: otecokinawa.com.

Là trường hợp đầu tiên trên thế giới thành công trong việc sản xuất điện dài hạn bằng nước biển, thị trấn Kumejima đã đón tiếp du khách từ 69 quốc gia (tính đến ngày 31/10/2023) trên khắp thế giới đến thăm quan dự án này.

Mục tiêu của Kumejima là đạt được khả năng tự chủ năng lượng vào năm 2040, sử dụng năng lượng tái tạo cho toàn bộ nhu cầu tiêu thụ năng lượng của hòn đảo. Đảo Kume có một tầm nhìn năng lượng, xem năng lượng mặt trời là nguồn điện chính, cùng với việc phát điện nền 24 giờ bằng công nghệ OTEC. Lượng điện hiện đang được tạo ra trong dự án trình diễn được sử dụng để vận hành cơ sở, nhưng đang có những tiến triển hướng tới việc thương mại hóa phát điện.

Năm 2022, Mitsui O.S.K. Lines, Ltd đã ký kết trở thành đối tác vận hành cho nhà máy trình diễn. Công ty có kế hoạch mở rộng nhà máy phát điện 100 kW hiện có thành nhà máy 1 MW vào năm 2026 (*). Văn phòng Phát triển Dự án Thị trấn Kumejima cho biết: Mô hình Kumejima hướng đến mục tiêu tạo ra một hòn đảo bền vững - nơi điện, nước và thực phẩm được sản xuất thông qua việc tận dụng nguồn tài nguyên nước biển sâu có sẵn tại địa phương. Dự án này được kỳ vọng không chỉ thành công trong giai đoạn thương mại hóa tại Kumejima, mà còn có khả năng mở rộng ra thị trường nước ngoài.

Ngoài ra, Đại học Saga còn thiết kế một nhà máy OTEC thử nghiệm đầu tiên tại Malaysia, đã bắt đầu hoạt động vào tháng 10/2024. Nhà máy OTEC được Chính phủ Nhật Bản hỗ trợ dưới dạng dự án SATREPS (Quan hệ đối tác nghiên cứu khoa học và công nghệ vì sự phát triển bền vững) có tên là: “Dự án phát triển công nghệ OTEC Hybrid tiên tiến cho xã hội Carbon thấp và hệ thống năng lượng bền vững: Nhà máy OTEC thử nghiệm đầu tiên của Malaysia (H-OTEC)”.

Mở rộng và phát triển công nghệ OTEC trong tương lai:

Mô hình Kumejima được Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) xem là một giải pháp tiềm năng cho các thách thức về năng lượng sạch và nguồn cung cấp nước, cũng như góp phần vào sự phát triển công nghiệp của các quốc đảo đang phát triển. Các cuộc khảo sát thực địa để giới thiệu mô hình này cho các quốc đảo khác đã được triển khai. Cuộc khảo sát thực địa đầu tiên cho một quốc đảo Thái Bình Dương đã được tiến hành vào tháng 5 năm 2023 tại Cộng hòa Palau.

Palau, giống với nhiều quốc đảo khác, phụ thuộc nhiều vào việc phát điện bằng diesel và đang tìm kiếm sự chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch, giá cả phải chăng. Quốc gia này phải đối mặt với sự thiếu hụt ngành công nghiệp quan trọng ngoài du lịch và sự phụ thuộc vào nước mưa để cung cấp nước, dẫn đến nguy cơ thiếu nước trong các đợt thiên tai. OTEC không những góp phần vào việc cung cấp nguồn điện ổn định, mà còn giúp tạo ra các ngành công nghiệp sử dụng nước biển sâu. Việc cung cấp hải sản tươi sống, rau xanh tại các khách sạn, nhà hàng có thể tăng giá trị của Palau như một điểm đến du lịch, thu hút nhiều du khách hơn. Hơn nữa, việc khử muối hiệu quả trong các đợt hạn hán có thể cung cấp nước uống giá cả phải chăng, góp phần vào an ninh quốc gia.

Vào năm 2015, Nhật Bản đã công bố hỗ trợ sử dụng chuyên môn và công nghệ về năng lượng tái tạo của mình để mang lại lợi ích cho các quốc đảo dễ bị tổn thương trước thiệt hại môi trường do biến đổi khí hậu. Điều này đã dẫn đến Sáng kiến Đảo Lai (Hybrid Islands Initiative) - một dự án do JICA thúc đẩy. Chương trình nhằm mục đích giới thiệu năng lượng tái tạo bên cạnh các nguồn năng lượng khác (chẳng hạn như diesel) hiện đang được nhiều quốc đảo sử dụng. Với việc giới thiệu Mô hình Kumejima và các sáng kiến khác, JICA tiếp tục tham gia vào các nỗ lực hợp tác nhằm giải quyết các vấn đề toàn cầu mà các quốc đảo đang phải đối mặt.

Với tiềm năng cung cấp năng lượng không bị ảnh hưởng bởi yếu tố thời gian, môi trường và thời tiết như điện gió, mặt trời, cùng với khả năng tạo ra các ngành công nghiệp phụ trợ từ nước biển sâu, Cơ sở Kumejima đã chứng minh rằng: Chuyển đổi nhiệt năng đại dương là một con đường khả thi, mở ra tương lai tự chủ năng lượng, phát triển bền vững cho các cộng đồng ven biển và hải đảo.

Hiện nay công nghệ OTEC vẫn trong quá trình thử nghiệm và vẫn chưa có nhiều dự án được triển khai, do yêu cầu phải có vị trí địa lý phù hợp, thuận lợi. Đồng thời, chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng phục vụ quá trình bơm nước biển cao do chi phí thiết bị cao và cần được thường xuyên bảo trì, sửa chữa, do dễ bị tổn hại trong môi trường nước biển. Việc thiếu dữ liệu quy mô thương mại do các dự án đều có quy mô nhỏ cùng với chi phí đầu tư lớn khiến việc đảm bảo nguồn đầu tư tư nhân cần thiết trở nên khó khăn. Hầu hết các dự án đã, đang vận hành thử nghiệm phải dựa vào nguồn vốn từ chính phủ.

Ý tưởng OTEC ngoài khơi. Nguồn: Offshore-energy.biz.

Trong tương lai, khi công nghệ OTEC được thương mại hóa, các dự án OTEC có thể phát triển dưới dạng nổi ngoài khơi. Các nhà máy nổi này có thể tiếp cận dễ dàng hơn ở vùng nước đại dương sâu với chênh lệch nhiệt độ cần thiết so với các nhà máy trên bờ./.

KỲ LÊ - CÔNG TY GIẢI PHÁP NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG TOÀN CẦU VIỆT NAM (VNGE)

Nguồn tổng hợp:

(*) [COP Special 1] Power and Industry: The Kumejima Model’s Potential to Revitalize Islands, https://www.jica.go.jp/english/information/topics/2023/20231117_01.html

[1] https://www.eia.gov/energyexplained/hydropower/ocean-thermal-energy-conversion.php

[2] http://otecokinawa.com/en/OTEC/WaterUses.html