Tổng Quan Công Nghệ Khai Thác Năng Lượng Thủy Triều Trên Thế Giới

Giải pháp ‘khai phá’ năng lượng gió, thủy triều, sóng biển ở Việt Nam Bài viết dưới đây đưa ra các nhận định về giới hạn kỹ thuật của các giải pháp khai thác năng lượng gió, thủy triều và sóng biển trên thế giới. Trên cơ sở đó, để định hình được vấn đề, giúp chúng ta dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu, hoặc tìm kiếm những giải pháp phù hợp nhất, để khai phá những tiềm năng về năng lượng tái tạo ở Việt Nam trong tương lai tới. (Bài viết thể hiện quan điểm riêng của tác giả).

Công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng thế năng:

Công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dưới dạng đập thủy triều là công nghệ truyền thống và lâu đời nhất. Dự án đầu tiên trên thế giới The La-Rance được xây dựng và đưa vào vận hành tại Pháp vào năm 1966 với công suất tổng công suất 240 MW gồm 24 tua bin, diện tích hồ chứa 22 km2, mức chênh triều trung bình 8,5m [1].

Tiếp theo, dự án Kislaya Guba được xây dựng và vận hành tại Nga vào năm 1968 với tổng công suất 1,7 MW gồm 1 tua bin duy nhất, diện tích hồ chứa 1,1 km2, mức chênh triều trung bình 2,3 m [2].

Vào năm 1980, dự án Jangxia được đưa vào vận hành tại Trung Quốc với tổng công suất 3,9 MW gồm 6 tua bin, diện tích hồ chứa 1,4 km2, mức chênh triều trung bình 5,1 m [3].

Sau đó, dự án Annapolis được xây dựng và vận hành tại Canada vào năm 1984 với tổng công suất 20 MW bao gồm 1 tua bin, diện tích hồ chứa 15 km2, mức chênh triều trung bình 6,4 m.

Dự án gần đây nhất và cũng là dự án điện thủy triều có công suất lớn nhất là Sihwa được xây dựng và vận hành tại Hàn Quốc vào năm 2011 với tổng công suất 254 MW gồm 10 tua bin, diện tích hồ chứa 56 km2, mức chênh triều trung bình là 5,6 m [4].

Ngoài ra còn một số dự án quy mô nhỏ khác như: Strangford Lough (Anh) - công suất 1,2 MW vận hành năm 2008; Udomok (Hàn Quốc) - công suất 1,5 MW, vận hành năm 2009; Eastern Scheldt (Hà Lan) - công suất 1,25 MW, vận hành năm 2015 [5].

Theo thống kế của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA), tổng công suất của các dự án sử dụng công nghệ đập thủy triều trên toàn thế giới tính đến cuối năm 2020 xấp xỉ 522 MW [6]. Một số dự án tiêu biểu khai thác năng lượng thủy triều dạng đập được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Một số dự án khai thác năng lượng thủy triều dạng đập tiêu biểu trên thế giới.

Ngoài các dự án đã đi vào vận hành nêu trên, các dự án đã được đề xuất và phát triển được liệt kê trong Bảng 1 dưới đây.

Bảng 1: Tình trạng một số dự án khai thác năng lượng thủy triều dạng thế năng trên thế giới:

Tên Dự án	Quốc gia	Công suất (MW)	Tình trạng	Mức chênh triều trung bình (m)	Diện tích hồ chứa (km2)
Incheon	Hàn Quốc	1320	Đang phát triển	5,3	110
Swansea	Anh	320	Tạm dừng	-	11,5
Severn	Anh	8640	Đã đề xuất	7,8	450
Mezen	Nga	19200	Đã đề xuất	9,1	2300
Penzhin	Nga	87000	Đã đề xuất	9	20530
Maluanwan	Trung Quốc	24	Đang phát triển	2,58	-
Bachimen	Trung Quốc	36	Đang phát triển	3,1	-
Jiantiaogang	Trung Quốc	21	Đang phát triển	2,63	-

Nguồn: [5].

Các hạn chế của việc khai thác năng lượng thủy triều dạng đập là tác động lớn tới môi trường (thay đổi chế độ dòng chảy tự nhiên); ảnh hưởng đến giao thông vận tải thủy; ảnh hưởng đến các hoạt động đánh bắt và nuôi trồng thủy - hải sản; mức độ sử dụng quỹ đất và mặt nước lớn. Do đó mà từ năm 2015 đến thời điểm hiện tại, chưa có thêm dự án khai thác năng lượng thủy triều dạng đập nào được xây dựng trên toàn thế giới. Các dự án đập thủy triều truyền thống với mức chênh triều trung bình lớn hơn 6 m hiện mới chỉ dừng lại ở giai đoạn đề xuất tại Anh và Nga. Tuy nhiên, có một số dự án khai thác năng lượng thủy triều cột nước thấp (mức chênh triều trung bình nhỏ hơn 4 m) đang được quan tâm phát triển tại Trung Quốc.

Công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng động năng:

Để khắc phục những hạn chế của công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng đập, ý tưởng khai thác năng lượng thủy triều dưới dạng dòng chảy đã được đề xuất vào năm 1981. Tuy nhiên, đến tận năm 2003 nhờ tận dụng thành tựu về phát triển công nghệ của điện gió, công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dưới dạng dòng chảy thủy triều mới được đầu tư nghiên cứu phát triển liên tục.

Theo khảo sát được thực hiện năm 2017 [7], trên thế giới có 75 công ty nghiên cứu phát triển công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng dòng chảy, tập trung chủ yếu ở châu Âu và Mỹ, môt số ít ở Úc, Canada và Trung Quốc. Trong số đó có 8 công nghệ đã đạt được mức sẵn sàng về công nghệ cao nhất TRL9 - mức sẵn sàng thử nghiệm ở quy mô thương mại và 34 đơn vị phát triển công nghệ đã đạt được mức TRL7 (mô hình công nghệ tỉ lệ thực được kiểm nghiệm trong điều kiện môi trường gần giống với thực tế). Các công nghệ này về cơ bản được phân loại thành:

1/ Công nghệ tua bin trục ngang (Hình 2a) tương tự như tua bin điện gió. Với công nghệ này, tua bin có thể được gắn trên thiết bị nổi, hoặc thiết bị cố định dưới đáy biển.

2/ Công nghệ tua bin trục đứng (Hình 2b). Với công nghệ này, tua bin cũng có thể được gắn trên thiết bị nổi, hoặc cố định dưới đáy biển.

3/ Công nghệ tua bin có tên quốc tế là “oscillating hydrofoil” - tạm dịch là “cánh nâng thủy lực” được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của cánh máy bay (Hình 2c). Loại công nghệ này được gắn cố định dưới đáy biển.

4/ Công nghệ tua bin dạng phễu có tên quốc tế là “ducted turbine” (Hình 2d). Công nghệ này có phần dẫn dòng vào tua bin, trong đó mặt cắt của phần dẫn dòng này thu hẹp dần từ bên ngoài vào đến vị trí đặt tua bin với mục đích khuếch đại vận tốc dòng chảy. Công nghệ tua bin này được gắn cố định với đáy biển.

5/ Công nghệ có tên quốc tế là “tidal kite” - tạm dịch là “công nghệ diều bay” (Hình 2e). Công nghệ này khai thác các tua bin công suất nhỏ và nhẹ được gắn trên thiết bị thiết kế như diều có khả tăng tự di chuyển trong môi trường dòng chảy thủy triều theo một quỹ đạo được thiết kế sẵn nhằm mục đích khuếch đại vận tốc tương đối của dòng chảy thủy triều so với tua bin.

6/ Ngoài ra, còn một số dạng công nghệ khác như “archimedes spiral” - tạm dịch là “tua bin xoắn ác-si-mét” (Hình 2f) và một số công nghệ khác ít phổ biến hơn đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển ở giai đoạn đầu (TRL1-3).

Hình 2. Các dạng công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng dòng chảy.

Công nghệ tua bin trục ngang phù hợp với các khu vực có độ sâu lớn từ 30 m trở lên và chỉ khai thác dòng chảy đơn hướng. Trong khi đó công nghệ tua bin trục đứng có thể phù hợp với cả các khu vực có độ sâu nhỏ hơn 10 m và có thể khai thác được dòng chảy đa hướng [7]. Với công nghệ cánh nâng thủy lực, nhà thiết kế có thể thay kích thước cánh nâng để phù hợp với các khu vực có chiều rộng kênh dòng chảy thủy triều thay đổi, trong khi công nghệ diều bay, công nghệ tua bin dạng phễu và công nghệ tua bin xoắn ác-si-mét được thiết kế để khai thác các khu vực có vận tốc dòng triều nhỏ hơn 1,5 m/s [7], [8].

Số lượng các nhà phát triển công nghệ thống kê theo quốc gia và số công nghệ đã đạt được mức độ sẵn sàng về công nghệ từ mức TRL7 trở lên được thể hiện trên Hình 3.

Theo số liệu thống kê của Trung tâm Năng lượng Biển châu Âu (EMEC), số lượng các công ty nghiên cứu phát triển công nghệ khai thác dạng năng lượng thủy triều trên toàn thế giới là 97 đơn vị tính đến tháng 3/2020 [9]. Tổng công suất lắp đặt thử nghiệm của công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng dòng chảy trên toàn thế giới tính đến cuối năm 2020 là 10,6 MW [6].

Cho đến đầu năm 2022, có hai công nghệ công bố kế hoạch tiến hành thử nghiệm ở quy mô thương mại. Công nghệ thứ nhất được phát triển bởi Orbital Marine Power với tua bin đường kính 20 m, công suất 1 MW bao gồm 2 tua bin được gắn trên thiết bị nổi (Hình 4a). Ngưỡng vận tốc dòng chảy để tua bin này đạt công suất thiết kế (rated velocity) là 3 m/s.

Công nghệ thứ hai được phát triển bởi hãng Nova Innovation với tua bin đường kính 8,5 m được gắn trên thiết bị cố định dưới đáy biển (Hình 4b). Ngưỡng vận tốc dòng chảy để tua bin này đạt công suất thiết kế là 2 m/s.

Hình 3. Các nhóm phát triển công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng dòng chảy trên thế giới. Nguồn [7].

Hình 4. Hai công nghệ công bố kế hoạch tiến hành thử nghiệm ở quy mô thương mại.

Công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng tích hợp:

Ngoài cách thức khai thác năng lượng thủy triều dạng thế năng (đập thủy triều) và động năng (dòng chảy thủy triều) nêu trên, một phương thức mới kết hợp giữa thế năng và động năng - có tên quốc tế là “Dynamic Tidal Power” gọi tắt là DTP hoặc “Tidal Fences” đã và đang được nghiên cứu phát triển trong những năm gần đây tại Trung Quốc, Hà Lan, Canada, Na-uy và Anh [8]. Công nghệ này có thể áp dụng phù hợp cho các khu vực biển hở và có biên độ dao động triều thấp bằng cách xây dựng các đập nhân tạo chữ T vuông góc với bờ biển, có chiều dài lên đến 20-30 km, hoặc đập nối giữa đất liền và đảo cách bờ trong phạm vi nêu trên. Trong thân đập được đặt các tua bin cột nước thấp trục ngang (DTP), hay trục đứng (Tidal Fences). Đập này vừa có chức năng khai thác năng lượng thủy triều vừa có chức năng kết nối giao thông (giữa đất liền với đảo), hoặc có chức năng kết hợp hạ tầng kết nối với các dự án/công trình ngoài khơi khác, hoặc kết hợp với chức năng bảo vệ bờ biển.

Hiện nay, dạng công nghệ này mới đang ở giai đoạn nghiên cứu phát triển về mặt lý thuyết và mô phỏng. Công nghệ này có ưu điểm là nếu có vị trí khai thác phù hợp (đảm bảo về môi trường, kỹ thuật) thì công suất khai thác lớn. Hình 5 thể hiện mô phỏng sự phân bố mức chênh triều tạo ra bởi công nghệ này và mặt cắt ngang giả định của thân đập.

Hình 5. Công nghệ khai thác năng lượng thủy triều tích hợp. (Nguồn: tidalpower.co.uk).

Xét về chi phí sản xuất điện, đối với công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng thế năng, [10] đã nghiên cứu cho 2 dự án đập thủy triều có công suất lớn nhất thế giới là La Rance (240 MW) và Sihwa Lake (254 MW) và chỉ ra rằng chi phí (LCOE) vào khoảng 0,02 - 0,04 USD/kWh. Tuy nhiên, đối với các dự án đập thủy triều cột nước thấp mà Trung Quốc đang nghiên cứu gần đây thì chi phí sẽ cao hơn do phải áp dụng công nghệ tua bin thế hệ mới cho cột nước thấp và hiệu quả khai thác không bằng các đập thủy triều truyền thống có cột nước cao.

Hiện chưa có công bố nào về chi phí cho dạng công nghệ khai thác thế năng thủy triều cột nước thấp.

Đối với công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng dòng chảy (động năng), Báo cáo của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) vào thời điểm năm 2020 tại chỉ ra rằng: Chi phí (LCOE) vào khoảng 0,2 - 0,45 USD/kWh. Chi phí này cao hơn chi phí điện gió ngoài khơi (0,089 USD/kWh đối với móng cố định; 0,16 USD/kWh đối với móng nổi). Tuy nhiên, thấp hơn so với chi phí điện sóng biển (0,3 - 0,55 USD/kWh) và tương đương với chi phí điện mặt trời nổi trên biển PV Solar (0,354 USD/kWh) [6].

Ngoài ra, theo dự báo của IRENA, chi phí khai thác năng lượng thủy triều dạng dòng chảy sẽ giảm xuống mức 0,11 USD/kWh khi tổng công suất lắp đặt trên toàn thế giới đạt mức 2 GW (với kịch bản phát triển trung bình) [6].

Đối với công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng tích hợp giữa thế năng và động năng, do chỉ đang ở trong giai đoạn nghiên cứu phát triển về mặt lý thuyết và mô phỏng (mức độ sẵn sàng về công nghệ dưới mức TRL 3) nên chưa có thông tin về chi phí sản xuất điện năng cho loại công nghệ này.

Trên đây là một số thông tin tổng quan về việc ứng dụng và nghiên cứu phát triển của các công nghệ khai thác năng lượng thủy triều từ năm 1966 đến thời điểm hiện nay trên thế giới mà Nhóm nghiên cứu điện thủy triều thuộc Trung tâm Đào tạo - Nghiên cứu và Phát triển (TR&D) trực thuộc Công ty Cổ phần Tư vấn và Xây dựng Điện 2 (PECC2) tham khảo, chắt lọc từ các báo cáo của các tổ chức chuyên ngành quốc tế như: Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA); Chương trình Hợp tác Công nghệ - Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA-OES); Trung tâm Năng lượng Biển châu Âu (EMEC) và các bài báo công bố quốc tế liên quan./.

TRẦN HỮU NGHỊ - TRUNG TÂM ĐÀO TẠO, NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN - PECC2

Tài liệu tham khảo:

[1]	H. R. Charlier, "Renewable and Sustainable Energy Reviews," pp. 2032-2057, 2007.
[2]	L. Bernshtein, "Kislaya Guba experimental tidal power plant and problem of the use of tidal energy," Tidal Power, pp. 215-238, 1972.
[3]	Q. Dai, "Technical Report," Oriental Motor, 2007.
[4]	H. Y. Bae, K. O. Kim and B. H. Choi, "Tidal Energy in Korea," Ocean Engineering, pp. 454-463, 2010.
[5]	M. S. Chowdhury, K. S. Rahman, V. Selvanathan and N. Nuthammachot, "Current trends and prospects of tidal energy technology," Environment, Development and Sustainability, vol. 23, pp. 8179-8194, 2021.
[6]	IRENA, "Offshore Renewables-An action agenda for deplyoment," G20-ITALIA, 2021.
[7]	A. K. Sleiti, "Tidal power technology review with potential applications in Gulf Stream," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 69, pp. 435-441, 2017.
[8]	IEA-OES, "Tidal current energy developments highlights," Technology Collaboration Programme, 2021.
[9]	"European Marine Energy Center," 03 2020. [Online]. Available: https://www.emec.org.uk/marine-energy/tidal-developers/. [Accessed 3 2022].
[10]	Z. J. Wang and Z. W. Wang, "A review on tidal power utilization and operation," 2019.
[11]	D. Magagna and A. Uihlein, "Ocean energy development in Europe: Current status and future perspectives," International Journal of Marine Energy, vol. 11, pp. 84-104, 2015.
[12]	A. Boretti, "Trends in tidal power development," 2020.
[13]	"2030 Ocean Energy Vision-Industry analysis of future deployments, costs and supply chains," OCEAN ENERGY EUROPE, 2020.
[14]	"Ocean Energy-Key trend and statistics 2020," Ocean Energy Europe (OEE), 2021.
[15]	D. Magagna and A. Uihlein, "Ocean energy development in Europe: Current status and future perspectives," International Journal of Marine Energy, vol. 11, pp. 84-104, 2015.
[16]	M. Quirapas and A. Taeihagh, "Ocean renewable energy development in Southeast Asia: Opportunities, risks and unintended consequences," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020.
[17]	L. Kilcher, M. Fogarty and M. Lawson, "Marine Energy in the United States: An Overview of Opportunities," NREL, 2021.